光电传感与系统设计实验

光电传感及系统设计

实验讲义

靳龙编

张兴强审

湖北沌车工业学院

光电类传感器平安基本事项

传统电学类电磁传感器测量是探讨电流、电压、电阻、电容、电感、频率等电路参量和力

学量、光学量、热学量及其它电磁量之间关和技术的一门科学，是光电传感试验课的主要内容

之一。由于电磁测量具有仪器灵敏度高、测试范围宽、滞后小、响应快等优点，特殊适用于迅变

和动态过程的测试及记录。许多非电量都可以转化为电测，因而在现代生产、科学探讨中广泛

应用。

由于电磁测量系统较为困难，特殊是各种电源的带电操作，若测试过程稍有不慎，极易酿成

人身平安和设备事故。为此，做传统电学类电磁传感器时，必需先对常用的仪器有所了解，同

时必需严格遵守有关平安操作规程和制度，绝不行掉以轻心并留意以下事项：

1.按线路图从电源负极起先（正极在最终检查完线路后再连接）,以顺时针方向一层一层向外

扩展。或者先接主回路，再连接分回路.

2.接好线路后自己先检查一遍，然后必需由指导老师复查线路。

3.预置平安位置：检查电源电压旋钮和电流旋钮是否调在最低或最小位置，滑线变阻器滑

动端是否置于合适点，电阻箱是否已放到预估的阻值等。

4.接通电源，起先试验。

5.试验完毕，先关闭电源，经指导老师检查试验数据并签字后，再拆去线路，仪器按要求

归位放置.

光学类传感器平安基本事项

光纤是一门应用性极强的基础学科。在光学类光纤传感器试验中，试验者通过对光学仪器

的调整、对外界力、热、光、电等物理量甚至化学量通过光纤传输进而达到检测的视察和记

录，学习和驾驭光纤传感器的基本方法及基本学问。

光纤传感仪器是比较精密的仪器，其核心部分是它的光学元件，这些元件大部分是玻璃制

品，如光纤、棱镜、分划板等。它们的光学表面经过精细抛光，有些表面还镀有膜层，因此，成睑

时必需严格遵守以下操作规程：

1.光学元件易损，必需在详细了解仪器的运用方法和操作要求后才可以运用仪器。运用时

要耐性细致，动作要轻、慢、缓，不准强拉硬扳，严禁私自拆卸仪器。

2.轻拿、轻放，勿使仪器或光学元件受到冲击或振动，更要避开跌落到地面。光学元件运

用完毕，应立刻放回原处并加罩：长期不用的，应放回带有干燥剂的木箱内，防止沾染灰尘。

3.在暗室中应先熟悉各种仪器用具的安放位置.在黑暗环境下摸索仪瑞时，手应贴着桌面

缓慢移动，以免碰倒或带落仪器。

4.爱惜好光学元件的光学表面，不能用手触及光学表面。若发觉光学表面有灰尘，可用专

用软毛刷或镜头纸轻轻擦去，但不要加压擦拭，更不准用手帕、一般纸片、衣服等擦拭;假如光

学表面有汗渍、指纹等，用干净的脱脂棉花蘸上清洁的溶剂（酒精、乙醛等），轻轻地将污渍擦去

（镀膜面的处理应由试验室人员进行，学生不得触碰或擦拭镀膜面）。

5.运用激光光源时切不行直视激光束，以免灼伤眼睛.

6.对于光学仪器中机械部分应留意添加润滑剂，以保持各部分转动灵敏自如，平稳连续，

并留意防锈，以保持仪器外貌光滑美观。

目录

试验一光纤温度传感器................................................11

试验二光纤烟雾报警宿................................................19

试验三光电透过率测量系统设计试

专业O..o--OOO.OOO...oo-OO...OO..O....O..O.o...co.O.O.o-oo--0000000......24

试验四PSD位置传感器试验...........................................29

试验五CCD驱动电路和特性测试.......................................31

试验1光纤温度传感试验

【产品介绍】

通常按光纤在传感器中所起的作用，将光纤传感器分成功能型（称为传感型）和非功能

性（传光型，结构型）两大类。功能型光纤传感器大多数运用单模光纤，它在传感器中不仅

起传导光作用，而且有是传感器的敏感元件，但这类传感器在技术制造上难度较大，结构较为

困难，且调试困难.

传感型光纤传感器中，光纤木身同时起传光作用和传感作用。传感型光纤传感器也包含

强度调制型光纤传感器的基本原理，是待测物理量引起光纤中传输光强变更，通过检测光强I

的变更实现对待测物理量的测量。强度调制的特点是简洁，牢靠，经济。强度调制方式许多,

大体可分为：1反射式强度调制2投射式强度调制3吸取系数强度调制4折射率强度调制5

光模式强度调制。强度调制型光纤传感器的特点是结构简洁，牢靠。

目前，消防上的火灾报警有两种方式；1火灾前温度上升•通过对温度的探测来实现对

火灾的监控：2火灾前产生烟雾，通过对烟雾的探测来实现对火灾的监控。

光纤火灾报警传感系统中的光纤温度传感器通过对四周温度测量及记录，当环境温度到

达设定阈值时产生声光报警，光纤烟雾传感器对四周烟驾浓度测最，当环境烟雾浓度到达设

定阈值时产生声光报警。

该试验系统重点探讨光纤传感器的结构特点，原理，光路调整方法，光纤传感的制作及

电路设计，ARM单片机应用设计,工程布防等。

【相关参数】

1光源：高亮度LED直径5mm

2探测器：高灵敏度光敏二极管直径5mm

3光纤烟驾OFS-R型：直径工程封装，长度：2m

4光纤烟雾OFS-T型：直径l/2.2mm,工程封装，长度：2m

5光纤温度OFS型：直径1/2。mm,长度：2m,辨别率：0.1C

6液晶：2.8寸TFT高亮度显示

7键盘：PS/2外置键盘

8光纤卡架：25x25x18mm数量：2个

9电源：220VAe

10电源适配器：5V2A

II串口：RS232,9针

12USB接口：USB2.0

【外置键盘功能键介绍】

Num.

Lock1*一

789

HometPgUp十

456

•*-—

12~3~

EndIPgDn

Enter

。BackI°

InsSpaceDe)

图1键盘示意图

“enter”键数字存入键，及试验中输入读取物理量或参考值后，按下此键，数据被保存

（初始值及步进值除外）；

“/键删除键，删除输入值；

“+”键复原键，复原被删除的值；

“del”键修正键，删除输入数值的最终一位；

“火”键绘图键/测量精度验证键，输入数据结束后，按下此键系统自动在液晶显示屏

上画出相应的关系曲线;验证测量精度时按下此键，液晶显示屏上动画以及给出相应参考值

和电压数值；

“numlock“键初始值设定键，按下此键保存初始值（初始值不能为•（））

“尸键步进设置键，按下此键保存步进数值｛每次新试验前，确定把原来数字删除，

再重新设定步进值｝

【试验目的】

1驾驭对射式强度调制型光纤温度传感器工作原理及特性；

2驾驭温度对光纤温度传感器灵敏度的因素及解决方法

3纤温度传感器用于火灾报警的原理；

4了解双金属片的特性：

5光纤温度传感器的制作；

6光纤温度传感器测显温度的原理及方法；

7驾驭影响光纤温度传感器灵敏原理及方法

【试验内容】

1光路及机械组件组装调试试验；

2抗外界环境光干扰试验；

3温度变更（包括升温顺降温）及电压变更关系试验；

4变更增益大小后温度变更(包括升温顺降温)及电压变更关系试验；

5温度测量及对比试验及误差分析；

6火灾报警中报警温度阈值设定以及解除警报；

7设计试验若干：1光纤温度传感器探头和机械制图；2用万能板及面包板分别搭建光

源驱动电路，PD检测电路，调零挡路3光纤温度传感器探头的设计及制作；

【试验仪器】

1光纤火灾报警传感系统一台

2对射式强度调制型光纤温度传感器两根

3加热模块一套

4光纤温度传感器机械装置一套

5小键盘一套

6电源线一根

7串口线一根

8电源适配器一个

【试验原理】

传感探头结构

【测量原理】

当图2所示的加热模块通电后，被测温度的变更将引起双金属片的弯曲变形，通过遮光

片将其转化为直线位移，从而使得从输入光纤耦合到输口光纤的通光亮发生变更，即光强度

受到了调制。光通量的变更及遮光片的位移大小有关系，丁是通过光电检测到的电流大小也

发生相应的变更，再通过电流甚至电压的转换，使得测得的电压值为位移的变量，即V(y),

传感原理如图3所示，光强度调制曲线如图4所示

电压/V

遮光片

图3传感原理分析图图4光强度调制曲线图

对于多模光纤来说，其模端出射光场的场强分布由下式给出

(1)式中，Io—由光源耦合到输入光纤中的光强，①(x,y,z)—纤端光场中位置(x,y,

z)处光通量密度，6表征光纤折射率分布的相关函数对于阶跃型光纤，8=1,aO—

光纤纤芯半径，，一及光源种类及光源跟光纤耦合状况有关的调制参数，0c-

光纤最大出射角。

假如将同种光纤置于输入光纤纤端出射光场中作为探测接收器时,所接收到的光强可表

示为CC

I(x,y,z)JWN加

=exp[]ds(2)

上式z1

V—V?

w(s)=8a0[1+匕AOtgOc]

(3)

s—接受光面，即纤芯面。在纤端出射光场的远场区，为了便利起见，可用输入光纤端

面中心点处的光强来作为整个纤芯面上的平均光强。在这种近似下，得到在输入光纤端面所

探测到的光强公式为:

(4)

对「遮光式光强度调制光纤传感器来说。输出光纤接收到的透射光强值等「•图5中光纤

纤芯阴影部分所接收到的入射光强，于是有:

儿4>(&[0ds

(5)

式中，一aO<x,y<aO,x=

S—图2中光纤纤芯阴影部分面积。当输入光纤及输出光纤端面距离较近时，则在输入

光纤纤芯边界处,金丝有I(x,y,z)>>0,则上式可表示为：

I(y)=exp[]dxdy(6)

对于固定的z值，w(z)为一个常婀有

=2o(7)

从而得到：,oy

I(y)=2[1—erf(w(z))]⑻

式中erf(y)-误差函数，erf(y)=

可知，多模光纤的遮光式光强度调制特性曲线分布是重积分函数，难以手工计算.可运

JUMatlab工程计算绘图软件绘制调制特性曲线。

【留意事项】

1光纤卡架安装不行倾斜，保证输入光纤及输出光纤对准，接收光强最大。

2传感探头安装不行倾斜，保证遮光片面及光纤端表面垂直。

3试验中，不得用手下压传感探头.

4加热器，必需调整“偏压旋钮”将电压值在3500左右。

5在刚加热时，由于热传导不匀整导致温度上下漂移0。5℃„

6当没有完整采集一次试验数据时，必需重新起先试验。

7光纤传感器弯曲半径不得小于5cm以免损耗太大及折断.

8当温度超过报警阈值时，可以人工解除报警声音。

9第一次按下Numlock"起先加热，再按下此键停止加热.

【试验操作】

界面操作，光路及机械系统组装调试试验

1依据图2安装光纤传感器，把输入光纤，输出光线分别插入光纤火灾报警传感系统的

“光源”座孔和“PD”座孔上，另一端安装在光纤卡架上.

2依据图2安装传感探头，使遮光片面及光纤端面垂直，接上“5V”适配器。

3将USB接入试验仪，并将PS/2接入键盘。

4将两光纤间距离调至3mm左右，然后固定光纤。

5打开电源开关，进入试验系统液晶显示主界面，皮下数字键“1”进入光纤温度传感

器界面.

,庾19.9ct4Q1580

”E

0183

20.30182

120.80181

-♦-21.30180

21.80179

222.30178

……神心MB22.80177

23.30176

23.80175

24.301”

24.80173

25.3OS

25.8oin.

2M0170g

图5火灾报警中光纤温度传感器界面

6视察“电压显示”及“温度显示”

7关闭电源

抗外界环境光干扰试验

1重复试验I）中步骤1~5.

6用口光灯或其他光源照射温度传感器端面观测电层值显示的变更

7关闭电源

温度变更（包括升温顺降温）及电压变更关系试验

1重复试验1）中步骤1-5。

2调整“增益按钮”，将电压值调至3500左右。

7按下“Numlock”,即使温度传感器起先加热，同时观测“温度显示”和“电压显示”

的变更。

8当温度到达（室温+50）℃时左右（依据夏冬实际调整），再按一下“Numlock”使停止

加热同时观测“温度显示”和“电压显示”的变更直到温度复原为室温。

9依据以上数据完成下列表格

校I温度电压关系表

T(℃)

升温电源

（V）

降温电压

（V）

10依据表中数据在Excel绘制曲线。

11曲线分析，关闭电源。

变更增益大小后温度变更（包括升温顺降温）及电压变更关系试验

1重复试验1）中步骤1〜5

6通过调整增益旋钮变更增益大小

7重复3）中7~10

II对比试验30分析曲线，关闭电源

TFT液晶中温度曲线的动态显示试验

1重复3）中步骤I〜8

9按一下，，”键进入曲线绘制界面

10对比试验3）中曲线

11再按下键进入温度传感器动态显示界面

^58.4=”00899才

24.4Y50・82,&。。04501

00・0义:0E0•星••

图6火灾报警中光纤温度传感器动态显示界面

12关闭电源

精准验证明验

1重复试验5）中步骤1-12

13待温度复原为常温后按下加热键“Nunlock”键

14视察曲线变更，并且记录实际温度及显示温度的值

15待温度到达50℃左右时停止加热同样记录实际温度及显示温度的值

16对比实际温度及显水温度确定试验精度

17待温度复原常温后关闭电源

声光报警试验

1重复试验5）中1-12

13按下数字键盘设定报警温度值（假如输入有误，按Del键删除）

14按卜・加热键“Nwrlock”视察试验现象

15再按下加热键“Numlock”停止加热视察试验现象

16声光报警后，可按下蜂鸣器右侧开关解除报警声音，但报警灯还存在

17待温度复原常温时关闭电源。

【试验思索题】

1影响光纤温度传感器的温度响应速度因素有哪些？如何提高响应强度？

2光纤温度传感器及传统温度传感器相比，有何优点？

3光纤温度传感器主要损耗在哪里？接受什么光纤比较好？

4通过测量曲线分析,为何升温过程及降温曲线不重合？

5调整增益旋钮，V—T曲线有何变更？增益调剂多大合适？

6遮光片厚度，材质，颜色对试验数据测量有何影响？

7该试验系统如何应用于实际工程？假如应用到实际工程中，光纤温度传感器探头应当

做何种改进？

试验2光纤烟雾报警器

【试验目的】

1。驾驭R型光纤烟雾传感器原理及其特性

2o驾驭T型光纤烟雾传感器原理及其特性

3。驾驭R型光纤烟雾传感器推断烟雾有无以及推断烟雾浓度大小原理及方法。

4.驾驭T型光纤烟雾传感器推断烟雾有无以及推断烟雾浓度大小原理及方法。

5o驾驭光纤烟雾传感器灵敏度原理及方法

6。光纤烟雾传感器用于火灾报警

7。光纤烟雾传感器的制作

【试验内容】

1。界面调整，光路及机械系统组装调试试验

2o光纤烟雾传感器输出信号放大处理试验

3。抗外界环境干扰试验（不要扰动光纤）

4。R型光纤烟雾传感器原理及其特性试验

5.T型光纤烟雾传感器原理及其特性试验

6.R型光纤烟雾传感器推断烟雾有无以及推断烟雾浓度大小原理及方法试验.

7.T型光纤烟雾传感器推断烟雾有无以及推断烟雾浓度大小原理及方法试验。

8。光纤烟雾传感器电压比较值设定试验。

9.光纤报警中报警烟雾浓度阈值设定及解除试验。

【试验仪器】

1光纤火灾报警传感系统一台

2R型光纤烟雾传感器一根

3T型光纤烟雾传感器一根

4烟雾发生材料一套

5小键盘-一套

6电源线一根

7串口线一根

8电源适配器一个

【试验原理】

1反射式强度调制原理

R型光纤传感器是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用。光纤分为两部分,

即输入光纤和输出光纤，亦可称为发送光纤和接收光纤。

传感器的调制机理:输入光纤将光源的光射向被测物体表面，再从被测而反射到另一根

输出光纤中，其光强的大小随被测表面及光纤间的距离而变更。

图5-5其它形式反射式强度调制原理图

(a)传光束型；(b)双光纤型;(c)单光纤型

<a/2T(T=tg(sin—1NA))时，耦合进输出光纤的光功率为零；

d〉(a+2r)/2T时，输出光纤及虚像发出的光锥底端相交,其相交的截面积恒为近2,光

锥的底面积为7i(2dT)2,因此在这个范围内，传光系数为"/2dT)2;

a/2T<d〈(a+2r)/2T时，耦合到输出光纤的光通量由输入光纤的像发出的光锥底面及输出

光纤相重叠部分的面积所确定。(测量范围)

可移动反射器

IS13-N<•>住M区♦。不”中呷根妹

8尤Ml自同

<i»>F人无“gWZ尤

gat任即分0在a比6中

<<=>防介化Fiayp

图2不同反射位置光波的传输能量大小

输出光纤端面受光锥照射的表面所占的百分比为

⑴

被输出光纤接收的入Ix|率百分数为：

(

2)

(3)

2透射式强度调制

透射式光强调制光纤传感器的基本原理：将放射光纤及接收光纤对准，调制信号加在移

动的遮光板上，或干脆移动接收光纤，使接收光纤只能收到放射光纤发出的部分光，从而实

现光强调制。

田5“驯就爰潮刎

其他方法

遮光屏截断光路来实现透射式光强调制：接受了一个双透镜系统使入射光纤在出射光

纤上聚焦成像，遮光屏在垂直于两透镜之间的光传播方向上下移动。

【留意事项】

1.不能随意动摇各种元件，以免造成试验仪器不能E常工作。

2.光纤烟雾传感器的弯曲半径不得小于5cm,以免折断。

3。T型光纤传感器在调整灵敏度中，光纤断面不得碰在一起。

4o在运用过程中，出现任何异样必需首先关闭电源，以确保平安。

5.R型光纤传感器在调整灵敏度中，不能使光纤接触反射面。

6。产生烟雾时留意防火。

7。长时间不用，请拔下光纤，用酒精清洗端面，以免影响运用。

【试验操作】

1）界面调整，光路及机械系统组装调试试验

1.把T型光纤烟雾传感器的放射端、接收端分别插入试验仪上的光源座孔和探测器PD

坐孔上.

2o将PS/2接口结上键盘。

3.打开电源开关，进入主界面按下键盘上的数字'“2”进入光纤烟雾传感器界面。

4.变更2光纤端面间距，观测电压值的变更。

5o关闭电源。

6。更换R型光纤烟雾传感器，变更光纤端面至反射面距离，重复以上步骤。

2）光纤烟雾传感器输出信号放大处理试验

lo重复1）中1至三步骤。

4.调整增益旋钮观测TFT液晶电压值显示变更并分析.

5o关闭电源.

6.更换R型光纤烟雾传感器，重复以上步骤。

3）抗外界环境干扰试验

Io重复I）中1至3步骤

4o把光纤烟雾传感器从PD接口处拔下，用手捂着PD接口以及松开手，分别观测液

晶屏上电压值的变更，分析其缘由。

5.步骤4中，用其他光源照射PD端口并移走其他光源，分别观测液晶上电压显示有何变

更，分析其缘由.

6。在光纤烟雾传感器端面用其他光源照射并观测电压有什么变更。

7。关闭电源。

8.更换R型光纤烟雾传感器，重复以上试验.

4）光纤烟雾传感器推断有无烟雾及烟雾浓度试验

io重复试验1）中1至3

4.用烟雾喷向探头，观测读出电压变更并分析其缘由.

5o用淡烟和浓烟分别喷向探头，分别观测电压值读出变更及蜂鸣器的反应,并分析缘由。

6.关闭电源

7。更换R型光纤烟雾传感器，重复以上步骤。

5）光纤烟雾传感器电压比较值设定试验

1重复试验步骤1）中1至3

4按键盘上的“+“，"-"键调整光标的位置并显示相应的电压值。

5o调整好电压值在喷以烟雾观测试验现象。

6.关闭电源.

7.更换R型光纤烟雾传感器，重复以上步骤。

7）。光纤烟绻传感器灵敏度检测试验

1。重复6）中试验I至6步骤

7o分别用浓烟和淡烟喷向T型光纤烟雾传感器探头，记录电压大小及蜂鸣器反应，分

析灵敏度及烟雾浓度关系.

8。变更两光纤端面的间距，喷向相同浓度的烟雾，记录电压大小以及蜂鸣器的反应，分

析灵敏度及Z的大小关系。

9.调整增益在适当的位置.，重及步骤1至7.

1。.比较记录试验现象，得出光纤烟雾传感器灵敏度及哪些因素有关.

IK关闭电源

12.更换R型光纤烟雾传感器,重复以上步骤

8）火灾报警器中烟雾报警设置及解除报警试验

1.重复6）中I至6步骤

7设置报警烟雾浓度后，再次分别用浓烟及淡烟喷向T型光纤烟雾传感器探头，观测表示

烟雾浓度变更的曲线顶部是否在图14中箭头下方，同时观测声光报警响应（下次试验前，

记得把此按钮弹起）。

8.若想接触报警，按下蜂鸣器右侧按钮，可解除声光报警信号，但是光报警信号还存在,

直到烟雾消散，且动态曲线顶部在图14中箭头上方。

9.关闭电源。

10o更换R型光纤烟雾传感器，重复以上步骤。

【试验思索题】

LT型光纤烟雾传感器的次敏度确定于哪些因素？

2oR型光纤烟雾传感器的灵敏度确定于哪些因素？

3。为何调整增益按钮能变更灵敏度的大小？

4.还有哪些其他因素能变更光纤烟雾传感器灵敏度的大小？

5.实际工程中,T型和R型光纤传感器有何异同？

试验3光电透过率测量系统设计试验

【试验目的】

i.学习单通道干脆光电探测系统的设计方法

2.理解激光透过率测量的原理

3.设计激光透过率测量系统的各部分电路并调试

【试验仪器】

试验中运用仪器较多，主要有：半导体激光器,GDT-1型透射率检测试验装置,直流稳

压电源，函数发生器，示波器，台式数字万用表等。

【试验原理】

单通道干脆光电探测系统是光电系统中比较简洁的•种，是其他困难广电系统的基础。

透过率的测量是光学测量为一项重要内容，在物质结构分析、物体的化学性质、生物医学等

领域得到了广泛的应用。

一般状况下，辐射源的幅射要受到中介媒质（大气，光学系统元件等）的吸取，辐射等,

只有一部分辐射功率透过媒质，最终被探测器接受。当以平行辐射束在媒质中传播时，若媒

质有吸取，则在传播一段距离之后，在垂直于传播方向单位面积上的辐射能通量将削减。

试验证明，对于在匀整吸取媒质，假如不考虑散射时，被吸取的辐射能通量的相对值

目及通过的路程回成正比，即

国（1）

将上式从0到x积分,得到x处的辐射能通量

(2)

式中，因为吸取系数，是个有量纲的量，当x以米为单位时，□的单位是叵］;可为x=0

处的辐射功率。由式（2）可见，当辐射在媒质中传播Ld距离时，辐射能通量就衰减为原

来值得臼.

除去吸取外,散射也是辐射衰减缘由之一。设有一辐射能通量为目的平行辐射束，入射

到包含许多微粒质点的非匀整媒质上，由于媒质内微粒的散射而衰减的相对值日及通过

的距离回成正比，即:

目⑶

将上式从。到x积分，得到在x处的辐射能通量:

(4)

该式称为散射定律，式中3为在x=0处的辐射功率，目为散射系数，及吸取状况相像,

媒质散射也是辐射能通量按指数规律衰减。

假如传播媒质中同时存在吸取和散射,则辐射能通量为3的入射辐射在传播x距离之后,

透过的辐射能通量为：

(5)

上式称为比尔——朗伯定律。式中，NI为衰减系数。

激光透过媒质后的光强及透过前的光强的比值称为透过率。又称透射率或透射系数。如

前所述，其计算公式为：

日(6)

式中，目一透过率，回一透过后的光强，习一透过前的光强。

系统组成框图及说明

系统框图

本试验激光透过率测量系统接受单通道干脆测量系统，原理框图如下:

激积

介I—V滤

光光电分

质转换波

器传感器电

电路电

路

路

驱动与调

制电路

图1系统功能框图

由经过调制的激光器发出的确定波长的激光经过介质后衰减，光强减小，分别测量出激光

通过介质前后的光强，即可测出激光通过此介质的透过率.光电传感器将入射的光信号转变成电信

号，经信号处理电路，如I—V转换电路、滤波电路、积分电路，将沟通信号变成直流信号，该

直流信号的大小及入射到光电传感器上的光信号的强度成正比，通过测量该直流电流的大小即可

测量出激光通过介质的透过率。

各部分电路说明

驱动及调制电路：半导体激光器外接一个:12V的直流电源.调制信号可以用函数发生器

中的方波，方波信号频率可以变更。

本试验中，半导体激光器的调制频率接受1KHz。

光电传感I/V转换电路：光电传感器接受光电池，光电池输出为电流信号，后续电路接受集成

运算放大器CA3140构成I/V转换电路.如图2所示。其输出电压：

I--■（7）

带通滤波电路：本方案设计一个2阶压控电压源带通滤波器，要求中心频率f=lkh乙增益

3=2,品质因数Q=10,原理图如图3所示。

图3带通滤波电路

带通滤波器的性能参数:

（8）

（9）

（10）

积分电路：积分电路的作用是将输入的沟通信号变成直流信号，本试验接受专用真有效值

转换芯片AD536。AD536能够计算直流和沟通信号的真有效值，AD536的典型应用电路接受如

图4所示。

图4真有效值变更电路

经过AD536后输出的是直流信号，在确定范围内，直流信号的大小及入射到光电传感

器上的光信号的强度成正比.

【试验内容】

图5是激光透射率测量系统试验装置组成示意图:

图5透射率测量试验装置组成示意图

电源给半导体激光器供应直流电源，函数发生器供应调制信号。载物台上放置被测物体，

GDT-1型透射率检测试验箱包含I—V转换电路、滤波电路和积分电路，示波器用来视察调制电

路、I—V转换电路和滤波电路愉出的波形;台式数字万用表用来测量积分电路输出的电压。

试验步骤：

1、按图5连接好试验系统。接通半导体激光器直流稳压电源；

2、接通函数发生器电源开关，设置函数发生器为IKHz的方波，半导体激光器应输出一

束被调制了的激光。

3、调整好光路，使激光束正好可以入射到光电传感器l-.o

4、接通台式数字万用表的电源，用直流电压测量档测量积分电路输出的直流电压V。。

将标称透过率为0。90、0.79、0。50、0.32、0。10的五个标准样品依次置于载物台上，

调整好光路，分别登记五种状况下积分电路输出的直流电压。如下表1.

表1试验数据记录表

Vo

标准样品90%79%50%32%10%

电压(mV)

透过率

5、计算标准样品的透过率实测值，及标称透过率比较.

6、设计数据记录表，分别测量P0点、P1点的数据，并计算透过率。分析系统误差产

生的缘由，提出改进方法。

7、若将调制频率设i-成2KHz,系统应如何修改？

【思索题】

1.本试验中，半导体激光器的调制频率为什么接受IKHz?

2o试验中如何验证整个系统的正确性？

试验4PSD位置传感器试验

【试验目的】

1.了解PSD器件工作原理。

2.了解PSD器件对入射光强度变更的反应及光点大小对光生电流的影响。

【试验仪器】

PSD基座（器件已装在基座上）、固体激光器、反射体、PSD处理电路单元、电压表、示波

器

【试验原理】

PSD（positionsensitivedetector）是一种新型的横向光电入射光洲原点°

效应器件，当入射光点照在器件光敏面上时，激发光生载流

子而产生电流3,光生电流的大小及光点的大小无关，只和

光点在器件上的位置有关系。当光点位于器件中点（原点）

时.光生电流LrJ，依据这一原理,将PSD器件两极电

流日、目变换成电压信号后再进行差分运算即可知道光点

的位置。PSD器件工作原理见图（1）。

【试验内容】图1PSD光电位置敏感器件

原理图

1.通过基座上端圆形视察孔视察PSD器件及在基座

上的安装位置，连接好PSD器件及处理电路，开启仪器电源，输出端V。接电压表，此时因无光源

照射.PSD前聚焦透镜也无因光照射而形成的光点照射在PSD器件上,V。输出的为环境光的噪声

电压，试用一块遮光片将视察圆孔盖上，视察光噪声对输出电压的变更。

2.将激光器插头插入“激光电源''插口，激光器安装在基座圆孔中并固定.留意激光束照

射到反射面上时的状况，光束应及反射面垂直。旋转激光器角度，调整激光光点，（必要时也可

调整PSD前的透镜）使光点尽可能集中在器件上。

3.细致调整位移平台，用电压表视察输出电压V。的变更，当输出为零时，再分别测两路

信号电压输出端Voi、Vs的电压值，此时两个信号电压应是基本一样的。

4.从原点起先，位移平台分别向前和向后位移，因为PSD器件对光点位置的变更特殊敏

感，故每次螺旋测微仪旋转5格（,并将位移值（mm）及输出电压值（V。）记录列表，

作出V/X曲线，求出灵敏度S,S=AV/AXO依据曲线分析其线性。

5.在前几步的基础上调整位移平台前后位置，使光点在平台位移时均能照在PSD器件的

光敏面上，如位移范围不够则可将激光器在激光器座中的位置前后作些调整.

6.开启激光电源，记录下光点位移时V。端的最大输出值。

7.保持单元电路增益不变，将光源更换成激光教鞭或聚光小灯泡，记录下不同光源照射时

输出端的最大V。值。

8.调整PSD入射光聚焦透镜（或激光器调焦透镜），使光斑放大，依次重复步骤5、6,

视察输出电压的变更。

9.依据试验结果作巴PSD器件光电特性的定性结论。

【数据处理】

位移

电压

【留意事项】

试验中所用的固体激光器光点可调整，试验时请留意光束不要干脆照刺眼睛，否则有可能

对视力造成不行复原的损伤。每一支激光器的光点和光强都略有差异，所以对同一PSD器件，

光源不同时间生电流的大小也是不一样的。试验时背景光的影响也不行忽视，尤其是接受日光

灯照明时，或是仪器四周有物体移动造成光线反射发生变更时，都会造成PSD光生电流变更，

致使单元V0输出端电压产生跳变，这不是仪器的毛病。照试验时电压信号输出较小，则可调整

一下激光器照射角度，使输出达到最大。

试验5CCD驱动电路和特性测试

【试验目的】

I.驾驭彩色线阵CCD多功能试验仪的基本操作和功能；

2.驾驭用双踪迹示波器测二相线阵CCD驱动脉冲的频率、幅度、周期和各路驱动脉冲之

间相位关系的测量方法；

3.观测线阵CCD驱动脉冲的时序和相位关系，驾驭二相线阵CCD的基本工作原理.尤其是

复位脉冲在CCD输出电路中的作用;驾驭转移脉冲及驱动脉冲间的相位关系及电荷转移过程。

4。通过对典型线阵CCD在不同驱动频率和不同积分时间下的输出信号测量，进一步驾驭

线阵CCD的有关特性，加深对积分时间的意义的驾驭，以及驱动频率和枳分时间对CCD输出信

号的影响。理解线阵CCD器件的饱和效应。

【试验仪器】

1.双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台；

2.彩色线阵CCD多功能试验仪一台.

【试验内容】

一、彩色线阵CCD原理及驱动

准备内容

1。学习线阵CCD的基本工作原理（参考有关教材），阅读双踪迹示波器的运用说明书；

2.学习TCD2252D线阵CCD基本工作原理（参考附录）；

3.驾驭双踪迹示波器的基本操作；

4。依据线阵CCD的基本工作原理，观测转移脉冲SH及①k①」的相位关系，理解线阵

CCD的并行转移过程。观测中|、中2及曲及CP、SP、RS之间的相位关系，理解线阵CCD的

串行传输过程和复位脉冲RS的作用；

5.测量驱动频率不同档位下的①1、①2、RS的周期及频率，测量CCD行周期为以下试验

做准备。

试验步骤：

1.试验预备

1.1首先将示波器地线及试验仪上的地线连接好，接好示波器和试验仪的电源；

1。2打开示波器电源；

1。3打开试验仪的电源，视察仪器面板显示窗口，数字闪烁表示仪器初始化，闪烁结束

后显示为“000”字样，前两位表示积分时间档次值，共分为16档，显示数值范围由*00”~

“15”，数值越大表示积分时间越长。CCD的驱动频率分4档，显示数值范围“0”~“3”，数

值越大表示驱动频率越低。

2.驱动脉冲相位的测量

2。I将示波器CH1和CH2扫描线调整至适当位置，同步设置为CH1.比照“附录”中

TCD2252D的驱动波形进行下山的试验；

2.2用示波器CH1和CH2两个探头分别测量驱动频率①|、①2，观测①I、①2的相位关系,

测量图1中的电平值Vi及V2及上升时间t6和下降时间t7：

图13和①2波形

2。3用CHI探头测量转移脉冲SH,细致调整使之稳定（同步），并使SH脉冲宽度适当以

便于视察（将示波器的扫描频率调至2s档左右，便于视察比照）。用CH2探头分别观测驱动

脉冲中］、①2，这就是SH及中I、①2的相位关系；测量图2中的H、t2、t3、t4和t5；（视察的过

程中可以变更示波器的扫描频率）

2.4用CH1探头测量3信号，用CH2探头分别测量①2、RS、CP、SP信号，这就是3、中

2、RS、CP、SP信号之间的相位关系；（参考图2,视察的过程中可以变更示波器的扫描频率，

SP采样保持信号,RS复位信号,CP钳位信号）

2.5用CH1探头测量CP信号，CH2探头分别测量RS、SP,这就是CP及RS、SP信号之间

的相位美系；测量图2和图3中的目~t22；

2.6将以上所测的相位关系以及各个时序时间H〜t22及“附录”所示TCD2252D的驱动波

形相比照。

3.驱动频率和积分时间测量

3.1用示波器分别测量4档驱动频率下①八①2、RS信号的周期，计算出信号频率填入表

I；

3.2将试验仪的频率设置复原为“0”档，同时确认积分时间设置为“00”档。用CH1观测

办或中2信号，并用它作同步（将示波器扫描频率调至2ms左右，便于视察），用CH2观测SH

信号，视察两者的周期是否相同，记录SH信号周期.通过试验仪面板上的积分时间和驱动频率按钮

进行调整，并将不同驱动频率和积分时间下的SH信号周期填入下表2中。

图3时序关系图

表1驱动频率及周期

骚动频率项目3①2RS

周期（ps）

0档

频率(KHz)

周期（即）

1档

频率(KHz)

周期（冈

2档

频率(KHz)

周期（ps）

3档

频率(KHz)

表2积分时间的测量

驱动频率0档驱动频率1档驱助频率2档驱动频率3档

积分时间SH周期积分时间SH周期积分时间SH周期积分时间SH周期

（档）(ms)（档）(ms)（档）(ms)（档）(ms)

00000000

01010101

02020202

-•*O

14141414

15151515

4.CCD输出信号的测量

4.1将试验仪积分时恒设置复原为“00”档，驱动频率设置在“0