光电检测实验指导书

光电检测实验指导书
东华理工大学
核工程技术学院
测控技术及仪器
实验一光源和光的波长实验
一、实验目的
通过实验是学生对光源，光源分光原理、光的不同波长等基础概念有具体认识。

二、基本原理
本实验中备有普通光源和激光光源。

普通光源（白炽灯）光谱为连续（白炽灯的另一个特性使做灯丝的钨有正阻特性，工作时的热点阻远大于冷态时的电阻，在灯的启动瞬间有较大的电流）光谱。

利用分光三棱镜后，可以提供红色，黄色，绿色，蓝色等多种波长的光辐射。

激光光源是半导体激光器，发射出波长为630纳米的红色光（激光特性：1。

单色光2。

方向性3。

相干性等）。

三、用器件与单元
主机、普通光源、分光装置（三棱镜）、半导体激光器。

四、实验步骤
1．根据图1-1进行组装和接线，用实验线将主机中AC12V交流电源输出与普通光源相连接。

合上主机的总开关。

2．松开1-1中光源或三棱镜的升降固定螺丝，调节高度使光束对准三棱镜，
转动三棱镜座使三棱镜毛面在后面，二个工作面（光面）的棱在前面。

然后调节涡杆角度使折射的投射面（狭缝端盖）上出现清晰的光谱。

如果不清晰可轻微旋转光源罩（灯丝方向）和松开升降杆固定螺丝转动一个角度（光束方向）使光束丢准三棱镜的工作面（要点：光束对准棱镜工作面、灯丝方向）。

3．关闭主机总电源开关。

将图1-1中的普通光源取下，换上半导体激光源，降级光源相应连接（注意颜色--极性）。

打开主机总电源开关，根据步骤2调节观察投射面现象（单色性）。

五、思考题
1．解释实验现象。

2．半导体激光器的特性有哪些？半导体激光器的发射角一般为5º～10º，你如何利用实验装置和直尺完成最简单的发散角测量实验方法。

图1-1分光实验
实验二光敏电阻实验
一、实验目的
了解光敏电阻的光照特性、光谱特性和伏安特性等基本特性。

二、基本原理
在光线的作用下，电子吸收光子的能量从键合状态过度到自由状态，引起电导率的变化，这种现象成为光电导效应。

光电导效应是半导体材料的一种体效应。

光照愈强，器件自身的电阻愈小。

基于这种效应的光电器件称光敏电阻。

光敏电阻无极性，其工作特性与入射光强、波长和外加电压有关。

三、需用器件与单元
主机、安装架、发光二极管光源、光敏电阻探头、光照度计及探头、分光装置。

四、实验步骤
1．亮电阻和暗电阻测量
1）图2－1是光敏电阻实验原理图
图2-1光敏器件实验原理图
2）按图2－2光照度实验安装接线。

将照度计探头与主机小面板上照度计显示表Vi口相连接。

将图2－2中的光敏元件的探头换成照度计探头。

打开主机电源，然后，顺时针慢慢调节0～20mA可调节电流源旋纽，使照度计显示为100Lx。

3）撤下照度计探头，换上光敏电阻探头及电路（图2-2）。

顺时针慢慢调节0~5V 可调节电源，使电压表显示5V（如调不到5V则Ｖcc改接0~15V可调节电压）。

图2-2 光敏元件性能实验接线图
4）在光敏电阻与电源之间用遮光筒连接，10秒钟后，读取电压表（量程为20V档）
的值分别为亮电压U
亮和亮电流I
亮。

5）将0～20mA可调节电流源的调节旋钮逆时针慢慢旋到底，10秒钟后，读取电压
表（量程为20V档）和电流表（量程为20uA档）的值分别为暗电压U
暗和暗电流I
暗。

6）根据以下公式，计算亮阻和暗阻
R亮＝U亮／I亮；R暗＝U暗／I暗
7）光敏电阻在不同的照度下有不同的亮阻和暗阻；在不同的工作电压下有不同的亮阻和暗阻。

2．光照特性测量
当光敏电阻的工作电压（Vcc）为+5V时，光敏电阻的电流随光照强度的变化而变化，它们之间的关系是非线性的。

改变光源电流的大小可得到不同的光照度值（实验方法同以上实验，照度计探头和光敏电阻探头交替使用），测得数据填入表2-1，并作出光电流与光照度I－Lx曲线图。

图2-3光敏电阻光照特性实验曲线
3．伏安特性测量
在一定的光照强度下，光敏电阻的光电流随外加电压的变化而变化，实验时，在给定的光照强度为50Lx、100Lx、150Lx、时，图2-2改变光敏电阻的工作电压值ΔU=0.5V （由电压表检测），测得不同光照条件下流过光敏电阻的电流值，将数据填入表2-2，并做不同照度下的三条伏安特性曲线。

图2-4光敏电阻伏安特性
4．光谱特性测量
光敏电阻对不同波长的光，接受的光灵敏度是不一样的，这就是光敏电阻的光谱特性。

实验时安装接线同图1-1（Vcc接主机5V电压源），光敏电阻前端盖换成狭缝端盖，旋动涡杆，观察对应各种颜色的光透过狭缝时的电流值并记录数据填入下表2-3。

五、思考题：
为什么测光敏电阻亮阻和暗阻要经过10秒钟后读数，这是光明电阻的缺点，只能应用于什么状态？
实验三光敏二极管的特性实验
一、实验目的
了解光敏二极管工作原理及光生伏特效应
二、基本原理：
当入射光子在本征半导体的p-n结及其附近产生电子-空穴对时，光生载流子受势垒区电场的作用，电子漂移到p区，空穴漂移到n区。

电子和空穴分别在n区和p区积累，两端便产生电动势，这称为光生伏特效应，简称光伏效应。

光敏二极管基于这一原理。

如果在外电路中把p-n短接，就产生反向的短路电流。

光照时反向电流会增加，并且光电流和照射强度成线性关系。

三、需用器件与单元：
主机、安装架、光敏二极管探头、光源、光照度计及探头、分光装置。

四、实验步骤：
1．光照特性的测试
根据图2-2安装接线（注意接线孔的位置相对应），测量光敏二极管的暗电流和亮电流。

1）暗电流测试：打开主机电源，将主机中的0~5V可调稳电源的调节的调节旋钮顺时针方向慢慢旋到底（5V），将0~2mA 可调电流源调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底，读取主机上电流表（20uA档）的值即位光敏二极管的暗电流。

暗电流基本为0uA，一般光敏二极管小于0.1uA，暗电流越小越好。

2）光电流测试：
a．关闭主机总电源，撤下光敏二极管探头，换上光照度针探头。

b．打开主机电源，顺时针方向慢慢地调节0~20mA 可调电流源（光源），使主机上照度计的读数为100Lx。

c．撤下照度计探头，读取电流表值，即位100Lx，一定工作电压5V下的光电流。

重复a、b、c实验步骤，把测量值填入表3-1，并作出一定工作电压时I-Lx曲线。

表3-1
图3-1 光敏二极管光照特性
2．光谱特性测试
实验方法与光敏电阻的光谱特性实验方法一样。

将数据填入表3-2。

实验四光敏二极管特性实验
一、实验目的
了解光敏二极管结构、性能和V-I特性。

二、基本原理
在光敏二极管的基础上，为了获得内增益，就利用晶体三极管的电流放大作用，用Ge或Si单晶体制造NPN或PNP型光敏三极管。

其结构使用电路及等效电路如图4-1所示
(a)光敏三极管结构(b)使用电路(c)等效电路
图4-1 光敏三极管结构及等效电路
光敏三极管可以等效一个光电二极管与另一个一般晶体管基极集电极并联：集电极-基极产生的电流，输入到共发三极管的基极在放大。

不同之处是，集电极电流（光电流）有集电结上产生的iΦ控制。

集电极起双重作用；把光信号变成电信号起光电二极管作用；使光电流再放大起一般三极管的集电结作用。

一般光敏三极管只引出E、C两个电极，体积小，光电特性是非线性的，广泛应用于光电自动控制作光源开关应用。

三、需用器件与单元
主机、光敏三极管、光源、照度计及探头、分光装置
四、实验步骤
1．光敏三极管伏安特性
光敏三极管在不同的照度下的伏安特性就象一般晶体在不同的基极电流输出特性
一样。

光敏三极管把光信号变成电信号。

1）将图2-2中的光敏元件换成光敏三极管，按图接线（注意接线孔颜色相对应），主机的电流表的量程在实验过程中需要进行切换，从μA到mA档，电压表的量程为20V 档。

2）首先缓慢调节0～20mA电流源（光源电压），使光源的光照度在某一照度值（2、4、6、8Lx），再调节主机0-5V电源改变光敏三极管的电压，测量光敏三极管的输出电流和电压。

填入表4-1～表4-4，并作出一定光照度下的光敏三极管的伏安特性曲线（可多做几组族线）
表4-1 在2Lx照度下
表4-2 在4Lx照度下
表4-3 在6Lx照度下
表4-4 在8Lx照度下
图4-2 光敏三极管伏安特性实验曲线
2．光敏三极管的光照特性测量
实验方法同实验三（参照实验三的1．光照特性的测试）。

将实验数据填入表4-5，并作出I-Lx特性曲线。

表4-5
图4-3 光敏三极管光照特性实验曲线
3．光敏三极管的响应波长（光谱特性）
光敏三极管的响应波长（光谱特性）的实验方法参照光敏电阻的光谱特性实验。

将数据列入表4－6，并作出光谱特性曲线。

表4－6
五、思考题
光敏二极管、光敏三极管的应用场合？
实验五光电池实验
一、实验目的
了解光电池的光照特性，熟悉其应用。

二、基本原理
光电池是根据光生伏特效应制成的，不需加偏压就能把光能转换成电能的p-n结的光电器件。

当光照射到光电池p-n结上时，便在p-n结两端产生电动势。

这种现象叫“光生伏特效应”，将光能转化为电能。

该效应与材料、光的强度、波长等有关。

三、需用器件与单元
主机，安装架，发光二极管光源，照度计及探头，硅光电池
四、实验步骤
1．光照特性（开路电压、短路电流）
1）光电池在不同的照度下，产生不同的光电流和光电动势。

它们之间的关系就是光照特性。

按图5-1安装接线（注意接线孔的颜色相对应），实验时，为了得到光电池的开路电压V oc和短路电流Is不能同时（同步）接入电压表和电流表，要错时（异步）接入电路来测量数据。

图5-1 硅光电池性能实验接线图
2）、打开主机总电源，测出照度为0 Lx、5 Lx、10 Lx……时测量得到的开路电压、短路电流数据（注意为得到开路电压和短路电流不能同时测量电压和电流）填入表5-1，并作出曲线图。

表5-1
图5-2 硅光电池开路电压短路电流实验
实验六光开关实验（透射式）
一、实验目的
了解透射式电开关组成原理及应用
二、基本原理
光电开关可以由一个发射管和一个接受管组成光耦或光断续器。

当发射管和接收管之间无遮挡时，接收管有光电流产生，一旦此光路中有物体阻挡时光电流中断，利用这种特性可制成光电开关来测速、计数、控制等。

三、需用器件与单元
主机、光耦、电机、示波器（自备）。

四、实验步骤
1．将主机的大面板上的光电转速与光电转速实验块相连接（插孔颜色相对），并且把VO输出与示波器相连。

引入5V电源到光电转速实验模块。

将0—12V电压源引到电机电源上。

2．开启主机电源，将0—12V电压源的调节旋钮慢慢的顺时针旋转，同时观察示波器的显示。

实验七热释电红外传感器实验
一、实验目的
了解热释电红外传感器的原理及性能
二、基本原理
热释电红外传感器的主要由滤光片、PZT热电元件、结型场效应管FET及电阻、二极管组成，其中滤光片的光谱特性决定了热释电传感器的工作范围。

本仪器所用的滤光片对5um以下的光具有高反射率，而对于人体发出的红外热源则有高穿透性，传感器接收道红外能量信号后实现了“热－电”的转变，就有电压信号输出。

三、需用器件与单元：
主机、红外热释电
四、实验步骤
1．按图片7-1接线；将红外热释电探头的三个插孔相应地连到实验模板热释电红外探头的输入端口上（红色接D、黄色接S、黑色接E）。

2．打开主机电源，手在红外热释电探头端面晃动时，探头有微弱的电压变化信号输出，经过级电压放大后，可以检测出较大的电压变化，再经电压比较器构成的开关电路，使指示灯点亮。

观察这个现象过程。

图7-1 红外热释电实验接线图
实验八光源及光调制解调实验
一、实验目的
了解光调制解调的原理。

二、基本原理
光束是一种电磁波，具有振幅、相位、强度和偏振等参量和良好的相干性。

如果能够应用某种物理方法改变光波的这些参数之一，使其按照调制信号（如数字信号）的归律变化，那么该光束就受到了调制，达到“运载”信息的目的。

实现光束调制的原理有振幅调制、频率调制、相位调制、强度调制、脉冲调制、脉冲编码调制。

从方法来说，即有电光调制、声光调制、磁光调制、直接调制等。

本实验用的是脉冲电光调制。

三、需用器件与单元
主机、红外发射管、光敏三极管
四、实验步骤
1．按照图8-1接线：在光脉冲调制实验中，将红外发射二极管探头的两个插孔与实验模板的发射的输入插孔相连，光敏三极管探头的两个插孔与光调制实验模板的接收输入口相连，再引入工作电源。

图8-1 光脉冲调制实验
2．打开主机电源，将两个探头（发射和接收探头）对准，可以看到实验模板上的输入脉冲指示和输出脉冲指示一起发亮。

如果两个探头中间被挡住或没有对准，不同时发光。

实验九激光定位实验
一、实验目的
了解PSD光电位置敏感器件的原理与其在激光定位中的应用。

二、基本原理
PSD为一具有PIN三层结构的平板半导体硅片。

其短面结构如图9-1所示，表面层P为感光面，在其两边各有一信号输入电极，底层的公共电极是用与加反偏电压。

当光点入射到PSD 表面时，由于横向电势的存在，产生光生电流I0，光生电流就就流向两个输出电极，从而在两个输出电极上分别得到光电流I1和I2，显然I0=I1+I2。

而I1和I2的分流关系则取决于入射光点到两个输出电极间的等效电阻。

假设PSD表面分流层的阻挡是均匀的，则PDS可简化为图9-2所示的电位器模具，其中R1、R2 为入射光点位置到两个输出电极间的等效电阻，显然R1、R2正于光点到两个输出电极的距离。

图9－1
图9－2
因为I1/ I2= R2/ R1=（L-X）/（L+X）
I0=I1+I2
所以可得I1= I0（L-X/2L）
I2= I0（L+X/2L）
X=（I2- I1/ I0）L
当入射光恒定的时候，I0恒定，则入射光点与PDS中间零位移点距离X与I2-I1成线性关系，与入射点光强无关。

根据这一线性特性，就可以从输出电压值知道激光点的位置，从而实现激光定位。

三、需用器件与单元
主机、半导体激光器、PSD传感器
四、实验步骤
1．按图9-3接线，PSD传感器上的与其他插孔颜色不一样的插孔接Vr，另外两个可以随意接。

在电路图中，V O1接Vi3、V o2接Vi5、V o4接小面板的电压表（量程选择20V）。

图9-3 激光定位实验接线图
2．开主机电源，转动测微头使激光光点在PSD上的位置从一端移向另一端。

此时电压变化可以在±5V（可以大于±5V）之间，若未达到此值，可调输出增益旋钮（Rw2）。

调节测微头，注意转动方向与位移关系，使激光光点在PSD的其中一端点上。

3．向转动测微头使光点向PSD另一端位移，每转动0.2mm记录一个数据填入10-1。

重复三次，取三次数据的平均值，作出电压与激光点的位移特性。

表9-1 激光点位移值与输出电压值
4．根据表9-1所列的数据，作出激光点位移与输出电压的函数关系：X=f(U)。

5．根据X=f(U)，计算X=2mm时，输出电压U的计算值。

转动测微头，使输出电压U的实际值等于输出电压U 的计算值。

读出此时的测微头的值X'。

计算相对误差δ=（X- X'）/X，此时激光定位的精度误差。

五、思考题
入射光点大小对测量有什么影响？使用在什么量程范围好？
光纤位移传感器
一、实验目的
了解光纤位移传感器的工作原理和性能
二、基本原理
本实验采用传光型光纤，它由两束光纤混合后组成Y型光纤，半圆分布即双D型一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接受光束。

两光束混合后的端部是工作断亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光传到端部出射后在经被测体反射回来，由另一束光纤接受光信号经光电转换器转换成电量，而光电转换器的大小与间距X有关，因此可以用于测量位移。

三、需用器件与单元
主机、Y型光纤传感器、光纤支架及紧固螺钉、测微头、反射面
四、实验步骤
1．根据10-1安装Y型光纤位移传感器，光纤二根尾纤分别插入实验模板上的光电变换座中。

其内部已和发光管D及光电转换管T相接。

图10-1 光纤传感器安装示意图
图10-2 光纤传感器位移实验接线图
2．按图10-2接线，将光纤实验电路输出端Ｖ01与主机的电压表相连。

3．合上主机电源开关，调节测微头使反射面与光纤传感器相连。

调节Rw1，使电压表（量程为20V）显示为零。

4．旋转测微头，反射面离开探头方向，每隔0.1mm读出数显表值，将其填入表10-1
表10-1 光纤位移传感器输出电压与位移数据
测量的时候要注意回程差，即不要小范围来回调节位移，最好顺着单方向调节位移。

5．根据上表，作光纤位移传感器的位移特性曲线，计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差
五、思考题
光纤位移传感器测位移时对被测物体的表面有什么要求？。