光信息检测处理实验(供学生)

光电检测与信息处理实验
实验一红外光源曲线标定实验
一、实验目的
1 通过实验使学生了解光源的原理和种类。

2 了解输出光的光功率和接收电压之间的关系。

二、基本原理
1、光源原理
本实验所用的光源为红外功率可调光源，主要由红外发光二极管构成；所用的接收器件是光敏二极管。

采用的发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长的选择，谱线较宽。

而半导体激光器在直流驱动下，发射光波长有一定分布，谱线具有明显的模式结构。

光敏二极管又称光电二极管，光敏二极管是基于光伏效应原理工作的光电器件。

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作用，电子漂移到n区，空穴漂移到p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，并且光电流和照度成线性关系。

2、红外光源曲线标定原理
红外光源的参数测试原理如图1-2所示，在发射端，将红外发光二极管LED接入到晶体三极管的集电极，通过改变可调电源输出电压的大小来调节三极管基极偏置电压来改变集电极电流I c 。

由于在电流较小时，P-I曲线的线性较好，所以可获得需求的辐射光功率；在接收端，将光电二极管电流转换成可用电压，用一个运算放大器作为电流--电压的转换电路。

这意味着反馈电阻必须非常大，而放大器的偏置电流必须极小。

三、实验仪器
1、光电检测与信息处理实验台（一套）
2、红外功率可调光源探头
3、红外接收探头
4、光电信息转换器件参数测试实验板
5、光学支架
6、万用表
7、导线若干
四、实验步骤
本实验根据红外发光二极管和光敏二极管的特性，对红外发光二极管发出的光功率进行测量。

由于光敏二极管的谱线宽，可见光会影响测量的结果，因此实验最好在暗室中进行。

1、按图1-1连接实验线路。

（1）把红外功率可调光源探头与红外接收探头位置固定好；
注：保证两者的精确对准，否则将影响光功率的测量。

（2）在光电信息转换器件参数测试实验板上的JP1的‘1’、‘2’加上跳帽，JP2的‘1’、‘2’加上跳帽。

将光电信息转换器件参数测试实验板插在光电检测与信息处理实验台的总线模块PLUG64－1、PLUG64－２、PLUG64－3的任意位置上。

（3）将总线模块上的+5V，-5V，AGND分别和模拟电源+5V，-5V，GND相连。

（4）用导线将红外功率可调光源探头的VCC与GND分别与实验箱上的模拟电源+5V 和AGND相连，Vin与实验箱的可变电源的+5V相连；
数字电源
模拟电源
图1-1 红外光源曲线标定连线图
图1-2 测试原理图
（4）用导线将红外接收探头的PIN1与总线模块上的22接线端相连，PIN2与24接线端相连；
（5）用万用表检查实验线路，保证线路连接准确无误后进入下一步。

（6）将一只万用表的正极接红外功率可调光源探头GND，负极接实验箱上的模拟电源AGND。

（该表用于测量电流，电流表选20毫安档）。

（7）将用于测量电压的万用表接到可调电源的输出电压两端，电压表选20伏档。

2、打开电源，调整可变电源的电压，使测量电压的万用表测量的读数分别达到实验数据记录中给定的目标电压，分别记下对应的电流表的读数。

将测量电压用的万用表的正极改接到总线模块中的40接线端，负极接模拟电源地，电压表选2000毫伏档，慢慢降低可调电源的输出电压，使电流表的示数分别为实验数据记录表中刚才读出的数值，然后读出和记录下电压表的读数。

3、在图1-3中用描点法将接收电压与发射光功率之间的关系绘制成曲线。

观察所绘曲线在0.6V-4.5V之内是否成线性关系。

五数据记录与处理
表一光源数据表格
图1-3光源的功率曲线
五、思考题
1、观察输入电压0.6V以下和4.6V以上的曲线，是否成线性关系？为什么？
2、通过测试结果分析P-I特性曲线的特点？
实验二光电池特性实验
一、实验目的：
1 通过实验掌握光电器件—光电池的工作原理及相关特性。

2 了解光电池特性曲线及其测试电路的设计。

二、基本原理：
1、光电池工作原理
光电池是根据光生伏特效应制成的，不需要加偏压就能把光能转换成电能的P—N结的光电器件。

当光照射到光电池的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。

2、光电池特性实验原理
本实验采用短路电流测量电路如图2-1所示，放大器选用OP07；OP07的6脚为输出电压；此电路对光电池而言，负载近似等于0，当有光照射时，光电池感应光照产生光电流I，由于放大器正常工作时正负两端虚短，所以其输出电压V0= -I*（R1+R2）。

并且光照越强，输出电压越大。

图2-1光电池特性测试原理图
三、实验仪器
1、光电检测与信息处理实验台（一套）
2、光电信息转换器件参数测试实验板
3、红外功率可调光源探头
4、光电池探头
5、光学支架
6、万用表
7、导线若干
四、实验步骤
（一）光电池开路电压测量
实验步骤：
1、用导线将红外功率可调光源探头的VCC与GND分别与实验箱上的模拟电源+5V和AGND相连，Vin与实验箱的可变电源的+5V相连，如图2-2所示。

2、将万用表的红、黑表笔分别和光电池探头的“PIN1”、“PIN2”相连，电压表量程选2000毫伏档；该表用于测量出光电池开路电压。

3、调节红外功率可调光源的输出电压，使线性光源的输入电压分别为表一中给定的目标电压值，（用一只万用表测可变电源输出电压值）。

4、读出光电池开路电压并将所测得的结果填入表格一。

5、在图2-3中绘出功发射功率―开路电压曲线。

PLUG64-3
数字电源
模拟电源
接收部分 红外功率可调光源部分
图2-2 光电池特性测试连线图
（二）光电池短路电流测量 实验步骤：
1、 连接实验线路。

（1） 用导线将红外功率可调光源探头的VCC 与GND 分别与实验箱上的模拟电源
+5V 和AGND 相连， Vin 与实验箱的可变电源的+5V 相连，
（2）将总线模块上的＋5V 、-5V 、AGND 分别与模拟电源的＋5V 、-5V 、AGND 接好；
(3) 把光电信息转换器件参数测试实验板插在光电检测与信息处理实验台的总线模块PLUG64－3位置上；
（4）将光电池探头的两个输出接线端PIN1，PIN2分别引出导线连接到实验台的总线模块的26（负极）和28（正极）接线端；
（5）用连接导线将总线模块的36接线端引出，作为光电池电压的输出V 0的测试点； （6）用万用表检查实验连接线路，保证线路连接准确无误后进入下一步。

2、打开电源，调节线性光源的输入电压值，使线性光源的输入电压分别为表二中给定的目标电压值（用一只万用表测可变电源输出电压值）， 从而改变光源的输出功率以对应不
同的功率值。

用万用表测试36接线端的光电池的输出电压值。

3、应用公式：I0= - V0/（R1+R2）求得短路电流。

（本实验中R1=R2=1M ）
4、将所测得的结果（输出电压）和通过公式求得的结果（短路电流）填入表格二，并在图2-3中绘出发射功率―短路电流曲线。

五、数据记录与处理
表一功率―开路电压数据表格
表二功率―短路电流数据表格
图2-3 开路电压短路电流特性曲线
六、思考题
1、对比光电池开路电压和短路电流的特性曲线的斜率得出什么结论?
实验三 热释电红外报警实验
一、实验目的
1 了解热释电红外传感器的工作原理及热释电效应。

2 了解热释电红外报警器的的电路设计方法和调试。

3 掌握热释电红外传感器的使用。

二、实验原理
1、热释电效应原理
当已极化的热电晶体薄片受到辐射热时候，薄片温度升高，极化强度s p 下降，表面电荷减少，相当于“释放”一部分电荷，所以起名叫热释电。

释放的电荷通过一系列的放大，转化成输出电压。

如果继续照射，晶体薄片的温度升高到Tc(居里温度)值时，自发极化突然消失。

不再释放电荷，输出信号为零, 热释电效应原理如图3-1所示。

因此，热释电探测器只能探测交流的斩波式的辐射（红外光辐射要有变化量）。

当面积为A 的热释电晶体受到调制加热，而使其温度T 发生微小变化时，就有热释电电流。

dt dT AP
i ，A 为面积，P 为热电体材料热释电系数，dt
dT
是温度的变化率。

2、热释电红外报警实验原理
热释电红外报警电路，由传感器、检测放大电路、比较输出电路、驱动延时电路、继电器等组成，实验原理图如图3-3所示。

传感器及放大滤波部分：D 为电压输入端，允许输入电压1-15V 。

S 为信号输出端，与后级电路连接。

G 为接地端。

因其输出形式为电压信号且非常微弱，故需要进行阻抗变换和信号放大。

R2作为热释电传感器的负载，通过C2耦合到前级放大器A1，A1的增益为27倍，且由C4，R6组成了滤波网络对采集信号进行放大滤波。

同理A2组成一个低通反馈放大器，增益150倍。

经此两极放大滤波后信号被放大到4000倍以上。

其中R1，C1为退耦
图3-1热释电效应
电路，R3，R5为偏置电路。

Ａ1输出后的信号经Ｃ5耦合到后级放大器A2，A2在静态输出时约为4.5V。

C3，C9为退耦电容。

比较输出部分：A3组成比较电路，当无报警信号输入时，其反向端电压大于同向端电压，比较器输出负电压，不能驱动后级电路产生报警信号，当有人入侵，有报警信号产生，比较器翻转输出正电压，驱动后级电路报警。

调节RP可使比较器同向端电压在2.5-4V之间变化，从而起到调节灵敏度的作用。

延时驱动部分：由T1，555I，T2组成驱动电路。

当A端有信号输入则C12将少量充电，若无再来脉冲则通过R17放电，若继续输入脉冲则使C12充电，当达到一定电压后使T1导通使555I的2脚为低电平，使555I组成的单稳态电路触发，使3脚输出为高电平。

从而使T2导通，使继电器吸合，控制报警器。

图3-2红外报警实验连线图
A
图3-3红外报警实验原理图
为确保报警的准确性，电路中还加入了延时电路，防止自己人未脱离报警区域，而产生
误报。

由555II组成，上电时，由C14充电至一定电压，使2、6脚仍为高电平，使3输出低电平，而使555I的4为低，使单稳态不能工作，而其到上电，有输入信号不报警的作用。

延时结束后555I才能正常工作。

延时时间取决于C14、R21。

调节R21可调节延时时间。

三、实验仪器
1、光电检测与信息处理实验台（一套）
2、热释电实验板
3、热释电探头
4、光学支架
5、万用表
6、导线若干
7、十芯扁平线
四、实验步骤
1、按图3-2连接实验线路。

（1）将热释电实验板插在光电检测与信息处理实验台总线模块上的PLUG64—1、PLUG64—2、PLUG64—3的任意位置；
（2）将热释电探头的PIR—D、PIR—S、GND端分别接到总线模块的38、40和GND 接线端子上；
（3）将总线模块上的+12V、-12V和AGND接线端子接到模拟电源模块的对应位置上；
（4）用连接导线将总线模块的32（比较器电路输出信号A），34（比较器同向端为基准电压），36（二级放大器输出信号）接线端子引出，作为测试点；
（5）用万用表检查实验线路保证线路连接准确无误后进入下一步。

2、打开电源，热释电实验板上的红灯会闪一下，表示上电。

经过10s的延时时间后，调节电位器R19，使得当用手靠近热释电，热释电工作，红灯亮；手离开时，热释电停止工作，红灯熄灭，蜂鸣器报警后停止。

3、数据记录，调解热释电实验板上的R P值，使总线插座的34接线端子（比较器同相端）在2.5V—4V范围内，可以提高热释电的灵敏度；测量总线插座的32接线端子的电压，并记录有信号和无信号时的电压值；测量总线插座的36接线端子的电压，并记录有信号和无信号时的电压值；测量555I 的2脚电压，并在表八中记录有信号和无信号时的电压值。

五数据记录与处理
表一热释电实验数据
五、思考题
上电后为什么要经过一段延时时间后，热释电方可以正常工作？。