光电仪器实验指导书

实验一简单光控电路的设计及光电传感器技术参数的测定(设计性实验)[实验目的]1.掌握常规光功率计，光电探测器等光电仪器的使用。2.了解光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光耦的光电特性。3.掌握简单的光电控制电路的设计。[实验原理]光敏电阻：是一种当光照射到材料表面上被吸收后，在其中激发载流子，使材料导电性能发生变化的内光电效应器件，受光照后其阻值会减少。光敏二极管：是一种光生伏特器件，用高阻P型硅作为基片，然后在基片表面进行掺杂形成PN结。N区扩散得很浅为1um左右，而空间电荷区（即耗尽层）较宽，所以保证了大部分光子入射到耗层内。光子入射到耗层内被吸收而激发电子-空穴对，电子-空穴对在外加反向偏压VBB的作用下，空穴流向正极，形成了二极管的反向电流即光电流。光电流通过外加负载电阻后产生电压信号输出，在使用时一般加反向偏置，可以当光控开关管来使用。光敏三极管：是一种光生伏特器件，用高阻P性硅作为基片，然后在基片表面进行掺杂形成PN结。N区扩散得很浅为1um左右，而空间电荷区（即耗尽层）较宽，所以保证了大部分光子入射到耗层内。光子入射到耗层内被吸收而激发电子-空穴对，电子-空穴对在外加反向偏压VCB的作用下，空穴流向正极，形成了三极管的反向电流即光电流。光电流通过外加负载电阻后产生电压信号输出，可以当光控开关管来使用。光电耦合器：常用的三极管型光电耦合器原理图如图1.1所示，当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。图1.1三极管型光电耦合器原理图[实验仪器及配件]光敏电阻、面包板、光电二极管、光电三极管、普通电阻、发光二极管、普通三极管、开关、直流稳压电源、万用表、光功率计、光探头、光源、导线。[实验步骤]1光敏电阻光电特性实验原理图如图1.2所示，用万用表测出回路中的电流及光敏电阻两端的电压，计算出对应的阻值，同时用光功率计测出对应的当光强，然后改变光强，重复测量，得出光强与阻值的对应关系并画出关系曲线。2光敏二极管光电特性实验原理图也如图1.2所示，用万用表测出光敏二极管两端的电压，同时用光功率计测出对应的当光强，然后改变光强，重复测量，得出光强与光敏二极管两端输出电压的关系曲线。图1.2图1.33光敏三极管光电特性将第二步中的光敏二极管换成光敏三极管，同样测出光强与光敏三极管两端输出电压的关系曲线。4光电耦合器光电特性实验原理图如图1.3所示，改变输入电压，利用万用表测出输出与输入的电压关系。5.设计光控路灯电路分别利用光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管与普通电阻、三极管、发光二极管设计并实现一光控路灯电路。6.设计隔离传输门电路利用光电耦合器、普通电阻、开关设计并实现一隔离传输门电路[思考题]1.比较光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管用于设计光控电路时各有什么优缺点。2.光强与光敏电阻阻值的关系是什么关系？实验二．使用锁相放大器测量电阻阻值（验证性实验）[实验目的]1.了解锁相放大器的用途。2.了解锁相放大器的结构组成。3.掌握锁相放大器的基本操作方法。[实验原理]本实验想要对一种材料的电阻值进行测量，并且在测量的过程中不想造成电能的过分浪费。如果电阻阻值大约为0.1Ω，电流要求不得高于1μA，则需要一个100nV的电压加在电阻两端。有很多的噪声可能淹没了这么小的信号，市电中带来的50HZ的噪声信号可能比它的1000倍还要大，可能电路接头带要的压降就有100nV。故运用锁相放大器来进行测量。其测量原理如图1.1所示：使用正弦信号发生器产生一个峰值电压为1V频率为W的正弦信号作为参考信号，并通过一1MΩ的电阻使其提供1μA的电流，将此信号作为激励。图1.1测量原理将两个信号接入锁相放大器。1V交流参考信号被使用告诉锁相放大器被测信号的准确频率，这个参考信号被接入其中的锁相环电路中，锁相环有两个输出：cos()rwt和sin()rwt。测试样本信号cos()sVswt被加在高放大比的AC差分放大器输入端。差分放大器的输出与锁相环输出量相乘后通过两个相位检测单元PSD1与PSD2。相乘使得输入信号的频率成分发生了改变，因此两个相位检测单元的输出为：1cos()cos()1/2cos[()]1/2cos[()]srssrssrsVpsdVwtwtVwwtVwwt2cos()cos()1/2cos[()]1/2cos[()]srssrssrsVpsdVwtwtVwwtVwwt其中rsww项被低通滤波器滤除，只剩下rsww项，然后通过直流运放。由于低通滤波器能有总计100S的时间常数，锁相放大器能去除从参考信号中引入的大于0.0025HZ噪声信号。因为参考信号与被测信号同相，故PSD1的输出为最大相位而PSD2的输出为0，如果相位非零，1Vpsd为cos()，2Vpsd为sin()，则输出量为：221/2{(1)(2)}~sRVpsdVpsdV输出信号的相位为：1tan(2/1)VpsdVpsd因此，相位锁相放大器能通过幅值测量，能够测量出被测信号与参考信号之间的未知相位。[实验仪器]锁相放大器；示波器；信号发生器；电阻；若干导线。[实验步骤]1．连线实验中使用函数信号发生器给阻值分别为1MΩ和被测串连电阻提供电压，然后把两电阻的分压分别作为参考信号和测量信号送入锁相放大器，其连线图为图1.1。2.量程设置检查连线无误后，首先打开锁相放大器电源开关。把锁相放大器量设置为最大。然后打开函数信号发生器电源开关，把函数信号发生器的调制频率和电压分别设置为1kHz和1V。最后再改变锁相放大器的量程，在X读数盘的指针指到最大刻度2/3左右的位置时进行读数。3.读数计算锁相放大器的测量结果为测量信号的电压，它通过X表盘和Y表盘进行输出。其中Xout=U测cos(α-β)＋VOFST,Yout=U测sin(α-β)+VOFST;α和β分别为参考信号和测量信号的初相位,VOFST为偏移量（在本实验中近似为0）。因此U测＝(Xout2+Yout2)1/2。分别测量1k,5k频率下1V，0.8V，0.6V，0.4V，1.2V五个参考电压值的200Ω电阻的10组电压值（参考信号）。4.调节锁相放大器的设置查看Expand,相位控制按钮对读数的影响。5.数据处理利用万用表测量电阻阻值，与测量结果进行比较，分析误差原因。(注意：函数信号发生器提供的电压为峰－峰值，锁相放大器测量的电压为有效值)[思考题]1.锁相放大器有何用途。2.说明锁定放大器检测微弱信号的原理。实验二使用锁相放大器测量光通信传输信号（验证性实验）[实验目的]1、了解微弱光信号检测的仪器组成及性能。2、掌握光通信的基本原理。3、能够设计测量光路并完成测量。[实验原理]光电探测器输出信号非常弱小，直接用示波器无法测出其接收到的信号，特别是当有用光线较弱而环境干扰光较强时。故此实验在进行光的测量时，为了避免外来光线的干扰，需要在暗室里进行测量，这是一般的常识。但是，不管设置多么好的暗室，也不可能使外来的干扰光线化为零。另外，在用红外光谱仪测量时，周围的温度本身就成为外来的干扰光线。被外来干扰光线所掩埋的微弱光信号，如果使用锁相放大器进行辅助测量，就能够将外来干扰光线除去，也就是将噪声除去，而仅将目的信号检测出来。实验中我们使用光纤实验仪将一脉冲信号调制到半导体激光器上，通过一定距离传输后，利用光电探测器接收后通过锁相放大器测量接收到的信号，用此方法来研究传输距离、半导体激光器发射功率、传输信号频率与传输有效性的关系。其基本结构如图2.1所示：图2.1[实验仪器]锁相放大器；半导体激光器；光纤实验仪；光电探测器；调整架；实验导轨。[实验步骤]1、根据实验一中的内容对锁相放大器进行量程设置、通道选择及参数调整。2、设计测量光路及测量过程（画出连线框图），按设计进行连线及摆设光路。3、将光纤实验仪输出的脉信号接到锁相放大器的参考输入端，当参考信号；将光电探测器接到选择的锁相放大器测量通道上。4、调整半导体激光器的方向，保证探测器测量的都是光束中心的功率值。5、分别测量距离光源30cm，40cm，50cm，60cm，70cm，80cm处的光电探测器接收到的信号幅度、相位、频率。6、修改光纤实验仪上调制的脉冲频率，重复第5步。7、修改半导体激光器输出的激光功率，重复第5、6步。[思考题]1、在本实验中为什么需要使用锁相放大器？实验三OSM-400的操作实验（验证性实验）[实验目的]1.了解光谱仪的用途。2.了解光谱仪的结构组成。3.掌握光谱仪的操作方法。[实验原理]光谱仪是指利用折射和衍射产生色散的一类光谱测量仪器，典型的代表是用棱镜或光栅制成的摄谱仪和单色仪。光谱仪通常由入射狭缝、准直镜、色散元件、聚焦镜和谱线接收部分五个部分组成．图3.2表示光谱仪的这种构成情况。图3.2光谱仪可用于分析一光线中所包括的光谱，同时每种元素都产生自己特有的谱线。这些谱线都有固定的位置。例如，把含钠、钾、锂、锶等盐类混在一起，放在火焰中燃烧时，通过分光镜观察，可以看到黄、紫、红、蓝等不同颜色的谱线，也就是说，它们在不同的波长处出现。如果只把含钠的盐放在火焰上燃烧，则只在紫色的位置、或红色的位置、或蓝色的位置出现谱线。这些有意义的发现，奠定了一种新的化学分析方法，即光谱分析法。本实验分别进行：绝对测量、传输测量、反射测量绝对测量模式时在显示器上显示测量结果针对输入信号没有任何计算。传输测量是通过某一样品的部分光线与总光线（参考光谱）的关系。因此，执行传输测量时，必须要记录一个参考光谱。传输以后使用下式计算：T=Imess/Iref或%T=(Imess/Iref)*100Imess=测量光谱，Iref=参考光谱。反射测量的反射光来自参考光量在表面的反射部分光。因此，进行反射光测量时，必须先注册一个参考光谱。反射光用下式计算：R=Imess/IrefImess＝测量光谱，Iref＝参考光谱[实验仪器]光谱仪；半导体激光器；实验导轨；调整架；白板；玻璃盒；测量溶液。[实验步骤]1.绝对测量·选择绝对测量模式（Absolute）：·选择Options/Measure。·在下拉框中选择Type/Absolute。·点击Ok确认。2.传输测量·设计实验过程（如：固定玻璃容器）并连接光纤线缆到OSM-400上。·连接测量必要的光源到固定玻璃容器上。·先用一个空的玻璃器或是有参考溶液的玻璃器。·选择Measure／GetReference。做一个单次测量，显示测量光谱并保存结果为REF.SPC文件在非易失性内存中。·选择测量模式为Transmission或者％Transmission：·选择Options／Measure·选择Type／Transmission或％Transmission·按OK键确认·现在放入准备测量的样品至玻璃器中。·然后开始测量。3.反射测量·设置实验安排并连接光纤线缆到OSM-400上。·打开照亮样本光源。·从参考样本中选择一个参考光谱。这个参考样本应该是未经反射的光谱。·选择Measure／GetReference。做一个单次测量，显示测量光谱并保存结果为REF.SPC文件在非易失性内存中。·选择反射模式：·选择Options/Measure。·在下拉框中选择Type/Reflection。·用Ok来确认。·放入你想要测量的样品至测量区域。·进行读数测量。[思考题]1.光谱仪还有什么用途。2.说明光谱仪的测量原理。实验四使用光谱仪测量滤光镜的滤光特性及盐水对光的吸收特性（验证性实验）[实验目的][实验原理][实验仪器]光谱仪；半导体激光器；实验导轨；调整架；玻璃盒；测量溶液；测量滤光镜。[实验步骤]吸收测量吸收光是一个参考光量与被样品吸收的部分光的关系。因此，进行吸收光谱测量时，必须先注册一