光电检测技术试验指引

光电检测技术实验实验指南长春工业大学计算机与信息技术实验中心徐军生宋宇前言《光电检测技术实验》是以CSY-998G光电传感器实验仪为基础的，可以满足《光电检测技术》课程的各项实验以及其他光电子技术的基础实验，并具有直观性、扩展性等特点。其特点在于：1、本门课程实验目前选用的实验内容大部份是光电基础实验。重点分析光敏器件及光电传感器的特性和应用场合。学生通过实验应了解各种光电特性，学会合理地选择传感器，掌握检测的原理和方法。2、实验集中了目前常用的光敏器件和光电传感器，采用了一体化设计，可适用不同专业的学生做实验。3、可用于学生进行毕业设计和课题制作。本实验指南目的是使学生熟悉使用实验装置和完成基本教学实验。学生在熟悉仪器后，还可根据不同专业要求通过主机提供的功能和各种光电传感器的特性开发其它实验项目。学生在实验过程中，要尊重客观实际，详尽地考察各种条件下得到的现象、数据，结合理论知识，认真分析和解释实验结果（不管结果正确与否），这样，不仅可以丰富实验内容，加深对理论的理解，并有利于对一些基本原理的探讨。实验的效果如何完全取决于学生认真、仔细、动手、动脑的程度，因此要求学生有高度的学习自觉性。本实验指南难免有错误之处，热切期望老师和同学们提出宝贵意见，不断完善。谢谢！长春工业大学计算机科学与工程学院计算机与信息技术基础实验室目录第一章光电传感器实验仪说明……………………………….2第二章实验指南………………………………………………………….3实验一光电基础知识实验………………………………………………….3实验二光敏电阻实验……………………………………………………….4实验三光敏二极管的特性实验…………………………………………….7实验四光敏三极管特性实验……………………………………………….8实验五光电池实验………………………………………………………….11实验六光电开关实验（透射式）………………………………………….13实验七红外反射式光电开关实验（反射光耦）……………………………13实验八热释电红外传感器实验………………………………………………14实验九光源及光调制解调实验………………………………………………15实验十激光定位实验（PSD位置传感器实验）…………………………………16实验十一光纤位移传感器实验…………………………………………………18实验十二CCD传感器实验…………………………………………………20光电检测技术实验指南-2-第一章光电传感器实验仪说明CSY-998G光电传感器实验仪主要有主机、传感器与器件、光源等部分组成一、主机：由大面板、小面板和顶板。供电电源AC220V，50Hz。额定功率200W。1、大面板：各类实验电路2、小面板：1）各种直流稳压电源和恒流源。0~15V连续可调直流稳压电源。0~5V连续可调直流稳压电源。±15V、+5V稳压电源。AC12V交流电源0~20mA连续可调恒流源2）显示表：电流表：DC20μA、200μA、20mA、200mA(量程四档切换)电压表：DC200mV、2V、20V（量程三档切换）光照度计：1-1999lx3、顶板顶板：由安装架、支架、滑轨等组成。二、传感器与器件光敏电阻（cds光敏电阻、额定功率：100mW、暗阻≥1MΩ、tr20mS、tf30mS、λp：580nm）光敏二极管（Vr：20v、ID＜0.1μA、IL：50μA、trtf：10nsλp：880nm）光敏三极管（VCEO：50v、ID＜0.1μA、IL：5mA、trtf：15nsλp：880nm)硅光电池（VOC：300mv、ID＜1×10-8μA、ISC：5μA、λ：300-1000nm、λp：880nm)反射式光耦（输入：IFM=20mA、VR=5V、VF=1.3V输出：VCEO=30V、ICEO=0.1μA、VCES=0.4V传输特性：CTR（%）=5、trtf：5us）红外热释电探头光照度计探头Y型光纤PSD位置传感器CCD测径系统（选配）光栅位移传感器（选配）普通白炽灯普通发光二极管红外发射二极管（VR：5V、VF：1.4V、IR：10uA、PO：2mw）半导体激光器（波长：635um、功率1-3mw）三、数据采集系统及软件四、实验仪器尺寸实验仪器台尺寸为：520×400×350（mm）。光电检测技术实验指南-3-第二章实验指南实验一光电基础知识实验光源和光的波长实验一、实验目的通过实验使学生对光源，光源分光原理、光的不同波长等基本概念有具体认识。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）光谱为连续光谱(白炽灯的另一个特性是做灯丝的钨有正阻特性，工作时的热电阻远大于冷态时的电阻，在灯的启动瞬时有较大的电流)。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单色性②方向性③相干性等﹚。三、需用器件与单元：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。合上主机的总电源开关。2．松开图1－1中光源或三棱镜的升降固定螺钉，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。如果光谱不清晰可轻微旋转光源罩（灯丝方向）和松开升降杆固定螺钉转动一个角度（光束方向）使光束对准三棱镜的工作面﹙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（旋下前端盖小孔），将激光源与主机激光电源相应连接﹙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？半导体激光器的发散角一般为5º～10º,你如何利用实验装置和直尺完成最简易的发散角测量实验方法。光电检测技术实验指南-4-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渡到自由状态，引起电导率的变化，这种现象称为光电导效应。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（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可调电流源旋钮，使照度计显示为100lx。光源罩遮光筒光敏元件三棱镜狭缝端盖(前端盖)涡轮涡杆棱镜座涡轮涡杆座升降固定螺钉升降固定螺钉V光敏元件性能实验-+VccR光敏元件A-+主机接主机　AC12v前端盖后端盖后端盖光电检测技术实验指南-5-就（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可调电源，使电压表显示5V（如调不到5V则Vcc改接0－15V可调电压源）。（4）在光敏电阻与光源之间用遮光筒连接，10秒钟后，读取电压表（量程为20V档）和电流表（量程为20mA档）的值分别为亮电压Ul和亮电流Il。（5）将0～20mA可调电流源的调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底，10秒钟后，读取电压表（量程为20V档）和电流表（量程为20µA档）的值分别为暗电压Ud和暗电流Id。（6）计算亮阻Rl=Ul/Il；和暗阻Rd=Ud/Id（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。如有兴趣可重复以上实验步骤做实验。2、光照特性测量当光敏电阻的工作电压（Vcc）为+5V时，光敏电阻的光电流随光照强度变化而变化，它们之间的关系是非线性的。改变光源电流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。表2—1光照度（LX）20406080100120140160180电流mAI(mA)光照度（lx）图2—3光敏电阻光照特性实验曲线光电检测技术实验指南-6-3、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，在给定光照强度为50lx、100lx、150lx时，图2－2改变光敏电阻的工作电压值∆U＝0.5v（由电压表监测），测得不同光照度下流过光敏电阻的电流值,将数据填入表2-2，并作不同照度下的三条伏安特性曲线。表2-2型号：G5528电压（U）00.511.522.533.544.55照度（lx）50电流（mA）100电流（mA）150电流（mA）4、光谱特性测量光敏电阻对不同波长的光，接收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。表2-3颜色波长(nm)光敏电阻型号GL-5528电流红630－760橙590－630黄560－590绿500－560青470－500I(mA)图2-4光敏电阻伏安特性VCC光电检测技术实验指南-7-蓝430－470紫380－430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，这是光敏电阻的缺点，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（注意接线孔的颜色相对应），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可调稳压电源的调节旋钮顺时针方向慢慢旋到底（5V），将0～20mA可调电流源的调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底，读取主机上电流表（20µA档）的值即为光敏二极管的暗电流。暗电流基本为0µA，一般光敏二极管小于0.1µA，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，换上光照度计探头。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，换上光敏二极管探头，读取电流表值，即为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照度lx51015……………….707580I（mA）光电检测技术实验指南-8-2、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。表3—2颜色波长(nm)光敏二极管型号2CU2B电流红630－760橙590－630黄560－590绿500－560青470－500蓝430－470紫380－430实验四光敏三极管特性实验一、实验目的：了解光敏三极管结构、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。lXI(mA)图3-1光敏二极管光照特特性实验特性光电检测技术实验指南-9-图4-1光敏三极管结构及等效电路光敏三