光电技术实验指南综述.docx
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光电技术实验指南综述
光电技术
实验指南
上实验课前务必仔细阅读本实验讲义
目录
前言……………………………………………………………………………………………2
目录……………………………………………………………………………………………3
第一章产品说明书…………………………………………………………………………4
第二章实验指南……………………………………………………………………………6
实验一光电基础知识实验…………………………………………………………………6
实验二光敏电阻实验……………………………………………………………………12
实验三光敏二极管的特性实验…………………………………………………………16
实验四光敏三极管特性实验……………………………………………………………20
实验五光开关实验（透射式）…………………………………………………………24
实验六红外线光电开关…………………………………………………………………26
实验七光电池实验……………………………………………………………………28
实验八热释电红外传感器实验…………………………………………………………31
实验九光源及光调制解调实验…………………………………………………………34
实验十PSD位置传感器实验……………………………………………………………37
第一章CSY2000G光电传感器实验仪说明
CSY2000G光电传感器实验仪主要有主机箱、传感器装置、实验模板、实验桌四大部分组成
（一）主机箱：
供电电源AC220V，50HZ。
额定功率200W。
1、有实验所需的电源、压力源
0-12V连续可调直流稳压电源。
0-5V连续可调直流稳压电源。
±15V、+12V、+5V稳压电源。
2、显示压力源：
气压量程4-20KPa（通过调节玻璃转子流量计、旋钮、气压输出大小可调）
电流表：
DC20μA-20mA（量程三档切换）
电压表：
DC200mV-20V（量程三档切换）
光功率计：
1999mW
光照度计：
1999Lx
频率/转速表：
f：
0-9999Hz、n：
0-9999r/min
计时器（秒表）：
9999S
气压表:
4-40KPa
3、温控仪：
PID位式调节仪：
0-2000C
（二）传感器装置
光学传感器由底座，升降支架、遮光筒、滑轨等组成，可卸式活动安装各种光电器件探头，光源等。
1、光敏器件及传感器
光敏电阻
光敏二极管
光敏三极管
红外光敏二极管（光接受）
硅光电池
反射式光耦（红外发射与红外光敏三极管组合）
红外线热释电探头
光照度计探头
光功率计探头
2、传感器
光纤传感器、（位移、压力、温度）
PSD位置传感器
线阵CCD测径系统（可选）
光栅位移传感器（可选）
3、光源
普通白炽灯、普通发光二极管、红外发射管、半导体激光管、各种滤色镜。
（三）实验模板
光电器件实验
（一）模板
光电器件实验
（二）模板
光电器件实验（光开关）模板
光电器件实验（光调制）模板
光电传感器转速测量实验模板
光纤传感器实验模板
PSD传感器实验模板
温度传感器
（四）实验桌
放置主机箱、实验模板、各种实验器件实验台尺寸为：
1600×800×740（mm）
第二章实验指南
实验一光电基础知识实验
实验目的
通过实验使学生对光源分光原理，辐射量与光度量、光的不同波长等基本概念有具体的认识。
第一部分光源和光波长实验
一、实验原理：
以电磁波形式或粒子（光子）形成传输的能量，它们可以用光学条件反射、成像或色散，这样能量传输及其传播过程称为光辐射。
为了对光辐射进行定量描述，存在着辐射单位和光度单位两套不同的体系，下表是常用的辐射度量和光度量之间的对应关系。
表
（一）、常用辐射度量和光度量之间的对应关系
辐射度量物理量
光度量
物理量名称
符号
定义成定义式
单位
物理量名称
符号
定义成定义式
单位
辐射能
Qe
J
光量
Qν
Qν=∫Qνdt
1ms
辐射通量
Φe
Φe=dΦe/dt
W
光通量
Φν
Φν=∫IνdΩ
1m
辐射出射度
Мe
Мe=dΦe/ds
W/m2
光出射度
Mν
Mν=dΦν/ds
1m/m2
辐射强度
Іe
Іe=dΦe/ds
w/sr
发光强度
Iν
基本量
cd
辐射亮度
Le
Le=dІe/（dscosө）
w/（m2sr）
（光）亮度
Lν
Iν=dIν/dscosө
cd/m2
辐射照度
Ee
Ee=dΦe/dA
w/m2
（光）照度
Eν
Eν=dΦν/dA
LX
在光度单位中，发光强度是基本单位，定义为一个光源发出频率为540×1012HZ的单色辐射。
若在一给定方向上的辐射光度为1/683（W/Sŗ），则该光源在该方向上的的发光强度为1cd（坎德拉）。
本实验中备有普通光源和激光光源两种，普通光源（探炽灯）的光谱为连续光谱。
利用滤色片或色片或通过分光镜后，可以提供红橙黄绿青蓝紫多种波长的光辐射。
激光光源是半导体激光器，发射的激光波长630-680纳米。
激光颜色为红色。
三棱镜的分光原理:
三棱镜的分光作用原理基于以下几点：
（1）、三棱镜表面对光线的折射作用。
三棱镜对不同波长的各色光具有不同的折射率。
因此当三棱镜中入射的光（白光为各种不同波长的复合光，从波长为400纳米（mm）紫光至760纳米的红光）则三棱镜对不同色光具有不同折射率。
各色光经折射后的折射角将不同。
因此通过三棱镜
出射时，各色光的偏角也随之不同。
所以，白光经过三棱镜折射以后将分解成各种色光并呈现出一片按序排列的颜色。
这种现象称为光的色散。
（2）、图1-1画出了三棱镜表面产生折射的情况。
如入射光（某一单色光）经三棱
镜AB进入玻璃介质后，光线产生一
偏角δ1该光束在B面出射时，又产生
一偏角δ2光线经二次折射后入射光与
出射光产生的偏角δ0=δ1+δ2
对三棱镜两个折射面AB导出折射定律为：
SinI1=nSinI1’SinI2’=nSinI2
利用两式相减，并根据α=I1’-I2，δ=δ1+δ2=I1-I2’+I2-I2’
经过具体运算得Sin1/2（α+δ）=n-Sinα/2*Cos（I1’+I2）/Cos1/2（I1+I2’）
由式可见，光线经棱镜折射后，产生的偏角是光线入射角I1。
棱镜折射角α和折射率n的函数，对于给定的三棱镜α和n为定值，因此随I1而变。
图1-2表示的光通过三棱镜时的色散现象，由于介质的折射率随波长的的变短而增大，尤其是短波部分，折射率增加的更快。
由图1-2可知红色的波长长，折射率小，产生较小的偏角，而紫色的波长短，折射率大，产生的偏角也大，这样的光经三棱镜折射后，形成一条按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序的连续光谱，本实验用于演示这一现象。
利用滤色片也可以从白光中获取单色光，常用滤色片有二类，一类是塑料片，它只能透射某一波长的光，而对其它波长具有吸收作用，对玻璃滤光片，玻璃片上镀某种颜色（例如红色）的薄膜，它利用光的频率效应。
则它对红色的光是干涉相长。
对其它颜色的光则干涉相消。
衡量滤色质量优劣的是色纯度。
2、实验器材：
CSY—2000G主机箱、普通光源、分光装置（三棱镜）、半导体激光器、滤色片、光照度计及探头。
3、实验步骤：
（1）根据图1-3将普通光源插进安装架上，把光源的两个插孔分别连接到主机箱的“0~12V”可调电压源上，调节“0~12V”的可调旋钮，可改变光源的亮度（调节电源0~12V必须从最低电压起始慢慢调到12V，否则冲击电流大，电源自动截止保护，要正常工作必须重新开机）。
（2）将光源升降杆的固定螺钉旋松，旋转光源180°后拧紧固定螺钉。
在光源的前方适当的位置安放分光三棱镜，旋转棱镜，观察投射出的连续的带状分光光谱（红~紫七色，如图1-3）。
图1-3光电实验装置示意图（白色光的光色散）
（3）关闭电源，旋下光源前盖，装上不同颜色的滤色片，观察不同波长（颜色）的光。
（4）把普通光源取下，换上半导体激光光源，连接5v电源（注意1.二极管保护；2光源注意极性），重复
（2）。
（5）
把分光装置对太阳观察太阳光，用一白纸作受光面。
从出射的受光面上观测带状光谱（如图1-4）。
图1-4太阳光的光色散
第二部分辐射度与光度学
1、基本原理：
光辐射的探测和计量,在辐射度单位和光度单位两套不同的体系。
辐射度单位适用于整个电磁波段。
光度学只适用于可见光波段。
本实验帮助学生理解两种概念体系的区别和联系。
2、实验器材：
CSY—2000G主机箱、普通光源（含遮光筒）、半导体激光光源、各种滤色片，光照度计探头
3、实验步骤：
（1）根据图1-5装置图将照度计探头代替光敏探头，把照度计探头的两个插孔与主机箱的光照度计两个插孔正负对应相连，再按下主机箱照度计的按纽（×1）。
打开主控箱电源，测量当前环境下的照度。
图1-5辐射度与光度学的接线示意图
（2）关闭主控箱电源，把普通光源的两个插孔与主控箱的0~12V的可调电源的两个插孔相连，逆时针调节可调电源旋钮到底。
把主机箱的电压表输入端（+、−）分别与0~12V的可调电源的+、−相连，监测可调电源的输出大小。
按表1-1慢慢旋转可调电源旋钮，按表1-1记录数据。
表1—1
输入电压（v）
2
3
4
5
6
7
光照度（Lx）
（3）关闭主机箱电源，取下实验装置的遮光筒，旋下普通光源的前盖，分别旋上不同颜色的滤光片，装上遮光筒，按上面的方法分别测量不同滤色片下的照度。
并作记录，把数据填入表1-2。
表1—2
滤色片颜色（λ）
红
橙
黄
绿
青
蓝
紫
光照度（Lx）
（4）在（3）中，用眼睛观察不同颜色光的亮度情况，感觉同一照度下不同颜色的光，感受一下眼睛对光颜色的敏感度。
（5）关闭主机箱电源，将普通光源撤下换上半导体激光器，将半导体激光器的两个插孔（+、−）分别与主机箱0~5V的可调电源的+、−相连。
开主机箱电源，同上面方法用照度计测量激光器发出的光的照度，作记录把数据填入表1-3。
表1—3
输入电压（v）
2.5V
3V
3.5V
4V
4.5V
5V
光照度（Lx）
（6）关闭主机箱电源，用光功率探头代替照度计探头，将光功率探头的两个插孔（+、−）分别与主机箱的光功率计输入端的+、−相连，打开主机箱电源，方法同上用光功率计测量激光器的光功率，并作记录，把数据填入表1-4。
表1—4
输入电压（v）
3
3.5
4
4.5
5
光功率（mw）
实验二光敏电阻实验
一、实验目的：
了解光敏电阻的光谱响应特征、光照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：
CSY—2000G主机箱、光源、滤色片、光电器件实验
（一）模板、cds光敏电阻、光照度探头。
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光敏电阻实验原理图
（2）按图2-1的光学系统装置图，安装好普通光源和光照度计探头及遮光筒，将主机箱的0~12V的可调电源与普通光源的两个插孔相连，将可调电源的调节旋钮逆时针方向慢慢调到底。
将照度计探头的两个插孔与主机箱照度计输入端“+”、“─”相应连接。
打开主机箱电源，顺时针方向慢慢增加0~12V可调电源，使主机箱照度计显示100LX（按下按钮×1）。
图2-2光敏电阻实验接线图
（3）撤下照度计连线及探头，换上光敏电阻。
将光敏电阻的一个插孔连到主机箱固定稳压电源+5V的“+”插孔上。
光敏电阻的另一个插孔连到主机箱电流表输入端的“+”插孔上，电流表输入端“─”插孔与+5V稳压电源的“┴”相连。
（4）在光敏电阻与光源之间用遮光筒连接后，10秒钟左右（可观察主机箱上的定时器）读取电流表（可选择电流表合适的档位20mA档）的值为亮电流I亮。
（5）将0~12V可调电源的调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底后，10秒钟左右读取电流表（20μA档）的值为暗电流I暗。
（6）根据以下公式，计算亮阻和暗阻（照度100LX、U测5V）
R亮=U测/I亮；R暗=U测/I暗
（7）光敏电阻在不同的照度下有不同的亮阻和暗阻；在不同的测量电压（U测）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
光敏电阻的测量电压（U测）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。
调节光源0~12V电压得到不同的光照度（测量方法同以上实验），测得数据填入表2—1，并作曲线图。
表2—1
强度（LX）
100
300
500
700
900
1100
1300
1500
电流mA
I
光照度（LX）
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，光电流随外加电压的变化而变化，测量时，在给定光照强度100LX时，光敏电阻输入0-5V可调电压，调节0-5V电压（由电压表监测），测得流过光敏电阻的电流,测得数据填入表2-2，并作不同照度的三条伏安特性曲线。
表2-2
型号：
MT5528
电压（U）
1.25
2
3
4
5
照
度
LX
100
电流（mA）
300
电流（mA）
500
电流（mA）
光电流
VCC
图2—4光敏电阻伏安特性
4、光谱特性测量
（1）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。
实验时线路接法同图2-2，在光路装置中先用照度计窗口对准遮光筒，然后撤下光源前盖,更换不同的滤光片，得到对应各种颜色的光。
作光谱特性时，需调节光源强度（调0—12V电压），得到相同的照度。
光敏电阻在某一固定工作电压下（+5V），在同一照度下（例如100LX），在不同波长（颜色）时测量流过光敏电阻的电流值，就可作出其光源特性曲线。
实验数据如下表所示：
表2-3
颜色
波长
（nm）
型号MT5528
100LX照度下的电流
红
650
橙
610
黄
570
绿
530
青
480
蓝
450
紫
400
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：
光敏二极管和光电池均是一种光伏探测器。
利用了Pn结的光伏效应，对光伏探测器总的伏安特性可表达为
i=iD-iφ=iso[exp（eu/kBT）-1]-iφ
式中i中是流过探测器总电流，iso二极管反向电流，e是电子电荷，u是探测器两端电压，kB为玻耳兹曼常数，T器件绝对温度。
光敏二极管的具有光生伏特效应，当入射光的强度发生变化，通过光敏二极管的电流随之变化，于是在光敏二极管的二端电压也发生变化。
光照时导通，光不照时，处于截止状态，并且光电流和照度成线性关系。
三、需用单元器件：
光敏器件实验
（一）模板、主机箱、光敏二极管、光源、光照度计探头、滤色片
四、实验步骤：
图3-2光敏二极管特性实验接线图
1、光照特性的测量
根据图3—2接线，测量光敏二极管的暗电流和亮电流。
（1）暗电流测试：
将主机箱中的0～12V可调稳压电源的调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底，打开主机箱电源，读取主机箱上电流表（20uA档）的值即为光敏二极管的暗电流。
（2）亮电流测试：
a.关闭主机箱电源，撤下光敏二极管，换上光照度计探头。
用连接线将照度计探头的两个插孔与主机箱上的照度计输入的两个插孔“＋”、“－”分别相应连接；照度计探头与光源之间用遮光筒连接。
b.打开主机箱电源，顺时针方向慢慢地调节0～12V可调电源（光源电压），使主机箱上照度计的读书为100LX。
c.撤下照度计探头，换上光敏二极管，读取电流表值，即为100LX，U测5V（光敏二极管工作电压）时的亮电流。
重复a、b、c实验步骤，把测量值填入表3-1，并作出曲线。
表3-1
照度LX
100
200
300
400
500
600
700
800
I亮（mA）
I（mA）
LX
图3-3光敏二极管光照实验特性
2、光谱特性测试
光谱特性测试用七种颜色的滤光片代替不同波长的光。
实验方法与亮电流测试方法基本一样，不同点就是拧下光源前盖，更换不同颜色的滤色镜，调节光源电压，在不同照度下，测得光电流，填入表3-2，并作出曲线。
表3—2
颜色（nm）
光电流I
照度LX
红
（650）
橙
（610）
黄
（570）
绿
（530）
青
（480）
蓝
（450）
紫
（400）
10
100
图3-4光敏二极管光谱实验特性
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应，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。
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电开关应用。
三、需用单元与器件：
光电器件实验
（一）模板、主机箱、光敏三极管、光源、光照度计探头
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管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）根据图3-2把光敏二极管换成光敏三极管，按图接线，将光敏三极管的两个插孔接到实验模板的光敏器件输入的插孔中，实验模板的电流表和电压表插孔分别与主机箱的电流表输入和电压表输入插孔分别相连接。
将实验模板上的Vcc插孔与主机箱的+5V电源相连。
（2）首先慢慢调节0～12V光源电压,使光源的光照度到某一照度（用照度计测量）,再调节光敏三极管的工作电压,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
表4—1在100lx照度下
U
（V）
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
I
（mA）
表4—2在500lx照度下
U
（V）
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
I
（mA）
表4—3在1000lx照度下
U
（V）
1.5`
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
I
（mA）
表4—4在1500lx照度下
U
（V）
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
I
（mA）
I（mA）
外加电压（V）
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
暗电流与亮电流测试实验方法同实验三（参照实验三）。
将实验数据填入表4-5，并作出光照特性曲线。
表4-5
照度LX
100
200
300
400
500
600
700
800
I亮（mA）
I（mA）
LX
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）
光敏三极管对不同波长的光，接收灵敏度光不一样的，它有一个峰值响应波长。
当入射光的波长大于峰值响应波长时，相对灵敏度要下降。
光子能量太小，不足以激发电子空穴对。
当入射光的波长小于峰值响应波长时，相对灵敏度也要下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。
实验时通过滤色片的得到不同波长的光，不同波长的光在相同的照度下，检测出对应的光敏三极管的电流大小，则得到不同波长的灵敏度。
光敏三极管响应波长（光谱特性）的实验方法同实验三光谱特性测量，参照实验三做实验。
将实验数据列入表4-6，并作出光谱特性曲线。
表4—6
颜色（nm）
光电流I
照度LX
红
（650）
橙
（610）
黄
（570）
绿
（530）
青
（480）
蓝
（450）
紫
（400）
10
100
图4-4光敏三极管光谱实验特性
实验五光开关实验（透射式）
一、实验目的：
了解透射式光电开关组成原理及应用。
二、基本原理：
光电开关可以由一个光发射管和一个接收管组成（光耦、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用来工业零件计数、控制等。
三、需用器件与单元：
光电实验装置、光电器件实验模块
（一）、普通发光二极管、光敏二极管、主机箱见图5-1光敏器件实验装置图。
四、实验步骤：
（1）根据图5-1接线：
将发光二极管两端接入实验模板光敏器件输入两端（注意极性），将实验模板上的电流表的两个插孔用线短接，再将光敏二极管（接收管）两端引入实验模块的光敏接收器件两端，再将实验模块上的VCC插孔与“⊥”插孔接到主机箱的+5V电源的相应插孔上。
（2）开启主机箱电源，用手或者其他物体挡住发光二极管与光敏二极管之间的光路，接收管接收不到光，实验模板上的发光二极管不点亮，当光路中无物体阻隔畅通时，实验模板上的发光二极管亮，由此形成了开关功能。
*利用这个开关功能，学员们可以自己组建计数系统实验。
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