光电技术创新实训平台实验指导书V10文档格式.docx
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实验一、光控开关设计实验
一、实验目的
1、了解和掌握光敏电阻光控开关应用原理
2、了解和掌握光控开关电路原理
二、实验内容
1、光敏电阻光控开关实验
2、设计性实验
三、实验仪器
1、光电创新实验仪主机箱
2、光控开关实验模块
3、连接线
4、万用表
四、实验原理
1、光敏电阻的结构与工作原理
光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。
光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。
无光照时,光敏电阻值（暗电阻很大,电路中电流（暗电流很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻急剧减小,电路中电流迅速增大。
一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。
实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级,亮电阻值在几千欧以下。
光敏电阻的结构很简单,下图（a为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。
在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质,称为光导层。
半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。
为了防止周围介质的影响,在半?
?
?
（a（b（c
导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。
为了提高灵敏度,光敏电阻的电极一般采用梳状图案,如图（b所示。
图（c为光敏电阻的接线图。
2、本实验通过改变照射到光敏电阻上光强大小来控制继电器的开关状态,从而控制发光二极管指示灯的亮和灭。
五、注意事项
1、不得扳动面板上面元器件,以免造成电路损坏,导致实验仪不能正常工作。
2、金色测试钩说明:
Vlm为比较器输入电压测试点、Vyz为阈值电压测试点。
六、实验步骤
1、光敏电阻输出端金色插座对应接到“IN”端金色插座,“OUT”端对应接到继电器正负端。
2、打开电源开关,用万用表测量Vlm端电压,用手遮挡光敏电阻,分别记下明、暗时Vlm电压。
3、调节阈值电压使Vyz值在明暗电压值之间。
4、用手遮挡光敏电阻,观察指示灯指示状况。
七、设计性实验
光控开关原理图如下,IN1和CON1为光敏电阻输入端。
U8为运算放大器,型号为OP07,此运算放大器构成比较器电路。
当3脚电压高于2脚电压时输出高电平,三极管Q4截止继电器不吸合,发光二极管不发光。
反之2脚输出低电平,三极管Q4导通,继电器得电导通,发光二极管发光。
八、思考题
分析光敏电阻应用场合。
实验二、光控灯设计实验
1、了解和掌握光敏电阻光控灯应用原理
2、了解和掌握光敏电阻光控灯电路原理
1、光敏电阻光控灯实验
2、光敏电阻光控灯设计性实验
2、光控灯实验模块
2、本实验通过改变照射到光敏电阻上光强大小来控制LED发光强弱。
1、光敏电阻输出端金色插座对应接到“IN”端金色插座。
2、打开电源开关,用手遮挡光敏电阻,观察指示LED明暗变化。
3、调节可调电阻W1,观察指示LED明暗变化。
下图为光敏电阻光控等电路原理图。
该电路为恒流控制电流,在某一固定状态,LED驱动电流恒定不变,从而使LED输出光功率恒定。
恒流控制原理如下:
假设某一瞬间LED电流增加,则R44上压降增大,U4通向输入端电压增大,U4输出增大,U5反向输入端增大,U5输出则减小,Q1基极电流减小,从而LED驱动电流也减小,保证了LED电流的恒定。
反之分析原理亦同。
1、分析光控灯应用场合。
2、查找资料,设计光利用敏电阻控制220V灯原理图。
实验三、光照度计设计实验
1、了解和掌握光电池在光照度计上的应用原理
2、了解和掌握光照度计结构原理
3、了解和掌握光照度计电路设计原理
1、光照度计测量光照度实验
2、光照度计设计实性验
2、光照度计&
光功率计设计模块
3、照度计探头
4、连接线
光照度是光度计量的主要参数之一,而光度计量是光学计量最基本的部分。
光度量是限于人眼能够见到的一部分辐射量,是通过人眼的视觉效果去衡量的,人眼的视觉效果对各种波长是不同的,通常用V（λ表示,定义为人眼视觉函数或光谱光视效率。
因此,光照度不是一个纯粹的物理量,而是一个与人眼视觉有关的生理、心理物理量。
光照度是单位面积上接收的光通量,因而可以导出:
由一个发光强度I的点光源,在相距L处的平面上产生的光照度与这个光源的发光强度成正比,与距离的平方成反比,即:
2
/L
I
E=
式中:
E——光照度,单位为Lx;
I——光源发光强度,单位为cd;
L——距离,单位为m。
光照度计是用来测量照度的仪器,它的结构原理如下图所示:
图3-1
图中D为光探测器,图3-2为典型的硅光探测器的相对光谱响应曲线;
C为余弦校正器,在光照度测量中,被测面上的光不可能都来自垂直方向,因此照度计必须进行余弦修正,使光探测器不同角度上的光度响应满足余弦关系。
余弦校正器使用的是一种漫透射材料,当入射光不论以什么角度射在漫透射材料上时,光探测器接收到的始终是漫射光。
余弦校正器的透光性要好;
F为V（λ校正器,在光照度测量中,除了希望光探测器有较高的灵敏度、较低的噪声、较宽的线性范围和较快的响应时间等外,还要求相对光谱响应符合视觉函数V（λ,而通常光探测器的光谱响应度与之相差甚远,因此需要进行V（λ匹配。
匹配基
本上都是通过给光探测器加适当的滤光片（V（λ滤光片来实现的,满足条件的滤光片往往需要不同型号和厚度的几片颜色玻璃组合来实现匹配。
当D接收到通过C和F的光辐射时,所产生的光电信号,首先经过I/V变换,然后经过运算放大器A放大,最后在显示器上
显示出相应的信号定标后就是照度值。
图3-2硅光电探测器光谱特性曲线
图3-3光谱视觉曲线
照度测量的误差因素
1照度计相对光谱响应度与V（λ的偏离引起的误差。
2接收器线性:
也就是说接收器的响应度在整个指定输出范围内为常数。
3疲劳特性:
疲劳是照度计在恒定的工作条件下,由投射照度引起的响应度可逆的暂时的变化。
4照度计的方向性响应。
5由于量程改变产生的误差:
这个误差是照度计的开关从一个量程变到邻近量程所产生的系统误差。
6温度依赖性:
温度依赖性是用环境温度对照度头绝对响应度和相对光谱响应度的影响来表征。
7偏振依赖性:
照度计的输出信号还依赖于光源的偏振状态。
8照度头接收面受非均匀照明的影响。
2、说明:
输入“+”“-”为探头输入端、输出“+”“-”为照度计输出电压测试点。
X1、X10、X100开关为放大倍数切换开关。
1、照度计探头红黑插座对应接到实验模块上输入端“+”“-”。
2、万用表红黑表笔对应接到实验模块上输出端“+”“-”。
3、放大倍数切换开关拨至X1挡,向上拨。
4、打开电源开关,观察万用表指示数值。
5、改变不同光照度和放大倍数,观察万用表指示数值变化。
6、关闭电源。
光照度计电路原理图如下:
U1对光电池输出电流进行I/V变换,将光电流转换为电压,K1为档位切换开关。
U2对输出电压进行放大,调节RP1阻值大小可以给便放大倍数,5脚对应电位器为调零电位器。
分析放大电路芯片选用条件。
实验四、光功率计设计实验
1、了解和掌握光硅光电探测器在光功率计上的应用原理
2、了解和掌握光功率计结构原理
3、了解和掌握光功率计电路设计原理
1、光功率计测量光照度实验
2、光功率计设计实性验
3、功率计探头
光功率是光在单位时间内所做的功。
光功率单位常用毫瓦（mw和分贝（db表示,其中两者的关系为:
1mw=0db,换算关系为,dB=10*lg（A/B。
而小于1mw的分贝为负值。
使用分贝做单位主要有三大好处。
（1数值变小,读写方便。
电子系统的总放大倍数常常是几千、几万甚至几十万,一架收音机从天线收到的信号至送入喇叭放音输出,一共要放大2万倍左右。
用分贝表示先取个对数,数值就小得多。
（2运算方便。
放大器级联时,总的放大倍数是各级相乘。
用分贝做单位时,总增益就是相加。
若某功放前级是100倍（20dB,后级是20倍（13dB,那么总功率放大倍数是100×
20=2000倍,总增益为20dB+13dB=33dB。
（3符合听感,估算方便。
人听到声音的响度是与功率的相对增长呈正相关的。
例如,当电功率从0.1瓦增长到1.1瓦时,听到的声音就响了很多;
而从1瓦增强到2瓦时,响度就差不太多;
再从10瓦增强到11瓦时,没有人能听出响度的差别来。
如果用功率的绝对值表示都是1瓦,而用增益表示分别为10.4dB,3dB和0.4dB,这就能比较一致地反映出人耳听到的响度差别了。
您若注意一下就会发现,Hi-Fi功放上的音量旋钮刻度都是标的分贝,使您改变音量时直观些。
X1、X10、X100开关为放大倍数切换开关。
1、功率计探头红黑插座对应接到实验模块上输入端“+”“-”。
光功率计电路原理图如下:
实验五、光电报警设计实验
1、了解红外砷化镓发光二极管与光电二极管的具体应用。
2、练习自拟简单的光电系统试验。
3、了解主动式光电报警系统设计原理。
4、了解锁相环的原理及应用。
5、对影响光电探测性能的各种参数进行探讨,以求最大限度地发挥系统的探测能力。
1、锁相环原理及应用测试实验
2、利用锁相环设计光电报警系统实验
3、设计性实验
2、光电报警实验模块
4、示波器
光电报警系统是一种重要的监视系统,目前其种类已经日益增多。
有对飞机、导弹等军事目标入侵进行的报警系统,也有对机场、重要设施或危禁区域防范进行报警的系统。
一般说来,被动报警系统的保密性好,但是设备比较复杂;
而主动报警系统可以利用特定的调制编码规律,达到一定的保密效果,设备比较简单。
本系统调制电源提供红外发射二极管确定规律变化的调制电流,使发光管发出红外调制光。
光电二极管接收调制光,转换后的信号经放大,整形,解调后控制报警器。
（1用NE555定时器构成多谐振荡器作调制电源。
NE555集成电路用它构成占空比为50%的多谐振荡器原理图如上图所示。
下面对照电路图简述其工作原理及参数选择。
NE555定时器构成多谐振荡器
在前半周期,V1通过R2、D对C1充电,由于二极管D的作用,电流不经过R1,因此其充电时间T1为:
2ln3
21ln12121CRVVVVCRTcc
cccc
cc=−−=而在后半周期,电容放电时,二极管反向电阻无穷大,555内部的三极导通,电流通过R1至7脚直接放电,此时其放电时间T2为:
31ln11112CRVVVVCRTcc
cc=−−=当A点电压上升到上限阈值电压（约CCV时,定时器输出翻转成低电平。
这时,A
点电压将随1C放电而按指数规律下降。
当A点下降到下限阈值电压（约CV时,定时器输出又变成高电平,调整1R、2R的电阻值得到严格的方波输出。
当R1=R2时,输出为方波信号。
其输出频率为:
ln21
11121CRTTf=+=
参考值:
1216.56.5CKRKR,,Ω=Ω==0.1µ
F,
ZKHCRf3.12.111≈≈。
用NE555组成振荡器来作红外发光管BT401时,由于红外发光管BT401的工作电流在30mA以上,因此一定加一个三极管驱动电路。
使输出电流大于或等于红外发光管的最小工作电流FI。
其驱动电路的参考电路图如下图:
（2信号放大电路原理
电路如图所示,由运算放大器OP07构成放大电路,将光敏二极管所接收的电流信号放大,放大增益通过调节R3阻值改变。
红外发光二极管驱动电路
（3锁相环原理
下图为锁相环电路原理图。
LM567是一片锁相环电路,采用8脚双列直插塑封。
其⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2,f2≈1/1.1RC。
其①、②脚通常分别通过一电容器接地,形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。
②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽:
电容值越大,环路带宽越窄。
①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。
③脚是输入端,要求输入信号≥25mV。
⑧脚是逻辑输出端,其内部是一个集电极开路的三极管,允许最大灌电流为100mA。
LM567的工作电压为4.75~9V,工作频率从直流到500kHz,静态工作电流约8mA。
LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂,这里仅将其基本功能概述如下:
当LM567的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时,⑧脚由高电平变成低电平,②脚输出经频率/电压变换的调制信号;
如果在器件的②脚输入音频信号,则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。
在图4的电路中我们仅利用了LM567接收到相同频率的载波信号后⑧脚电压由高变低这一特性,来形成对控制对象的控制。
锁相环电路
Ft为调制频率测试点、Ff为光电二极管输出放大信号测试点,Fy为整形后信号测试点、FC为锁相环中心频率测试点、GND为系统接地点。
1、红外发射二极管“L+”“L-”对应接入电路中发射部分“L+
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