《光电检测技术》实验指导书.docx
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《光电检测技术》实验指导书
《光电检测技术》实验指导书
丁松
南京工业大学自动化学院
2006-04-17
目录
实验一光敏电阻特性实验……………………………………1
实验二光敏电阻开关设计实验………………………………4
实验三光栅位移实验…………………………………………6
实验四面阵CCD电荷耦合器件应用实验——线径测量……9
实验五光电二极管、三极管特性实验………………………12
实验六光电池特性实验………………………………………16
实验一光敏电阻特性实验
一．实验目的
1.了解光敏电阻的光电特性、伏安特性。
二．实验内容
1．偏置电压一定时，光敏电阻的阻值和照度的对应关系。
2．照度一定时，光敏电阻的偏置电压与其电流的对应关系。
3．照度改变时，光敏电阻的偏置电压和电流的对应关系。
三．实验设备及仪器
1．直流稳压电源。
2．光敏电阻。
3．相关信号处理单元。
四.实验线路及原理
光敏电阻是一种当光照射材料表面被吸收后，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。
当加上一定电压后，光生载流子在电场的作用下沿一定方向运动在电路中产生电流，达到光电转换的目的。
当入射光的照度一定时，电路中的电流与光敏电阻的偏置电压存在一定的关系。
由于光激发所产生的载流子会改变光敏电阻的电导值，而在没有光照的情况下热激发所产生的载子同样也会改变光敏的电导值，只是对于光敏电阻而言光电导起主要作用。
所以，光敏电阻在光照条件下，总电流由两部分组成：
亮电流=光电流+暗电流。
光敏电阻单元接线图
五.实验方法与步骤
1、直流稳压电源置
V档，光敏电阻探头用专用导线一端连接后，插入照度实验架上传感器安装孔，导线另一端插入面板上“光敏电阻Ti”插口。
2、开启电源及光强开关，并将“光强/加热”开关置5档，此时入射照度最大。
同时检查加热开关是否关闭。
3、在“光敏电阻单元”如图1-1接线。
4、检查接线是否正确。
5、关闭光强开关，记下电流表度数（暗电流），将数据记录。
随后将“光强/加热”开关置“1”档。
6、开启光强开关，记录电流表读数，并逐步将“光强/加热”开关转换到“5”档，记录每一档所对应的电流表读数，并填入下表。
光强（档）
0
1
2
3
4
5
电流（mA）
7、将光强/加热开关置于“5”档，直流稳压电源置于
V档。
8、保持光强/加热开关在“5”档，将“直流稳压电源”分档逐步调整至
V，并逐一记下电流表读数并填入下表
电压（V）
4
6
8
10
12
电流（mA）
9、将光强/加热开关分别调至“4”和“3”档，重做步骤8，记录电流表读数填入下表
光强/加热开关置“4”档
电压（V）
4
6
8
10
12
电流（mA）
光强/加热开关置“3”档
电压（V）
4
6
8
10
12
电流（mA）
六.实验报告内容与要求
1．填写实验数据表格。
2．12V偏置电压下的照度-电流曲线。
3．5档照度下，光敏电阻的V-I特性曲线。
4．4档照度下，光敏电阻的V-I特性曲线。
5．3档照度下，光敏电阻的V-I特性曲线。
七.思考
1．12V偏置电压下的照度-电流曲线可以分析得出照度与电阻的关系如何？
2．照度对于光敏电阻的伏安特性有何影响？
实验二光敏电阻开关设计实验
一．实验目的
1.光敏电阻的应用方式。
2.光电开关的工作原理。
3.LED驱动电路的应用。
二．实验内容
1.光敏电阻检测电路的使用。
2.设计电路控制LED的亮灭。
三．实验设备及仪器
1.直流稳压电源。
2.光敏电阻。
3.相关信号处理单元。
4.LED指示灯。
四.注意事项
1.LED指示灯需要接保护电阻，否则极易烧毁。
2.晶体管放大电路中集电极不可与电源短接。
五.实验线路及原理
光敏电阻是一种当光照射材料表面被吸收后，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。
当加上一定电压后，光生载流子在电场的作用下沿一定方向运动在电路中产生电流，达到光电转换的目的。
当入射光的照度一定时，电路中的电流与光敏电阻的偏置电压存在一定的关系。
常用的光敏电阻测量电路有恒流电路和恒压电路。
LED驱动电路的相关知识见书本有关章节。
六.实验方法与步骤
1.参考书本关于光敏电阻检测（恒流/恒压）电路，设计一电路，由实验台光源照度控制LED指示灯的亮灭。
2.直流稳压电源置
V档，光敏电阻探头用专用导线一端连接后，插入照度实验架上传感器安装孔，导线另一端插入面板上“光敏电阻Ti”插口。
3.按预先设计的电路选择合适电路元件搭建开关电路。
4.将保护电阻和毫安表与LED串接，便于记录LED中的电流大小。
5.光强/加热开关置5档，开启光强/加热开关。
6.将光强/加热开关逐步转至4-1档，记录指示灯的亮灭情况填入下表
光强（档）
0
1
2
3
4
5
电流（mA）
7.转动光谱调整架测微头使传感器透光狭缝进入光谱带红光一侧。
8.转动测微杆，在光谱带内移动狭缝，注意LED指示灯的闪亮情况
七.实验报告内容与要求
1.绘制设计的光明电阻开关电路。
2.实验数据填入表格。
八.思考
1.控制方式是否只有一种？
2.不同的控制方式灵敏度是否一样？
3.不同波长的光源对光敏电阻的光电特性是否有影响？
实验三光栅位移实验
一．实验目的
1.了解光栅结构与位移测量的原理。
二．实验内容
1.利用光栅的光学放大原理测量微小位移。
三．实验设备及仪器
1.光栅实验模块。
2.直流稳压电源。
3.细分计数板。
4.螺旋测微仪。
5.示波器。
四.实验线路及原理
光栅是由标尺光栅和指示光栅组成的。
光栅在本质是指在光学玻璃上平行均匀地刻出的直线条纹。
在标尺光栅和指示光栅上，通常他们的线纹密度一样，一般10-100线/毫米。
图3-1标尺光栅和指示光栅
把指示光栅平行放在标尺光栅上面，再使两者线纹之间形成一位小夹角，在光照过光栅时，在指示光栅上就会产生若干粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。
当指示光栅和标尺光栅之间作相对左右移动时，莫尔条纹也作上下移动。
假设莫尔条纹宽度是W，并按W/4处分别放置两个光敏三极管，随着指示光栅的移动，在光敏三极管中就感应出和光线亮度相应的电流。
图3-2光栅及莫尔条纹的形成
显见，指示光栅每移动一个栅距，则会使莫尔条纹移动一个纹距，而一个移距会在光敏三极管中产生一个周期的正弦波。
对于50线光栅，每移动1/50mm的距离，则产生一个正弦波输出。
为了提高计数分辨率，通常对光栅输出信号方波进行四倍频细分。
对于移动一个栅距而形成TP1、TP2方波，在一个周期内，其信号幅值变化为：
11→10→00→01→11，或10→11→01→00→10，即每一周期有4个电平变化，利用D触发器可获得4个边缘脉冲信号，若计数器是对这样的边缘脉冲计数，则将使光栅计数分辨率（精度）提高四倍。
例如，采用50线光栅传感器，经过4倍频电路后，计数分辨率将变成：
1/50×1/4=5μm。
图3-3光栅传感器输出方波
五.实验方法与步骤
1、按实验要求接线：
光栅实验模块和细分计数板的电源接直流稳压电源输出，电源置
V档，螺旋测微仪与指示光栅固定，起始位置置0mm处。
2、光栅输出端子接细分计数板，细分计数板A（TP1）、B（TP2）端分别接示波器。
3、检查接线是否正确，打开电源开关。
4、旋转螺旋测微仪使指示光栅产生一定量的位移，观察细分计数板的C（TP3）、D（TP4）端的边缘脉冲输出结果，填入下表。
位移（μm）
0
25
50
75
100
150
计数器（C端）
5、按细分计数板清零键，将当前显示值清为0.000状态。
6、螺旋测微仪起始位置置150μm，反向位移，重复第4步，记录数据填入下表。
位移（μm）
150
100
75
50
25
0
计数器（C端）
六.实验报告内容与要求
1.填写实验数据表格。
七.思考
1.分析光栅的光学放大原理
2.分析细分原理
实验四面阵CCD电荷耦合器件应用实验
——线径测量
一．实验目的
1.了解电荷耦合器件测径系统的结构与工作特性。
2.学会线径测试仪的使用。
二．实验内容
1.CCD线径仪的使用。
三．实验设备及仪器
1.成像传感器及电子处理模块。
2.成像光学系统。
3.照明光源。
4.螺旋测微仪。
5.测量仪支架。
6.机械调节器。
7.电源适配器。
8.USB接口线。
9.直流稳压源。
10.测量软件。
11.计算机。
四.实验线路及原理
光源从一端发射，照到被测量物体，通过光学系统在另一端成像（成像的精度由光学系统控制，即调焦）。
由于各物体在成像端的像与该被测物体的真实尺寸具有一定的比例，经过标准件的测量，得出相应的比例因子，这样通过计算就能测出被测量物体的尺寸。
五.实验方法与步骤
1、CCD测量仪主要在底座两端分别支起光源支架和传感器支架，光源支架上安装有电源适配器和光源座，传感器支架上安装有传感器盒和调焦环，并通过遮光筒将光源座和调焦环联结起来。
其具体结构参见图4-1
图4-1CCD线径仪结构图
2、电源适配器接±12V直流电源，用USB线连接测径仪和计算机。
3、开启计算机测量程序。
4、按“定标”按钮，在侧量窗口插入标准具，调整调焦环至清晰成像。
5、输入标准具的标称量；取出标准具。
6、按“开始”按钮，在测量窗口插入待测物件，调焦至清晰成像。
7、按“暂停”按钮使测量窗口显示静止，读取测量数据。
8、按“继续”按钮恢复测量窗口的动态显示；按“结束”按钮可以退出。
9、选择多个样品，分别用螺旋测微仪和CCD线径仪进行测量。
六.实验报告内容与要求
1.根据所选样品，分别测量，记录结果数据，计算误差。
七.思考
1.光学调焦的CCD线径仪的精度如何？
实验五光电二极管、三极管特性实验
一．实验目的
1.了解光电二极管光电特性、伏安特性。
2.了解光电三极管光电特性，当光电管的工作偏压一定时，光电管输出光电流与入射光的照度（或通量）的关系。
二．实验内容
1.分别测试光电二极管、三极管的光电特性和伏安特性。
2.比较两种器件的相同点和区别。
三．实验设备及仪器
1.光电二极管。
2.光电二极管变换单元。
3.电压表。
4.光电三极管。
5.光电三极管变换单元。
四.注意事项
1．为使实验直观，该实验没有在封闭的黑盒中进行，所以具有一定的外界因素干扰，实验时请注意不要使正面干扰光较大，同时注意人员移动时的影响。
2．因光电二极管产生的光电流比较小，为便于读数，所以采用I/V变换器将光电流ILi转换成电压，其关系为：
ILi=|V/Rf|
五.实验线路及原理
光电二极管是一种典型的光伏器件，用高阻P型硅作为基片，表面掺杂生长一层极薄的N型层（大约1μm），从而形成一很浅的表面PN结，而空间电荷区较宽，所以保证大部
图5-1光电二极管测量电路
分光子能够入射到耗尽层内。
由光子激发的电子-空穴对在反向偏置电压VBB作用下形成二极管的反向光电流。
此光电流通过外加负载RL后产生电压信号输出。
图5-2光电三极管测量电路
光电三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尽层内。
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置电压VBB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RL后产生电压信号输出。
六.实验方法与步骤
1.直流稳压电源置
V档，光敏二极管探头用专用导线一端连接后，插入照度实验架上传感器安装孔，导线另一端插入面板上“光敏二极管Ti”插口。
2.开启光强开关，并将光强/加热开关置“5”档，此时入射照度最大。
3.在“光电二极管单元”如图5-1接线，并在负载单元中选择R=__200K_作为Rf接入I/V变换器。
4.关闭光强开关，记下电压表的读数（暗电流），并将数据填入下表。
随后将光强/加热开关置“1”档。
光强
0
1
2
3
4
5
电压（V）
电流（I）
（V/Rf）
5.开启光强开关，记下电压表读数，并逐步将“光强/加热”开关转换到“5”档，记下每一档的电压表读数并填入上表。
6.作出照度—电流曲线（ILi=V/Rf）。
7.将光电二极管的“+”极与“|”之间联线拆去，在“+”极接入-4V电压使光电二极管出负偏压状态。
重复4-5过程，比较一下与零偏压是有什么区别？
8.开启光强开关，并将光强/加热开关置“5”档，同时检查加热开关是否关闭，仍按图5-1接线（零偏压）。
9.记录下这时电压表读数，并填入下表
偏压（V）
0
-4
-6
-8
-10
电压（Vo）
电流
（|Vo/Rf|）
10.将光电二极管的“+”极与“|”之间联线拆去，将“直流稳压电源”单元中“-Vo”端口与光电二极管“+”极相连，给二极管加上偏压。
11.直流稳压电从-4V逐步调整至-10V，记录下每一步的电压表读数值。
并填入上表。
12.做出V-I曲线。
13.将光强/加热开关分别调至“4—3”档，重复上述9-12步，比较三条V-I曲线有什么不同？
14.直流稳压电源置
V档，光敏三极管探头用专用导线一端连接后，插入照度实验架上传感器安装孔，导线另一端插入面板上“光电二极管Ti”插口。
15.开启电源及光强开关，并将光强/加热开关置“5”档，此时入射照度最大。
同时检查加热开关是否关闭。
16.在“光电三极管单元”如图6-1接线，选择Re=__200Ω,Rb=2K。
17.关闭光强开关，记下电流表的读数（暗电流），并将数据填入下表。
随后将光强/加热开关置“1”档。
光强
0
1
2
3
4
5
电流（mA）
18.开启光强开关，记下电流表读数，并逐步将“光强/加热”开关转换到“5”档，记下每一档的电流表读数并填入上表。
19.作出照度—电流曲线。
20.重复1-2步，记录下这时电流表读数，并填入下表
V
+4V
+6V
+8V
+10V
+12V
I（mA）
21.直流稳压电源从
V逐步降至
V，每隔一步记录下电压表读数，并填入上表。
22.作出V-I曲线。
23.将光强/加热开关分别调至“4—3”档，重复上述7-9步，比较三条V-I曲线有什么不同？
七.实验报告内容与要求
1.填写实验数据表格。
2.作出光电二极管不同档位伏安特性曲线图。
3.作出光电三极管不同档位伏安特性曲线图。
八.思考
1.比较光电二极管、三极管的伏安特性曲线图的不同之处。
实验六光电池特性实验
一．实验目的
1.了解光电池的光电特性，即短路电流及开路电压与照度的关系。
二．实验内容
1.了解光电池的光电特性。
2.了解光电池的光谱特性
三．实验设备及仪器
1.光电池。
2.光电池变换单元。
3.照明光源。
4.光谱调较支架。
四.实验线路及原理
硅光电池在原理结构上类似于光电二极管，其区别在于硅光电池用的衬底材料的电阻率低，约为0.1~0.01Ω.cm，而硅光电二极管衬底材料的电阻率约为1000Ω.cm，光敏面从0.1Ω.cm2~10Ω.cm2不等，光敏面积达则接收辐射能量多。
输出光电流大。
五.实验方法与步骤
1.将光电池用专用导线连接后，插入照度实验架上传感器安装孔，导线另一端插入面板上“光电池”插口。
2.开启电源及光强开关，并将光强/加热开关置“5”档，此时入射照度最大。
同时检查加热开关是否关闭。
3.在“光电池单元”如图7-1接线。
图6-1光电池电流特性
4.关闭光强开关，记下电流表的读数（暗电流），并将数据填入下表。
随后将光强/加热开关置“1”档。
光强
0
1
2
3
4
5
电流（mA）
5.开启光强开关，并逐步将“光强/加热”开关转换到“5”档，记下每一档的电流表读数并填入上表。
6.作出照度—短路电流曲线。
7.如图7-2接线，做开路电压试验。
8.关闭光强开关，记下电压表的读数，并将数据填入下表。
随后将光强/加热开关置“1”档。
光强
0
1
2
3
4
5
电压
图6-2光电池开路电压特性
9.开启光强开关，并逐步将“光强/加热”开关转换到“5”档，记下每一档的电压表读数并填入上表。
10.作出照度-开路电压曲线。
11.如图7-3接线，选择RL=__50Ω。
图7-3光电池电流/电压特性
12.记录下这时电压/电流表读数，并填入下表。
负载
0
50Ω
100Ω
200Ω
300Ω
400Ω
1KΩ
2KΩ
……
电流（mA）
电压（V）
13.将RL换成50Ω、2KΩ、200K。
14.分别记录下电压/电流标的读数并填入上表。
15.作出随负载电阻变化的V-I曲线。
16.将“光强/加热”开关逐步调至“4—3”档，重复上述12-16步，比较三条V-I曲线有什么不同？
17.转动光谱支架测微杆使光谱带进入传感器的透光狭缝中。
18.在“光电池单元”如图7-3接线，选择RL=__200Ω。
19.转动光谱支架测微头，使传感器透光狭缝处于红光外侧，并使电压表指示输出最小（光谱指针指示在红外区域）。
20.记下此时电压表读数，填入下表。
波长（λ）
〉0.78
…..
….
….
….
电压（V）
21.转动微杆，使透光狭缝慢慢进入有效光谱区域。
从电压表数字开始变化起，参考光谱分布图每隔一定的Δλ记下一数值，直到紫光外侧。
并记录下每一步的电压表读数。
22.作出λ—V响应曲线。
23.根据该曲线，对照光谱分布图可得出该光电三极管大致的光谱响应范围及峰值波长。
六.实验报告内容与要求
1.填写实验表格。
2.绘制光电池开路电压特性曲线。
3.绘制光电池短路电流特性曲线。
4.绘制光电池输出电压-光照波长关系曲线。
七.思考
1.实验室光电池的材料是硅还是锗？
2.光电池的开路电压和短路电流特性如何？
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