光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書

1、 光電子技術(shù)光電子技術(shù) 實實 驗驗 指指 導(dǎo)導(dǎo) 書書 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 2 CSY2000G 光電傳感器實驗儀說明光電傳感器實驗儀說明 CSY2000G 光電傳感器實驗儀主要有主機箱、傳感器裝置、實驗?zāi)０?、實?桌四大部分組成 （一）主機箱：供電電源 AC220V，50HZ。額定功率 200W。 1、有實驗所需的電源、壓力源 0-12V 連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。 0-5V 連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。 15V、+12V、+5V 穩(wěn)壓電源。 2、顯示壓力源：氣壓量程 4-20KPa（通過調(diào)節(jié)玻璃轉(zhuǎn)子流量計、旋鈕、氣壓輸出 大小可調(diào)） 電流表：DC20A-20mA(量程三檔切換) 電壓表：DC200m

2、V-20V（量程三檔切換) 光功率計：1999mW 光照度計：1999Lx 頻率/轉(zhuǎn)速表：f： 0-9999Hz、 n：0-9999 r/min 計時器（秒表）：9999S 氣壓表:4-40 KPa 3、溫控儀： PID 位式調(diào)節(jié)儀：0-2000C （二）傳感器裝置 光學(xué)傳感器由底座，升降支架、遮光筒、滑軌等組成，可卸式活動安裝各 種光電器件探頭，光源等。 1、光敏器件及傳感器 光敏電阻 光敏二極管 光敏三極管 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 3 紅外光敏二極管（光接受） 硅光電池 反射式光耦（紅外發(fā)射與紅外光敏三極管組合） 紅外線熱釋電探頭 光照度計探頭 光功率計探頭 2、傳感器 光纖傳感器、 （位移

3、、壓力、溫度） PSD 位置傳感器 線陣 CCD 測徑系統(tǒng)（可選） 光柵位移傳感器（可選） 3、光源 普通白熾燈、普通發(fā)光二極管、紅外發(fā)射管、半導(dǎo)體激光管、各種濾色鏡。 （三）實驗?zāi)０?光電器件實驗（一）模板 光電器件實驗（二）模板 光電器件實驗（光開關(guān)）模板 光電器件實驗（光調(diào)制）模板 光電傳感器轉(zhuǎn)速測量實驗?zāi)０?光纖傳感器實驗?zāi)０?PSD 傳感器實驗?zāi)０?溫度傳感器 （四）實驗桌 放置主機箱、實驗?zāi)０?、各種實驗器件實驗臺尺寸為：1600800740（mm） 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 4 實驗指南實驗指南 實驗一實驗一 光電基礎(chǔ)知識實驗光電基礎(chǔ)知識實驗 實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康?通過實驗使學(xué)生對光源分光

4、原理，輻射量與光度量、光的不同波長等基本概念 有具體的認識。 第一部分 光源和光波長實驗 一、實驗原理：一、實驗原理： 以電磁波形式或粒子（光子）形成傳輸?shù)哪芰?，它們可以用光學(xué)條件反射、成 像或色散，這樣能量傳輸及其傳播過程稱為光輻射。 為了對光輻射進行定量描述，存在著輻射單位和光度單位兩套不同的體系，下表 是常用的輻射度量和光度量之間的對應(yīng)關(guān)系。 表（一） 、常用輻射度量和光度量之間的對應(yīng)關(guān)系 輻射度量物理量光度量 物理量名稱符號定義成定義式單位物理量名稱符號定義成定義式單位 輻射能Qe J 光量QQ=Qdt 1m s 輻射通量 ee=de/dtW 光通量 =Id1m 輻射出射度e e=de

5、/dsW/m2 光出射度 MM=d/ds 1m/ m2 輻射強度e e=de/dsw/sr 發(fā)光強度 I 基本量 cd 輻射亮度Le Le=de/(ds cos) w/(m2 sr) （光）亮度 LI=dI/ds coscd/m2 輻射照度Ee Ee=de/dAw/ m2 （光）照度 EE=d/dALX 在光度單位中，發(fā)光強度是基本單位，定義為一個光源發(fā)出頻率為 5401012 HZ 的單色輻射。若在一給定方向上的輻射光度為 1/683 （W/S） ，則該光源在該方 向上的的發(fā)光強度為 1 cd（坎德拉） 。 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 5 本實驗中備有普通光源和激光光源兩種，普通光源（探熾燈）的光

6、譜為連續(xù)光 譜。利用濾色片或色片或通過分光鏡后，可以提供紅橙黃綠青藍紫多種波長的光輻 射。激光光源是半導(dǎo)體激光器，發(fā)射的激光波長 630-680 納米。激光顏色為紅色。 三棱鏡的分光原理: 三棱鏡的分光作用原理基于以下幾點： （1） 、三棱鏡表面對光線的折射作用。 三棱鏡對不同波長的各色光具有不同的折射率。因此當(dāng)三棱鏡中入射的光（白 光為各種不同波長的復(fù)合光，從波長為 400 納米（m m）紫光至 760 納米的紅光） 則三棱鏡對不同色光具有不同折射率。各色光經(jīng)折射后的折射角將不同。因此通過 三棱鏡 出射時，各色光的偏角也隨之不同。所以，白光經(jīng)過三棱鏡折射以后將分解成各種 色光并呈現(xiàn)出一片按序

7、排列的顏色。這種現(xiàn)象稱為光的色散。 （2） 、圖 1-1 畫出了三棱鏡表面產(chǎn)生折射的情況。 如入射光（某一單色光）經(jīng)三棱 鏡 AB 進入玻璃介質(zhì)后，光線產(chǎn)生一 偏角 1該光束在 B 面出射時，又產(chǎn)生 一偏角 2光線經(jīng)二次折射后入射光與 出射光產(chǎn)生的偏角 0 =1+2 對三棱鏡兩個折射面 AB 導(dǎo)出折射定律為： SinI1=nSinI1 SinI2=nSinI2 利用兩式相減，并根據(jù)= I1-I2，=1+2= I1-I2+ I2- I2 經(jīng)過具體運算得Sin1/2(+)=n-Sin/2*Cos(I1+I2)/Cos1/2(I1+I2) 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 6 由式可見，光線經(jīng)棱鏡折射后，產(chǎn)生的

8、偏角 是光線入射角 I1 。棱鏡折射角 和折射率 n 的函數(shù)，對于給定的三棱鏡 和 n 為定值，因此 隨 I1 而變。 圖 1-2 表示的光通過三棱鏡時 的色散現(xiàn)象，由于介質(zhì)的折射率 隨波長的的變短而增大，尤其是 短波部分，折射率增加的更快。 由圖 1-2 可知紅色的波長長， 折射率小，產(chǎn)生較小的偏角，而 紫色的波長短，折射率大，產(chǎn)生 的偏角也大，這樣的光經(jīng)三棱鏡折射后，形成一條按紅、橙、黃、綠、青、藍、紫 順序的連續(xù)光譜，本實驗用于演示這一現(xiàn)象。 利用濾色片也可以從白光中獲取單色光，常用濾色片有二類，一類是塑料片，它 只能透射某一波長的光，而對其它波長具有吸收作用，對玻璃濾光片，玻璃片上鍍

9、某種顏色（例如紅色）的薄膜，它利用光的頻率效應(yīng)。則它對紅色的光是干涉相長。 對其它顏色的光則干涉相消。衡量濾色質(zhì)量優(yōu)劣的是色純度。 2、實驗器材、實驗器材 ： CSY2000G 主機箱、普通光源、分光裝置（三棱鏡） 、半導(dǎo)體激光器、濾色 片、光照度計及探頭。 3、 實驗步驟：實驗步驟： （1）根據(jù)圖 1-3 將普通光源插進安裝架上，把光源的兩個插孔分別連接到 主機箱的“012V”可調(diào)電壓源上，調(diào)節(jié)“012V”的可調(diào)旋鈕，可改變光源 的亮度（調(diào)節(jié)電源 012V 必須從最低電壓起始慢慢調(diào)到 12V，否則沖擊電流大， 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 7 電源自動截止保護，要正常工作必須重新開機） 。 （2）將

10、光源升降桿的固定螺釘旋松，旋轉(zhuǎn)光源 180后擰緊固定螺釘。在 光源的前方適當(dāng)?shù)奈恢冒卜欧止馊忡R，旋轉(zhuǎn)棱鏡，觀察投射出的連續(xù)的帶狀 分光光譜（紅紫七色，如圖 1-3） 。 圖 1-3 光電實驗裝置示意圖（白色光的光色散） （3）關(guān)閉電源，旋下光源前蓋，裝上不同顏色的濾色片，觀察不同波長 （顏色）的光。 （4）把普通光源取下，換上半導(dǎo)體激光光源，連接 5v 電源（注意 1.二極 管保護；2 光源注意極性） ，重復(fù)（2） 。 （5）把分光裝置對太陽觀察太陽光，用一白紙作受光面。從出射的受光面 上觀測帶狀光譜（如圖 1-4） 。 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 8 圖 1-4 太陽光的光色散 第二部分第二部分

11、 輻射度與光度學(xué)輻射度與光度學(xué) 1、 基本原理：基本原理： 光輻射的探測和計量,在輻射度單位和光度單位兩套不同的體系。輻射度單位 適用于整個電磁波段。光度學(xué)只適用于可見光波段。本實驗幫助學(xué)生理解兩種概念 體系的區(qū)別和聯(lián)系。 2、實驗器材：、實驗器材： CSY2000G 主機箱、普通光源（含遮光筒） 、半導(dǎo)體激光光源、各種濾色片， 光照度計探頭 3、實驗步驟：實驗步驟： （1）根據(jù)圖 1-5 裝置圖將照度計探頭代替光敏探頭，把照度計探頭的兩個 插孔與主機箱的光照度計兩個插孔正負對應(yīng)相連，再按下主機箱照度計的按紐 （1） 。打開主控箱電源，測量當(dāng)前環(huán)境下的照度。 圖 1-5 輻射度與光度學(xué)的接線示

12、意圖 （2）關(guān)閉主控箱電源，把普通光源的兩個插孔與主控箱的 012V 的可調(diào)電 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 9 源的兩個插孔相連，逆時針調(diào)節(jié)可調(diào)電源旋鈕到底。把主機箱的電壓表輸入端 （+、）分別與 012V 的可調(diào)電源的+、 相連，監(jiān)測可調(diào)電源的輸出大小。 按表 1-1 慢慢旋轉(zhuǎn)可調(diào)電源旋鈕，按表 1-1 記錄數(shù)據(jù)。 表 11 輸入電壓 （v） 234567 光照度 （Lx） （3）關(guān)閉主機箱電源，取下實驗裝置的遮光筒，旋下普通光源的前蓋，分別旋上 不同顏色的濾光片，裝上遮光筒，按上面的方法分別測量不同濾色片下的照度。并 作記錄，把數(shù)據(jù)填入表 1-2。 表 12 660nm600nm560nm510

13、nm470nm400nm 2V 3V 4V 5V 6V 7V （4）在（3）中，用眼睛觀察不同顏色光的亮度情況，感覺同一照度下不同顏色的 光，感受一下眼睛對光顏色的敏感度。 （5）關(guān)閉主機箱電源，將普通光源撤下?lián)Q上半導(dǎo)體激光器，將半導(dǎo)體激光器的兩 個插孔（+、）分別與主機箱 05V 的可調(diào)電源的+、 相連。開主機箱電源，同 波 長 照 度 電 壓 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 10 上面方法用照度計測量激光器發(fā)出的光的照度，作記錄把數(shù)據(jù)填入表 1-3。 表 13 輸入電壓 （v） 2.5V3V3.5V4V4.5V5V 光照度（Lx） （6） 關(guān)閉主機箱電源，用光功率探頭代替照度計探頭，將光功率探頭的兩

14、個插孔 （+、）分別與主機箱的光功率計輸入端的+、 相連，打開主機箱電源，方 法同上用光功率計測量激光器的光功率，并作記錄，把數(shù)據(jù)填入表 1-4。 表 14 輸入電壓 （v） 33.544.55 光功率(mw) 五、思考題 白光與其他色彩光有何區(qū)別？人的視覺對什么顏色（波長）的光最敏感？為什 么燈泡在相同工作電壓下發(fā)出各種波長光的照度、光功率大小不同？ 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 11 實驗二實驗二 光敏電阻實驗光敏電阻實驗 一、一、 實驗?zāi)康模簩嶒災(zāi)康模?了解光敏電阻的光譜響應(yīng)特征、光照特性和伏安特性等基本特性 二、二、 基本原理：基本原理： 在光線的作用下，電子吸收光子的能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由

15、狀態(tài)。引起電導(dǎo) 率的變化，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的一種體效應(yīng)。光 照愈強，器件自身的電阻愈小?；谶@種效應(yīng)的光電器件稱光敏電阻。光敏電阻無 極性，其工作特性與入射光光強、波長和外加電壓有關(guān)。 三、三、 需用器件與單元：需用器件與單元： CSY2000G 主機箱、光源、濾色片、 光電器件實驗（一）模板 、cds 光敏電 阻、光照度探頭。 四、四、 實驗步驟：實驗步驟： 1、亮電阻和暗電阻測量 （1） 圖 2-1 是光敏電阻實驗原理圖 （2） 按圖 2-1 的光學(xué)系統(tǒng)裝置圖，安裝 好普通光源和光照度計探頭及遮光筒，將主機箱的 012V 的可調(diào)電源與普通 光源的兩個插孔相連，

16、將可調(diào)電源的調(diào)節(jié)旋鈕逆時針方向慢慢調(diào)到底。將照 度計探頭的兩個插孔與主機箱照度計輸入端“+” 、 “”相應(yīng)連接。打開主機 箱電源，順時針方向慢慢增加 012V 可調(diào)電源，使主機箱照度計顯示 100LX（按下按鈕1） 。 圖 2-1 光敏電阻實驗原理 圖 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 12 圖 2-2 光敏電阻實驗接線圖 （3） 撤下照度計連線及探頭，換上光敏電阻。將光敏電阻的一個插孔連到主機箱 固定穩(wěn)壓電源+5V 的“+”插孔上。光敏電阻的另一個插孔連到主機箱電流表 輸入端的“+”插孔上，電流表輸入端“”插孔與+5V 穩(wěn)壓電源的“”相 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 13 連。 （4） 在光敏電阻與光源之間用遮

17、光筒連接后，10 秒鐘左右（可觀察主機箱上的定 時器）讀取電流表（可選擇電流表合適的檔位 20mA 檔）的值為亮電流 I亮。 （5） 將 012V 可調(diào)電源的調(diào)節(jié)旋鈕逆時針方向慢慢旋到底后，10 秒鐘左右讀取 電流表（20A 檔）的值為暗電流 I暗。 （6） 根據(jù)以下公式，計算亮阻和暗阻（照度 100LX 、U測5V） R亮=U測 / I亮 ； R暗=U測 / I暗 （7） 光敏電阻在不同的照度下有不同的亮阻和暗阻；在不同的測量電壓（U測） 下有不同的亮阻和暗阻。如有興趣可重復(fù)以上實驗步驟做實驗。 2 2、光照特性測量、光照特性測量 光敏電阻的測量電壓（U測）為+5V 時，光敏電阻的光電流隨光

18、照強度變化而 變化，它們之間的關(guān)系是非線性的。調(diào)節(jié)光源 012V 電壓得到不同的光照度(測量 方法同以上實驗)，測得數(shù)據(jù)填入表 21，并作曲線圖。 表 21 強度（LX） 100300500700900110013001500 電流 mA 光照度 （LX） 圖 23 光敏電阻光照特性實驗曲線 3 3、伏安特性測量、伏安特性測量 在一定的光照強度下，光電流隨外加電壓的變化而變化，測量時，在給定光照 I 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 14 強度 100LX時，光敏電阻輸入 0-5V 可調(diào)電壓，調(diào)節(jié) 0-5V 電壓（由電壓表監(jiān)測） ，測 得流過光敏電阻的電流,測得數(shù)據(jù)填入表 2-2，并作不同照度的三條伏安特

19、性曲線。 表 2-2 型號：MT5528電壓（U） 1.252345 100 電流（mA） 300 電流（mA） 照 度 LX 500 電流（mA） 光電流 VCC 圖 24 光敏電阻伏安特性 4 4 、光譜特性測量、光譜特性測量 （1）光敏電阻對不同波長的光，接收的光靈敏度是不一樣的，這就是光敏電阻 的光譜特性。實驗時線路接法同圖 2-2，在光路裝置中先用照度計窗口對準(zhǔn)遮光筒， 然后撤下光源前蓋,更換不同的濾光片，得到對應(yīng)各種顏色的光。作光譜特性時， 需調(diào)節(jié)光源強度（調(diào) 012V 電壓） ，得到相同的照度。光敏電阻在某一固定工作 電壓下（+5V） ，在同一照度下（例如 100LX），在不同波

20、長（顏色）時測量流過光 敏電阻的電流值，就可作出其光源特性曲線。實驗數(shù)據(jù)如下表所示： 表 2-3 型號 MT5528 顏色 波長 (nm) 100LX照度下的電流 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 15 紅 660 橙 600 黃 560 綠 510 藍 470 紫 400 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 16 實驗三實驗三 光電池實驗光電池實驗 一一 實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康?了解光電池的光照、光譜特性，熟悉其應(yīng)用。 二二 基本原理基本原理 當(dāng)光照射到光電池 P-N 結(jié)上時，便在 P-N 結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢。這種現(xiàn)象叫“光 生伏特效應(yīng)” ，將光能轉(zhuǎn)化為電能。該效應(yīng)與材料、光的強度、波長等有關(guān)。 三三 需用器件與單元需用器件

21、與單元 光電器件實驗（一）模板、主機箱、濾色片、普通光源、照度計、硅光電池、 光照度計探頭 四、內(nèi)容四、內(nèi)容 1 光照特性 光電池在不同的照度下，產(chǎn)生不同的光電流和光生電動勢。它們之間的關(guān)系就 是光照特性。 （1）按圖 3-1 接線：將光源兩個插孔接入主機箱 012V 可調(diào)電源的相應(yīng)插孔 上（逆時針方向調(diào)節(jié)可調(diào)電源的旋鈕到底） ，將光電池的兩個插孔接到 實驗?zāi)０宓墓韫怆姵厣希ㄗ⒁鈽O性） 。 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 17 圖 3-1 光電池實驗接線圖 （2）將照度計探頭兩個插孔接到主機箱的照度計輸入端的相應(yīng)插孔上，打開 主機箱電源，將照度計探頭用遮光筒與光源連接起來，調(diào)節(jié)接入光源的 012V 可調(diào)

22、電源,使照度計顯示 100LX。拿去照度計探頭，把硅光電池 連到遮光筒上，將主機箱的電壓表接到光電實驗器件模板的硅光電池的 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 18 電壓表接口上，測出 100LX照度下的開路電壓。把電壓表的引線斷開后， 將主機箱的電流表串接到實驗?zāi)０迳稀⒐韫怆姵氐碾娏鞅斫涌谏?，測出 100LX照度下的短路電流。重復(fù)以上方法，測出照度為 200LX.600LX 時的硅光電池的開路電壓和短路電流，將數(shù)據(jù)填入表 3-1，并作出曲線 圖。 表 31 強度（lx） 100140180220260300 電流（mA） 電壓（mV） 電流 電壓 光強度 圖 3-2 硅光電池開路電壓 短路電流實驗特性 2 光譜特性 光電池在不同波長的光照下，產(chǎn)生不同的光電流和光生電動勢。用不同顏色的 濾色片得到不同波長的光。濾色片更換：擰下光源前蓋，分別擰上紅、橙、黃、綠、 青、藍、紫七種濾色片。在相同的照度之下，將測量結(jié)果填入表 3-2，并在圖 3-3 作出曲線圖。 表 3-2 波長（nm） 660600560510470400 電動勢（mv） 電流（mA） 電動勢 光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書 19 波長 實驗四實驗四 光源及光調(diào)制解調(diào)實驗光源及光調(diào)制解調(diào)實驗 一、實驗?zāi)康模阂?、實驗?zāi)康模?了解光調(diào)制解調(diào)的原理 二、基本原理：二、基本原理： 光束是一種電磁波，具有振幅、相位、強度和偏