光電檢測試驗(yàn)講義

1、實(shí)驗(yàn)一 光敏電阻特性參數(shù)測量及暗光街燈實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解光敏電阻的電阻特性，掌握光敏電阻的伏安特性及其隨光照強(qiáng)度的變化規(guī)律。2、利用光敏電阻的電阻變化特性，將之作為街燈自動點(diǎn)亮與熄滅的傳感器件，掌握基于光敏電阻的暗光街燈的工作原理及應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理：光敏電阻是最典型的光電效應(yīng)器件，即其電導(dǎo)率隨光照強(qiáng)度而發(fā)生變化。半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件是利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電探測器件。本實(shí)驗(yàn)旨在測定光敏電阻在不同光照環(huán)境下的電阻值，并測定其伏安特性隨光照強(qiáng)度的變化規(guī)律。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定，光敏電阻的電阻值隨光亮度的增大而迅速減小。利用這一特性，設(shè)計(jì)了暗光街燈演示實(shí)驗(yàn)。其原理是當(dāng)環(huán)境變暗時(shí)光敏電阻的阻

2、值增大，當(dāng)亮度降低到一定值時(shí)，即光敏電阻值增大到某一閾值時(shí)，光電傳感電路系統(tǒng)自動點(diǎn)亮小燈泡，從而達(dá)到與暗光街燈相似的目的。三、實(shí)驗(yàn)所需單元：直流穩(wěn)壓電源，光敏電阻，數(shù)字電壓表，電流（毫安）表，暗光街燈電路，小燈泡（負(fù)載），萬用表。四、實(shí)驗(yàn)步驟： （一）光敏電阻特性測試萬用表圖1.1 暗、亮電阻的測定圖1.2 伏安特性測量電路mAUI (1) 光敏電阻的暗、亮電阻測定。如圖3.1所示，用萬用表從光敏電子兩端測定它在不同光照條件下的電阻值，將測得的結(jié)果填入表格。光 照 狀 況全 暗日光燈照射手電筒斜照射手電筒直照射激光照射光敏電阻值(kW)(2) 光敏電阻伏安特性測定。按圖1.2所示連接各元件和單

3、元，檢查連接無誤后，開啟電源。用一擋光物（如黑紙片或瓶蓋）遮住光敏電阻（視為全暗），分別接插不同的電壓U值（可調(diào)電壓的獲取：通過面板“電機(jī)控制1”或“電機(jī)控制2”的Vin輸入5V，Vout可輸出如0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0， 4.5，5.0V等不同電壓值），利用電流表測定流過光敏電阻的電流值I，數(shù)字電壓表測定U值。 改變光敏電阻的光照強(qiáng)度（如全暗、日光燈、手電筒、激光照射），重復(fù)測定I與U的關(guān)系，可得到圖1.3所示的伏安特性關(guān)系曲線族。 (3) 分析上述測量結(jié)果， 進(jìn)一步了解光敏電阻的光敏特性，掌握其中的變化規(guī)律。IU圖1.3 光敏電阻的伏安特性光照強(qiáng)度注意

4、：5V電源光 照 狀 況全 暗室內(nèi)光照射手電筒斜照射手電筒直照射激光照射電流值(mA)（二）光敏電阻暗光街燈實(shí)驗(yàn)負(fù)載5V圖 1.4 暗光街燈實(shí)驗(yàn)電路(1) 按圖1.4所示連接各元件和單元，連接5V電源。(2) 檢查連接無誤后，開啟電源。(3) 用一擋光物（如黑紙片或瓶蓋）慢慢靠近實(shí)驗(yàn)臺上的光敏電阻，也即將光敏電阻上的部分光線擋住時(shí)，可觀察到小燈泡慢慢由暗變亮；當(dāng)光敏電阻完全被擋住時(shí)，或者室內(nèi)燈光全部熄滅時(shí)，小燈泡亮度達(dá)到最亮。這一實(shí)驗(yàn)過程與暗光街燈的自動亮暗控制完全相同。適當(dāng)調(diào)節(jié)該單元的“增益”旋鈕，可改變小燈泡的亮滅區(qū)間。五、注意事項(xiàng)：直流電源應(yīng)確認(rèn)為5V，否則有可能毀壞小燈泡。如房間內(nèi)光線

5、太強(qiáng)（可用手遮擋）或太暗（可采用手電筒照射完成暗光街燈實(shí)驗(yàn)），以使光敏電阻正常工作。實(shí)驗(yàn)二 硅光電池的光電特性測量及轉(zhuǎn)速測定實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解硅光電池的工作原理，掌握硅光電池的短路電流、開路電壓等特性及其隨光強(qiáng)而變化的規(guī)律。2、進(jìn)一步了解和掌握硅光電池的動態(tài)響應(yīng)特性及其應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理：硅光電池是一種利用光生伏特效應(yīng)的p-n 結(jié)光電器件，不需加偏壓即可把光能轉(zhuǎn)換成為電能。硅光電池的短路光電流與光照度（光通量）成線性關(guān)系，而開路電壓與光照度的對數(shù)成正比。本實(shí)驗(yàn)旨在測定硅光電池的短路電流和開路電壓及其變化規(guī)律。當(dāng)激光束直接照射到硅光電池上時(shí)，后者將輸出連續(xù)的光電流信號；而如果激光束被固定

6、于變速電機(jī)軸上的斬光器斬光，則光電池接收到的是被調(diào)制的頻率為f0的光信號，相應(yīng)地將輸出周期性的光電流信號。將此信號進(jìn)行調(diào)整、放大或?yàn)V波，即可得到較理想的波形。 該信號的頻率可由示波器測得，進(jìn)而計(jì)算出變速電機(jī)此時(shí)的轉(zhuǎn)動頻率（速度）為：f = f0/N (其中N為斬光器葉片或通孔的數(shù)量)。三、實(shí)驗(yàn)所需單元：直流穩(wěn)壓電源，硅光電池，數(shù)字電壓表，數(shù)字電流表，手電筒，激光器等光源，電壓/頻率表，硅光電池測光電路，電機(jī)控制2，電機(jī)2，斬光器，半導(dǎo)體激光器，示波器。四、實(shí)驗(yàn)步驟： （一）硅光電池光電特性測量mAV圖 2.1 硅光電池短路電流測量圖 2.2 硅光電池開路電壓測量(1) 短路電流測定。按圖2.1

7、所示連接各單元。用電流表測定硅光電池在不同光照下（全暗、日光等照射、手電筒照射、激光照射）時(shí)的短路電流大小，將結(jié)果記錄至表2.1。(2) 開路電壓測定。按圖10.2所示連接各單元。用數(shù)字電壓表測定硅光電池在不同光照下（全暗、日光等照射、手電筒照射、激光照射）時(shí)的開路電壓大小，將結(jié)果記錄至表2.2。(3) 分析考察硅光電池的短路電流和開路電壓的變化規(guī)律。表 2.1 硅光電池的短路電流光 照 狀 況全 暗室內(nèi)光照射手電筒斜照射手電筒直照射激光照射短路電流 (mA) 表 2.2 硅光電池的開路電壓光 照 狀 況全 暗室內(nèi)光照射手電筒斜照射手電筒直照射激光照射開路電壓 (V)（二）轉(zhuǎn)速測定實(shí)驗(yàn)12VI

8、C示波器或?yàn)V波器12V圖 2.3 硅光電池轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn)電路(1) 按圖2.3所示連接各單元。將“電機(jī)控制2”單元的輸入端“VIN”連接到5V電源端，輸出端“VOUT”連接“電機(jī)2”上端，“電機(jī)2”下端（靠近實(shí)驗(yàn)者的那一端）接地。(2) 檢查無誤后開啟電源。連接激光器插頭，調(diào)節(jié)亮度旋鈕使其點(diǎn)亮。先轉(zhuǎn)動偏振片轉(zhuǎn)盤，使透過它的激光束最強(qiáng)；或者將偏振片轉(zhuǎn)盤旋出，撤去。適當(dāng)調(diào)節(jié)激光器高度，使激光束投射到硅光電池的光敏面上。調(diào)節(jié)“速度”旋鈕，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。(3) 用示波器觀察斬光波形（注：大致為方波。由于硅光電池的響應(yīng)頻率較低，故而波形可能出現(xiàn)疊波，這是正?，F(xiàn)象，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速不宜過快），據(jù)此測定波形的頻率，

9、即為斬光頻率，將斬光頻率除以8（斬光器有8個(gè)通孔，故電機(jī)每轉(zhuǎn)一周可斬光得到8個(gè)波形），即為電機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，重復(fù)上述測量實(shí)驗(yàn)，將轉(zhuǎn)速結(jié)果記入表2.3。表2.3 硅光電池測轉(zhuǎn)速結(jié)果序 號1234轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/秒)注：激光器安裝時(shí)，固定螺絲別擰過緊，螺絲擰緊會將激光器外殼接地而造成短路，激光器不亮，只要達(dá)到穩(wěn)定不會隨意轉(zhuǎn)動即可。實(shí)驗(yàn)三 硅光電池測光及激光器偏振光強(qiáng)度分布測量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、深入了解硅光電池的工作原理及靜態(tài)特性，掌握其在環(huán)境光亮度測量中的應(yīng)用。 2、進(jìn)一步掌握硅光電池的特性。了解偏振片的透光特性，考察了解激光器的偏振光強(qiáng)度分布，拓展硅光電池在光學(xué)元件的透射率、液體透明度或

10、濁度等測量方面的應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理：根據(jù)硅光電池在不同光照條件下的電流與電壓特性，可將之作為測定環(huán)境光強(qiáng)度的傳感器件。環(huán)境光照變化時(shí)，將引起硅光電池光電流或電動勢的變化，測定后兩者的變化值，即可獲知環(huán)境光照的變化情況。通常使用的激光器發(fā)出的激光束均為偏振光，當(dāng)光束被一塊偏振片遮擋住時(shí)，如果兩者偏振軸方向一致，則透過偏振片的光束強(qiáng)度最大；如兩者偏振軸垂直，則透射光強(qiáng)度最弱甚至為零；轉(zhuǎn)動偏振片的角度，即可獲得不同的透射光強(qiáng)度，如圖3.2所示。由于硅光電池可對不同的光強(qiáng)度進(jìn)行測定，因此，通過旋轉(zhuǎn)偏振片，采用測光方法可測定激光器偏振光強(qiáng)度的分布狀況。三、實(shí)驗(yàn)所需單元：直流穩(wěn)壓電源，硅光電池，硅光電池測

11、光電路，數(shù)字電壓表，手電筒，激光器等光源，半導(dǎo)體激光器，偏振片，放大電路。四、實(shí)驗(yàn)步驟： （一）測光實(shí)驗(yàn)+5V數(shù)字電壓表圖 3.1 硅光電池測光實(shí)驗(yàn)電路 (1) 按圖4.1所示電路連接各單元。(2) 檢查無誤后開啟電源，將增益調(diào)整到適當(dāng)位置，在不同光照環(huán)境條件下，讀出電路的輸出電壓，將結(jié)果記入表3.1。(3) 實(shí)驗(yàn)者可自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，設(shè)定某一光照亮度閾值（即測定電壓值），當(dāng)環(huán)境光照亮度小于閾值時(shí)，即提供警示信號，提醒人們以提高環(huán)境光亮度，預(yù)防近視等的發(fā)生。表3.1 硅光電池測光光 照 狀 況全 暗日光燈照射手電筒斜照射手電筒直照射激光照射測定電壓 (V)（二）激光器偏振光強(qiáng)度分布測量(1) 按下

12、圖所示連接各單元。+5V數(shù)字電壓表(2) 檢查無誤后，開啟電源。點(diǎn)亮激光器。適當(dāng)調(diào)整激光器姿態(tài)，調(diào)整斬光片，使激光束穿過斬光片的通孔照射到硅光電池上（此時(shí)同時(shí)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)盤的位置，使激光器的光全部打在硅光電池上）。(3) 轉(zhuǎn)動偏振片轉(zhuǎn)盤，可發(fā)現(xiàn)透過偏振片的激光強(qiáng)度發(fā)生改變；當(dāng)透射激光束最亮?xí)r，將之記為起始角度位置。(4) 記錄起始角度位置時(shí)的數(shù)字電壓表的讀數(shù)(對應(yīng)于激光亮度)，然后逆時(shí)針轉(zhuǎn)動偏振片轉(zhuǎn)盤，每轉(zhuǎn)動22.5° （轉(zhuǎn)盤上的孔與固定盤的孔每對準(zhǔn)一次）， 記錄一次電壓讀數(shù)，列于表3.2，或按比例繪制在圖3.3的角度線上。圖 3.2 激光器偏振光強(qiáng)度分布測量原理圖激光器偏振片偏振光硅

13、光電池偏振光0°45°90°135°180°225°270°315°圖3.3 (5) 考察激光器偏振光強(qiáng)度的分布情況，并分析原因。 表3.2 激光器的偏振強(qiáng)度分布角 度022.54567.590112.5135157.5180電壓 (V)實(shí)驗(yàn)四 CCD視頻圖像采集及紅外遙控LED彩燈實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、掌握電荷耦合器件（CCD）的成像原理、特性及其在攝像監(jiān)控方面的應(yīng)用。2、了解光敏三極管的光電特性，掌握由“紅外LED光敏三極管對”構(gòu)成的紅外遙控系統(tǒng)的原理及應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理：利用英聯(lián)圖像識別軟件，可將來自CCD傳

14、感器采集的圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并在監(jiān)視器上顯示圖像尺寸，辨識形狀。光敏三極管和普通晶體三極管相似，具有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，更主要的是受光信號的控制。實(shí)驗(yàn)中發(fā)射電路驅(qū)動紅外LED發(fā)射連續(xù)或編碼脈沖光信號，由光敏三極管接收，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，經(jīng)放大或解碼電路處理后，驅(qū)動控制對象工作。三、實(shí)驗(yàn)所需單元：CCD攝像頭，CCD專用通訊線，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，視頻軟件 ，被側(cè)體（三角型、圓形、矩形）等。直流穩(wěn)壓電源，電阻，紅外LED，光敏三極管，紅外遙控電路，LED彩燈，按鈕，繼電器，四、實(shí)驗(yàn)步驟： （一）視頻圖像采集(1)將CCD專用通訊線一端接到儀器頂板上的四芯插

15、口，另一端與計(jì)算機(jī)串口相連。（CCD的供電電源，內(nèi)部已連接為+5v）(2) 調(diào)節(jié)好CCD攝像頭與被測體工件，裝上被測體如圓形，開啟實(shí)驗(yàn)儀的主電源。(3) 用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊“ 英聯(lián)圖像識別軟件”“Image”“ 圖像”“從設(shè)備讀入圖像 圖一如圖一設(shè)置好端口，點(diǎn)擊“確定”，過幾秒以后會出現(xiàn)圖二對話框從圖二中我們可以看出，被測體“形狀” “半徑” “圓心” “面積”。 注：1、如實(shí)驗(yàn)過程中，出現(xiàn)識別誤差，關(guān)閉軟件窗口，重新測量：2、如實(shí)驗(yàn)過程中，出現(xiàn)識別誤差，調(diào)整被測體和CCD圖象傳感器的位置，保持CCD攝像頭和被測體的依附面垂直。3、調(diào)整周圍環(huán)境光照對被測體的影響。（二）紅外遙控LED彩燈實(shí)驗(yàn) (1) 按圖4.