光電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書

1、 光電子技術(shù)實 驗 指 導(dǎo) 書CSY2000G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?、實驗桌四大部分組成（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：DC200mV-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

2、-9999Hz、 n：0-9999 r/min計時器（秒表）：9999S氣壓表:4-40 KPa3、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、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

3、模板光電器件實驗（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骞饫w傳感器實驗?zāi)０錚SD傳感器實驗?zāi)０鍦囟葌鞲衅鳎ㄋ模嶒炞?放置主機箱、實驗?zāi)０濉⒏鞣N實驗器件實驗臺尺寸為：1600×800×740（mm）實驗指南實驗一 光電基礎(chǔ)知識實驗實驗?zāi)康耐ㄟ^實驗使學(xué)生對光源分光原理，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：以電磁波形式或粒子（光子）形成傳輸?shù)哪芰浚鼈兛梢杂霉鈱W(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

4、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QeJ光量QQ=Qdt1m s輻射通量ee=de/dtW光通量=Id1m輻射出射度ee=de/dsW/m2光出射度MM=d/ds1m/ m2輻射強度ee=de/dsw/sr發(fā)光強度I基本量cd輻射亮度LeLe=de/(ds cos)w/(m2 sr)（光）亮度LI=dI/ds coscd/m2輻射照度EeEe=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

5、，定義為一個光源發(fā)出頻率為540×1012 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）。 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（

6、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- I

7、2經(jīng)過具體運算得Sin1/2(+)=n-Sin/2*Cos(I1+I2)/Cos1/2(I1+I2)由式可見，光線經(jīng)棱鏡折射后，產(chǎn)生的偏角 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

8、，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 ： 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：（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，電源自動截止保護，要正常工作必須重新開機

9、）。（2） 將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?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）。圖1-4 太陽光的光色散第二部分 輻射度與光度學(xué)1、 基本原理： 光輻射的探測和計

10、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：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：（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，測量當前環(huán)境下的照度。圖1-5 輻射度與光度學(xué)的接線示意圖（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)電源的兩個插孔相連，逆時針調(diào)節(jié)可調(diào)電源旋

11、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波長照度電壓660nm600nm560nm510nm470nm400nm2V3V4V5V6V7V（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

12、，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

13、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？實驗二 光敏電阻實驗一、 實驗?zāi)康模毫私夤饷綦娮璧墓庾V響應(yīng)特征、光照特性和伏安特性等基本特性二、 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。基于這種效應(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、 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、 實驗步驟：1、亮電阻和暗電阻測量（1） 圖2

14、-1是光敏電阻實驗原理圖圖2-1 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，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2-2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

15、“”插孔與+5V穩(wěn)壓電源的“”相連。（4） 在光敏電阻與光源之間用遮光筒連接后，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、光照特性測量 光敏電阻的測量電壓（U測）為+5V時，光敏電

16、阻的光電流隨光照強度變化而變化，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mAI光照度 （LX）圖23光敏電阻光照特性實驗曲線3、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性曲線。 表2-2型號：MT5528電壓（U）1.252345照度LX100電流（m

17、A）300電流（mA）500電流（mA）光電流VCC 圖24光敏電阻伏安特性 4 、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顏色波長(nm)型號MT5528100LX照度下的電流紅660

18、橙600黃560綠510藍470紫400實驗三 光電池實驗一 實驗?zāi)康牧私夤怆姵氐墓庹?、光譜特性，熟悉其應(yīng)用。二 基本原理當光照射到光電池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 需用器件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

19、到實驗?zāi)０宓墓韫怆姵厣希ㄗ⒁鈽O性）。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)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?、硅光電池的電流表接口上，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 波長 實驗四 光源及光調(diào)制解調(diào)實驗一、實驗?zāi)康模?了解光調(diào)制解調(diào)的原理二、基本原理：光