CSY10G實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、儀器 說 明CSY10G型光電傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀是為了適應(yīng)現(xiàn)代光電傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程所需而研制的實(shí)驗(yàn)儀器 。其特點(diǎn)是將各種光電傳感器、被測體、信號源、儀表顯示、信號采集、處理電路及實(shí)驗(yàn)所需的溫度、位移、光源、旋轉(zhuǎn)裝置集中于一機(jī)，可以方便地對十種光電傳感器進(jìn)行光譜特性、光電特性、溫度特性等二十余種實(shí)驗(yàn)。并可根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理自主開發(fā)出更多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)儀主要由實(shí)驗(yàn)工作臺、信號控制及儀表顯示、圖象和數(shù)據(jù)采集、光電轉(zhuǎn)換/處理電路組成。位于實(shí)驗(yàn)儀頂部的工作臺部分，分別布置有熱釋電紅外傳感器、溫度源、慢速電機(jī)、衍射光柵、固體激光器、PSD光電位置傳感器、CCD電荷圖象傳感器、位移平臺、光電器件安裝板、莫爾條紋

2、光柵位移傳感器、光纖傳感器、光電斷續(xù)器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)等。（詳見實(shí)驗(yàn)儀工作臺布局圖）傳感器：（十種）1、 光敏二極管：由具有光敏特性的PN結(jié)制成，不同的二極管光譜范圍是不同的。2、 光敏三極管：具有NPN或PNP結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光敏管，引出電極二個，較之光敏二極管具有更高的靈敏度。3、 光敏電阻：CdS材料制成，其電阻值隨光照強(qiáng)度而改變。4、 光電池：根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理制成的半導(dǎo)體PN結(jié)，光譜響應(yīng)范圍在50100m光波長之間。5、 光斷續(xù)器：透過型的紅外發(fā)射-接收器件。6、 光纖傳感器：導(dǎo)光型紅外發(fā)射-接收傳感器，可測位移、轉(zhuǎn)速、振動等。7、 PSD光電位置傳感器：一維半導(dǎo)體光點(diǎn)位置敏感傳感器，測試范

3、圍10mm，靈敏度0.01mm。8、 CCD電荷耦合圖象傳感器：物體輪廓與圖象監(jiān)測，光敏面尺寸4mm×3.5mm。9、 熱釋電紅外傳感器：工作范圍波長510m紅外光,探測距離5m。10、 光柵傳感器：光柵衍射及光柵距測試、光柵莫爾條紋精密位移測試。溫度源：電加熱器，溫升100。光源：12V安全電壓，高亮度鹵鎢燈；各色高亮度LED發(fā)光管。慢速電機(jī)：控速電機(jī)及遮溫葉片組成。位移裝置：位移范圍25mm,精度1m。旋轉(zhuǎn)電機(jī)：轉(zhuǎn)速02400轉(zhuǎn)/分。直流穩(wěn)壓電源：±12V、±2V10V、激光電源、CCD電源。數(shù)字電壓/頻率表：3 1/2位顯示，精度1%。微安表：0100A，精

4、度2.5%。 試件插座：位于光電器件模板上，可供實(shí)驗(yàn)者插入隨機(jī)所帶附件中提供的光電器件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，試件插座與儀器下部面板上的傳感器接口處的“光敏電阻”、“光電池”、“發(fā)光二極管、”的備用插座相并接，實(shí)驗(yàn)時(shí)試件可插入試件插座，也可插入相關(guān)傳感器的備用插座。實(shí)驗(yàn)選配單元：實(shí)驗(yàn)者可利用儀器提供的電源、電位器、三極管、部分光電器件、儀表及實(shí)驗(yàn)連接線組成光電器件的光譜、照度、伏安特性等測試電路。實(shí)驗(yàn)時(shí)，傳感器接入光電轉(zhuǎn)換/處理電路相應(yīng)的傳感器接口，按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容正確操作，確認(rèn)無誤后開啟電源。實(shí)驗(yàn)者可利用儀器提供的試件插座對相同種類不同型號的光電傳感器進(jìn)行性能測試比較。請按照說明安裝好圖象卡及實(shí)驗(yàn)軟件，正

5、確進(jìn)行選項(xiàng)設(shè)置，并在詳細(xì)了解了實(shí)驗(yàn)軟件內(nèi)容和操作方法后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查儀器的工作電壓是否正常，實(shí)驗(yàn)連接線是否完好，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)避免電源之間相互短路。圖象卡的視頻線及數(shù)據(jù)采集卡的通信線務(wù)請連接正確。請注意當(dāng)高亮度光源打開時(shí)對儀器有一定的干擾，特別是在小信號數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)避免開燈，光源燈頭及電源線接頭應(yīng)注意保持接觸良好。CCD攝象機(jī)及一體組裝的移動導(dǎo)軌請根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要按布局圖安裝在導(dǎo)軌基座上。請?zhí)貏e注意：固體激光器插頭不要插入CCD電源插孔，否則會燒壞激光器。光電實(shí)驗(yàn)儀器在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意背景光的影響，必要時(shí)有些實(shí)驗(yàn)應(yīng)在暗光下進(jìn)行。請注意本儀器為實(shí)驗(yàn)性儀器，大多實(shí)驗(yàn)主要是對光電傳感器進(jìn)行定性的分析演示，

6、而非應(yīng)用工程中的定量測試。通過完成本實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，期望能對實(shí)驗(yàn)者在光電傳感器方面的認(rèn)識有所加深，為以后的工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)。儀器使用前應(yīng)對各項(xiàng)傳感器、公共電路進(jìn)行檢查，如能完成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的相應(yīng)內(nèi)容，則儀器性能正常。實(shí)驗(yàn)一 光敏電阻特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理:光敏電阻又稱為光導(dǎo)管,是一種均質(zhì)的半導(dǎo)體光電器件,其結(jié)構(gòu)如圖(1)所示。由于半導(dǎo)體在光照的作用下,電導(dǎo)率的變化只限于表面薄層,因此將摻雜的半導(dǎo)體薄膜沉積在絕緣體表面就制成了光敏電阻，不同材料制成的光敏電阻具有不同的光譜特性。光敏電阻采用梳狀結(jié)構(gòu)是由于在間距很近的電阻之間有可能采用大的靈敏面積,提高靈敏度。實(shí)驗(yàn)所需部件:穩(wěn)壓電源、光敏電阻、負(fù)載電阻

7、（選配單元）、電壓表、各種光源、遮光罩、激光器實(shí)驗(yàn)步驟:1、 測試光敏電阻的暗電阻、亮電阻、光電阻觀察光敏電阻的結(jié)構(gòu),用遮光罩將光敏電阻完全掩蓋,用萬用表測得的電阻值為暗電阻R暗,移開遮光罩，在環(huán)境光照下測得的光敏電阻的阻值為亮電阻，暗電阻與亮電阻之差為光電阻，光電阻越大，則靈敏度越高。在光電器件模板的試件插座上接入另一光敏電阻，試作性能分析。2、 光敏電阻的暗電流、亮電流、光電流按照圖(3)接線，電源可從+2+8V間選用，分別在暗光和正常環(huán)境光照下測出輸出電壓V暗和V亮則暗電流L暗=V暗/RL,亮電流L亮=V亮/RL，亮電流與暗電流之差稱為光電流，光電流越大則靈敏度越高。分別測出兩種光敏電阻

8、的亮電流，并做性能比較。3、光敏電阻的光譜特性： 圖（2）幾種光敏電阻的光譜特性用不同的材料制成的光敏電阻有著不同的光譜特性，見圖（2）光敏電阻的光譜特性曲線。當(dāng)不同波長的入射光照到光敏電阻的光敏面上，光敏電阻就有不同的靈敏度。按照圖(3)接線,電源電壓可采用直流穩(wěn)壓電源的負(fù)電源。用高亮度LED（紅、黃、綠、藍(lán)、白）作為光源，其工作電源可選用直流穩(wěn)壓電源的正電源。發(fā)光管的接線可參照圖（15）。限流電阻用選配單元上的1K100K檔電位器，首先應(yīng)置電位器阻值為最大，打開電源后緩慢調(diào)小阻值，使發(fā)光管逐步發(fā)光并至最亮，當(dāng)發(fā)光管達(dá)到最高亮度時(shí)不應(yīng)再減小限流電阻阻值,確定限流電阻阻值后不再改變。依次將各發(fā)

9、光管接入光電器件模板上的發(fā)光管插座，發(fā)光管與光敏電阻頂端可用附件中的黑色軟管連接。分別測出光敏電阻在各種光源照射下的光電流，再用激光教鞭、固體激光器作為光源，測得光電流，記錄兩種光電阻的光譜特性：紅_黃_綠_藍(lán)_白_激光教鞭_固體激光器_。4. 伏安特性: 光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系。按照圖(3)分別測得偏壓為2V、4V、6V、8V、10V時(shí)的光電流，并嘗試高照射光源的光強(qiáng)，測得給定偏壓時(shí)光強(qiáng)度的提高與光電流增大的情況。將所測得的結(jié)果填入表格并作出V/I曲線。5. 溫度特性:光敏電阻與其他半導(dǎo)體器件一樣,性能受溫度影響較大.隨著溫度的升高電阻值增大,靈敏度下降。請按圖(3)測試電

10、路，分別測出常溫下和加溫(可用電烙鐵靠近加溫或用電吹風(fēng)加溫，電烙鐵切不可直接接觸器件)后的伏安特性曲線。6. 光敏電阻的光電特性：在一定的電壓作用下，光敏電阻的光電流與照射光通量的關(guān)系為光電特性見圖（4）所示。 圖（4）光敏電阻的光電特性 圖（3）的實(shí)驗(yàn)電路電源可選用+12V穩(wěn)壓電源，適當(dāng)串入一選配單元上的可變電阻，阻值在10K左右。發(fā)光LED接直流穩(wěn)壓電源的210V電壓檔，調(diào)節(jié)電路使發(fā)光管剛好發(fā)光，將發(fā)光管與光敏電阻頂端相連接，蓋上遮光罩，測得光電流_，然后依次將發(fā)光管工作電壓提高為4V，6V，8V，10V，測得光電流。或：置于暗光條件下，打開高亮度光源燈光，調(diào)節(jié)光源與光敏電阻的距離和照射角

11、度，改變光敏電阻上入射光的光通量，觀察光電流的變化。注意事項(xiàng): 實(shí)驗(yàn)時(shí)請注意不要超過光電阻的最大耗散功率P MAX, P MAX=LV 光源照射時(shí)燈膽及燈杯溫度均很高，請勿用手觸摸，以免燙傷。實(shí)驗(yàn)二 光電阻的應(yīng)用-暗光亮燈電路實(shí)驗(yàn)原理:按照圖(5),在放大電路中,當(dāng)光照度下降時(shí)晶體管T基極電壓升高，T導(dǎo)通,集電極負(fù)載LED流過的電流增大,LED發(fā)光,這是一個暗通電路.。 實(shí)驗(yàn)所需部件:光敏電阻、光敏燈控電路(或?qū)嶒?yàn)選配單元)、電壓表實(shí)驗(yàn)步驟:1. 將光敏電阻接入光敏燈控電路。調(diào)節(jié)控制電位器,使其在自然光下負(fù)載發(fā)光二極管不亮。2. 分別用白紙、帶色的紙、書本和遮光板擋住光照，觀察燈控電路的亮燈情

12、況。其原理與馬路燈光控制情況是否相同?3. 根據(jù)圖(5)暗通電路原理,試設(shè)計(jì)一個亮通電路.實(shí)驗(yàn)三 光敏二極管特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理:光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的,其管芯是一個具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，因此工作時(shí)需加上反向電壓。無光照時(shí),有很小的飽和反向漏電流,即暗電流，此時(shí)光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時(shí),飽和反向漏電流大大增加，形成光電流,它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。光敏二極管結(jié)構(gòu)見圖(6)。實(shí)驗(yàn)所需部件:光敏二極管、穩(wěn)壓電源、負(fù)載電阻、遮光罩、光源、電壓表(自備4 1/2位萬用表).、微安表實(shí)驗(yàn)步驟:按圖(7)接線,注意光敏二極管是工作在反向工作電壓的。由于硅光敏二極管的反向

13、工作電流非常小，所以應(yīng)提高工作電壓，可用穩(wěn)壓電源上的±10V或±12V串接。1、 暗電流測試用遮光罩蓋住光電器件模板,電路中反向工作電壓接±12V,打開電源，微安表顯示的電流值即為暗電流，或用4 1/2位萬用表200mV檔測得負(fù)載電阻RL上的壓降V暗，則暗電流L暗=V暗/RL。一般鍺光敏二極管的暗電流要大于硅光敏二極管暗電流數(shù)十倍?？稍谠嚰遄细鼡Q其他光敏二極管進(jìn)行測試比較。2、 光電流測試:取走遮光罩，讀出微安表上的電流值,或是用4 1/2位萬用表200mv檔測得RL上的壓降V光,光電流L光=V光/RL。3、 靈敏度測試:改變儀器照射光源強(qiáng)度及相對于光敏器件的

14、距離，觀察光電流的變化情況。4、 光譜特性測試:不同材料制成的光敏二極管對不同波長的入射光反應(yīng)靈敏度是不同的。由圖（8）可以看出，硅光敏二極管和鍺光敏二極管的響應(yīng)峰值約在80100m，試用附件中的紅外發(fā)射管、各色發(fā)光LED、光源光、激光光源照射光敏二極管，測得光電流并加以比較。圖（8）光敏管的伏安特性曲線 圖（9）光敏二極管的光譜特性曲線 注意事項(xiàng):本實(shí)驗(yàn)中暗電流測試最高反向工作電壓受儀器電壓條件限制定為±12V（24V），硅光敏二極管暗電流很小，不易測得。實(shí)驗(yàn)四 光敏管的應(yīng)用-光控電路實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解光敏管在控制電路中的具體應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)所需部件:光敏二極管或光敏三極管、光控電路、光源、

15、電壓表實(shí)驗(yàn)步驟:1. 按圖(10)接線,注意光敏管的極性。調(diào)節(jié)控制電路,使其在自然光下負(fù)載發(fā)光管不亮。2. 分別用白紙帶色的紙書本和遮光板改變改變光敏管的光照，觀察控制電路的亮燈情況。實(shí)驗(yàn)五 光敏三極管特性測試實(shí)驗(yàn)原理：光敏三極管是具有NPN或PNP結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體管，結(jié)構(gòu)與普通三極管類似。但它的引出電極通常只有兩個，入射光主要被面積做得較大的基區(qū)所吸收。光敏三極管的結(jié)構(gòu)與工作電路如圖（11）所示。集電極接正電壓，發(fā)射極接負(fù)電壓。實(shí)驗(yàn)所需部件：光敏三極管、穩(wěn)壓電源、各類光源、電壓表（自備4 1/2位表）、微安表、負(fù)載電阻實(shí)驗(yàn)步驟：1、 判斷光敏三極管C、E極性，方法是用萬用表歐姆20M測試檔，測得

16、管阻小的時(shí)候紅表棒端觸腳為C極，黑表棒為E極。2、 暗電流測試：按圖（11）接線，穩(wěn)壓電源用±12V，調(diào)整負(fù)載電阻RL阻值，使光敏器件模板被遮光罩蓋住時(shí)微安表顯示有電流，這即是光敏三極管的暗電流，或是測得負(fù)載電阻RL上的壓降V暗，暗電流LCEO=V暗/RL。（如是硅光敏三極管，則暗電流可能要小于10-9A，一般不易測出。3、 光電流測試：取走遮光罩，即可測得光電流I光，通過實(shí)驗(yàn)比較可以看出，光敏三極管與光敏二極管相比能把光電流放大（1+HFE）倍，具有更高的靈敏度。3、 伏安特征測試： 光敏三極管在給定的光照強(qiáng)度與工作電壓下，將所測得的工作電壓Vce與工作電流記錄，工作電壓可從

17、77;4V±12V變換，并作出一組V/I曲線。4、 光譜特性測試：對于一定材料和工藝制成的光敏管，必須對應(yīng)一定波長的入射光才有響應(yīng)。按圖（11）接好光敏三極管測試電路，參照光敏二極管的光譜特性測試方法，分別用各種光照射光敏三極管，測得光電流，并做出定性的結(jié)論。5、 光電特性測試： 圖（12）光敏三極管的溫度特性 圖（13）光敏三極管的光電特性曲線在外加工作電壓恒定的情況下，照射光通量與光電流的關(guān)系見圖（13），用各種光源照射光敏三極管，記錄光電流的變化。 6、 溫度特性測試：光敏三極管的溫度特性曲線如圖（12）所示，試在圖（11）的電路中，加熱光敏三極管，觀察光電流隨溫度升高的變化情

18、況。 思考題：光敏三極管工作的原理與半導(dǎo)體三極管相似，為什么光敏三極管有兩根引出電極就可以正常工作？實(shí)驗(yàn)六 光敏三極管對不同光譜及光強(qiáng)的響應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理： 在光照度一定時(shí)，光敏三極管輸出的光電流隨波長的改變而變化，一般說來，對于發(fā)射與接收的光敏器件，必須由同一種材料制成才能有此較好的波長響應(yīng)，這就是光學(xué)工程中使用光電對管的原因。實(shí)驗(yàn)所需部件： 光敏三極管、發(fā)光二極管（包括紅外發(fā)射管、各種顏色的LED）、試件插座、直流穩(wěn)壓電源、電壓表（自備4 1/2位）實(shí)驗(yàn)步驟：1、 按圖（14）接好光敏三極管測試電路，電路中的光敏三極管為紅外接收管，電路中的光源采用紅外發(fā)光二極管，必須注意發(fā)光二極管的接線方向。發(fā)

19、光二極管的光都是通過頂端的透鏡發(fā)射的，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)必須注意二極管與三極管的相對位置。(頂端透鏡相對)2、 接好如圖（15）所示的發(fā)光二極管電路，注意發(fā)光二極管限流電阻阻值的調(diào)節(jié)，發(fā)光二極管可插在試件插座上。實(shí)驗(yàn)中發(fā)光電路可用多種顏色的LED。3、 用黑色膠管將發(fā)光二極管與光敏三極管對頂相連，并用遮光罩將它們罩住，如果光譜一致的話則測試電路輸出端信號變化較大，反之則說明發(fā)射與接收不配對，需更換發(fā)光源。4、 調(diào)整發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度（可調(diào)節(jié)電位器）或改變與光敏管的相對位置，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。注意事項(xiàng)：發(fā)光二極管限流電阻一定不能太小，否則將損壞發(fā)光源。實(shí)驗(yàn)七 光電池特性測試.實(shí)驗(yàn)原理: 光電池的結(jié)構(gòu)其實(shí)是一

20、個較大面積的半導(dǎo)體PN結(jié)，工作原理即是光生伏特效應(yīng),當(dāng)負(fù)載接入PN兩極后即得到功率輸出。實(shí)驗(yàn)所需器件: 兩種光電池、各類光源、測試電路、電壓表(4 1/2位)自備、微安表、激光器實(shí)驗(yàn)步驟:圖(16)為光電池結(jié)構(gòu)原理及測試電路。1. 光電池短路電流測試：光電池的內(nèi)阻在不同光照時(shí)是不同的，所以在測得暗光條件下光電池的內(nèi)阻后,應(yīng)選用相對小得多的負(fù)載電阻。(這樣所測得的電流近似短路電流)試用阻值為5、10、20、30的負(fù)載電阻接入測試電路。打開光源，在不同的距離和角度照射光電池，記錄光電流的變化情況，可以看出，負(fù)載電阻越小，光電流與光強(qiáng)的線性關(guān)系就越好。2. 光電池光電特性測試：光電池的光生電動勢與光

21、電流和光照度的關(guān)系為光電池的光電特性。用遮光罩蓋住光電器件模板，用電壓表或4 1/2位萬用表測得光電池的電勢，取走遮光罩，打開光源燈光，改變燈光投射角度與距離，即改變光電池接收的光通量，測量光生電動勢與光電流的變化情況，可以看出，它們之間的關(guān)系是非線性的，當(dāng)達(dá)到一定程度的光強(qiáng)后，開路電壓就趨于飽和了。光電池光譜特性測試：光電池的光譜特性可參見圖（18）所示，硒光電池的光譜響應(yīng)范圍 3070µm，硅光電池的光譜響應(yīng)在50100µm。3. 光電池接入圖（16）測試電路，在各種光照條件下（自然光、白熾燈、日光燈、光源光、激光）測得光生電勢與光電流，或按光電器件光譜特性的測試方法，

22、將各種光源在額定工作電壓下光照光電池時(shí)產(chǎn)生的光電勢、光電流做比較。 圖（18）光電池的光譜特性曲線4 光電池伏安特性測試： 圖（19）光電池的伏安特性曲線當(dāng)光電池負(fù)載為電阻時(shí)，光照射下的光電池的輸出電壓與電流的關(guān)系。見圖（19）。曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)為光電池開路電壓值，與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)為短路電流值。當(dāng)接入負(fù)載電阻RL時(shí)，負(fù)載線RL與伏安特性曲線的交點(diǎn)為工作點(diǎn)，此時(shí)光電池的輸出電流與電壓的乘積為光電池的輸出功率P光。圖（19）硅光電池的光電特性曲線5 按照本實(shí)驗(yàn)步驟1，分別測得在不同負(fù)載條件下，光電池的輸出功率，求得最佳工作點(diǎn)。6.將光電池分別串、并聯(lián),測出其工作性能與輸出功率,并得出定性的結(jié)論。注

23、意事項(xiàng): 光電池串、并聯(lián)時(shí)請注意電壓極性，以免電壓相互抵消或短路。實(shí)驗(yàn)八 光電池應(yīng)用-光強(qiáng)計(jì)實(shí)驗(yàn)所需部件:光電池(或串或并均可)、光強(qiáng)測試電路單元實(shí)驗(yàn)步驟:1. 按圖(20)將光電池接入光電池實(shí)驗(yàn)單元，注意電池極性。發(fā)光二極管接入時(shí)也應(yīng)注意極性。2. 調(diào)節(jié)光電池受光強(qiáng)度，分別在光照很暗、正常光照和光照很強(qiáng)時(shí)觀察兩個發(fā)光二極管不亮、稍亮、兩個都很亮，這樣就形成了一個簡易的光強(qiáng)計(jì)。思考題：如何將此電路改造成可更細(xì)分光照強(qiáng)度的光強(qiáng)計(jì)?實(shí)驗(yàn)九 紅外光敏管應(yīng)用-紅外檢測實(shí)驗(yàn)所需部件:紅外光敏二極管及三極管、測試電路單元、紅外發(fā)射管、其他熱源、LED發(fā)光二極管實(shí)驗(yàn)步驟: 1. 按圖(21)將紅外光敏二極管

24、（三極管）及發(fā)光LED接入電路，注意元件極性。2. 將紅外發(fā)光二極管接入圖(15)所示工作電路，發(fā)光二極管逐步靠近紅外光敏管，調(diào)節(jié)發(fā)光管限流電阻，觀察電路輸出端電壓是否有變化。3. 將熱源逐步靠近紅外光敏管,觀察電路反應(yīng)情況。4. 用其他類型的發(fā)光管代替紅外發(fā)光二極管,看電路是否能動作。注意事項(xiàng)：紅外發(fā)射與紅外接收光敏管必須光譜特性一致，紅外發(fā)射管的發(fā)射功率如太小也會使電路不動作。實(shí)驗(yàn)十 光纖位移傳感器原理實(shí)驗(yàn)原理: 本實(shí)驗(yàn)儀中所用的為傳光型光纖傳感器,光纖在傳感器中起到光的傳輸作用，因此是屬于非功能性的光纖傳感器。光纖傳感器的兩支多模光纖分別為光源發(fā)射及接收光強(qiáng)之用，其工作原理如圖(22)所

25、示。光纖傳感器工作特性曲線如圖(23)所示。一般都選用線性范圍較好的前坡為測試區(qū)域。實(shí)驗(yàn)所需部件: 光纖、光電變換器、放大穩(wěn)幅電路、紅外發(fā)射及檢測電路（光纖變換電路內(nèi)）、反射物（電機(jī)葉面）、電壓表.實(shí)驗(yàn)步驟:1. 觀察光纖結(jié)構(gòu)：一支發(fā)射、另一支為接收的多模光纖為半圓形結(jié)構(gòu)，光纖質(zhì)量的優(yōu)劣可通過對光照射觀察光通量得出結(jié)論。2. 光電傳感器內(nèi)發(fā)射光源是近紅外光,接收近紅外信號后經(jīng)穩(wěn)幅及放大。判斷光電變換器中兩個安裝孔位置具體為發(fā)射還是接收可采用如以下辦法:將光纖變換器電壓輸出端接電壓表輸入端，光電變換塊四芯航空插頭接入光纖變換器四芯插座，將雙支光纖的其中一根插入光電變換塊中的一孔，觀察電壓表輸出情

26、況。將接通電源的紅外發(fā)光管靠近光纖探頭，如VO端有電壓輸出則此孔為接收放大端，如單獨(dú)插入另一孔,光纖探頭靠近接通電源的紅外光敏三極管,探測電路動作則說明此孔為紅外光源發(fā)射。3. 將兩根光纖均裝入光電變換塊,裝入時(shí)注意不要過分用力,以免影響到變換塊中光電管的位置。分別將光纖探頭置于全暗無反射和對準(zhǔn)較強(qiáng)光源的照射，光纖變換器輸出電壓應(yīng)分別為零和最大值。注意事項(xiàng): 光纖三端面均經(jīng)過精密光學(xué)拋光,其端面的光潔度直接會影響光源損耗的大小,需仔細(xì)保護(hù)。禁止使用硬物、尖銳物體碰觸，遇臟可用鏡頭紙擦拭。如非必要，最好不要自行拆卸，觀察光纖結(jié)構(gòu)一定要在實(shí)驗(yàn)老師的指導(dǎo)下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)十一 光纖傳感器應(yīng)用-測溫傳感器實(shí)

27、驗(yàn)原理: 光纖變換電路中的紅外接收-放大部分如接收熱源中的紅外光，輸出電壓就會隨溫度變化。實(shí)驗(yàn)所需部件: 光纖、光電變換塊、光纖變換電路、電壓表、熱源、移動平臺。實(shí)驗(yàn)步驟:1. 將一根光纖插入實(shí)驗(yàn)十中已確定的光電變換塊中的接收孔,并將端面朝向光亮處，使輸出電壓Vo變化,確定無誤，并用緊定螺絲固定位置。2. 將光纖探頭端面垂直對準(zhǔn)一黑色平面物體（最好是黑色橡膠、皮革等）壓緊，此時(shí)光電變換器VO端輸出電壓為零。3. 將光纖探頭放入一個完全暗光的環(huán)境中，電路VO端輸出為零。用手指壓住光纖端面，即使在暗光環(huán)境中，電路也有輸出，這是因?yàn)槿梭w散射的紅外信號通過光纖被紅外接收管接收后經(jīng)放大后轉(zhuǎn)換成電信號輸出

28、。4. 將光纖探頭靠近熱源（或是探頭垂直與散熱片緊貼），打開熱源開關(guān)，觀察隨熱源溫度上升，光電變換器VO端輸出變化情況。注意事項(xiàng):光纖探頭應(yīng)避免太靠近熱源電加熱絲,以免損壞探頭及護(hù)套。實(shí)驗(yàn)者也請勿用手觸摸加熱片，以免燙傷。實(shí)驗(yàn)十二 光纖傳感器-位移測試實(shí)驗(yàn)所需部件: 光纖、光電變換塊、光纖變換電路、電壓表、反射片(電機(jī)葉片)、位移平臺實(shí)驗(yàn)步驟:1. 將光纖、光電變換塊與光纖變換電路相連接,注意同一實(shí)驗(yàn)室如有多臺光電傳感器實(shí)驗(yàn)儀,由于光電變換塊中的光電元件特性存在不一致,則光纖變換電路中的發(fā)射接收放大電路的參數(shù)也不一致，故請做實(shí)驗(yàn)之前將光纖光電變換塊和實(shí)驗(yàn)儀對應(yīng)編號,不要混用,以免影響正常實(shí)驗(yàn)。

29、2. 光纖探頭安裝于位移平臺的支架上用緊定螺絲固定,電機(jī)葉片對準(zhǔn)光纖探頭,注意保持兩端面的平行。3. 盡量降低室內(nèi)光照,移動位移平臺使光纖探頭緊貼反射面，此時(shí)變換電路輸出電壓Vo應(yīng)約等于零。4. 旋動螺旋測微儀帶動位移平臺使光纖端面離開反射葉片，每旋轉(zhuǎn)一圈(0.5毫米)記錄Vo值,并將記錄結(jié)果填入表格,作出距離X與電壓值mv的關(guān)系曲線。5. 從測試結(jié)果可以看出,光纖位移傳感器工作特性曲線如圖(23)所示分為前坡和后坡。 前坡范圍較小，線性較好。后坡工作范圍大但線性較差。因此平時(shí)用光纖位移傳感器測試位移時(shí)一般采用前坡特性范圍。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果試找出本實(shí)驗(yàn)儀的最佳工作點(diǎn)。（光纖端面距被測目標(biāo)的距離）實(shí)

30、驗(yàn)十三 光纖傳感器-轉(zhuǎn)速與振動測試實(shí)驗(yàn)所需部件: 光纖、光電變換塊、光纖變換電路、測速電機(jī)、電壓/頻率表、示波器實(shí)驗(yàn)步驟:1. 光纖變換電路中Fo端輸出為整形電路輸出，它可以將光纖探頭所測到脈動信號整形為標(biāo)準(zhǔn)的5VTTL電平輸出，以供儀器中的數(shù)據(jù)采集卡計(jì)數(shù)之用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)十二的結(jié)果,將光纖探頭安裝與距電機(jī)反射葉片最佳工作點(diǎn)處。2. 開啟轉(zhuǎn)速電機(jī),調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，用示波器觀察Vo端輸出電壓波形和經(jīng)過整形的Fo端輸出方波的波形，如Fo端無輸出則可能是Vo端輸出電壓過高,可適當(dāng)降低放大增益，直至FO端有方波輸出為止。3. 用示波器或頻率計(jì)讀出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。4. 示波器探頭接于光電變換器VO端，放大器增益置最大

31、，根據(jù)實(shí)驗(yàn)十二結(jié)果，探頭安裝在距反射葉片的最佳工作點(diǎn)處。開啟電源與旋轉(zhuǎn)電機(jī)，調(diào)節(jié)示波器，以能穩(wěn)定地觀察輸出波形為好。讀出相鄰輸出波形峰值之差，根據(jù)位移測試標(biāo)定結(jié)果，判斷旋轉(zhuǎn)電機(jī)葉片的抖動情況，得出電機(jī)轉(zhuǎn)動是否平穩(wěn)的結(jié)論。注意事項(xiàng)：測試電機(jī)葉片時(shí)輸出電壓峰值之差是比較小的，所以要特別注意背景光的影響。實(shí)驗(yàn)十四. 光耦合器件-光斷續(xù)器實(shí)驗(yàn)原理: 光耦合器件是由發(fā)光與受光器件組成,輸入端與輸出端在電氣上是絕緣的，只能由光來傳遞信號。光耦合器又分光電耦合器和光斷續(xù)器兩種,所用的發(fā)光、受光器件都相似。光電耦合器主要用于電路的隔離,光斷續(xù)器主要是用來測試目標(biāo)物體的有無，功能的不同使它們的安裝結(jié)構(gòu)不同，本實(shí)

32、驗(yàn)儀中的光耦合器件為光斷續(xù)器。圖(24)為光斷續(xù)器原理圖。實(shí)驗(yàn)所需部件: 光斷續(xù)器、轉(zhuǎn)速電機(jī)、電壓/頻率表、示波器、整形電路實(shí)驗(yàn)步驟:1. 觀察光斷續(xù)器的結(jié)構(gòu)：這是一種透過型的光斷續(xù)器,近紅外發(fā)光二極管發(fā)出的光信號經(jīng)光敏達(dá)林頓電路接收放大整形后輸出，光斷續(xù)器發(fā)射光電源信號由光耦電路中的±12V電源提供。（光耦合器單元中V1、V2端口）2. 連接好光斷續(xù)器的光源激勵電源及Vo端與頻率表的實(shí)驗(yàn)接線，開啟電機(jī),用示波器觀察光斷續(xù)器輸出端Vo的轉(zhuǎn)速波形。3. 將Vo端輸出的電壓波形接入整形電路，從整形電路輸出的為標(biāo)準(zhǔn)的5VTTL電平，此信號可用做數(shù)據(jù)采集頻率計(jì)數(shù)信號。電機(jī)轉(zhuǎn)速 （轉(zhuǎn)/秒）頻率

33、表讀數(shù)÷2思考題:光電耦合器與光斷續(xù)器主要是元件安裝位置上的差別,試想如果將光斷續(xù)器作為光電耦合器是否可能?在結(jié)構(gòu)上應(yīng)做什么改變?實(shí)驗(yàn)十五 菲涅爾透鏡性能實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理: 菲涅爾透鏡是一種精密的光學(xué)系統(tǒng),專門是用來與熱釋電紅外傳感器配套使用。其結(jié)構(gòu)如圖(25)所示。它由經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的透鏡組構(gòu)成，上面的每個透鏡單元都只有一個不大的視場，相鄰兩個單元透鏡的視場即不連續(xù)也不重疊,都相隔一個盲區(qū)。當(dāng)熱源在透鏡前運(yùn)動時(shí),順次從某一單元透鏡視場進(jìn)入又退出，透鏡的功能就是將連續(xù)的熱源信號變成斷續(xù)的輻射信號,使熱釋電傳感器能正常工作。實(shí)驗(yàn)所需部件: 菲涅爾透鏡、激光器(或其它經(jīng)過聚焦的光源)實(shí)驗(yàn)步驟:

34、 仔細(xì)觀察菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu),用激光器從正面照射菲涅爾透鏡,用一白紙放在透鏡下做投射光背景面。當(dāng)激光光點(diǎn)照射到透鏡正面并相對移動時(shí),白紙上的投射光會出現(xiàn)一個接一個的斷續(xù)光斑,而光斑始終都是集中在透鏡中部的。實(shí)驗(yàn)十六 紅外光傳感器-熱釋電紅外傳感器性能實(shí)驗(yàn)原理:熱釋電紅外傳感器的具體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電路如圖(26)所示，主要由濾光片、PZT熱電元件、結(jié)型場效應(yīng)管FET及電阻、二極管組成.。其中濾光片的光譜特性決定了熱釋電傳感器的工作范圍。本儀器所用的濾光片對5m以下的光具有高反射率，而對于從人體發(fā)出的紅外熱源則有高穿透性，傳感器接收到紅外能量信號后就有電壓信號輸出。實(shí)驗(yàn)所需部件: 熱釋電紅外傳感器、慢速電

35、機(jī)、熱釋電處理電路、電加熱器、電壓表實(shí)驗(yàn)步驟:1. 將菲涅爾透鏡裝在熱釋電紅外傳感器探頭上,探頭方向?qū)?zhǔn)熱源方向,按圖標(biāo)符號將傳感器接入處理電路，接好發(fā)光二極管。開啟電源,待電路輸出穩(wěn)定后開啟熱源,同時(shí)將慢速電機(jī)葉片撥開不使其擋住熱源透射孔。2. 隨熱源溫度上升,觀察熱釋電紅外傳感器的Vo端輸出電壓變化情況?？梢钥闯鰝鞲衅鞑⒉灰?yàn)闊嵩礈囟壬仙兴磻?yīng)。3. 開啟慢速電機(jī),調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速旋鈕,使電機(jī)葉片轉(zhuǎn)速盡量慢,不斷的將透熱孔開啟遮擋。此時(shí)用電壓表或示波器觀察輸出電壓端Vo就會發(fā)現(xiàn)輸出電壓隨熱源的變化而變化。當(dāng)達(dá)到告警電壓時(shí),則發(fā)光管閃亮。4. 逐步提高電機(jī)轉(zhuǎn)速,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快,葉片斷續(xù)熱源的頻率

36、增高到一定程度時(shí),傳感器又會出現(xiàn)無反應(yīng)的情況，請分析這是什么原因造成的？(可結(jié)合熱釋電紅外傳感器工作電路原理分析)注意事項(xiàng)：慢速電機(jī)的葉片因?yàn)槭遣黄胶庑问剑又姍C(jī)功率較小，所以開始轉(zhuǎn)動時(shí)請用手撥動一下。實(shí)驗(yàn)十七 紅外光傳感器-熱釋電紅外傳感器人體探測實(shí)驗(yàn)所需部件: 熱釋電紅外傳感器、菲涅爾透鏡、電壓表實(shí)驗(yàn)步驟:1. 將實(shí)驗(yàn)十六中傳感器的安裝方向調(diào)整180°面對儀器前實(shí)驗(yàn)者，連接傳感器探頭與處理電路,輸出端Vo接電壓表。2. 開啟電源,待電路穩(wěn)定后,實(shí)驗(yàn)者從探頭前經(jīng)過,移動速度從慢到快,距離從近到遠(yuǎn),觀察傳感器的反應(yīng)，記錄下傳感器最大探測距離。3. 在探頭前裝上菲涅爾透鏡,重復(fù)步驟（

37、2）,并嘗試在探頭的不同視場范圍進(jìn)入,記錄下裝透鏡后最大的探測距離和探測角度。加深對菲涅爾透鏡作用的了解。實(shí)驗(yàn)十八. 光電位置敏感器件-PSD傳感器實(shí)驗(yàn)原理:PSD(position sensitive detector)是一種新型的橫向光電效應(yīng)器件,當(dāng)入射光點(diǎn)照在器件光敏面上時(shí),激發(fā)光生載流子而產(chǎn)生電流I，光生電流的大小與光點(diǎn)的大小無關(guān),只和光點(diǎn)在器件上的位置有關(guān)系。當(dāng)光點(diǎn)位于器件中點(diǎn)(原點(diǎn))時(shí),光生電流I1=I2，根據(jù)這一原理,將PSD器件兩極電流I1、I2變換成電壓信號后再進(jìn)行運(yùn)算即可知道光點(diǎn)的位置。PSD器件工作原理見圖(27)實(shí)驗(yàn)所需器件: PSD基座(器件已裝在基座上)、固體激光器

38、、反射體、PSD處理電路、電壓表實(shí)驗(yàn)步驟:1. 通過器件上端圓形觀察孔觀察PSD器件及在基座上的安裝位置,連接好PSD器件與處理電路,開啟儀器電源,輸出端Vo接電壓表,此時(shí)因無光源照射,PSD前聚焦透鏡也無因光照射而形成的光點(diǎn)照射在PSD器件上,Vo輸出的為環(huán)境光的噪聲電壓,試用一塊遮光片將觀察圓孔蓋上,觀察光噪聲對輸出電壓的變化。2. 將激光器插頭插入“激光電源”插口，激光器安裝在基座圓孔中并固定。注意激光束照射到反射面上時(shí)的情況，光束應(yīng)與反射面垂直。旋轉(zhuǎn)激光器角度，調(diào)節(jié)激光器光點(diǎn)，（必要時(shí)也可調(diào)節(jié)PSD前的透鏡）使光點(diǎn)盡可能集中在器件上。3. 仔細(xì)調(diào)節(jié)位移平臺，用電壓表觀察輸出電壓VO的變

39、化，當(dāng)輸出為零時(shí)，再分別測兩個信號電極I1、I2端口的電壓值，此時(shí)兩個信號電壓應(yīng)是基本一致的。4. 從原點(diǎn)開始，位移平臺分別向前和向后位移10mm,因?yàn)镻SD器件對光點(diǎn)位置的變化非常敏感，故每次螺旋測微儀旋轉(zhuǎn)5格（1/10mm）,并將位移值（mm）與輸出電壓值（V0）記錄列表，作出V/X曲線，求出靈敏度S，SV/X。根據(jù)曲線分析其線性。注意事項(xiàng)：實(shí)驗(yàn)中所用的固體激光器光點(diǎn)可調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)時(shí)請注意光束不要直接照射眼睛，否則有可能對視力造成不可恢復(fù)的損傷。每一支激光器的光點(diǎn)和光強(qiáng)都略有差異，所以對同一PSD器件，光源不同時(shí)光生電流的大小也是不一樣的。實(shí)驗(yàn)時(shí)背景光的影響也不可忽視，尤其是采用日光燈照明時(shí)

40、，或是儀器周圍有物體移動造成光線反射發(fā)生變化時(shí)，都會造成PSD光生電流改變，致使單元V0輸出端電壓產(chǎn)生跳變，這不是儀器的毛病。如實(shí)驗(yàn)時(shí)電壓信號輸出較小，則可調(diào)節(jié)一下激光器照射角度，使輸出達(dá)到最大。實(shí)驗(yàn)十九 PSD器件特性光電特性實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私釶SD器件對入射光強(qiáng)度改變的反應(yīng)及光點(diǎn)大小對光生電流的影響。實(shí)驗(yàn)所需器件激光器、激光教鞭、小型聚焦燈泡（自備）、PSD器件及放大變換電路、電壓表、示波器實(shí)驗(yàn)步驟：1、 在實(shí)驗(yàn)十八的基礎(chǔ)上調(diào)整位移平臺前后最大位置，使光點(diǎn)盡量靠近PSD器件邊緣，如位移范圍不夠則可將激光器在激光器座中的位置前后作些調(diào)整。2、 開啟激光電源，記錄激光照射時(shí)VO端輸出值。3、 將光

41、源更換成激光教鞭或聚光小燈泡，記錄下不同光源照射時(shí)輸出端的VO值。4、 調(diào)節(jié)PSD入射光聚焦透鏡（或激光器調(diào)焦透鏡），使光斑放大，依次重復(fù)步驟1、2，觀察輸出電壓的變化。5、 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出PSD器件光電特性的定性結(jié)論。實(shí)驗(yàn)二十 光柵衍射實(shí)驗(yàn)光柵距的測定實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私夤鈻诺慕Y(jié)構(gòu)及光柵距的測量方法。實(shí)驗(yàn)所需部件：光柵、激光器、直尺與投射屏（自備）。實(shí)驗(yàn)步驟：1、 激光器放入光柵正對面的支座中用緊定螺絲固定，接通激光電源后使光點(diǎn)對準(zhǔn)光柵中點(diǎn)。2、 在光柵后面安放好投射屏，觀察到一組有序排列的衍射光斑，與激光器正對的光斑為中央光斑，依次向兩側(cè)為一級、二級、三級衍射光斑。如圖（28）所示。請觀察光斑

42、的大小及光強(qiáng)的變化規(guī)律。3、 根據(jù)光柵衍射規(guī)律，光柵距D與激光波長、衍射距離L、中央光斑與一級光斑的間距S存在下列的關(guān)系：（式中單位：L、S為mm，為nm, D為m）根據(jù)此關(guān)系式，已知固體激光器的激光波長為650nm，用直尺量得衍射距離L、光斑距S，即可求得實(shí)驗(yàn)所用的光柵的光柵距。4、 嘗試用激光器照射用做莫爾條紋的光柵，測定光柵距，了解光斑間距與光柵距的關(guān)系。5、 將激光器換成激光教鞭，測定其波長。實(shí)驗(yàn)二十一 光柵衍射測距實(shí)驗(yàn)續(xù)實(shí)驗(yàn)二十實(shí)驗(yàn)步驟：按照光柵衍射公式，已知光柵距、激光波長、光斑間距，就可以求出衍射距離L。將激光對準(zhǔn)衍射光柵中部，在投射屏上得到一組衍射光斑，根據(jù)公式求出L。調(diào)整投射

43、屏與光柵的距離，并盡可能試用不同的激光器，將測得的各參數(shù)L、S、D、填入表格，以驗(yàn)證公式。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表序號1234L(mm)S(mm)D(m)實(shí)驗(yàn)二十二 光柵莫爾條紋原理實(shí)驗(yàn)原理：如果把兩塊光柵距相等的光柵平行安裝，并且使光柵刻痕相對保持一個較小的夾角時(shí)，透過光柵組可以看到一組明暗相間的條紋，即為莫爾條紋。莫爾條紋的寬度B為： B=P/sin 其中P為光柵距。光柵刻痕重合部分形成條紋暗帶，非重合部分光線透過則形成條紋亮帶。光柵莫爾條紋的兩個主要特征是：判向作用：當(dāng)指示光柵相對于固定不動的主光柵左右移動時(shí)，莫爾條紋將沿著近于柵線的方向上下移動，由此可以確定光柵移動的方向。位移放大作用：當(dāng)指示光柵沿著與光柵刻線垂直方向移動一個光柵距D時(shí)，莫爾條紋移動一個條紋間距B，當(dāng)兩個等距光柵之間的夾角較小時(shí)，指示光柵移動一個光柵距D，莫爾條紋就移動KD的距離。K=B/D1/。B=D/2sin/2d/，這樣就可以把肉眼看不見的柵距位移變成清晰可見的條紋位移，實(shí)現(xiàn)高靈敏的位移測量。實(shí)驗(yàn)所需部件：光柵組、移動平臺實(shí)驗(yàn)步驟：1、 安裝好主光柵與指示光柵，使兩光