HSGD-1安徽實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書光電檢測

1、 THSGD-1型 光電傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書PAGE PAGE 29天煌科技 天煌教儀目 錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc263660941 目 錄 PAGEREF _Toc263660941 h 1 HYPERLINK l _Toc263660942 實(shí)驗(yàn)一 發(fā)光二極管特性測試實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc263660942 h 2 HYPERLINK l _Toc263660943 實(shí)驗(yàn)二 光敏電阻的特性測試實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc263660943 h 3 HYPERLINK l _Toc263660944 實(shí)驗(yàn)三 光敏二極管的特性測量 P

2、AGEREF _Toc263660944 h 5 HYPERLINK l _Toc263660945 實(shí)驗(yàn)四 光敏三極管的特性測量 PAGEREF _Toc263660945 h 8 HYPERLINK l _Toc263660946 實(shí)驗(yàn)五 硅光電池特性測試實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc263660946 h 10 HYPERLINK l _Toc263660947 實(shí)驗(yàn)六 透射式光電開關(guān) PAGEREF _Toc263660947 h 12 HYPERLINK l _Toc263660948 實(shí)驗(yàn)七 反射式光電開關(guān) PAGEREF _Toc263660948 h 13 HYPERLINK

3、l _Toc263660949 實(shí)驗(yàn)八 光照度傳感器測光照度實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc263660949 h 14 HYPERLINK l _Toc263660950 實(shí)驗(yàn)九 半導(dǎo)體激光器實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc263660950 h 16 HYPERLINK l _Toc263660951 實(shí)驗(yàn)十 光耦實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc263660951 h 18 HYPERLINK l _Toc263660952 實(shí)驗(yàn)十一 光電轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc263660952 h 19 HYPERLINK l _Toc263660953 實(shí)驗(yàn)十二 光調(diào)制解調(diào) PAGEREF _T

4、oc263660953 h 21 HYPERLINK l _Toc263660954 實(shí)驗(yàn)十三 熱釋電紅外傳感器檢測實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc263660954 h 22 HYPERLINK l _Toc263660955 實(shí)驗(yàn)十四 PSD位置測量實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc263660955 h 23 HYPERLINK l _Toc263660956 實(shí)驗(yàn)十五 光纖溫度傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc263660956 h 24 HYPERLINK l _Toc263660957 實(shí)驗(yàn)十六 光纖位移傳感器實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc263660957 h 26 HYPERL

5、INK l _Toc263660958 實(shí)驗(yàn)十七 光纖壓力傳感器壓力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) PAGEREF _Toc263660958 h 28實(shí)驗(yàn)一 發(fā)光二極管特性測試實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私獍l(fā)光二極管的工作原理及基本特性。二、實(shí)驗(yàn)儀器電流表、光電器件/光開關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、光功率/光照度計(jì)。三、實(shí)驗(yàn)原理某些半導(dǎo)體材料（如GaAs）形成的PN結(jié)正向偏置時(shí)空穴與電子在PN結(jié)復(fù)合產(chǎn)生特定波長的光，發(fā)光的波長與半導(dǎo)體材料的能級間隙Eg有關(guān)。發(fā)光波長可由下式確定： (1-1)式(1-1)中h為普朗克常數(shù)，c為光速。在實(shí)際的半導(dǎo)體材料中能級間隙Eg有一個寬度，因此發(fā)光二極管發(fā)出光的波長不是單一的，其發(fā)光波長寬度一般在2540

6、nm左右，隨半導(dǎo)體材料的不同而有差別。發(fā)光二極管輸出光功率P與驅(qū)動電流I的關(guān)系由下式確定： (1-2)其中，為發(fā)光量子效率，Ep為光子能量，e為電子電荷常數(shù)。從上式可見，輸出光功率與驅(qū)動電流呈線性關(guān)系，當(dāng)電流較大時(shí)由于PN結(jié)不能及時(shí)散熱，發(fā)光效率降低，LED輸出光功率趨向飽和。本實(shí)驗(yàn)用一個驅(qū)動電流可調(diào)的白色超高亮度發(fā)光二極管作為光源，驅(qū)動電流的調(diào)節(jié)范圍為020毫安。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟.如圖1-1接線，將直流電流表和發(fā)光二極管串聯(lián)接入LED“光源驅(qū)動”恒流源中，用專用連線連接硅光電池至光照度計(jì)。圖1-1 發(fā)光二極管特性測試實(shí)驗(yàn)接線圖.光照度計(jì)選擇“2000Lx”檔（注意要調(diào)零），直流電流表選擇“

7、20mA”檔。.將“電流調(diào)節(jié)”電位器逆時(shí)針旋到底，打開電源開關(guān)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)“電流調(diào)節(jié)”電位器，將電流表和光照度計(jì)的讀數(shù)記入表1-1。表1-1 發(fā)光二極管發(fā)光特性電流(mA)24681012141618光照度(Lx)五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.根據(jù)表1-1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出發(fā)光二極管的電流光照關(guān)系曲線。2.總結(jié)說明發(fā)光二極管的發(fā)光特性。實(shí)驗(yàn)二 光敏電阻的特性測試實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解光敏電阻的工作原理。2測量光敏電阻的光照特性。二、實(shí)驗(yàn)儀器恒流源、直流電流表、萬用表、光電器件/光開關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。三、實(shí)驗(yàn)原理光敏電阻的工作原理是光電導(dǎo)效應(yīng)。在無光照時(shí)，光敏電阻具有很高的阻值，在有光照時(shí)，當(dāng)光子的能量大于材料的禁帶寬

8、度，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)出電子-空穴對，使電阻降低。入射光越強(qiáng)，激發(fā)出的電子-空穴對越多，電阻值越低；光照停止后，自由電子與空穴復(fù)合，導(dǎo)電性能下降，電阻恢復(fù)原值。光敏電阻通常是用半導(dǎo)體材料CdS（硫化鎘）或CdSe（硒化鎘）等制成。圖2-1為光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖2-1 光敏電阻原理結(jié)構(gòu)圖它是由涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì)構(gòu)成，半導(dǎo)體上裝有梳狀電極。由于存在非線性，因此光敏電阻一般用在控制電路中，不適用作測量元件。發(fā)光二極管輸出光功率P與驅(qū)動電流I的關(guān)系由下式確定：，其中，為發(fā)光效率，為光子能量，為電子電荷常數(shù)。由上式可知，輸出光功率與驅(qū)動電流呈線性關(guān)系，因此本

9、實(shí)驗(yàn)用驅(qū)動電流可調(diào)的發(fā)光二極管作為實(shí)驗(yàn)光源，來測量光敏電阻的光照特性。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1光敏電阻置于光電傳感器模塊上的暗盒內(nèi)，其兩個引腳引出到面板上。暗盒的另一端裝有發(fā)光二極管，通過驅(qū)動電流控制入射光強(qiáng)大小，如圖2-2所示。圖2-2 光敏電阻特性測量電路2連接實(shí)驗(yàn)臺恒流源輸出到光電器件/光開關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K驅(qū)動發(fā)光二極管，用實(shí)驗(yàn)臺上的直流電流表測量LED驅(qū)動電流，用萬用表的歐姆檔測量光敏電阻阻值Rg，并將數(shù)據(jù)記錄在表2-1中。表2-1 光敏電阻與輸入光強(qiáng)關(guān)系特性測量電流(mA)Rg()五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.簡述光敏電阻的工作原理。2.根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，作Rg-I曲線，并作簡單的分析。實(shí)驗(yàn)三 光敏二極管的特性

10、測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解光敏二極管的工作原理。2測量光敏二極管的光照特性、伏安特性。二、實(shí)驗(yàn)儀器恒流源、直流電流表、直流穩(wěn)壓電源、直流電壓表、光功率/光照度計(jì)、光電器件/光開關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。三、實(shí)驗(yàn)原理1工作原理光敏二極管是一種PN結(jié)半導(dǎo)體元件，它以高電阻系數(shù)P型硅（或鍺）為基本材料制作基片，然后在基片上用擴(kuò)散磷的方法形成N型光敏面，構(gòu)成一個PN結(jié)，當(dāng)具有比禁帶能量大的光照射到PN結(jié)上時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)電子受到激發(fā)，就產(chǎn)生出電子-空穴對。由于電場的作用，在耗盡層中產(chǎn)生的電子向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，并且擴(kuò)散長度以內(nèi)的電子、空穴也從PN結(jié)擴(kuò)散到耗盡層，然后又在電場作用下，各自漂向N區(qū)和P區(qū)，如圖3-1所示

11、。結(jié)果就在P型層和N型層中產(chǎn)生了電荷積累，從而產(chǎn)生了電勢，這就是光電效應(yīng)。圖3-1 受光照的光敏二極管這種電荷積累降低了PN結(jié)勢壘，所以電子和空穴又會反方向移動，直到電壓下降到某一值時(shí)就達(dá)到了平衡，這個電壓值稱為開路電壓。將PN結(jié)兩端的電極短路時(shí)所產(chǎn)生的電流稱為短路電流，如圖3-2所示。圖3-2 光敏二極管的伏安特性2伏安特性光敏二極管在不同照度下的伏安特性曲線如圖3-3所示。從圖中可以看出：(1)當(dāng)入射光強(qiáng)度增加時(shí)，通過光敏二極管的電流隨之增加。這是由于入射光越強(qiáng)，激發(fā)的電子-空穴對越多。(2)在零偏壓時(shí)，仍有光電流輸出。這是由于光電二極管存在光生伏特效應(yīng)。(3)在一定光強(qiáng)下，光電流隨著電壓

12、的增大而增大，但很快飽和。這是由于在一定光強(qiáng)下，被激發(fā)的電子-空穴對濃度是一定的。圖3-3 光敏二極管的伏安特性曲線光敏二極管在無光照條件下，若給PN結(jié)一個恰當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，則反向加強(qiáng)了內(nèi)建電場，使PN 結(jié)空間電荷區(qū)拉寬，勢壘增大，流過PN結(jié)的電流(暗電流)很小，它是由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動形成的。當(dāng)入射光子在本征半導(dǎo)體的p-n 結(jié)及其附近產(chǎn)生電子空穴對時(shí)，光生載流子受勢壘區(qū)電場作用，電子漂移到n 區(qū)，空穴漂移到p 區(qū)。當(dāng)在PN結(jié)兩端加負(fù)載時(shí)就有一光生電流流過負(fù)載。其伏安特性是： (3-1)式(3-1)中I為流過光敏二極管的總電流,為反向飽和電流，V為PN結(jié)兩端電壓，T為工作絕對溫度，為產(chǎn)生的光電

13、流。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1光照特性測量如圖3-4接線。注意：光敏二極管為反偏狀態(tài)；電流表選擇20uA檔，測量前要調(diào)零，電壓源首先調(diào)為3V。（1）暗電流測量：打開電源，將恒流源的調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針調(diào)到底，讀取電流表的讀數(shù)，即為光敏二極管的暗電流。暗電流基本為0uA，一般光敏二極管的暗電流小于0.1uA，暗電流越小，光敏二極管性能越好。圖3-4 光敏二極管光電流測量電路(2)光電流測試：在圖3-4接線的基礎(chǔ)上，用專用連線連接硅光電池至光照度計(jì)（參考圖1-1），選擇合適的檔位，并注意要調(diào)零。調(diào)節(jié)恒流源旋鈕來增大LED光源的驅(qū)動電流，記錄下光照度及光敏二極管的光電流，并將數(shù)據(jù)記錄在表3-1中。表3-1 光敏

14、二極管的光電流和入射光的強(qiáng)度關(guān)系測量光照度（Lx）光電流（uA）2伏安特性測量 在一定的光照強(qiáng)度下，光電流隨外加電壓的變化而變化。測量時(shí)，調(diào)節(jié)恒流源使光照強(qiáng)度為某一恒定值，調(diào)節(jié)電壓源（28V），測量流過光敏二極管的電流，并將數(shù)據(jù)記錄在表3-2中。表3-2 光敏二極管的光電流和偏置電壓的關(guān)系測量光電流uA光照度（Lx）偏壓V五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，作光敏二極管光電流與入射光強(qiáng)的關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)四 光敏三極管的特性測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解光敏三極管的工作原理。2測量光敏三極管的光照特性、伏安特性。二、實(shí)驗(yàn)儀器恒流源、直流電流表、直流穩(wěn)壓電源、直流電壓表、光功率/光照度計(jì)、光電器件/光開關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

15、三、實(shí)驗(yàn)原理光敏三極管是具有NPN或PNP結(jié)構(gòu)的晶體管，是能夠靠光的照射量控制電流的一種光電效應(yīng)器件。當(dāng)具有的光子能量（E=hv為普朗克常數(shù)，v為光頻率）大于禁帶能量（取決于材料）的光，照射到半導(dǎo)體PN結(jié)上時(shí)，價(jià)帶電子就與入射光成正比地被激發(fā)到導(dǎo)帶上，并在價(jià)帶中留下空穴，生成電子-空穴對。這個電子-空穴對中電子向N區(qū)、空穴向P區(qū)擴(kuò)散。當(dāng)入射光照射到反向偏置的集電結(jié)上時(shí)，就產(chǎn)生了基極電流，再被放大倍（共發(fā)射極電流放大系數(shù)），成為光電流輸出。光敏三極管的結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。一般光敏三極管只引出E、C兩個電極，體積小，光電特性是非線性的，廣泛應(yīng)用于光電自動控制，作光電開關(guān)應(yīng)用。圖4-1 光敏三極管的

16、結(jié)構(gòu)圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1光照特性測量按圖4-2接線，在圖4-2接線的基礎(chǔ)上，用專用連線連接硅光電池至光照度計(jì)（參考圖1-1），選擇合適的檔位，并注意要調(diào)零。將可調(diào)電壓源調(diào)至某一值（如3V），再調(diào)節(jié)恒流源，即調(diào)節(jié)LED的驅(qū)動電流，記錄不同驅(qū)動電流時(shí)光敏三極管的電流，并將數(shù)據(jù)記錄在表4-1中。圖4-2 光敏三極管特性的測量電路表4-1 光敏三極管的光電流和入射光強(qiáng)的關(guān)系測量光照度（Lx）光電流（uA）2伏安特性的測量緩慢調(diào)節(jié)恒流源的電流調(diào)節(jié)旋鈕至某一值使光照度為一定值。再調(diào)節(jié)可調(diào)電壓源，記錄光敏三極管的電壓和電流。表4-2 光敏三極管的伏安關(guān)系測量電壓(V)光電流(uA)五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告根據(jù)記錄的數(shù)

17、據(jù)，作出光敏三極管的伏安特性曲線和光照特性曲線。實(shí)驗(yàn)五 硅光電池特性測試實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解硅光電池的原理。2測量硅光電池的光照特性。二、實(shí)驗(yàn)儀器恒流源、直流電壓表、直流電流表、光電器件/光開關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。三、實(shí)驗(yàn)原理硅光電池主要是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)，即當(dāng)物質(zhì)在一定頻率的光照射下，釋放出光電子的現(xiàn)象。當(dāng)光照射半導(dǎo)體材料的表面時(shí)，會被這些材料內(nèi)的電子所吸收，如果光子的能量足夠大，吸收光子后的電子可掙脫原子的束縛而溢出材料表面，這種電子稱為光電子，這種現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射，又稱為外光電效應(yīng)。當(dāng)外加偏置電壓與結(jié)內(nèi)電場方向一致，PN結(jié)及其附近被光照射時(shí)，就會產(chǎn)生載流子（即電子-空穴對）。結(jié)區(qū)內(nèi)的電子-空

18、穴對在勢壘區(qū)電場的作用下，電子被拉向N區(qū)，空穴被拉向P區(qū)而形成光電流。當(dāng)入射光強(qiáng)度變化時(shí)，光生載流子的濃度及通過外回路的光電流也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。這種變化在入射光強(qiáng)度很大的動態(tài)范圍內(nèi)仍能保持線性關(guān)系。常用的硅光電池結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。圖5-1 硅光電池結(jié)構(gòu)圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟在光光電器件/光開關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K上，如圖5-2所示接線。圖5-2 硅光電池特性測量電路1.開路電壓測量打開實(shí)驗(yàn)臺電源，接上電壓表，選擇合適的檔位，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)恒流源調(diào)節(jié)旋鈕，記錄下硅光電池的開路電壓2.取下電壓表連線接上電流表，選擇合適的檔位記錄完以后再記錄硅光電池短路電流。將數(shù)據(jù)填入表5-1。表5-1 硅光電池光照特性測量光

19、源驅(qū)動電流(mA)開路電壓（V）短路電流（uA）五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1簡述硅光電池的工作原理。2根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，作驅(qū)動電流-開路電壓、驅(qū)動電流-短路電流曲線，并對所得的曲線作出分析。實(shí)驗(yàn)六 透射式光電開關(guān)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解透射式光電開關(guān)組成原理及應(yīng)用。2了解光電開關(guān)在工業(yè)、光控制等方面的應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)儀器直流穩(wěn)壓電源、直流電壓表、光電器件模塊/光電開關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。三、實(shí)驗(yàn)原理光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而最終控制輸出的“開”“關(guān)”信號的器件。用光電開光檢測物體時(shí)，大部分只要求其輸出信號有“高”“低”之分即可。對射式光電開關(guān)大部分都做成

20、開槽式，把一個光發(fā)射器(紅外發(fā)光二極管)和一個光接收器(光敏晶體管)，分別裝在槽的兩側(cè)，如圖6-1所示。圖6-1 對射式光電開關(guān)示意圖發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻擋情況下光接收器能接收到光。但有被檢測的物體從槽中通過時(shí)，光被遮擋，光電開關(guān)便動作，輸出一個開關(guān)控制信號，控制負(fù)載產(chǎn)生人們要想達(dá)到的作用。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1將實(shí)驗(yàn)臺上的+5V，GND分別接到實(shí)驗(yàn)?zāi)K的透射光開關(guān)部分，將U01 和GND接到直流電壓表。2記下電壓表的示數(shù)，然后用遮擋物擋住發(fā)射管發(fā)出的紅外光，如圖6-1，注意觀察此時(shí)電壓的變化。3重復(fù)步驟2的實(shí)驗(yàn)多次，總結(jié)出電壓變化的規(guī)律。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1查資料了解光電開關(guān)在工業(yè)、光

21、控制等方面的應(yīng)用。2想一想能否利用透射式光電開關(guān)的功能，組建計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)等系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)七 反射式光電開關(guān)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解反射式光電開關(guān)的工作原理。2了解光電開關(guān)在工業(yè)、光控制等方面的應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)儀器直流穩(wěn)壓電源、直流電壓表、光電器件模塊/光電開關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K三、實(shí)驗(yàn)原理光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而最終控制輸出的“開”“關(guān)”信號的器件。用光電開光檢測物體時(shí)，大部分只要求其輸出信號有“高”“低”之分即可。反射光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，如圖7-1。圖7-1 反射式光電開關(guān)當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時(shí)，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射

22、的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)被檢測物體的表面光亮或其反光率較高時(shí)，直接反射式的光電開關(guān)是首選的檢測模式。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1將實(shí)驗(yàn)臺上的+5V，GND分別接到實(shí)驗(yàn)?zāi)K的反射光開關(guān)部分，將U01和GND接到直流電壓表。2記下電壓表的示數(shù)，然后用反射面（如鏡片、硬幣等）將光反射，如圖7-1，調(diào)節(jié)反射面與光電開關(guān)間的距離，注意觀察電壓的變化。3重復(fù)步驟2的實(shí)驗(yàn)多次，總結(jié)出電壓變化的規(guī)律。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1查資料了解光電開關(guān)在工業(yè)、光控制等方面的應(yīng)用。2想一想能否利用反射式光電開關(guān)的功能，組建計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)系統(tǒng)等。實(shí)驗(yàn)八 光照度傳感器測光照度實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解光電測量系統(tǒng)的

23、組成。2學(xué)習(xí)光照度測量的原理和方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器光照度計(jì)、光照度探測器、光照度計(jì)連接線、臺燈（安裝鹵素?zé)簦┤?shí)驗(yàn)原理1光照度(Ev)是光度學(xué)中的一個基本物理量，和輻射度學(xué)中的輻射照度(Ee)物理量相對應(yīng)。光照度：接收面上單位面積所接收的輻射通量。光照度的單位是勒克斯（lx），它相當(dāng)于1lm的光通量均勻地照射在1m2面積上所產(chǎn)生的光照度。2光電測量系統(tǒng)光是人們最熟悉的物質(zhì)。廣義上講，指的是光輻射，按波長可以分為X射線、紫外輻射、可見光和紅外輻射。而從狹義上講，人們所說的“光”指的就是可見光，即對人眼能產(chǎn)生目視刺激而形成“光亮”感的電磁輻射?？梢姽獾牟ㄩL范圍是380780nm。光電測量系統(tǒng)的典型

24、配置如圖8-1所示，包括輻射源（或光源）、信息載體、光電探測器和信號處理裝置。圖8-1 光電測量系統(tǒng)3光電探測器光電探測器包括真空光電器件和固體光電器件。本實(shí)驗(yàn)裝置主要研究固體光電器件。固體光電器件又分為半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件和半導(dǎo)體結(jié)型光電器件，本實(shí)驗(yàn)中探測器用半導(dǎo)體結(jié)型光電器件PN23CV。（1）半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件半導(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。光電導(dǎo)效應(yīng)是表示半導(dǎo)體材料（或器件）受到光照時(shí)，由于對光子的吸收引起載流子濃度的增大，因而導(dǎo)致材料（或器件）電導(dǎo)率增大。光電導(dǎo)效應(yīng)屬于內(nèi)光電效應(yīng)，最典型的光電導(dǎo)器件是光敏電阻。（2）半導(dǎo)體結(jié)型光電器件半導(dǎo)體結(jié)型光電器件是利用

25、光生伏特效應(yīng)來工作的光電探測器件。光生伏特效應(yīng)是一種內(nèi)光電效應(yīng)，當(dāng)光子激發(fā)時(shí)能產(chǎn)生一個光生電動勢，當(dāng)兩端短接時(shí)能得到短路電流。這種效應(yīng)是基于兩種材料相接觸形成內(nèi)建勢壘，光子激發(fā)的光生載流子被內(nèi)建電場掃向勢壘兩邊，從而形成了光生電動勢。結(jié)型光電器件按結(jié)的種類不同，可分為PN結(jié)型、PIN結(jié)型和肖特基結(jié)型等，屬于這一類的光電器件很多，有光電池、光電二極管、光電三極管等。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟注意：在此實(shí)驗(yàn)過程中光照度探測器的四位編號應(yīng)當(dāng)與位于實(shí)驗(yàn)臺右邊的雙聯(lián)插座上邊貼的條形碼的后四位編號一致。1.測量環(huán)境光光照度（1）打開實(shí)驗(yàn)裝置總電源，電源指示燈亮。（2）如圖8-2接線。用光照度計(jì)連接線將光照度計(jì)探測

26、器接至光照度計(jì)輸入，將其調(diào)零。調(diào)零方法為：選擇合適的檔位，用手捂住光照度探測器，使其幾乎沒有光照，調(diào)節(jié)光照度計(jì)調(diào)零旋鈕，使數(shù)顯框?yàn)榱?。?）調(diào)整光照度計(jì)探測器角度，使探頭有效地接收實(shí)驗(yàn)室內(nèi)光線輻射。（4）改變光照度計(jì)探測器角度，觀察觀察光照度變化（注意：要及時(shí)換擋，光照度超過量程時(shí)顯示為1）。2.測量臺燈光照度（1）打開實(shí)驗(yàn)裝置總電源，電源指示燈亮。（2）如圖8-2接線。用光照度計(jì)連接線將光照度計(jì)探測器接至光照度計(jì)輸入，將其調(diào)零。調(diào)零方法為：選擇合適的檔位，用手捂住光照度探測器，使其幾乎沒有光照，調(diào)節(jié)光照度計(jì)調(diào)零旋鈕，使數(shù)顯框?yàn)榱?。?）打開臺燈電源，調(diào)整光照度計(jì)探測器角度，使探頭有效地接收臺

27、燈發(fā)出的光線。（4）改變臺燈離光照度探測器的的距離，觀察光照度變化（注意：要及時(shí)換擋，光照度超過量程時(shí)顯示為1）。圖8-2 環(huán)境光/臺燈光照度測量接線圖五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1闡明光照度測量的原理和方法。2整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，寫出心得體會。實(shí)驗(yàn)九 半導(dǎo)體激光器實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解半導(dǎo)體激光器的工作原理及基本特性。2學(xué)習(xí)激光光功率測量的原理和方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器半導(dǎo)體激光器、光功率計(jì)探測器、光功率/光照度計(jì)、電源適配器。三、實(shí)驗(yàn)原理激光器一般是由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源組成，如圖9-1。常用的泵浦源是輻射源或電源，利用泵浦源能量將工作物質(zhì)中的粒子從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，使處于高能態(tài)的粒子數(shù)大于處于低能態(tài)的粒子數(shù)，

28、構(gòu)成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布，這是產(chǎn)生激光的必要條件。處于這一狀態(tài)的原子或分子稱為受激原子或分子。當(dāng)高能態(tài)粒子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)而產(chǎn)生輻射后，它通過受激原子時(shí)會感應(yīng)出同相位同頻率的輻射。這些輻射波沿由兩平面構(gòu)成的諧振腔來回傳播時(shí)，沿軸線的來回反射次數(shù)最多，它會激發(fā)出更多的輻射，從而使輻射能量放大。這樣，受激和經(jīng)過放大的輻射通過部分透射的平面鏡輸出到腔外，產(chǎn)生激光。圖9-1 激光器工作原理圖 圖9-2 GaAs半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)圖1半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料。它的原理與發(fā)光二極管沒有太多差異，P-N結(jié)就是激活介質(zhì)，如砷化鎵同質(zhì)結(jié)二極管激光器的結(jié)構(gòu)，兩個與結(jié)平面垂直的晶體解理

29、面構(gòu)成了諧振腔，如圖9-2。P-N結(jié)通常用擴(kuò)散法或液相外延法制成。當(dāng)P-N結(jié)正向注入電流時(shí)，則可激發(fā)激光。半導(dǎo)體激光器光輸出-電流特性如圖9-3所示，其中受激發(fā)射曲線與電流軸的交點(diǎn)就是該激光器的閾值電流，它表示半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光輸出所需的最小注入電流。閾值電流還會隨溫度的升高而增大。閾值電流密度是衡量半導(dǎo)體激光器性能的重要參數(shù)之一，其數(shù)值與材料、工藝、結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。圖9-3 半導(dǎo)體激光器輸出-電流特性根據(jù)材料與結(jié)構(gòu)的不同，目前半導(dǎo)體激光器的發(fā)射光波長為0.33um44um。半導(dǎo)體激光器體積小、重量輕、效率高，壽命超過一萬小時(shí)，因此廣泛應(yīng)用于光通信、光學(xué)測量、自動控制等方面，是最有前途的

30、輻射源之一。2半導(dǎo)體激光器的特性 （1）單色性普通光源發(fā)射的光，即使是單色光也有一定的波長范圍。這個波長范圍即譜線寬度，譜線寬度越窄，單色性越好。（2）方向性普通光源的光是均勻射向四面八方，因此照射的距離和效果都很有限，即使是定向性比較好的探照燈，它的照射距離也只有幾十公里。半導(dǎo)體激光器的方向性一般用光束的發(fā)射角表示，一般為510。（3）亮度半導(dǎo)體激光器由于發(fā)光面小，發(fā)散角小，因此可獲得高的光譜輻亮度。用半導(dǎo)體激光器代替其它光源可解決由于弱光照明帶來的低信噪比問題，也為非線性光學(xué)創(chuàng)造了前提。（4）相干性由于半導(dǎo)體激光器的發(fā)光過程是受激輻射，單色性好，發(fā)射角小，因此有很好的空間和時(shí)間相干性。半導(dǎo)

31、體激光器的出現(xiàn)使相干計(jì)量和全息術(shù)獲得了革命性變化。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟注意：在此實(shí)驗(yàn)過程中光功率探測器的四位編號應(yīng)當(dāng)與位于實(shí)驗(yàn)臺右邊的雙聯(lián)插座上邊貼的條形碼的后四位編號一致。半導(dǎo)體激光器特性測試實(shí)驗(yàn)中激光光功率測量原理圖，如圖9-4。圖9-4 激光光功率測量原理圖實(shí)驗(yàn)步驟如下：1打開實(shí)驗(yàn)裝置總電源，電源指示燈亮，將光功率計(jì)探測器接至光功率計(jì)輸入，將其調(diào)零。調(diào)零方法為：選擇合適的檔位，用手捂住光功率探測器，使其幾乎沒有光照，調(diào)節(jié)光功率計(jì)調(diào)零旋鈕，使數(shù)顯框?yàn)榱恪?2將電源適配器從實(shí)驗(yàn)裝置側(cè)面接上AC220V電源，插頭接至半導(dǎo)體激光器探測器，半導(dǎo)體激光器亮。3調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器方向和光功率計(jì)高度，使半導(dǎo)

32、體激光器發(fā)射出的光照射到光功率計(jì)探測器的中央部分。4光功率計(jì)選擇合適量程（一般選擇2mw或20mw檔），測量不同距離時(shí)的激光光功率。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1光功率計(jì)探頭采用精密光電傳感器，注意保護(hù)。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1闡明激光光功率測量的原理和方法。2整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，寫出心得體會。實(shí)驗(yàn)十 光耦實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.、了解和掌握光耦基本知識及工作原理二、實(shí)驗(yàn)儀器恒流源、直流電流表、電壓表、恒壓源、萬用表、光電器件/光開關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。三、實(shí)驗(yàn)原理光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦，如圖10-1。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它

33、在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高?，F(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合、驅(qū)動電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放

34、大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。圖10-1 光耦示意圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.將光電器件/光開關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中的發(fā)光二極管接到恒流源中，萬用表電阻檔接光敏電阻兩端，通過改變恒流源電流大小，來改變發(fā)光二極管光照度使光敏電阻阻值在2k左右，如圖2-2。2.不要改變恒流源的大小，然后將光耦的輸入和發(fā)光二極管串聯(lián)在恒流源上，如圖10-2接線。Uo和GND接電壓表20V檔，記錄輸出的電壓。圖10-2 光耦實(shí)驗(yàn)連線圖3.圖10-2中不要接恒流源，Uo和GND接電壓表20V檔，記錄輸出的電壓。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.簡述光耦的原理，了解光耦的應(yīng)用。2.對光耦實(shí)驗(yàn)連線圖的原理做簡單的分析。實(shí)驗(yàn)十一

35、 光電轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解對射式光電開關(guān)、反射式光電開關(guān)測速的原理。2熟悉對射式光電開關(guān)、反射式光電開關(guān)測速的方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器直流穩(wěn)壓電源、頻率/轉(zhuǎn)速表、光電開關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K三、實(shí)驗(yàn)原理1對射式光電開關(guān)測速傳感器端有發(fā)光管和接收管，發(fā)光管發(fā)出的光源通過轉(zhuǎn)盤上的孔透射到接收管上，并轉(zhuǎn)換成電信號，由于轉(zhuǎn)盤上有等間距的6個透射孔，轉(zhuǎn)動時(shí)將獲得與轉(zhuǎn)速及透射孔數(shù)有關(guān)的脈沖，將電脈計(jì)數(shù)處理即可得到轉(zhuǎn)速值。2反射式光電開關(guān)測速傳感器端有發(fā)光管和接收管，發(fā)光管發(fā)出的光被轉(zhuǎn)盤上的圓形金屬片反射至接收管，并轉(zhuǎn)換成電信號，由于轉(zhuǎn)盤上有等間距的6個金屬片，轉(zhuǎn)動時(shí)將獲得與轉(zhuǎn)速及金屬片個數(shù)有關(guān)的脈沖，將電脈計(jì)數(shù)處理即

36、可得到轉(zhuǎn)速值。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1對射式光電開關(guān)測速光電傳感器已安裝在轉(zhuǎn)動源上，如圖11-1所示。實(shí)驗(yàn)臺上的+5V電源接到光電轉(zhuǎn)速傳感器檢測裝置，光電輸出接到頻率/轉(zhuǎn)速表的“f/n”輸入端。圖11-1對射式光電測速安裝示意圖打開實(shí)驗(yàn)臺電源開關(guān)，用不同的電源驅(qū)動轉(zhuǎn)動源轉(zhuǎn)動，記錄不同驅(qū)動電壓對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，填入表11-1。 表11-1 電機(jī)驅(qū)動電壓-轉(zhuǎn)速關(guān)系測量驅(qū)動電壓(V)4V6V8V10V12V16V20V24V轉(zhuǎn)速(rpm)2反射式光電開關(guān)測速光電傳感器已安裝在轉(zhuǎn)動源上，如圖11-2所示。實(shí)驗(yàn)臺上+5V電源接到光電轉(zhuǎn)速傳感器檢測裝置，光電輸出接到頻率/轉(zhuǎn)速表的“f/n”輸入端。打開實(shí)驗(yàn)臺電源開關(guān)

37、，用不同的電源驅(qū)動轉(zhuǎn)動源轉(zhuǎn)動，記錄不同驅(qū)動電壓對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，填入表11-2。表11-2 電機(jī)驅(qū)動電壓-轉(zhuǎn)速關(guān)系測量驅(qū)動電壓(V)4V6V8V10V12V16V20V24V轉(zhuǎn)速(rpm)圖11-2反射式光電測轉(zhuǎn)速安裝示意圖五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告根據(jù)測得的驅(qū)動電壓和轉(zhuǎn)速關(guān)系數(shù)據(jù)，分別作V-n曲線，比較兩種曲線。實(shí)驗(yàn)十二 光調(diào)制解調(diào)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解光調(diào)制解調(diào)的原理。2掌握脈沖信號、聲音信號的調(diào)制解調(diào)方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器直流穩(wěn)壓電源、正弦函數(shù)信號發(fā)生器、光電調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、光電器件/光開關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。三、實(shí)驗(yàn)原理光束是一種電磁波，具有振幅、相位、強(qiáng)度和偏振等參量和良好的相干性。如果能夠應(yīng)用某種物理方法改變光波的這

38、些參量之一，使其按照調(diào)制信號（如數(shù)字信號、聲音信號）的規(guī)律變化，那么該光束就受到了調(diào)制，達(dá)到“運(yùn)載”信息的目的。實(shí)現(xiàn)光束調(diào)制的原理有振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制、脈沖調(diào)制、脈沖編碼調(diào)制。從方法來說，即有電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制、直接調(diào)制等。本實(shí)驗(yàn)用的是脈沖調(diào)制和音頻調(diào)制。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟光電調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)?zāi)K面板，如圖12-1所示。圖12-1 光電調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)?zāi)K面板圖1脈沖調(diào)制將光電調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中脈沖輸出和信號輸入用導(dǎo)線相連，發(fā)射LD、接收Rm分別與光電器件/光開關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K上的發(fā)光二極管和光敏電阻相連，從實(shí)驗(yàn)臺引入各直流電源。打開電源，脈沖輸出LED燈亮。按動按鈕觸發(fā)脈沖，

39、脈沖輸出LED燈閃，接收端揚(yáng)聲器發(fā)聲。調(diào)節(jié)電位器RW1、RW2觀察揚(yáng)聲器發(fā)聲的變化情況。2音頻調(diào)制將光電調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中信號輸入與實(shí)驗(yàn)臺上的正弦函數(shù)信號發(fā)生器相連，模擬聲音信號，發(fā)射LD、接收Rm分別與光電器件/光開關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)K上的發(fā)光二極管和光敏電阻相連，從實(shí)驗(yàn)臺引入各直流電源。打開電源，調(diào)節(jié)正弦函數(shù)信號發(fā)生器的信號頻率和幅度，接收端揚(yáng)聲器會發(fā)出不同頻率、不同大小的聲音。調(diào)節(jié)電位器RW1、RW2觀察揚(yáng)聲器發(fā)聲的變化情況。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告描述脈沖電光調(diào)制和聲光調(diào)制解調(diào)現(xiàn)象并分析。實(shí)驗(yàn)十三 熱釋電紅外傳感器檢測實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解熱釋電式紅外傳感器的基本原理。2理解熱釋電式紅外傳感器的應(yīng)用電路。二

40、、實(shí)驗(yàn)儀器直流穩(wěn)壓電源、紅外傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K三、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)已極化的熱電晶體薄片受到輻射熱時(shí)，薄片溫度升高，極化強(qiáng)度下降，表面電荷減少，相當(dāng)于“釋放”一部分電荷，故名熱釋電。釋放的電荷通過一系列的放大，轉(zhuǎn)化成輸出電壓。如果繼續(xù)照射，晶體薄片的溫度升高到(居里溫度)時(shí)，自發(fā)極化突然消失。不再釋放電荷，輸出信號為零,見圖13-1。圖13-1 熱釋電效應(yīng)因此，熱釋電傳感器只能探測交流的斬波式的輻射（紅外光輻射要有變化量）。當(dāng)面積為A的熱釋電晶體受到調(diào)制加熱，而使其溫度T發(fā)生微小變化時(shí)，就有熱釋電電流i。其中A為面積，P為熱電體材料熱釋電系數(shù)，是溫度的變化率。特點(diǎn)：當(dāng)入射輻射為恒定輻射時(shí)，熱釋電傳感器不響

41、應(yīng)，只能脈沖輻射工作。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1將紅外線傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K中比較器輸出和報(bào)警電路輸入相連，接上5V、GND；2打開實(shí)驗(yàn)臺電源，手在紅外熱釋電傳感器附近晃動時(shí)，傳感器有微弱的電壓變化信號輸出，經(jīng)電壓放大后，可以檢測出較大的電壓變化，再經(jīng)電壓比較器控制報(bào)警電路，指示燈點(diǎn)亮，蜂鳴器響。觀察這個現(xiàn)象過程。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1介紹熱釋電紅外傳感器的原理。2分析信號放大電路、比較器電路、報(bào)警電路。實(shí)驗(yàn)十四 PSD位置測量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解PSD位置傳感器的基本原理和特性。二、實(shí)驗(yàn)儀器 PSD傳感器模塊,15V直流穩(wěn)壓電源三、實(shí)驗(yàn)原理PSD（Position Sensitive Detector）傳感器

42、是一種能檢測起表面光點(diǎn)位置的位置傳感器。由一個具有均勻表面阻抗的PIN光電二極管構(gòu)成，其剖面結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖14-1 PSD位置傳感器原理結(jié)構(gòu)圖由圖可看出，PSD位置傳感器分三層：P層、I層和N層。當(dāng)有如射光照射到P層表面，在入射點(diǎn)產(chǎn)生與光的入射強(qiáng)度成正比的光電流。因?yàn)镻層的阻抗系數(shù)一定，輸出光電流的大小與入射點(diǎn)和輸出電極之間的距離成反比。光電流i1與i2之間有如下關(guān)系：其中，Xa為入射點(diǎn)到起始點(diǎn)的距離，Xb為入射點(diǎn)到PSD中心點(diǎn)的距離。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1將點(diǎn)光源驅(qū)動輸出接PSD位移傳感器上的點(diǎn)光源，調(diào)節(jié)電位器Rw1使電光源驅(qū)動最大，接入15V直流穩(wěn)壓電源。2打開實(shí)驗(yàn)臺電源，調(diào)節(jié)測微頭，

43、使減法器的輸出為零，調(diào)節(jié)電位器Rw3，使PSD位移傳感器的輸出Uo為零。3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)螺旋測微頭，每隔0.25mm記錄一次PSD位移傳感器模塊的輸出Uo，直到Uo輸出無明顯變化。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)螺旋測微頭，每隔0.25mm記錄一次PSD位移傳感器模塊的輸出Uo，直到Uo輸出無明顯變化。表14-1 PSD位置測量實(shí)驗(yàn)記錄表S(mm) Uo（V）五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)，計(jì)算PSD位置傳感器測量位移的非線性誤差。六、注意事項(xiàng)PSD傳感器的有效量程8mm，超過量程測量的數(shù)據(jù)是沒有意義的實(shí)驗(yàn)十五 光纖溫度傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解光纖溫度傳感器的基本原理和特性。2.理解半導(dǎo)體的光透射率特性。3.

44、了解用Pt100測溫度。二、實(shí)驗(yàn)儀器光纖溫度傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表、萬用表三、實(shí)驗(yàn)原理1、測溫原理光纖溫度傳感器是目前僅次于加速度、壓力傳感器而被廣泛使用的光纖傳感器。根據(jù)它的工作原理可以分為相位調(diào)制型、光強(qiáng)調(diào)制型和偏振光型等。我們介紹一種光強(qiáng)調(diào)制型的半導(dǎo)體光吸收型光纖傳感器。當(dāng)一定波長的光通過半導(dǎo)體材料時(shí)，主要引起的吸收是本征吸收，即電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶引起的吸收。對直接躍遷型材料，能夠引起這種吸收的光子能量hv必須大于或等于材料的禁帶寬度Eg。式中，h為普朗克常數(shù)，v是頻率。從式中可看出，本征吸收光譜在低頻方向必然存在一個頻率界限，當(dāng)頻率低于時(shí)不可能產(chǎn)生本征吸收。一定的

45、頻率對應(yīng)一個特定的波長，g=c，稱為本征吸收波長。根據(jù)固體物理理論，直接躍遷型半導(dǎo)體材料GaAs的吸收波長是隨著溫度的變化而變化的。圖15-1所示是GaAs的透射率隨溫度變化的示意圖。當(dāng)溫度升高時(shí)，本征吸收波長變大，透射率曲線向長波長方向移動，但形狀不變；反之，當(dāng)溫度降低時(shí)，本征吸收波長變小，透射率曲線保持形狀不變而向短波長方向移動。當(dāng)光源的光譜輻射強(qiáng)度不變時(shí)，GaAs總透射率就隨其溫度發(fā)生變化，溫度越高，總透射率越低。通過測量透過GaAs的光的強(qiáng)弱即可達(dá)到測溫的目的。通過研磨拋光將GaAs加工成很薄的薄片，其入射光和出射光用光纖耦合，這就是半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器的基本原理。1光源光譜光分

46、布2吸收邊沿透射率f(,T)圖15-1 GaAs的透射率隨溫度變化的示意圖2、光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖15-2為光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。傳感器有有半導(dǎo)體光吸收器GaAs、光纖、加熱絲、Pt100、發(fā)射端、接收端和信號處理系統(tǒng)等組成的。在實(shí)驗(yàn)時(shí)我們用加熱絲對加熱塊進(jìn)行加熱，加熱到一定溫度時(shí)停止加熱。在降溫過程中，測量Pt100的阻值，通過用熱電偶熱電阻分度表來得到加熱塊不同時(shí)刻溫度T，測得對應(yīng)輸出電壓Uo，通過做Uo-T曲線，來實(shí)現(xiàn)對光纖溫度傳感器的標(biāo)定1光源光譜光分布2吸收邊沿透射率。圖15-2光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1將加熱電源接到+15V，GND上，萬用表的200歐姆檔

47、接Pt100的紅綠兩端；2.打開實(shí)驗(yàn)臺電源，當(dāng)加熱到一定溫度，即Pt100的阻值上升到一定值(如134.71)時(shí)去掉加熱電源線，停止加熱（說明：Pt100的電阻值溫度在0時(shí)為100，阻值隨溫度變化增大，增加大約為3.9/10）；3模塊的+15，-15，GND接上面板的電源，輸出接電壓表，調(diào)節(jié)電位器Rw使電壓表輸出顯示為零。用萬用表的歐姆檔測量Pt100的阻值，通過分度表查出對應(yīng)溫度，記錄下對應(yīng)的Uo，填入表15-1。表15-1 R、Uo及對應(yīng)溫度記錄表Pt100電阻（）134.71132.80130.90128.99127.08對應(yīng)溫度（）9085807570輸出電壓UoPt100電阻（）125.16123.24121.32119.40117.47對應(yīng)溫度（）6560555045輸出電壓Uo五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，作輸出電壓Uo-對應(yīng)溫度T曲線。2.對所得的曲線作出分析，說明輸出電壓與對應(yīng)溫度的關(guān)系。3.對光纖溫