光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、 光電子技術(shù)實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書CSY2000G光電傳感器實(shí)驗(yàn)儀說明 CSY2000G光電傳感器實(shí)驗(yàn)儀主要有主機(jī)箱、傳感器裝置、實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、?shí)驗(yàn)桌四大部分組成（一）主機(jī)箱：供電電源AC220V，50HZ。額定功率200W。1、有實(shí)驗(yàn)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(jì)、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(jì)：1999mW光照度計(jì)：1999Lx頻率/轉(zhuǎn)速表：f： 0

2、-9999Hz、 n：0-9999 r/min計(jì)時(shí)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(dòng)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(jì)探頭光功率計(jì)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(cè)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(shí)驗(yàn)

3、模板光電器件實(shí)驗(yàn)（一）模板光電器件實(shí)驗(yàn)（二）模板光電器件實(shí)驗(yàn)（光開關(guān)）模板光電器件實(shí)驗(yàn)（光調(diào)制）模板光電傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)０骞饫w傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０錚SD傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０鍦囟葌鞲衅鳎ㄋ模?shí)驗(yàn)桌 放置主機(jī)箱、實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉⒏鞣N實(shí)驗(yàn)器件實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸為：1600×800×740（mm）實(shí)驗(yàn)指南實(shí)驗(yàn)一 光電基礎(chǔ)知識(shí)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)光源分光原理，輻射量與光度量、光的不同波長(zhǎng)等基本概念有具體的認(rèn)識(shí)。第一部分 光源和光波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)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(duì)光輻射進(jìn)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(duì)應(yīng)關(guān)系。表（一）、常用輻射度量和光度量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系輻射度量物理量光度量物理量名稱符號(hào)定義成定義式單位物理量名稱符號(hào)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(qiáng)度ee=de/dsw/sr發(fā)光強(qiáng)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(qiáng)度是基本單位

5、，定義為一個(gè)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(qiáng)度為1 cd（坎德拉）。 本實(shí)驗(yàn)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(lán)紫多種波長(zhǎng)的光輻射。激光光源是半導(dǎo)體激光器，發(fā)射的激光波長(zhǎng)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(diǎn)：（1）、三棱鏡表面對(duì)光線的折射作用。三棱鏡對(duì)不同波長(zhǎng)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(zhǎng)的復(fù)合光，從波長(zhǎng)為400納米（

6、m m）紫光至760納米的紅光）則三棱鏡對(duì)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(shí)，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(jìn)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(shí)，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(duì)三棱鏡兩個(gè)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(yùn)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(duì)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(shí)的色散現(xiàn)象，由于介質(zhì)的折射率隨波長(zhǎng)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(zhǎng)長(zhǎng)，折射率小，產(chǎn)生較小的偏角，而紫色的波長(zhǎng)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(lán)、紫順序的連續(xù)光譜，本實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)的光，而對(duì)其它波長(zhǎng)具有吸收作用，對(duì)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(duì)紅色的光是干涉相長(zhǎng)。對(duì)其它顏色的光則干涉相消。衡量濾色質(zhì)量?jī)?yōu)劣的是色純度。2、實(shí)驗(yàn)器材 ： CSY2000G主機(jī)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(jì)及探頭。3、 實(shí)驗(yàn)步驟：（1） 根據(jù)圖1-3將普通光源插進(jìn)安裝架上，把光源的兩個(gè)插孔分別連接到主機(jī)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(dòng)截止保護(hù)，要正常工作必須重新開機(jī)

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(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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)（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(hù)；2光源注意極性），重復(fù)（2）。（5） 把分光裝置對(duì)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(cè)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(cè)和計(jì)

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(gè)電磁波段。光度學(xué)只適用于可見光波段。本實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解兩種概念體系的區(qū)別和聯(lián)系。 2、實(shí)驗(yàn)器材：CSY2000G主機(jī)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(jì)探頭3、 實(shí)驗(yàn)步驟：（1） 根據(jù)圖1-5裝置圖將照度計(jì)探頭代替光敏探頭，把照度計(jì)探頭的兩個(gè)插孔與主機(jī)箱的光照度計(jì)兩個(gè)插孔正負(fù)對(duì)應(yīng)相連，再按下主機(jī)箱照度計(jì)的按紐（×1）。打開主控箱電源，測(cè)量當(dāng)前環(huán)境下的照度。圖1-5 輻射度與光度學(xué)的接線示意圖（2） 關(guān)閉主控箱電源，把普通光源的兩個(gè)插孔與主控箱的012V的可調(diào)電源的兩個(gè)插孔相連，逆時(shí)針調(diào)節(jié)可調(diào)電源旋

11、鈕到底。把主機(jī)箱的電壓表輸入端（+、）分別與012V的可調(diào)電源的+、 相連，監(jiān)測(cè)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(jī)箱電源，取下實(shí)驗(yàn)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(cè)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(zhǎng)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(duì)光顏色的敏感度。（5）關(guān)閉主機(jī)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(gè)插孔（+、）分別與主機(jī)箱05V的可調(diào)電源的+、 相連。開主機(jī)箱電源，同上面方法用照度計(jì)測(cè)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(jī)箱電源，用光功率探頭代替照度計(jì)探頭，將光功率探頭的兩個(gè)插孔（+、）分別與主機(jī)箱的光功率計(jì)輸入端的+、 相連，打開主機(jī)箱電源，方法同上用光功率計(jì)測(cè)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(duì)什么顏色（波長(zhǎng)）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(zhǎng)光的照度、光功率大小不同？實(shí)驗(yàn)二 光敏電阻實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?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(qiáng)，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(qiáng)、波長(zhǎng)和外加電壓有關(guān)。三、 需用器件與單元： CSY2000G主機(jī)箱、光源、濾色片、 光電器件實(shí)驗(yàn)（一）模板 、cds光敏電阻、光照度探頭。四、 實(shí)驗(yàn)步驟：1、亮電阻和暗電阻測(cè)量（1） 圖2

14、-1是光敏電阻實(shí)驗(yàn)原理圖圖2-1 光敏電阻實(shí)驗(yàn)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(jì)探頭及遮光筒，將主機(jī)箱的012V的可調(diào)電源與普通光源的兩個(gè)插孔相連，將可調(diào)電源的調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針方向慢慢調(diào)到底。將照度計(jì)探頭的兩個(gè)插孔與主機(jī)箱照度計(jì)輸入端“+”、“”相應(yīng)連接。打開主機(jī)箱電源，順時(shí)針方向慢慢增加012V可調(diào)電源，使主機(jī)箱照度計(jì)顯示100LX（按下按鈕×1）。 圖2-2光敏電阻實(shí)驗(yàn)接線圖（3） 撤下照度計(jì)連線及探頭，換上光敏電阻。將光敏電阻的一個(gè)插孔連到主機(jī)箱固定穩(wěn)壓電源+5V的“+”插孔上。光敏電阻的另一個(gè)插孔連到主機(jī)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(jī)箱上的定時(shí)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(shí)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(jì)算亮阻和暗阻（照度100LX 、U測(cè)5V） R亮=U測(cè) / I亮 ； R暗=U測(cè) / 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(cè)量電壓（U測(cè)）下有不同的亮阻和暗阻。如有興趣可重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟做實(shí)驗(yàn)。2、光照特性測(cè)量 光敏電阻的測(cè)量電壓（U測(cè)）為+5V時(shí)，光敏電

16、阻的光電流隨光照強(qiáng)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(cè)量方法同以上實(shí)驗(yàn))，測(cè)得數(shù)據(jù)填入表21，并作曲線圖。表21強(qiáng)度（LX）100300500700900110013001500電流mAI光照度 （LX）圖23光敏電阻光照特性實(shí)驗(yàn)曲線3、伏安特性測(cè)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(cè)量時(shí)，在給定光照強(qiáng)度100LX時(shí)，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(cè)），測(cè)得流過光敏電阻的電流,測(cè)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(hào)：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(cè)量 （1）光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)時(shí)線路接法同圖2-2，在光路裝置中先用照度計(jì)窗口對(duì)準(zhǔn)遮光筒，然后撤下光源前蓋,更換不同的濾光片，得到對(duì)應(yīng)各種顏色的光。作光譜特性時(shí)，需調(diào)節(jié)光源強(qiáng)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(zhǎng)（顏色）時(shí)測(cè)量流過光敏電阻的電流值，就可作出其光源特性曲線。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示： 表2-3顏色波長(zhǎng)(nm)型號(hào)MT5528100LX照度下的電流紅660

18、橙600黃560綠510藍(lán)470紫400實(shí)驗(yàn)三 光電池實(shí)驗(yàn)一 實(shí)驗(yàn)?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(dāng)光照射到光電池P-N結(jié)上時(shí)，便在P-N結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。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(qiáng)度、波長(zhǎng)等有關(guān)。 三 需用器件與單元光電器件實(shí)驗(yàn)（一）模板、主機(jī)箱、濾色片、普通光源、照度計(jì)、硅光電池、光照度計(jì)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(dòng)勢(shì)。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(gè)插孔接入主機(jī)箱012V可調(diào)電源的相應(yīng)插孔上（逆時(shí)針方向調(diào)節(jié)可調(diào)電源的旋鈕到底），將光電池的兩個(gè)插孔接

19、到實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓墓韫怆姵厣希ㄗ⒁鈽O性）。圖3-1 光電池實(shí)驗(yàn)接線圖（2） 將照度計(jì)探頭兩個(gè)插孔接到主機(jī)箱的照度計(jì)輸入端的相應(yīng)插孔上，打開主機(jī)箱電源，將照度計(jì)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(jì)顯示100LX。拿去照度計(jì)探頭，把硅光電池連到遮光筒上，將主機(jī)箱的電壓表接到光電實(shí)驗(yàn)器件模板的硅光電池的電壓表接口上，測(cè)出100LX照度下的開路電壓。把電壓表的引線斷開后，將主機(jī)箱的電流表串接到實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳稀⒐韫怆姵氐碾娏鞅斫涌谏?，測(cè)出100LX照度下的短路電流。重復(fù)以上方法，測(cè)出照度為200LX.600LX時(shí)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(qiáng)度（lx）100140180220260300電流（mA）電壓（mV）電流 電壓 光強(qiáng)度圖3-2硅光電池開路電壓 短路電流實(shí)驗(yàn)特性 2 光譜特性 光電池在不同波長(zhǎng)的光照下，產(chǎn)生不同的光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。用不同顏色的濾色片得到不同波長(zhǎng)的光。濾色片更換：擰下光源前蓋，分別擰上紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種濾色片。在相同的照度之下，將測(cè)量結(jié)果填入表3-2，并在圖3-3作出曲線圖。表3-2波長(zhǎng)（nm）660600560510470400電動(dòng)勢(shì)（mv）電流（mA） 電動(dòng)勢(shì) 波長(zhǎng) 實(shí)驗(yàn)四 光源及光調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解光調(diào)制解調(diào)的原理二、基本原理：光