光电探测实验报告

实验一 光敏电阻特性实验实验原理:光敏电阻又称为光导管,是一种均质的半导体光电器件,其结构如图(1)所示。由于半导体在光照的作用下,电导率的变化只限于表面薄层,因此将掺杂的半导体薄膜沉积在绝缘体表面就制成了光敏电阻，不同材料制成的光敏电阻具有不同的光谱特性。光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积,提高灵敏度。实验所需部件:稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元）、电压表、各种光源、遮光罩、激光器、光照度计（由用户选配）实验步骤:1、 测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻观察光敏电阻的结构,用遮光罩将光敏电阻完全掩盖,用万用表测得的电阻值为暗电阻R暗,移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的阻值为亮电阻，暗电阻与亮电阻之差为光电阻，光电阻越大，则灵敏度越高。在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻，试作性能比较分析。2、 光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流按照图(3)接线，电源可从+2+8V间选用，分别在暗光和正常环境光照下测出输出电压V暗和V亮则暗电流L暗=V暗/RL,亮电流L亮=V亮/RL，亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。分别测出两种光敏电阻的亮电流，并做性能比较。图（2）几种光敏电阻的光谱特性3、 伏安特性: 光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。按照图(3)分别测得偏压为2V、4V、6V、8V、10V、12V时的光电流，并尝试高照射光源的光强，测得给定偏压时光强度的提高与光电流增大的情况。将所测得的结果填入表格并作出V/I曲线。偏压2V4V6V8V10V12V光电阻I光电阻II注意事项: 实验时请注意不要超过光电阻的最大耗散功率P MAX, P MAX=LV。 光源照射时灯胆及灯杯温度均很高，请勿用手触摸，以免烫伤。实验时各种不同波长的光源的获取也可以采用在仪器上的光源灯泡前加装各色滤色片的办法，同时也须考虑到环境光照的影响。 实验二 光敏管的应用-光控电路实验目的:了解光敏管在控制电路中的具体应用。实验所需部件:光敏二极管或光敏三极管、光控电路、光源、电压表、电阻器、三极管实验步骤:1. 图(10)为一常用的由光敏管组成的光控电路，其原理与前述光敏电阻光控电路相似，电路接线时须注意光敏管的极性。接通电源后调节控制电路,使其在自然光下负载发光管不亮。2. 分别用白纸带色的纸书本和遮光罩改变光敏管的光照，观察控制电路的亮灯情况。实验三 光纤传感器-位移测试实验原理:本实验仪中所用的为传光型光纤传感器,光纤在传感器中起到光的传输作用，因此是属于非功能性的光纤传感器。光纤传感器的两支多模光纤分别为光源发射及接收光强之用，其工作原理如图(22)所示。光纤传感器工作特性曲线如图(23)所示。一般都选用线性范围较好的前坡为测试区域。实验所需部件: 光纤、光电变换器、放大稳幅电路、近红外发射及检测电路（光纤变换电路内）、反射物（电机叶面）、电压表.实验步骤:1. 将光纤、光电变换块与光纤变换电路相连接,注意同一实验室如有多台光电传感器实验仪,由于光电变换块中的光电元件特性存在不一致,则光纤变换电路中的发射接收放大电路的参数也不一致，故请做实验之前将光纤光电变换块和实验仪对应编号,不要混用,以免影响正常实验。2. 光纤探头安装于位移平台的支架上用紧定螺丝固定,电机叶片对准光纤探头,注意保持两端面的平行。3. 尽量降低室内光照,移动位移平台使光纤探头紧贴反射面，此时变换电路输出电压Vo应约等于零。4. 旋动螺旋测微仪带动位移平台使光纤端面离开反射叶片，每旋转一圈(0.5毫米)记录Vo值,并将记录结果填入表格,作出距离X与电压值mv的关系曲线。从测试结果可以看出,光纤位移传感器工作特性曲线如图(23)所示分为前坡和后坡。 前坡范围较小，线性较好。后坡工作范围大但线性较差。因此平时用光纤位移传感器测试位移时一般采用前坡特性范围。根据实验结果试找出本实验仪的最佳工作点。（光纤端面距被测目标的距离）实验四. 光电位置敏感器件-PSD传感器实验原理:PSD(position sensitive detector)是一种新型的横向光电效应器件,当入射光点照在器件光敏面上时,激发光生载流子而产生电流I，光生电流的大小与光点的大小无关,只和光点在器件上的位置有关系。当光点位于器件中点(原点)时,光生电流I1=I2，根据这一原理,将PSD器件两极电流I1、I2变换成电压信号后再进行运算即可知道光点的位置。PSD器件工作原理见图(27)实验所需器件: PSD基座(器件已装在基座上)、固体激光器、反射体、PSD处理电路单元、电压表实验步骤:1. 通过基座上端圆形观察孔观察PSD器件及在基座上的安装位置,连接好PSD器件与处理电路,开启仪器电源,输出端Vo接电压表,此时因无光源照射,PSD前聚焦透镜也无因光照射而形成的光点照射在PSD器件上,Vo输出的为环境光的噪声电压,试用一块遮光片将观察圆孔盖上,观察光噪声对输出电压的变化。2. 将激光器插头插入“激光电源”插口，激光器安装在基座圆孔中并固定。注意激光束照射到反射面上时的情况，光束应与反射面垂直。旋转激光器角度，调节激光光点，（必要时也可调节PSD前的透镜）使光点尽可能集中在器件上。3. 仔细调节位移平台，用电压表观察输出电压VO的变化，当输出为零时，再分别测两路信号电压输出端VO1、VO2的电压值，此时两个信号电压应是基本一致的。4. 从原点开始，位移平台分别向前和向后位移10mm,因为PSD器件对光点位置的变化非常敏感，故每次螺旋测微仪旋转5格（1/10mm）,并将位移值（mm）与输出电压值（V0）记录列表，作出V/X曲线，求出灵敏度S，SV/X。根据曲线分析其线性。位移电压注意事项：实验中所用的固体激光器光点可调节，实验时请注意光束不要直接照射眼睛，否则有可能对视力造成不可恢复的损伤。每一支激光器的光点和光强都略有差异，所以对同一PSD器件，光源不同时光生电流的大小也是不一样的。实验时背景光的影响也不可忽视，尤其是采用日光灯照明时，或是仪器周围有物体移动造成光线反射发生变化时，都会造成PSD光生电流改变，致使单元V0输出端电压产生跳变，这不是仪器的毛病。如实验时电压信号输出较小，则可调节一下激光器照射角度，使输出达到最大。实验五 光敏三极管对不同光谱的响应实验原理： 在光照度一定时，光敏三极管输出的光电流随波长的改变而变化，一般说来，对于发射与接收的光敏器件，必须由同一种材料制成才能有此较好的波长响应，这就是光学工程中使用光电对管的原因。 实验所需部件：光敏三极管、发光二极管（包括红外发射管、各种颜色的LED）、试件插座、直流稳压电源、电压表（自备4 1/2位）实验步骤：1、 按图（14）接好光敏三极管测试电路，电路中的光敏三极管为红外接收管，电路中的光源采用红外发光二极管，必须注意发光二极管的接线方向。发光二极管的光都是通过顶端的透镜发射的，因此实验时必须注意二极管与三极管的相对位置。(顶端透镜相对)2、 接好如图（15）所示的发光二极管电路，注意发光二极管限流电阻阻值的调节（电位器阻值的调节一定要按从大到小的原则），发光二极管可插在试件插座上。实验中发光源可用多种颜色的LED。3、 用黑色胶管将发光二极管与光敏三极管对顶相连，并用遮光罩将它们罩住，如果光谱一致的话则测试电路输出端信号变化较大，反之则说明发射与接收不配对，需更换发光源。4、 调整发光二极管发光强度（可调节电位器）或改变与光敏管的相对位置，重复上述实验。注意事项：发光二极管限流电阻一定不能太小，否则将损坏发光源。实验六 光栅衍射实验光栅距的测定实验目的：了解光栅的结构及光栅距的测量方法。实验所需部件：光栅、激光器、直尺与投射屏（自备）。实验步骤：1、 激光器放入光栅正对面的支座中用紧定螺丝固定，接通激光电源后使光点对准光栅中点。2、 在光栅后面安放好投射屏，观察到一组有序排列的衍射光斑，与激光器正对的光斑为中央光斑，依次向两侧为一级、二级、三级衍射光斑。如图（28）所示。请观察光斑的大小及光强的变化规律。3、 根据光栅衍射规律，光栅距D与激光波长、衍射距离L、中央光斑与一级光斑的间距S存在下列的关系：（式中单位：L、S为mm，为nm, D为m）根据此关系式，已知固体激光器的激光波长为650nm，用直尺量得衍射距离L、光斑距S，即可求得实验所用的光栅的光栅距。（测出五组数据，取平均值）测距实验：1、按照光栅衍射公式，已知光栅距、激光波长、光斑间距，就可以求出衍射距离L。2、将激光对准衍射光栅中部，在投射屏上得到一组衍射光斑，根据公式求出L。3、调整投射屏与光栅的距离，并尽可能试用不同的激光器，将测得的各参数L、S、D、填入表格，以验证公式。序号12345L(mm)S(mm)D(m)实验数据表实验七 光电池应用-光强计实验所需部件:光电池(或串或并均可)、光强测试电路单元实验步骤:1. 图(20)为光电池测光实验电路单元的原理图。光电池接入时请注意极性。发光二极管已在电路中接入。2. 调节光电池受光强度，分别在光照很暗、正常光照和光照很强时观察两个发光二极管不亮、稍亮、两个都很亮，这样就形成了一个简易的光强计。实验八 电荷耦合图像传感器-CCD摄像法测径实验实验原理：电荷耦合器件（CCD）的重要应用是作为摄像器件，它将二维光学图像信号通过驱动电路转变成一维的视频信号输出。当光学镜头将被摄物体成像在CCD的光敏面上，每一个光敏单元（MOS电容）的电子势阱就会收集根据光照强度而产生的光生电子，每个势阱中收集的电子数与光照强度成正比。在CCD电路时钟脉冲的作用下，势阱中的电荷信号会依次向相邻的单元转移，从而有序地完成载流子的运输输出，成为视频信号。 用图像采集卡将模拟的视频信号转换成数字信号，在计算机上实时显示，用实验软件对图像进行计算处理，就可获得被测物体的轮廓信息。实验所需部件：CCD摄像头、被测目标（圆形测标）、视频线、图像采集卡、实验软件实验步骤：1、 根据图像采集卡光盘安装说明在计算机中安装好图像卡。并按要求正确设置。2、 在被测物前安装好摄像头，连接CCD稳压电源，视频线正确连接图像卡与摄像头。3、 检查无误后进入测量程序，启动图像采集后，屏幕窗口即显示被测物的图像，适当地调节CCD的镜头前后位置，使目标图像最为清晰。4、 尺寸标定：先取一标准直径圆形目标（D0=10mm），根据测试程序测定其屏幕图像的直径D1（单位用象素表示），则测量常数K=D1/D0。5、 保持CCD镜头与位移平台距离不变，更换另一未知直径的圆形目标，利用测试程序测得其在屏幕上的直径，除以系数K，即得该目标的直径。思考题：如何利用此方法测试方形物体的尺寸。注意事项：利用图象卡采集，务请正确设置采集参数，详见CCD测试系统软件说明。