光电子技术实验指导书

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1、光电子技术实验指 导 书CSY2000G光电传感器实验仪说明CSY2000G光电传感器实验仪主要有主机箱、传感器装置、实验模板、实验桌四大部分组成（一）主机箱：供电电源AC220V，50HZ。额定功率200W。1、有实验所需的电源、压力源0-12V连续可调直流稳压电源。0-5V连续可调直流稳压电源。15V、+12V、+5V稳压电源。 2、显示压力源：气压量程4-20KPa（通过调节玻璃转子流量计、旋钮、气压输出大小可调）电流表：DC20A-20mA(量程三档切换)电压表：DC200mV-20V（量程三档切换)光功率计：1999mW光照度计：1999Lx频率/转速表：f： 0-9999Hz、 n

2、：0-9999 r/min计时器（秒表）：9999S气压表:4-40 KPa3、温控仪：PID位式调节仪：0-2000C（二）传感器装置 光学传感器由底座，升降支架、遮光筒、滑轨等组成，可卸式活动安装各种光电器件探头，光源等。1、 光敏器件及传感器光敏电阻光敏二极管光敏三极管红外光敏二极管（光接受）硅光电池反射式光耦（红外发射与红外光敏三极管组合）红外线热释电探头光照度计探头光功率计探头2、传感器光纤传感器、（位移、压力、温度）PSD位置传感器线阵CCD测径系统（可选）光栅位移传感器（可选）3、光源普通白炽灯、普通发光二极管、红外发射管、半导体激光管、各种滤色镜。（三）实验模板光电器件实验（一

3、）模板光电器件实验（二）模板光电器件实验（光开关）模板光电器件实验（光调制）模板光电传感器转速测量实验模板光纤传感器实验模板PSD传感器实验模板温度传感器（四）实验桌 放置主机箱、实验模板、各种实验器件实验台尺寸为：1600800740（mm）实验指南实验一光电基础知识实验实验目的通过实验使学生对光源分光原理，辐射量与光度量、光的不同波长等基本概念有具体的认识。第一部分 光源和光波长实验一、实验原理：以电磁波形式或粒子（光子）形成传输的能量，它们可以用光学条件反射、成像或色散，这样能量传输及其传播过程称为光辐射。 为了对光辐射进行定量描述，存在着辐射单位和光度单位两套不同的体系，下表是常用的辐

4、射度量和光度量之间的对应关系。表（一）、常用辐射度量和光度量之间的对应关系辐射度量物理量光度量物理量名称符号定义成定义式单位物理量名称符号定义成定义式单位辐射能QeJ光量QQ=Qdt1m s辐射通量ee=de/dtW光通量=Id1m辐射出射度ee=de/dsW/m2光出射度MM=d/ds1m/ m2辐射强度ee=de/dsw/sr发光强度I基本量cd辐射亮度LeLe=de/(ds cos)w/(m2 sr)（光）亮度LI=dI/ds coscd/m2辐射照度EeEe=de/dAw/ m2（光）照度EE=d/dALX 在光度单位中，发光强度是基本单位，定义为一个光源发出频率为5401012 HZ

5、的单色辐射。若在一给定方向上的辐射光度为1/683 （W/S），则该光源在该方向上的的发光强度为1 cd（坎德拉）。 本实验中备有普通光源和激光光源两种，普通光源（探炽灯）的光谱为连续光谱。利用滤色片或色片或通过分光镜后，可以提供红橙黄绿青蓝紫多种波长的光辐射。激光光源是半导体激光器，发射的激光波长630-680纳米。激光颜色为红色。 三棱镜的分光原理: 三棱镜的分光作用原理基于以下几点：（1）、三棱镜表面对光线的折射作用。三棱镜对不同波长的各色光具有不同的折射率。因此当三棱镜中入射的光（白光为各种不同波长的复合光，从波长为400纳米（m m）紫光至760纳米的红光）则三棱镜对不同色光具有不同

6、折射率。各色光经折射后的折射角将不同。因此通过三棱镜出射时，各色光的偏角也随之不同。所以，白光经过三棱镜折射以后将分解成各种色光并呈现出一片按序排列的颜色。这种现象称为光的色散。（2）、图1-1画出了三棱镜表面产生折射的情况。如入射光（某一单色光）经三棱镜AB进入玻璃介质后，光线产生一偏角1该光束在B面出射时，又产生一偏角2光线经二次折射后入射光与出射光产生的偏角 0 =1+2对三棱镜两个折射面AB导出折射定律为：SinI1=nSinI1 SinI2=nSinI2利用两式相减，并根据= I1-I2，=1+2= I1-I2+ I2- I2经过具体运算得Sin1/2(+)=n-Sin/2*Cos(

7、I1+I2)/Cos1/2(I1+I2)由式可见，光线经棱镜折射后，产生的偏角 是光线入射角I1 。棱镜折射角和折射率n的函数，对于给定的三棱镜和n为定值，因此 随I1 而变。图1-2表示的光通过三棱镜时的色散现象，由于介质的折射率随波长的的变短而增大，尤其是短波部分，折射率增加的更快。 由图1-2可知红色的波长长，折射率小，产生较小的偏角，而紫色的波长短，折射率大，产生的偏角也大，这样的光经三棱镜折射后，形成一条按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序的连续光谱，本实验用于演示这一现象。 利用滤色片也可以从白光中获取单色光，常用滤色片有二类，一类是塑料片，它只能透射某一波长的光，而对其它波长具有吸收

8、作用，对玻璃滤光片，玻璃片上镀某种颜色（例如红色）的薄膜，它利用光的频率效应。则它对红色的光是干涉相长。对其它颜色的光则干涉相消。衡量滤色质量优劣的是色纯度。2、实验器材 ： CSY2000G主机箱、普通光源、分光装置（三棱镜）、半导体激光器、滤色片、光照度计及探头。3、 实验步骤：（1） 根据图1-3将普通光源插进安装架上，把光源的两个插孔分别连接到主机箱的“012V”可调电压源上，调节“012V”的可调旋钮，可改变光源的亮度（调节电源012V必须从最低电压起始慢慢调到12V，否则冲击电流大，电源自动截止保护，要正常工作必须重新开机）。（2） 将光源升降杆的固定螺钉旋松，旋转光源180后拧紧

9、固定螺钉。在光源的前方适当的位置安放分光三棱镜，旋转棱镜，观察投射出的连续的带状分光光谱（红紫七色，如图1-3）。图1-3 光电实验装置示意图（白色光的光色散）（3） 关闭电源，旋下光源前盖，装上不同颜色的滤色片，观察不同波长（颜色）的光。（4） 把普通光源取下，换上半导体激光光源，连接5v电源（注意1.二极管保护；2光源注意极性），重复（2）。（5） 把分光装置对太阳观察太阳光，用一白纸作受光面。从出射的受光面上观测带状光谱（如图1-4）。图1-4 太阳光的光色散第二部分 辐射度与光度学1、 基本原理： 光辐射的探测和计量,在辐射度单位和光度单位两套不同的体系。辐射度单位适用于整个电磁波段。

10、光度学只适用于可见光波段。本实验帮助学生理解两种概念体系的区别和联系。 2、实验器材：CSY2000G主机箱、普通光源（含遮光筒）、半导体激光光源、各种滤色片，光照度计探头3、 实验步骤：（1） 根据图1-5装置图将照度计探头代替光敏探头，把照度计探头的两个插孔与主机箱的光照度计两个插孔正负对应相连，再按下主机箱照度计的按纽（1）。打开主控箱电源，测量当前环境下的照度。图1-5 辐射度与光度学的接线示意图（2） 关闭主控箱电源，把普通光源的两个插孔与主控箱的012V的可调电源的两个插孔相连，逆时针调节可调电源旋钮到底。把主机箱的电压表输入端（+、）分别与012V的可调电源的+、 相连，监测可调

11、电源的输出大小。按表1-1慢慢旋转可调电源旋钮，按表1-1记录数据。表11输入电压（v）234567光照度（Lx）（3）关闭主机箱电源，取下实验装置的遮光筒，旋下普通光源的前盖，分别旋上不同颜色的滤光片，装上遮光筒，按上面的方法分别测量不同滤色片下的照度。并作记录，把数据填入表1-2。表12波长照度电压660nm600nm560nm510nm470nm400nm2V3V4V5V6V7V（4）在（3）中，用眼睛观察不同颜色光的亮度情况，感觉同一照度下不同颜色的光，感受一下眼睛对光颜色的敏感度。（5）关闭主机箱电源，将普通光源撤下换上半导体激光器，将半导体激光器的两个插孔（+、）分别与主机箱05V

12、的可调电源的+、 相连。开主机箱电源，同上面方法用照度计测量激光器发出的光的照度，作记录把数据填入表1-3。表13输入电压（v）2.5V3V3.5V4V4.5V5V光照度（Lx）（6） 关闭主机箱电源，用光功率探头代替照度计探头，将光功率探头的两个插孔（+、）分别与主机箱的光功率计输入端的+、 相连，打开主机箱电源，方法同上用光功率计测量激光器的光功率，并作记录，把数据填入表1-4。表14输入电压（v）33.544.55光功率(mw)五、思考题 白光与其他色彩光有何区别？人的视觉对什么颜色（波长）的光最敏感？为什么灯泡在相同工作电压下发出各种波长光的照度、光功率大小不同？实验二 光敏电阻实验一

13、、 实验目的：了解光敏电阻的光谱响应特征、光照特性和伏安特性等基本特性二、 基本原理：在光线的作用下，电子吸收光子的能量从键合状态过渡到自由状态。引起电导率的变化，这种现象称为光电导效应。光电导效应是半导体材料的一种体效应。光照愈强，器件自身的电阻愈小。基于这种效应的光电器件称光敏电阻。光敏电阻无极性，其工作特性与入射光光强、波长和外加电压有关。三、 需用器件与单元： CSY2000G主机箱、光源、滤色片、 光电器件实验（一）模板、cds光敏电阻、光照度探头。四、 实验步骤：1、亮电阻和暗电阻测量（1） 图2-1是光敏电阻实验原理图图2-1 光敏电阻实验原理图（2） 按图2-1的光学系统装置图

14、，安装好普通光源和光照度计探头及遮光筒，将主机箱的012V的可调电源与普通光源的两个插孔相连，将可调电源的调节旋钮逆时针方向慢慢调到底。将照度计探头的两个插孔与主机箱照度计输入端“+”、“”相应连接。打开主机箱电源，顺时针方向慢慢增加012V可调电源，使主机箱照度计显示100LX（按下按钮1）。 图2-2光敏电阻实验接线图（3） 撤下照度计连线及探头，换上光敏电阻。将光敏电阻的一个插孔连到主机箱固定稳压电源+5V的“+”插孔上。光敏电阻的另一个插孔连到主机箱电流表输入端的“+”插孔上，电流表输入端“”插孔与+5V稳压电源的“”相连。（4） 在光敏电阻与光源之间用遮光筒连接后，10秒钟左右（可观

15、察主机箱上的定时器）读取电流表（可选择电流表合适的档位20mA档）的值为亮电流I亮。（5） 将012V可调电源的调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底后，10秒钟左右读取电流表（20A档）的值为暗电流I暗。（6） 根据以下公式，计算亮阻和暗阻（照度100LX 、U测5V） R亮=U测 / I亮 ； R暗=U测 / I暗（7） 光敏电阻在不同的照度下有不同的亮阻和暗阻；在不同的测量电压（U测）下有不同的亮阻和暗阻。如有兴趣可重复以上实验步骤做实验。2、光照特性测量 光敏电阻的测量电压（U测）为+5V时，光敏电阻的光电流随光照强度变化而变化，它们之间的关系是非线性的。调节光源012V电压得到不同的光照度(测

16、量方法同以上实验)，测得数据填入表21，并作曲线图。表21强度（LX）100300500700900110013001500电流mAI光照度 （LX）图23光敏电阻光照特性实验曲线3、伏安特性测量在一定的光照强度下，光电流随外加电压的变化而变化，测量时，在给定光照强度100LX时，光敏电阻输入0-5V可调电压，调节0-5V电压（由电压表监测），测得流过光敏电阻的电流,测得数据填入表2-2，并作不同照度的三条伏安特性曲线。表2-2型号：MT5528电压（U）1.252345照度LX100电流（mA）300电流（mA）500电流（mA）光电流VCC图24光敏电阻伏安特性 4 、光谱特性测量 （1）

17、光敏电阻对不同波长的光，接收的光灵敏度是不一样的，这就是光敏电阻的光谱特性。实验时线路接法同图2-2，在光路装置中先用照度计窗口对准遮光筒，然后撤下光源前盖,更换不同的滤光片，得到对应各种颜色的光。作光谱特性时，需调节光源强度（调012V电压），得到相同的照度。光敏电阻在某一固定工作电压下（+5V），在同一照度下（例如100LX），在不同波长（颜色）时测量流过光敏电阻的电流值，就可作出其光源特性曲线。实验数据如下表所示： 表2-3颜色波长(nm)型号MT5528100LX照度下的电流红660橙600黄560绿510蓝470紫400实验三 光电池实验一 实验目的了解光电池的光照、光谱特性，熟悉其

18、应用。二 基本原理当光照射到光电池P-N结上时，便在P-N结两端产生电动势。这种现象叫“光生伏特效应”，将光能转化为电能。该效应与材料、光的强度、波长等有关。三 需用器件与单元光电器件实验（一）模板、主机箱、滤色片、普通光源、照度计、硅光电池、光照度计探头四、内容1 光照特性光电池在不同的照度下，产生不同的光电流和光生电动势。它们之间的关系就是光照特性。（1） 按图3-1接线：将光源两个插孔接入主机箱012V可调电源的相应插孔上（逆时针方向调节可调电源的旋钮到底），将光电池的两个插孔接到实验模板的硅光电池上（注意极性）。图3-1 光电池实验接线图（2） 将照度计探头两个插孔接到主机箱的照度计输

19、入端的相应插孔上，打开主机箱电源，将照度计探头用遮光筒与光源连接起来，调节接入光源的012V可调电源,使照度计显示100LX。拿去照度计探头，把硅光电池连到遮光筒上，将主机箱的电压表接到光电实验器件模板的硅光电池的电压表接口上，测出100LX照度下的开路电压。把电压表的引线断开后，将主机箱的电流表串接到实验模板上、硅光电池的电流表接口上，测出100LX照度下的短路电流。重复以上方法，测出照度为200LX.600LX时的硅光电池的开路电压和短路电流，将数据填入表3-1，并作出曲线图。表31强度（lx）100140180220260300电流（mA）电压（mV）电流 电压光强度图3-2硅光电池开路

20、电压 短路电流实验特性 2 光谱特性 光电池在不同波长的光照下，产生不同的光电流和光生电动势。用不同颜色的滤色片得到不同波长的光。滤色片更换：拧下光源前盖，分别拧上红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种滤色片。在相同的照度之下，将测量结果填入表3-2，并在图3-3作出曲线图。表3-2波长（nm）660600560510470400电动势（mv）电流（mA） 电动势波长 实验四 光源及光调制解调实验一、实验目的： 了解光调制解调的原理二、基本原理：光束是一种电磁波，具有振幅、相位、强度和偏振等参量和良好的相干性。如果能够应用某种物理方法改变光波的这些参量之一，使其按照调制信号（如声音信号）的规律变化，那

21、么该光束就受到了调制，达到“运载”信息的目的。实现光束调制的原理有振幅调制、频率调制、相位调制、强度调制、脉冲调制、脉冲编码调制。从方法来说，即有电光调制、声光调制、磁光调制、直接调制等。本实验用的是电光调制和声光调制。三、需用器件与单元 ： 光调制解调实验模板、主机箱、光发射管、光接收管四、实验步骤： 1 红外光的脉冲调制（1） 按照图41接线：在光脉冲调制实验部分，将光发射管探头的两个插孔与光电器件实验模板的光发射的输入插孔相连，光接收探头的两个插孔与实验模板的光接收输入口相连。再将实验模板的Vcc+5V电源和“”插孔与主机箱的+5V电源和“”的插孔相连。图4-1 光脉冲调制（2） 打开主机箱电源，将两个探头（发射和接收探头）对准，可以看到实验模板上的输入脉冲指示和输出脉冲指示一起发亮。如果两个探头中间被挡住或没有对准，不同时发光。2 用声音调制红外光按图42接线：将光脉冲实验的接线相应的移到光音频调制实验上，对准发射管和接收管的光路，对准实验模板上的话筒讲话，调节音频调制强度和灵敏度电位器旋扭，使模板上的扬声器发出说话声实现了光调制，灯干扰或其它光线干扰时，需要加上遮光筒挡住外界的杂散光的干扰。若用纸或手挡住光路，再对着话筒讲话时，模板上的扬声器不发出声音，调制中止。图4-2 声音调制思考题：试分析红外光的脉冲调制和声调制改变光波电场强度什么参数？