CSY-2000G光電傳感器實驗臺實驗指南CSY—2000G光電傳感器實驗臺實驗指南浙江大學(xué)浙江高聯(lián)科技開發(fā)有限公司杭州高聯(lián)信息技術(shù)有限公司前言CSY2000G光電傳感器實驗儀，是本公司多年生產(chǎn)傳感技術(shù)教學(xué)實驗儀的基礎(chǔ)上，為適合光電子、信息工程、物理等專業(yè)教學(xué)內(nèi)容的需要，最新推出的光電類教學(xué)實驗裝置，是光電子技術(shù)的基礎(chǔ)實驗。激光器的出現(xiàn)，解釋了光頻載波的產(chǎn)生問題，從此電子技術(shù)的各種基本概念（如放大與振蕩、調(diào)制與解調(diào)、直接探測與外差探測、信頻、和頻與差頻等等）幾乎都移植到了光頻段。電子學(xué)與光學(xué)之間的鴻溝在概念上消失了，產(chǎn)生了光頻段的電子技術(shù)。習(xí)慣稱為光電子技術(shù)。其優(yōu)點在于：1、本實驗儀目前選用的實驗內(nèi)容，大部份是光電基礎(chǔ)實驗。重點分析光敏器件和光電傳感器的特性和應(yīng)用場合。學(xué)生通過實驗應(yīng)學(xué)會合理地選擇傳感器，掌握檢測的原理和方法。為培養(yǎng)動手能力，還安排有儀器的裝拆實驗。2、該實驗儀集中了目前常用的光敏元件和傳感器，采用了模塊式組合，不同專業(yè)可以有不同的菜單。為適應(yīng)技術(shù)發(fā)展需要，本公司可以根據(jù)用戶要求，補(bǔ)充新型的傳感器和模塊。3、主機(jī)箱備有常用的穩(wěn)壓電源和電壓、電流顯示單元。備有光功率計和光照度計，可便于學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計和課題制作。*本實驗指南盡力舉一些實驗項目，便于學(xué)生熟悉使用本實驗儀，學(xué)生可通過主機(jī)箱提供的各種顯示單元開發(fā)做其它實驗。本實驗指南不作為教材，謹(jǐn)供學(xué)校參考。目錄前言(2)目錄(3)第一章產(chǎn)品說明書(4)第二章實驗指南(6)實驗一光電基礎(chǔ)知識實驗(6)實驗二光敏電阻實驗(12)實驗三光敏二極管的特性實驗(17)實驗四光敏三極管特性實驗(21)實驗五光開關(guān)實驗（透射式）(25)實驗六紅外線光電開關(guān)(27)實驗七光電池實驗(278)實驗八熱釋電紅外傳感器實驗(32)實驗九光源及光調(diào)制解調(diào)實驗(35)實驗十PSD位置傳感器實驗(38)實驗十一光纖位移傳感器實驗(410)實驗十二光纖溫度傳感系統(tǒng)特性實驗(43)實驗十三光纖壓力傳感系統(tǒng)特性實驗(47)實驗十四光電轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速測量(50)實驗十五*CCD電荷藕荷器件測定直徑實驗（選配）(50)實驗十六*光柵位移傳感器實驗（選配）(55)第一章CSY2000G光電傳感器實驗儀說明CSY2000G光電傳感器實驗儀主要有主機(jī)箱、傳感器裝置、實驗?zāi)０?、實驗桌四大部分組成（一）主機(jī)箱：供電電源AC220V，50HZ。額定功率200W。1、有實驗所需的電源、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?！?5V、+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、旋鈕、氣壓輸出大小可調(diào)）電流表：DC20μA-20mA(量程三檔切換)電壓表：DC200mV-20V（量程三檔切換)光功率計：1999mW光照度計：1999Lx頻率/轉(zhuǎn)速表：f：0-9999Hz、n：0-9999r/min計時器（秒表）：9999S氣壓表:4-40KPa3、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探頭光功率計探頭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）實驗?zāi)０骞怆娖骷嶒灒ㄒ唬┠０骞怆娖骷嶒灒ǘ┠０骞怆娖骷嶒灒ü忾_關(guān)）模板光電器件實驗（光調(diào)制）模板光電傳感器轉(zhuǎn)速測量實驗?zāi)０骞饫w傳感器實驗?zāi)０錚SD傳感器實驗?zāi)０鍦囟葌鞲衅鳎ㄋ模嶒炞婪胖弥鳈C(jī)箱、實驗?zāi)０?、各種實驗器件實驗臺尺寸為：1600×800×740（mm）第二章實驗指南實驗一光電基礎(chǔ)知識實驗實驗?zāi)康耐ㄟ^實驗使學(xué)生對光源分光原理，輻射量與光度量、光的不同波長等基本概念有具體的認(rèn)識。第一部分光源和光波長實驗一、實驗原理：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。為了對光輻射進(jìn)行定量描述，存在著輻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應(yīng)關(guān)系。表（一）、常用輻射度量和光度量之間的對應(yīng)關(guān)系在光度單位中，發(fā)光強(qiáng)度是基本單位，定義為一個光源發(fā)出頻率為540×1012HZ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1cd（坎德拉）。本實驗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)紫多種波長的光輻射。激光光源是半導(dǎo)體激光器，發(fā)射的激光波長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：（1）、三棱鏡表面對光線的折射作用。三棱鏡對不同波長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的復(fù)合光，從波長為400納米（mm）紫光至760納米的紅光）則三棱鏡對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，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δ1該光束在B面出射時，又產(chǎn)生一偏角δ2光線經(jīng)二次折射后入射光與出射光產(chǎn)生的偏角δ0=δ1+δ2對三棱鏡兩個折射面AB導(dǎo)出折射定律為：SinI1=nSinI1’SinI2’=nSinI2利用兩式相減，并根據(jù)α=I1’-I2，δ=δ1+δ2=I1-I2’+I2-I2’經(jīng)過具體運(yùn)算得Sin1/2(α+δ)=n-Sinα/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α和折射率n的函數(shù)，對于給定的三棱鏡α和n為定值，因此隨I1而變。圖1-2表示的光通過三棱鏡時的色散現(xiàn)象，由于介質(zhì)的折射率隨波長的的變短而增大，尤其是短波部分，折射率增加的更快。由圖1-2可知紅色的波長長，折射率小，產(chǎn)生較小的偏角，而紫色的波長短，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，本實驗用于演示這一現(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，一類是塑料片，它只能透射某一波長的光，而對其它波長具有吸收作用，對玻璃濾光片，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)。則它對紅色的光是干涉相長。對其它顏色的光則干涉相消。衡量濾色質(zhì)量優(yōu)劣的是色純度。2、實驗器材：CSY—2000G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、光照度計及探頭。3、實驗步驟：（1）根據(jù)圖1-3將普通光源插進(jìn)安裝架上，把光源的兩個插孔分別連接到主機(jī)箱的“0~12V”可調(diào)電壓源上，調(diào)節(jié)“0~12V”的可調(diào)旋鈕，可改變光源的亮度（調(diào)節(jié)電源0~12V必須從最低電壓起始慢慢調(diào)到12V，否則沖擊電流大，電源自動截止保護(hù)，要正常工作必須重新開機(jī)）。（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光電實驗裝置示意圖（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（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：光輻射的探測和計量,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電磁波段。光度學(xué)只適用于可見光波段。本實驗幫助學(xué)生理解兩種概念體系的區(qū)別和聯(lián)系。2、實驗器材：CSY—2000G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，光照度計探頭3、實驗步驟：（1）根據(jù)圖1-5裝置圖將照度計探頭代替光敏探頭，把照度計探頭的兩個插孔與主機(jī)箱的光照度計兩個插孔正負(fù)對應(yīng)相連，再按下主機(jī)箱照度計的按紐（×1）。打開主控箱電源，測量當(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，把普通光源的兩個插孔與主控箱的0~12V的可調(diào)電源的兩個插孔相連，逆時針調(diào)節(jié)可調(diào)電源旋鈕到底。把主機(jī)箱的電壓表輸入端（+、?）分別與0~12V的可調(diào)電源的+、?相連，監(jiān)測可調(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1—1（3）關(guān)閉主機(jī)箱電源，取下實驗裝置的遮光筒，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1—2（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，感受一下眼睛對光顏色的敏感度。（5）關(guān)閉主機(jī)箱電源，將普通光源撤下?lián)Q上半導(dǎo)體激光器，將半導(dǎo)體激光器的兩個插孔（+、?）分別與主機(jī)箱0~5V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測量激光器發(fā)出的光的照度，作記錄把數(shù)據(jù)填入表1-3。表1—3（6）關(guān)閉主機(jī)箱電源，用光功率探頭代替照度計探頭，將光功率探頭的兩個插孔（+、?）分別與主機(jī)箱的光功率計輸入端的+、?相連，打開主機(jī)箱電源，方法同上用光功率計測量激光器的光功率，并作記錄，把數(shù)據(jù)填入表1-4。表1—4實驗二光敏電阻實驗一、實驗?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。基于這種效應(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)、波長和外加電壓有關(guān)。三、需用器件與單元：CSY—2000G主機(jī)箱、光源、濾色片、光電器件實驗（一）模板、cds光敏電阻、光照度探頭。四、實驗步驟：1、亮電阻和暗電阻測量（1）圖2-1是光敏電阻實驗原理圖圖2-1光敏電阻實驗原理圖（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探頭及遮光筒，將主機(jī)箱的0~12V的可調(diào)電源與普通光源的兩個插孔相連，將可調(diào)電源的調(diào)節(jié)旋鈕逆時針方向慢慢調(diào)到底。將照度計探頭的兩個插孔與主機(jī)箱照度計輸入端“+”、“─”相應(yīng)連接。打開主機(jī)箱電源，順時針方向慢慢增加0~12V可調(diào)電源，使主機(jī)箱照度計顯示100LX（按下按鈕×1）。圖2-2光敏電阻實驗接線圖（3）撤下照度計連線及探頭，換上光敏電阻。將光敏電阻的一個插孔連到主機(jī)箱固定穩(wěn)壓電源+5V的“+”插孔上。光敏電阻的另一個插孔連到主機(jī)箱電流表輸入端的“+”插孔上，電流表輸入端“─”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0~12V可調(diào)電源的調(diào)節(jié)旋鈕逆時針方向慢慢旋到底后，10秒鐘左右讀取電流表（20μA檔）的值為暗電流I暗。（6）根據(jù)以下公式，計算亮阻和暗阻（照度100LX、U測5V）R亮=U測/I亮；R暗=U測/I暗（7）光敏電阻在不同的照度下有不同的亮阻和暗阻；在不同的測量電壓（U測）下有不同的亮阻和暗阻。如有興趣可重復(fù)以上實驗步驟做實驗。2、光照特性測量光敏電阻的測量電壓（U測）為+5V時，光敏電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0~12V電壓得到不同的光照度(測量方法同以上實驗)，測得數(shù)據(jù)填入表2—1，并作曲線圖。表2—1I光照度（LX）圖2—3光敏電阻光照特性實驗曲線3、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，在給定光照強(qiáng)度100LX時，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），測得流過光敏電阻的電流,測得數(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光電流VCC圖2—4光敏電阻伏安特性4、光譜特性測量（1）光敏電阻對不同波長的光，接收的光靈敏度是不一樣的，這就是光敏電阻的光譜特性。實驗時線路接法同圖2-2，在光路裝置中先用照度計窗口對準(zhǔn)遮光筒，然后撤下光源前蓋,更換不同的濾光片，得到對應(yīng)各種顏色的光。作光譜特性時，需調(diào)節(jié)光源強(qiáng)度（調(diào)0—12V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（顏色）時測量流過光敏電阻的電流值，就可作出其光源特性曲線。實驗數(shù)據(jù)如下表所示：表2-3實驗三光敏二極管的特性實驗一、實驗?zāi)康模毫私夤饷舳O管工作原理及光生伏特效應(yīng)。二、基本原理：光敏二極管和光電池均是一種光伏探測器。利用了Pn結(jié)的光伏效應(yīng)，對光伏探測器總的伏安特性可表達(dá)為i=iD-iφ=iso[exp(eu/kBT)-1]-iφ式中i中是流過探測器總電流，iso二極管反向電流，e是電子電荷，u是探測器兩端電壓，kB為玻耳茲曼常數(shù)，T器件絕對溫度。光敏二極管的具有光生伏特效應(yīng)，當(dāng)入