光电实验讲义(谢1、2)

光电传感器实验讲义 顾定安编 河海大学物理实验中心 200310 光电传感器应用实验仪器介绍 光电传感器是一种将光信号转变为电信号的光电转换器件。由于光电器件灵敏度高、响应速度快、 可靠性高、结构简单、使用方便，而且具有“非接触测量”的特点，因此在自动检测和控制系统中有着 十分广泛的应用。 光电器件工作的物理基础是光电效应。在光的作用下，电子逸出物体表面的现象称为外光电效应， 如光电管、光电倍增管等。受光照的物体导电率发生变化，或者产生一定方向电动势的现象称为内光电 效应，如光敏电阻、光敏晶体管、光电池等。 光电传感器应用实验主要利用 CSY10G 型光电传感器系统实验仪完成一系列基于内光电效应的光电器 件的应用实验。比较简单的光电器件包括光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、光断续器等； 特殊用途的光电器件有 PSD 光电位置传感器、热释电红外传感器、光纤传感器、CCD 电荷耦合图象传感器 等。 光电传感器系统实验仪将各种光电传感器、被测体、信号源、仪表显示、信号采集、处理电路及实 验所需的温度、位移、光源、旋转装置等集中于一机。仪器顶部工作台上安装各种传感器和测试部件， 包括热释电红外传感器、温度源、慢速电机、衍射光栅、固体激光器、PSD 光电位置传感器、CCD 电荷 图象传感器、位移平台、光电器件安装板、莫尔条纹光栅位移传感器、光纤传感器、光电断续器、旋转 电机等，其布局如图 1；正面面板为控制操作和测量显示面板，包括直流稳压电源、电压/频率表、微安 表、电机开关及调速旋钮、光源和热源开关等，布局如图 2 上半部分；水平面板用于各种传感器件和相 应的检测电路模块的连接，其接口布局如图 2 的下半部分。 图 1 工作台布局图 工作台的光电器件板上已装有七个器件和一个备用试件插座，器件分布如图 2 的右上角所示。其中 a b 为光敏二极管、c d 为红外光敏管、e f 为光敏三极管、g h 为红外接收管、i j 为光电阻、k l 为光电 池、m n 为发光二极管、o p 为试件插座。上述器件的引脚分别与水平面板上相应的器件连接插孔相通， 实验时只要用导线直接在水平面板上连接即可。注意光电器件板上的试件插座分别与水平面板上的光敏 电阻、光电池、发光二极管、相通，以便插上不同的试件时使用相应的器件连接插孔。 水平面板上包括实验选配、光敏灯控、光敏三极管、光电池光强测试、光耦合器、PSD 光电位置、热 释电红外探测、光纤变换、红外检测等九个模块。 实验选配模块包括三个可调电阻和两个三极管，可供实验时选用。使用时要接上适当的电源。其他 八个模块已接上相应的电源，只要连接有关的光敏器件和发光二极管即可正常工作，其“Vo”端输出光 敏传感器响应光信号后产生的电压信号，可连接电压表读出。 光电传感器系统实验仪提供十种传感器： 1、光敏二极管：由具有光敏特性的 PN 结制成，不同的二极管光谱范围是不同的。 2、光敏三极管：具有 NPN 或 PNP 结构的半导体光敏管，引出电极二个，较之光敏二极管具有更高 的灵敏度。 3、光敏电阻：CdS 材料制成，其电阻值随光照强度而改变。 4、光电池：根据光生伏特效应原理制成的半导体 PN 结，光谱响应范围在 50100m 光波长之间。 5、光断续器：透过型的红外发射-接收器件。 6、光纤传感器：导光型红外发射-接收传感器，可测位移、转速、振动等。 7、PSD 光电位置传感器：一维半导体光点位置敏感传感器，测试范围10mm，灵敏度0.01mm。 8、CCD 电荷耦合图象传感器：物体轮廓与图象监测，光敏面尺寸 4mm3.5mm。 9、热释电红外传感器：工作范围波长 510m红外光,探测距离5m 。 10、光栅传感器：光栅衍射及光栅距测试、光栅莫尔条纹精密位移测试。 其他器材包括： 温度源：电加热器，温升100。 光源：12V 安全电压，高亮度卤钨灯；各色高亮度 LED 发光管。 慢速电机：控速电机及遮温叶片组成。 位移装置：位移范围 25mm,精度 1m。 旋转电机：转速 02400 转/分。 直流稳压电源：12V、 2V10V、激光电源、CCD 电源。 数字电压/频率表：3 1/2 位显示，精度 1%。 微安表：0100A ，精度 2.5%。 光电传感器系统实验仪内置数据采集和通信模块，通过串行通信电缆与计算机相连接。需要采集的 电信号由正面面板上电压/频率表下方的“IN”端口接入；采集方式及采集指令由微机（点击相关图标按 钮）通过串行口发出，实验仪完成数据采集后通过串行口把数据传送给计算机显示。 计算机配置图象卡可采集 CCD 摄象机的视频信号。测试软件可以利用图象信息进行简单的处理和测 量。 注意事项： 实验时要随时注意仪器的工作电压是否正常，应杜绝电源之间相互短路。 CCD 摄象机及一体组装的移动导轨请根据实验需要按布局图安装在导轨基座上。 请特别注意：固体激光器插头不要插入 CCD 电源插孔，否则会烧坏激光器。 请注意当高亮度光源打开时对仪器有一定的干扰，特别是在小信号数据采集时应避免开灯，光源灯 头及电源线接头应注意保持接触良好。 光电实验仪器在实验时应注意背景光的影响，必要时要进行有效的遮光。 实验一 光敏器件和光控电路 实验目的： 1、了解几种光敏器件的光电特性。 2、设计调试利用光敏器件的暗通光控电路和亮通光控电路。 实验原理： 简单而又常用的光敏器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等等，其最基本的应用实 例就是光控电路。 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 3 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。 光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏 特征的 PN 结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时， 有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时， 饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。光 敏二极管结构见图 4。 光敏三极管是具有 NPN 或 PNP 结构的半导体管，结构与普通三极 管类似。但它的引出电极通常只有两个，入射光主要被面积做得较大的 基区所吸收。所以可以利用光照来控制三极管的导通电流。 光电池的结构其实是一个较大面积的半导体 PN 结，工作原理即是 光生伏特效应，当负载接入 PN 两极后即得到功率输出。 光敏器件在有无光照情况下导电性能改变的效应，可以用来进行光 电控制。如图 5 所示的简单电路可以通过调整偏置电阻 R1 和 R2 的阻值来控制三极管 的导通和截止，从而控制发光二极管的亮和暗。用光敏器件取代偏置电阻 R1，或者 R2 可以构成暗通电路（光敏器件没有光照时发光二极管亮）或者亮通电路（光敏器 件有光照时发光二极管亮） 。 实验器材： 稳压电源、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、发光二极管、可调电 阻、三极管、电压表、万用电表、光源、遮光物、光控电路模块等。 实验内容： 一、光敏电阻实验 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，用数字万用表 2M 电阻档测得的光敏电阻的阻 值为暗电阻 R 暗；移开遮光罩，在环境光照射下，用 200K 电阻档测得的 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。 2、观察光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流。 按照图 6 接线，电源可选+6V。在光敏电阻接受光照下（可用正常 环境光）调节可变电阻 RL（用 “实验选配”模块的 100K 左右的可变电 阻） ，使通过光敏电阻的电流不超过 100 微安，这就是亮电流。遮住光照， 这时的电流为暗电流。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。 3、观察光敏电阻的光谱特性。 不同波长的入射光照到光敏电阻的光敏面上，亮电阻有所不同。分别用高亮度发光二极管（红、黄、 绿、蓝以及红外）作为光源（其工作电源可选用+6V，电流 10mA）照射光敏电阻，用 200K 电阻档测 量亮电阻并记录亮电阻值。亮电阻越小，则灵敏度越高。 4、暗通电路和亮通电路试验。 图 5 利用“实验选配”模块上的可调电阻和三极管，参考图 5 的电路，用光敏电阻代替“R2”可构成 暗通电路。参考先前测量的亮电阻和暗电阻值并通过试验确定偏置电阻 “R1”的阻值，作好记录。电路中 V+可用+6V，R3 可取 1K。 用光敏电阻代替“R1” 可构成亮通电路。同样，通过试验确定“R2” 的阻值。 5、试验“光敏灯控”模块。 将光敏电阻接入“光敏灯控”模块电路（内部电路如图 7） ，接上发光二 极管并用电压表（输入端为“IN” ，电压量程选择 20V 档）指示“Vo”输出 的电压值，观察光敏电阻遮光和照光时发光二极管的发光情况及“Vo”电压 变化。调节控制电位器 R3，观察并从电路原理分析其对灯控的影响。 二、光敏二极管实验 1、用数字万用表测量光敏二极管的“电阻”值。 用数字万用表（红笔为正极）测量遮光时光敏二极管的“正向电阻值”和“反向电阻值” ，以及接受 正常环境光照时的“正向电阻值”和“反向电阻值” 。 （用不同的电阻档测得的阻值是不同的，请记录用 的是哪一电阻档。 ） 2、 观察光敏二极管的光谱特性。 在不同波长的入射光照射下，光敏二极管的“电阻”值有所不同。 分别用高亮度发光二极管（红、黄、绿、蓝以及红外）作为光源（电流 10mA）照射光敏二极管，用 200K 电阻档测量光敏二极管的“正向电阻” ，并记录电阻值。光敏二极管对使其“电阻”值变得最小的那种波长的 光最敏感。 3、 暗通电路试验。 试验用光敏二极管代替图 5 电路中的“R2” （ 光敏二极管处于正 向工作状态） ，构成暗通电路。参考先前用万用电表测得的光敏二极管亮暗“电阻”值，通过试验确定电 路中另一偏置电阻 R1 的阻值，作好记录。电路中 V+可用 +6V，R3 可取 1.5K。 4、 用“光敏灯控”模块试验光敏二极管。 将光敏二极管按“正向工作状态”接入“光敏灯控”模块电路的“光敏入” （电路如图 7） ，接上发 光二极管并用电压表指示“Vo ”输出的电压值，观察光敏二极管遮光和照光时发光二极管的发光情况及 “Vo”电压变化。 *5、可用图 8 电路观察光敏二极管的亮、暗电流，但电流很小，微安表不易明显显示。 三、光敏三极管实验 1、判断光敏三极管 C、E 极性。 用万用表欧姆 20M 测试档，测量 C、E 间的两个方向 的“电阻”值，管阻 值较小时红表棒端触脚为 C 极，黑表棒为 E 极。 2、 “光敏三极管”模块试验。 将光敏三极管接入“光敏三极管”模块电路（电路 如图 10） ，接上发光二极管并用电压表指示“Vo ”输出的 电压值，观察光敏三极管遮光和环境光照射时发光二极管 的发光情况及“Vo”电压变化。 3、观察光敏三极管的光谱特性。 光敏三极管对不同波长的光响应有所不同。将光敏三 极管接入图 10 电路，用各种波长发光二极管（红、黄、绿、蓝以及红外，工作电流 10mA）照射光敏三极管，观察并记录“Vo ”输出电压的变化。光敏三极管对使“Vo ”输出电压较大的 图 7 图 10 图 11 那种波长的光比较敏感。 4、简单光电触发电路。 在光电控制中，常用光敏三极管触发 TTL 门电路，简单电原理图如图 11，有光照时输出 Vo 为“1” （高电平） ，遮光时输出 Vo 为“0” （低电平） 。电路中电阻 R 的取值应保证有光照时光敏三极管 C 极为 低电平（小于 0.2V） ，遮光时 C 极为高电平（大于 3.5V） 。 用光敏三极管按照图 11 连接。图中的“R”用“实验选配”模块的 100K 左右的可变电阻代替。 TTL 门电路 “反相器”用“光耦合器”模块内的“整形电路”代替，也就是用导线把“A”点与“整形入” 相连接， “B”点即“整形出” （也就是输出端 Vo） 。电源 V+接 6V。输出端“Vo”接数字电压表的“IN ”。 调节电阻 R，使光敏三极管遮光时电压表显示低电平；有光照时电压表显示高电平。调试完成后，用万 用表测量并记录 R 的阻值。 四、光电池实验 1、 光电特性和光谱特性的定性认识。 光电池的光生电动势与光电流和光照度的关系为光电池的光电特性。直接用万用电表的电压档测量 光电池两端在遮光、正常环境光和强光照射下的输出电压（近似为光生电动势） 。当光强达到一定程度后， 输出电压就趋于饱和了。 光电池也有一定光谱响应范围。 ，用多种波长高亮度发光二 极管（红、黄、绿、蓝、红外）以及激光作为光源照射光电池， 观察产生的光电势，定性了解光电池的光谱特性。 2、 光电池光强测试实验 按图 12 将光电池接入“光电池光强测试”实验单元，注意 电池极性。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的发光情况（不亮、稍亮或 较亮） ，这样就形成了一个简易的光强计。把电路输出端 Vo 与 数字电压表连接，改变光源离光电池的距离（即改变接收的光 强） ，观察不同光强下电路的输出电压。 实验记录： 一、光敏电阻实验 1、光敏电阻的暗电阻为 、亮电阻为 、光电阻为 。 2、光敏电阻的亮电流为 、暗电流为 、光电流为 。 3、对于颜色不同、光强相同的光，光敏电阻对 颜色的光比较敏感。 4、画出用光敏电阻构成暗通电路的电路图。当电源 V+取+6V，通过试验确定的偏置电阻 R1 的阻 值为 。 画出用光敏电阻构成亮通电路的电路图。当电源 V+取+6V，通过试验确定的偏置电阻 R2 的阻值 为 。 5、试验“光敏灯控”模块，光敏电阻遮光时输出电压 Vo 为 ；有光照时，输出电压 Vo 为 。 二、光敏二极管实验 1、光敏二极管遮光时“正向电阻值”约 ， “反向电阻值”约 。受正常环境 光照时“正向电阻值”为 ， “反向电阻值”为 。 *光敏二极管处于反向工作状态，电源可选+6V，光电流为 、暗电流为 。 2、对于颜色不同、光强相同的光，光敏二极管对 颜色的光比较敏感。 3、暗通电路实验中，当电源 V+用+6V，偏置电阻 的阻值选用 。 4、试验“光敏灯控”模块，光敏二极管遮光时，输出电压 Vo 为 ；有光照时，输出电压 图 12 Vo 为 。 二、光敏三极管实验 1、 “光敏三极管”模块试验中，遮光时输出电压 Vo 为 ；有光照时输出电压 Vo 电压为 。 2、对于颜色不同、光强相同的光，光敏三极管对 颜色的光比较敏感 3、在简单光电触发实验中，如果电源 V+取 6V，要利用光敏三极管实现可靠触发的电阻 R 的阻值 约为 。 四、光电池实验 1、光电池被遮光时输出光生电动势为 ，在环境光照射下输出光生电动势为 ，在强光照射下的输出光生电动势为 。 2、将光电池接入“光电池光强测试”实验单元，遮光时输出电压 Vo 为 ；在环境光照射 下输出电压 Vo 电压为 。在强光照射下输出电压 Vo 电压为 。 实验二 红外光敏器件的应用 实验目的： 1、了解几种红外光敏器件的光电特性。 2、学习红外传感器的应用技术。 实验原理： 红外辐射是一种不可见的电磁辐射，它的波长大于可见光中波长最长的红光，范围大致在 0.761000m，故称为红外线。红外辐射的物理本质是热辐射，物体温度越高，红外辐射越强。所以， 对红外线敏感的光电器件可以用来对“热”的目标进行探测、定位，在使用中也不需要可见光源。 常用的红外光敏器件有红外光敏二极管和红外光敏三极管。 使用方法与普通光敏二极管、三极管一样。 把发光器件和光敏器件组合在一起可以构成所谓光耦合器件， 其结构如图 13。它的输入端（发光部分）与输出端（受光部分） 电气上是绝缘的，只能由光来传递信号。为了提高灵敏度，防止 外界可见光的干扰，同时也避免可见光对外界产生干扰，光耦合 器常用波长相匹配的红外发光二极管和光敏三极管配对组合而成。 光耦合器又分光电耦合器和光断续器两种，所用的发光、受光器 件都相似，前者主要用于电路的隔离，后者主要用来测试目标物 体的有无。 用来对人体热辐射进行探测的一种光电器件叫做热释电红外传感器。 热释电红外传感器由具有极化现象的热晶体或被称为“铁电体”的材料制作的。这种材料的极化强 度（单位面积上的电荷）与温度有关。材料接受热辐射引起表面温度的上升使得极化强度降低，表面电 荷减少，相当于释放一些电荷，故称为“热释电” 。 热释电传感器输出信号的强弱取决于温度变化的快 慢。 为了探测移动的热辐射物体（例如活动的人体） ，热释电红外传感器经常和菲 涅尔透镜配套运用。菲涅尔透镜是一种特殊设计的透镜组，其结构如图 14 所示， 上面的每个透镜单元都只有一个不大的视场，相邻两个单元透镜的视场即不连续 也不重叠,都相隔一个盲区。当热源在透镜前运动时,顺次从某一单元透镜视场进入 又退出，透镜的功能就是将连续移动的热源信号变成断续的辐射信号,使热释电传 感器输出脉动的信号。 热释电红外传感器的结构和内部电路如图 15 所示，主要由滤光片、PZT 热电元件、结型场效应管 FET 及电阻、二极管组成.。其中滤光片的光谱特性决定了热释电传感器的工作范围。本实验仪所用的滤 光片对 5m以下的光具有高反射率，而对于从人体发出的红外热源则有高穿透性，传感器接收到红外能 量信号后就有电压信号输出。 实验器材： 红外光敏二极管、红外光敏三极管、发光二极管、光电耦 合器件、热释电红外传感器组件、电压表、光敏灯控电路模块、 光敏三极管电路模块、热释电红外探测模块等。 实验内容： 一、红外光敏二极管的使用 1、把光敏二极管（红外光敏）按“正向工作状态”接 入“光敏灯控”模块电路（内部电路如图 7） ，接上发光二极管 并用电压表（输入端为“IN ”）指示“Vo ”输出的电压值。 观察红外光敏二极管遮光和照光时，发光二极管的发光情况及 “Vo”电压变化。注意，分别用两种方法照光。第一次是用正常环境光照射； 第二次用黑色套管套住红外光敏管，把环境光遮住，用红外发光二极管（电 源接 6V）对准红外光敏管照射，观察发光二极管的发光情况及“Vo ”电压 变化。 2、把光敏二极管（红外光敏）接入“红外检测”模块电路（内部电 路如图 16） ，接上发光二极管并用电压表指示“Vo ”输出。分别用正常环 境光和红外光两种方法照光进行试验，观察红外光敏管遮光和照光时发光二 极管的发光情况及“Vo”电压变化。 二、红外光敏三极管 1、把光敏三极管（红外接收）接入“光敏三极管”模块电路，接上 发光二极管并用电压表指示“Vo ”输出。观察红外接收管遮光和接受红外 光照射时发光二极管的发光情况及“Vo ”电压变化。 2、把光敏三极管（红外接收）接入“红外检测”模块电路，接上发 光二极管并用电压表指示“Vo ”输出。观察红外接收管遮光和接受红外光照射时发光二极管的发光情 况及“Vo”电压变化。 三、光断续器实验 观察光断续器的结构：这是一种透过型的光断续器,近红外发光二极管发出的光信号经光敏达林顿电 路接收放大整形后输出，光断续器发光部分的电源由“光耦合器”模块电路中的 V1、V2 端口提供。 1、把光电耦合器件的 V1、V2 端与“光耦合器”模块电路的 V1、V2 端相连接， “Vo”端与电压表 相连接。分别把测速电机的叶片遮挡和离开光电耦合器件的光路，观察 Vo 输出电压的变化。 *开启电机，用示波器观察光断续器输出端 Vo 的转速波形。 2、将 Vo 端与“整形入 ”端口相连接，把“整形出”端口与电压表输入端“IN ”相连接，让整形电 路把输出的电压信号转变成标准的（5V ）TTL 电平。分别把测速电机的叶片遮挡和离开光电耦合器件的 光路，观察“整形出”输出电压的变化。 3、打开测速电机电源，让测速电机转动；把“电压/频率表”的量程选择开关转到“2K”位置，频 率表显示的是由“IN”端口输入的电信号每秒的脉冲个数。调节电机调速旋钮，观察频率计读数是否变 化，电机转速（转/秒）频率表读数 2。记录电机的最高转速。 四、红外热释电探测实验 1、把“热释电红外”传感器组件的 D、S 、E 端分别与“热释电红外探测”模块电路的 D、S、E 端 口相连接。 “Vo”端口接电压表 “IN”，电压量程选择 20V 档，记录观察电压表的指示。接好发光二极管 。用手指在热释电红外传感器探头前晃动，观察电压表的指示；当手指不动时观察电压表指示是否变 化。 2、热释电红外传感器探头前方有电热源。开启“热源”电源，同时将慢速电机叶片拨开不使其挡住 热源透射孔。随着热源温度上升，观察热释电红外传感器的 Vo 端输出电压变化情况。可以看出传感器并 不因为热源温度上升而有所反应。 开启慢速电机，调节转速旋钮，使电机叶片转速尽量慢，不断的将透热孔开启遮挡。此时可观 察到“Vo”输出电压随热源的变化而变化，发光管则闪亮。 逐步提高电机转速，当电机转速加快，叶片断续热源的频率增高到一定程度时，传感器又会出现无 反应的情况。分析这是什么原因造成的？ 注意，慢速电机的叶片因为是处于不平衡形式，加之电机功率较小，所以开始转动时请用手拨动一 下。 3、将热释电红外传感器探头的安装方向调整 180面对仪器前实验者。实验者从探头前经过，移动 速度从慢到快，距离从近到远，观察传感器的反应，估计并记录传感器的有效探测距离。尝试在探头的 不同视场范围进入，估计并记录传感器的有效探测角度范围。 实验记录： 一、红外光敏二极管（光敏二极管）接入“光敏灯控”模块电路。 遮光时“Vo”输出的电压值为 V。正常环境光照射时，Vo 为 V；用红外发光二极 管照射，Vo 为 V 。 二、红外光敏三极管 1、把光敏三极管接入“光敏三极管”模块电路。 遮光时“Vo”输出的电压值为 V。正常环境光照射时，Vo 为 V；用红外发光二极 管照射，Vo 为 V 。 2、把光敏三极管接入“红外检测”模块电路。 遮光时“Vo”输出的电压值为 V。正常环境光照射时，Vo 为 V；用红外发光二极 管照射，Vo 为 V 。 三、光断续器实验 1、在测速电机的叶片遮挡光电耦合器件的光路时 Vo 输出电压为 V；当叶片不遮挡光电耦 合器件的光路时 Vo 输出电压为 V。 2、在测速电机的叶片遮挡光电耦合器件的光路时， “整形出”输出电压为 V；当叶片不遮挡 光电耦合器件的光路时“整形出”输出电压为 V。 3、测速电机转动转动最快时“频率计”读数为 ，电机转速为 。 四、红外热释电探测实验 1、当没有热源移动时电压指示为 V；用手指在热释电红外传感器探头前晃动，电压表指示 为 V。当手指不动时电压表指示 变化。 2、开启“热源”电源，随着热源温度上升，Vo 端输出电压 变化。 开启慢速电机，Vo 端输出电压 变化。逐步提高电机转速，当叶片断续热源的频率增高到一 定程度时，Vo 端输出电压 变化。 3、估计传感器的有效探测距离约为 ；有效探测角度范围约 。 实验三 微小位移的光电检测 实验目的： 1、 了解光电位置传感器（PSD）的测量原理和光电特性。 2、 测试一维 PSD 的灵敏度。 3、了解光纤传感器检测的基本原理，利用光纤传感器进行位移测量。 4、学习莫尔条纹的原理和应用。 实验原理： PSD(position sensitive detector)是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电器件，可分为一维 PSD 和二维 PSD 两类。 一维 PSD 的结构如图 16 和图 17。从剖面结构图可以看到硅片的上层为 P 型，下层为 N 层。P 层不 仅作为光敏层，而且还是一个均匀的电阻层。当光线照射到 PSD 的光敏层上，在入射位置上就激发产生 与光能量成正比的光生载流子，形成光电流通过电阻层（P 层）由电极输出。由于 P 层的电阻是均匀的， 所以由电极 A 和电极 B 输出的电流分别与入射点到两电极的距离（电阻值）成反比，而输出总电流则与 入射光强有关。设 A、B 两个电极间距离为 2L，输出的光电流分别为 I1 和 I2，则电极 C 上总电流 I0 = I1 + I2 。 若以 PSD 的中心点位置作为原点，入射光斑能量中心离原点的距离为 x，于是： ， ， 。可见入射光斑能量中心对于 PSD 器件中心的位置 xLxI01LxI202LI12 仅与 A、B 两电极输出电流的差与和之比有关。当入射光强不变时，可以通过检测两电极输出电流的差来 确定入射光斑的位置；其总电流对应于入射光强。 把一维 PSD 的光敏面展宽，再增加一对电极，两对电极互相正交，就可以构成二维 PSD。类似的，可 以通过分别检测两对电极输出电流的差来确定入射光斑的二维坐标。 光电位置传感器对入射光斑底形状无严格要求，即输出信号与光的聚焦无关，只与光斑的能量中心 位置有关，这给测量带来很多方便。PSD 光敏面是连续的，没有盲区，可连续测量光斑位置，且位置分 辨率很高，达微米量级。由于输出总电流与入射光强有关，PSD 可同时检测位置和光强。光电位置传感 器被广泛应用于激光束的监控（对准、位移和振动等） 、平面度检测、二维位置检测系统等方面。 光纤传感器是一种把被测的物理量转变成可测的光信号的装置。通常由光发送器、敏感元件（光纤 的或非光纤的） 、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。由光发送器发出的光经源光纤引导到探头端口 的敏感元件（或由端口直接出射） ，在这里，光的某一性质收到被测物理量的调制，被调光经接收光纤耦 合到光接收器，使光信号转变为电信号，最后经信号处理系统处理得到我们所期待的被测量。 光纤传感器通常分为功能型、非功能型两大类。功能型（全光 纤型）光纤传感器，其光纤不仅是导光媒质，而且也是敏感元件， 光在光纤内直接受被测量调制。非功能型（或称传光型）光纤传感 器，其光纤仅起导光作用，光引导到非光纤型的敏感元件上收被测 量调制，再由接收光纤传回；也可直接接收由被测对象辐射的光或 者被其反射、散射的光，被称为“拾光型”光纤传感器。 本实验使用的光纤传感器是“拾光型”的。 由于物体的反射（或散射）光与物体和光源间的距离有关，利 用光纤传感器接收物体的反射（或散射）光， （如图 19）其光 强将随物体与光纤传感器探头端口的相对位置改变而变化，由 此可测量物体相对探头的位移或振动。反射式光纤位移传感器 输出特性曲线如图 20，一般都选用线性范围较好的前坡为测 试区域。 莫尔条纹也可以用来进行位移的测量。 如果把两块光栅距相等的光栅平行安装，并且使光栅刻痕 相对保持一个较小的夹角 时，透过光栅组可以看到一组明暗 相间的条纹，即为莫尔条纹。光栅刻痕重合部分形成条纹暗带， 非重合部分光线透过则形成条纹亮带。设光栅距（光栅常数） 为 P，莫尔条纹的宽度为 B（见图 21） ，则 B = P / tg 。 当指示光栅相对于固定不动的主光栅左右移动时，莫尔条纹将沿着近于栅线的方向上下移动，由此 可以确定光栅移动的方向。 当指示光栅沿着与光栅刻线垂直方向移动一个光栅距 P 时，莫尔条纹移动一个条纹间距 B，当两个 等距光栅之间的夹角 较小时，B P/，远大于 P。这样就可以把肉眼看不见的栅距位移变成清晰可见 的条纹位移，实现高灵敏的位移测量，当莫尔条纹位移 N 个条纹间距时，位移 X = NP。 利用图像采集卡，让计算机采集、显示 CCD 摄象机摄取的莫尔条纹影象，运用莫尔条纹测试软件， 可以实现条纹移动的自动计数，由此计算两光栅间的微小位移（已知光栅矩，X = NP）或者由位移推 算光栅矩（P = XN） 。 实验器材： 1、PSD 基座( 器件已装在基座上)、固体激光器、反射体、 PSD 处理电路、电压表、激光教鞭和其他 光源。 2、光纤、光电变换器、光纤变换电路模块、反射物（电机叶面） 、测速电机、电压/频率表、示波器 等。 3、光栅组、位移平台、CCD 摄像头、视频线、图像采集卡、实验软件等。 实验内容： 一、PSD 位移检测: 1、通过器件上端圆形观察孔观察 PSD 器件。用导线把“PSD 光电位置”器件接口端“I 1”、 “I2”分 别与 PSD 信号处理电路模块的接口端“I 1”、 “I2”连接起来，输出端 “Vo”接电压表，开启实验仪电源 （先不打开光源） ，此时因无光源照射，PSD 器件上没有入射光斑，Vo 输出的为环境光的“噪声”电压， 记录 VO，同时记录 VO1 和 VO2。试用一块遮光片将观察圆孔盖上，观察光“噪声”对输出电压的影响。 2、把固体激光器安装在基座圆孔中并固定，打开“激光电源” 。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，调节激光器光点， （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，再用电压表分别测两个 电极信号电压输出端口“VO1” 、 “VO2”的电压值，此时两个信号电压应是基本一致的。 4、记下“V O”输出为零时螺旋测微仪的读数，以此作为原点。从原点开始，将位移平台分别向前和 向后移动，每次螺旋测微仪旋转 10 格（1/10mm） ，并将位移值（mm）与输出电压值（V0）记录列表。 前后分别位移 5mm 左右。用毫米方格纸作 VX 图线，求出灵敏度 S，SV/X。根据图线分析其线 性。 注意：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，引起 V0 输出端电压变化。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，或者调节“PSD 光电位置”处理电路模块下 方的“增益”旋钮，增大输出。 二、利用光纤传感器测量位移 1、检查光纤是否与实验仪可靠连接，把“光纤变换”模块的“Vo”端与电压表“IN ”连接，电压表 量程选 2V。注意，光纤探头端面经过精密光学抛光，其光洁度直接会影响传输损耗的大小，需仔细保护。 禁止使用硬物、尖锐物体碰触，遇脏可用镜头纸擦拭。不要自行拆卸光纤接口。 2、把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。记录 Vo 电压读数和螺旋测微仪的读数（位置坐标，mm） 。 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) 记录位置坐标和 Vo 电压值。作出位置 X 与 Vo 电压值的关系图线。 从测试结果可以看出，光纤位移传感器工作特性曲线如图 20 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（测量位移时光纤端面距被测目标的距离） 。 三、利用莫尔条纹计数测量光栅的光栅常数 1、安装好主光栅与指示光栅，使两