管理信息化信息技术光电信息技术实验报告

管理信息化信息技术光电信息技术实验报告目录实验一阿贝原理实验3实验二激光平面干涉仪实验7实验三用原子力显微镜（AFM）进行纳米表面形貌分析10实验四光电直读光谱仪实验14实验五光谱法物质成分分析实验20实验六光电透过率实验24实验七摄像机原理与视频图像叠加实验29实验八、光谱透过率实验33实验九红外报警器的设计与调试42实验一阿贝原理实验一、实验目的1.熟悉阿贝原理在光学测长仪器中的应用。二、实验原理1.阿贝比较原则：处于平行状况。产生的阿贝误差如下：只有当导轨存在不直度误差，且标准件与被测件轴线不重合才产生阿贝误差。阿贝误差按垂直面、水平面分别计算。在违反阿贝原则时，测量长度为l的工件引起的阿贝误差是总阿贝误差的l/L。上。2.阿贝测长仪三、实验内容1.用万能工具显微镜进行测长实验测量1角，510次，求算术平均值和均方根值。实验步骤：一个数据，两次读数之差即为物体长度。2.阿贝测长仪进行长度测量实验采用传统目视法读数，实验步骤同上。四、实验数据与分析1.万能工具显微镜数据结果2.阿贝测长仪数据结果对比采用两种仪器测定的结果。得出以下结论：（1）对于同一测量对象，万能工具显微镜和阿贝测长仪对物体尺寸测量的结118.9500+18.894/2=18.922mm。5角硬币的直径为（20.259+20.4110）/2=20.335mm。圆形薄片的直径为（37.402+37.3678）/2=37.385mm。（2）比较两种仪器对同一测量对象的测量结果的数据方差，对于1角硬币和5别不大，阿贝测长仪对物体尺寸的测量相对较精确。实验二激光平面干涉仪实验一、实验目的1．掌握激光平面干涉仪的使用方法。2．理解双光束等厚干涉的基本原理。3．观察干涉条纹，并掌握材料平面度的测量方法。二、实验原理1.平面干涉仪的基本原理：平面干涉仪基于双光束等厚干涉原理进行精密观测。如上图所示，S为扩展光源，位于准直透镜L1L1准直后射向玻璃片M,再从玻璃片反射垂直投射到楔形平板GM后射向观察显微镜L2上表面和玻璃片反射向L2部的接近于平板下表面，这样如调节显微镜L2对准平板下表面，就可以在显微镜像平面上观察到楔形平板的等厚条纹。G1发出的单色光经棱镜G2学平面发射回来的光叠加相干，镜棱镜G2的反射，进入接收件。星点可由激光管G5、棱镜G6、光源强度调节发散镜G7组成。接收件可以由人眼G10，成像物镜G15和测微目镜G11成像。三、实验内容玻璃材料的平面度测量：（1）测量局部误差δ1=△N*λ/2=Hλ/2e（2）测量整个面形误差δ2=N*λ/2四、实验步骤（1）移开成像物镜G15和测微目镜G118平面的横轴或纵轴微小摆动，出瞳S2绕S1转动直到S2和S1接近重合。（2）8场中干涉条纹清晰。（3）测量e和H，并计算δ1和δ2。五、实验结果与分析取四组不同位置记录测微目镜位置读数，获得三组弯曲程度H和条纹间隔e的测量结果：组别H（mm）e（mm）10.4850.75520.4940.72830.4830.719平均0.4870.734则，δ1=△N*λ/2=Hλ/2e=0.487mm*632.8nm/(2*0.734mm)=209.9nmAFM形貌分析一、实验目的1.理解AFM的基本原理，掌握AFM的操作流程。2.掌握使用AFM进行微小尺寸的表面分析的基本实验方法。二、实验原理1.AFM背景简介：1986G.Binning与C.F.Quate等人在STM的基础上发明了原子力显微镜AFMAFM克服了扫描隧道显微镜STM2.AFM工作原理：样品轻轻接触。由于探针尖端原子与样品表面原子间存在极其微弱的排斥力（10e-8N~10e-6N性。与STM相比，AFM有两个关键技术：一是AFM力传感器的制备，二是力传感器悬臂梁形变的检测。下图是利用光学检测法进行形变检测的方案：三、AFM操作流程样品清洗→开机→水平调节和偏差调节→手动下针→自动下针→关机（1）样品清洗：进行洗片。一般步骤为：a用去离子水做初步清洗；b放入腐蚀液中浸泡并用超声波清洗一段时间c用去离子水洗掉材料表面残留腐蚀液；d用氮气进行吹干；e吹干后放入干净样片袋中暂时保存并准备测试；（2）开机a开启设备电脑开关及双屏显示器；b开启显微镜光源；c开启光学显微镜CRT显示器电源；d将设备主部隔尘罩小心地取下，将显微镜调整至设备主机方向，光斑打到载物台中心处；e打开设备主机电源，在主机controller的控制板上，确认AFM模式；f打开pc中的软件，激活软件与设备主机连接图标；（3）水平调节和偏差调节：水平调节：•a水平调节完后拧松探针固定旋钮，倾斜着取下AFM针夹具，•倒置轻放在滤纸上，放于衣袖碰触不到的地方，以免碰伤悬臂；•b放样品，样片粘于专用样品台片上，用镊子夹好样片轻推到样•品台上（注意：样品台片与底座是磁铁，有一定吸引力，要小心••c放好样片后，调节显微镜，观察CRT使显微镜聚焦到样片表面。•d用镊子直接调整样品位置，在CRT上观察确定样品测试点位于下•针位置附近；偏差设定a放置AFM法将三个支柱抬高，同时保证三支柱设备光路台面水平；bAFM合CRT探针；c压的SUM值为（6.7～7.3)左右则正常。先调节垂直偏差旋钮使垂直偏差（Vert）读数接近0.0V，再调节水平偏差旋钮使探测器的水平偏差值（Horiz）接近0.0V。若第一次不能保证同时为0，则重复调节保证两个值在0.0V附近。（4）手动下针aDOWN如上图标注的两旋钮，并且调节显微镜聚焦到探针，如此反复多次调节。注意每操作一次后观察光学显微镜CRTb当样品表面与悬臂焦距接近时，调节使此时的水平偏差值（HORZ）和垂直偏差值(VERT)分别至0V和（-0.6~~-0.8c同时移动。d当观察到显示器上探针和样品表面快接近时，先聚焦到样品表面。然后DOWN操作微调，调节另外两轴的旋钮，观察显示器上水平偏差和垂直偏差会先开始变化，慢慢升至2.4左右再突增到9，因此垂直偏差变化到2.0左右可停止下针，一般针与表面距离会在0.5um（5）自动下针a在软件中设置当前样品需要的扫描范围（scansize)，台阶高度(datescale)，扫描速度(scanrate)等参数；b台阶高度不可超多1μm，扫描速度设置在5μm/s以内为宜；（即scansize×scanrate<5）c单击启动软件中自动下针控件，下针过程中注意观察主机中的水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（VertdX轴与Y轴的offset值（offset范围不得超过70μm重新开始从上往下或从下往上扫描，并拍取图象。（6）关机•关闭激光器；•关闭设备主控电源；•关闭光学显微镜CRT电源、光源；•将光学显微镜置于原本所在方向，盖上物镜盖；•将主机隔尘罩小心的罩于主机上；关闭计算机电源及双屏显示器电源。实验四光电直读光谱仪实验一、实验目的1.掌握光栅式光谱仪分光原理。2.熟悉光电直读光谱仪光电系统和机械结构。3.掌握光电直读光谱仪的基本光谱实验。二、实验原理1.平面衍射光栅的分光原理置是由多缝衍射图样中的主极大条件决定的。相邻两刻线对应的光线22’和11’的光程差为：△=d（sini+（-）sinθ）入射光与衍射光在光栅法线同侧取+，异测取-。相干光束干涉极大条件：△=mλ即，光栅方程：d（sini+（-）sinθ）=mλ其中，d为刻线间距，也就是光栅常数；i为入射角；θ为衍射角；m为光谱级次。2.光栅式单色仪光学系统切尔尼-特纳系统300mm，入射与出射狭缝位于球面镜的焦面。平面反光镜作为折射光镜将出射光线折转90度，以使出缝与入缝垂直分布，可以避免因为光源与光电接收器距离视场外多余光束的作用，以利于减小仪器的杂散光。3.CCD作探测器的光电直读光谱仪结构图如上图所示1.入射狭缝及调焦筒2.平面反射镜3.光栅旋转手轮4.波长计数器5.球面反射镜6.球面反射镜7.CCD探测器8.调焦螺母9.调焦筒紧固螺钉线10.滤光片主要参数及指标：波段范围：330-1100nm焦距：180nm平面光栅：300线/mm；闪耀波长：500nm相对孔径：D/f=1/3.8三、实验内容1．分析光栅式光电直读光谱仪的基本光学系统，绘制光路图和机构图，记录基本参数。2．了解VC++采集软件，及计算机界面设计，包括：对话框、光谱曲线显示。3．用CCD探测器的光电直读光谱仪进行光源光谱采集。4．用光电池作探测器的光电直读光谱仪进行光源光谱采集。四、实验步骤1.钠光灯光谱实验开启钠光灯高压电源；调整光谱仪输入狭缝大小（大约1mm）使输出电压在合适范围内；用VC++采集软件采集钠光灯光谱曲线。用数据文件记录光谱曲线，根据光谱曲线记录钠光灯峰值波长。2.汞灯光谱实验缝大小（约0.5mmVC++采集软件采集汞灯光谱曲线。根据光谱曲线确定汞灯峰值波长。五、实验结果与分析VC++采集软件采集的光谱曲线如下：钠光灯：590nm左右处有一个特征峰值，与钠灯发光的理论特征谱线589.0、589.6nm相符合。可能由于光谱仪分辨率有限，无法分辨0.6nm线。汞灯：汞灯有六条特征谱线分别位于404.7nm，407.8nm，435.8nm，546.1nm，577nm，579.1nm处。观察实验测得的光谱曲线，在接近410nm处有一个特征峰，对应404.7nm以及407.8nm分开。在440nm左侧有一个峰值对应435.8nm550nm应546.1nm590nm577nm和579.1nm特征谱线。综上所述，对比理论规律，实验测量结果较为准确。采用光电池作为探测器的光电直读光谱仪对钠光灯和汞灯进行光谱测量。VC++采集软件采集的光谱曲线如下：汞灯的光谱曲线：实验五光谱法物质成分分析实验一、实验目的1.熟悉用光电倍增管作为传感器的光电直读光谱仪的基本结构和光学系统。2.掌握光电直读光谱仪的基本光谱实验。3.了解光电倍增管传感器的前置放大电路，单片机A/D转换程序，以及串行通讯电路。4.熟悉分光光度计基本原理。5.掌握吸收光谱法检测物质浓度。二、实验原理光电倍增管式光电直读光谱仪（1）原理图（2）主要技术参数波长范围：300nm—850nm光栅：平面光栅1200线/mm，刻线面积40mm*50mm闪耀波长：500nm波长准确度±0.2nm波长重复性0.1nm焦距300nm相对孔径D/f=1/6分辨率≤0.2线色散倒数2.7nm/mm杂散光≤10e-3狭缝宽度0.01-3mm连续可调整，高度2，4，6，8，10mm共5档外形尺寸390*260*200mm（主机）320*365*110mm（控制器）3.分光光度计光电倍增管、试样池组成。正弦机构。透过率测量原理：发射单色器进行波长扫描，可得试样在不同波长下的透过率曲线。透过率=I/IoI为透过试样后的光强，Io为入射光强。吸收光谱测量原理：吸收光谱反映了物质本质特性，特定的气体、液体物质有特定的吸收光谱。定义：A=lg（Io/I）分光光度法检测溶液浓度---朗伯比尔定律A=lg（Io/I）=abCa：常数，与入射光波长以及溶液性质、液层厚度和温度有关b：溶液厚度C：溶液浓度。三、实验内容1.分析光栅式光电直读光谱仪基本光学系统，绘制光路图和机构图，记录基本参数。2.了解VC++采集软件，及计算机界面设计。3.用光电倍增管式光电直读光谱仪进行人民币防伪标志光谱实验。VC++采集软件采集人民币荧光光谱曲线数据。根据们的峰值以区别人民币的真假。4.用双光束紫外可见分光光度计进行高锰酸钾溶液的浓度测定。用溶液浓度相对法测量。四、实验结果与分析由于设备损坏，该实验无法进行实验六光电透过率实验一、实验目的1.学习单通道直接光电探测系统的设计方法。2.理解透过率测量的原理。3.设计透过率测量系统的各部分电路并掌握调试技术。二、实验原理质结构分析、物体的化学性质、生物医学领域得到了广泛的应用。功率透过介质，最后被探测器接收。1.比尔-朗伯定律：若传播媒介中同时存在吸收和散射，则辐射能量为Φ的入射辐射在传播距离x之后，透过的辐射能量为：Φ（x）=Φ（0）exp（-ux）其中u为衰减系数。2.透过率的定义：透射系数。其计算公式为：T=（I1/I0）×100%3.单通道直接测量系统：系统框图：压的大小即可测量出激光通过介质的透过率。（1）驱动与调制电路：半导体激光器外接一个+12V的直流电源，调制信号可以用函数发生器中的方波，方波的信号频率采用1kHz。（2）光电传感I/V转换电路大器构成I/V转换电路。（3）带通滤波电路本方案设计一个二阶压控电压源带通滤波器，要求中心频率f=1kHz，增益Av=2，品质因数Q=10。（4）积分电路值转换芯片AD536，它能够计算直流和交流信号的真有效值。三、实验仪器半导体激光器、GDT-1型透射率检测实验装置、直流稳压电源、函数发生器、示波器、数字万用表。四、实验内容与步骤实验装置图：测物体。数字万用表用来测量积分电路输出的电压。实验步骤：1.按照上图连接好实验系统。接通半导体激光器直流稳压源。2.1kHz输出一束被调制的激光。3.调整光路，使入射光可以入射到光电传感器上。4.接通GDT-1型透过率检测实验箱的电源，同时用示波器观察调制电路、I/V转换电路的波形。调整电路使连个波形基本相同。5.V。6.将标称透过率为0.900.790.500.320.10的五个标准样品依次置于载物台上，调整好光路，分别记录五种情况下积分电路输出直流电压。五、实验数据与结果分析相对误差计算结果5%，在一定误差允许范围内测量结果准确。六、思考题1.在本实验中，半导体激光器的调制频率为什么采用1kHz？则信号处理电路难以发挥性能。由于滤波电路的通带中心频率为1kHz,所以激光调制频率也应该为1kHz以保证信号能够通过带通滤波器。2.在实验中如何验证整个系统的正确性？I/V转换电路输出端的波形，若两个波形基本相同，则系统的工作具有正确性。3.若要增大测量的距离，本测量装置应如何改进？后，信噪比不高，误差较大。有效电信号。实验七摄像机原理与视频图像叠加实验一、实验目的1.理解摄像机的工作原理及视频信号的构成。2.设计能在显示器上叠加简单图形的电路。二、实验原理1.视频信号基础小，单位面积上的像素数目就越多，由其构成的图像就越清晰。出去，接收端接收后又同时进行转换，恢复出原发射信号。采用这一种传送方法，4444万个通道的各个像素点的亮度按一定的顺序一个个地转化为相应地电信号依次发送出去，接收端再按照同样的顺序将各个电信号在对应位置上转变成具有相应亮度的像没有闪烁感。（1）电视扫描合消隐信号。描频率应该大于24Hz，每帧扫面行数必须大于625。隔行扫描：为了使图像清晰度不下降，又要减小系统的带宽，人们又提出了隔行扫描技术。隔行扫描方式是将一帧电视图像分成两场进行扫描。第一场扫出的第1、3、5等奇数行，称为奇数场；第二场扫第2、4、6场扫描，所有像素即可扫完，电视电子束的扫描轨迹也称为扫描光栅。摄像管与显像管：性的往复运动。（2）亮度视频信号：则相反，像素越亮信号的幅度越小。（3）复合消隐信号：逆程扫面在荧光屛般为12us，场消隐脉冲宽度一般为25TH。（4）复合同步信号描的相位完全相同。如果收、发端扫描不同步，则重现的图像变形或者不稳定，严重时图像混乱不能正常收看。复合同步信号包括同行信号和场同步信号。f=15625Hz，脉冲宽度为4.7~5.1us。f=50Hz宽度为2.5~3TH。同步脉冲叠加在消隐脉冲之上，亮度视频信号则是插在相连的消隐脉冲之间。（5）开槽脉冲：也包含有行同步信号，称为开槽脉冲。（6）均衡脉冲：2.电视信号图像叠加原理就想一幅叠加了十字线的图像。视频叠加电路框图：3.视频信号分离电路用集成视频信号同步分离电路LM1881来实现信号的同步分离。4.控制电路EPM7128SLC84来实现对hsvs信号的计数。5.叠加图像模拟开关工作原理示意图如图所示：根据VideoSeVideoIn1和VideoIn2的信号。实验八、光谱透过率实验一、实验目的1.了解单色仪结构、原理和使用方法；进一步了解锁定放大器的工作原理以及其使用方法。2.掌握单色仪的定标方法及用单色仪测定滤光片光谱透过率的方法。深入理解微弱信号检测的原理。3.学会设计检测试样的光谱透过率的方法。二、实验原理1.单色仪工作原理原理图：光栅单色仪的光路结构如图1所示，入射到光栅单色仪的自然光或复色光，经入射狭缝S1后投射到球面反射镜M1上。S1处于M1的聚焦面上。因此反射光G同的衍射角投向球面反射经M2。球面镜M2起照相物镜的作用，这些平行光束经过M2、M3反射后成像在他的聚焦面上，从而得到一系列的光谱。出射狭缝位于球面镜M2的聚焦面上。根据它开启的宽度大小，允许波长间隔非常狭窄的一部分光束射出狭缝S2。当旋转转轮带动光栅旋转时，可以在狭缝S2处得到光谱纯度高的不同波长作用。的是高压汞灯，它有404.7nm、407.8nm、435.8nm、546.1nm、577nm、579.1nm几条特征谱线，根据这些谱线可以对单色仪的读数进行校准。2.锁定放大器工作原理HB-211型精密双相锁定放大器原理框图本实验选用南京大学生产的HB-211型精密双相锁定放大器，它是一种新型量和正交分量的检测。并具有动态范围大、漂移小等特点。仪器原理框图如图2号部分、信号处理部分、单片机功能控制及测量值显示PC机接口部分、电源及其它部分。扰，达到减小干扰和解除过载的目的。背景中检测微弱信号的目的。理，并在液晶屏上同时显示两个分量。三、实验仪器锁定放大器，光栅单色仪，溴灯，斩光器，高压汞灯，会聚透镜，滤光片等。四、实验内容与步骤1.实验内容——溴灯作光源，分别测量探测器谱透过率。2.实验步骤（1）校准单色仪按图5缝，使透镜高压汞灯单色仪图1单色仪校准装置示意图以观察到汞灯精细明亮的6条特征谱线，实际波长依次为404.7nm、407.8nm、435.8nm546.1nm577nm579.1nm。记下每条谱线单色仪对应的读数，为消除2~3次取平均值。在观察的过程中为使读数更加准确，可以适当减小入射狭缝宽度，增大出射狭缝宽度。根据汞灯的谱线特性，做出单色仪出射光实际波长值和显示值的曲线关系。这样便可通过单色仪上显示的波长读数计算得知实际出射光波长。（2）光谱透过率测量按照图6锁定放大器参考信号输入端。探测器的输出接锁定放大器信号输入A定放大器的接地端子与大地连接，设置好仪器的各功能项。图2光谱透过率测试装置示意图时要保证不放滤光片时，锁定放大器显示读数尽量大。测量样品的光谱透过率，调节单色仪，在可见光范围内，每隔一定波长（10或20nm等效厚度发生变化，重复上述步骤。3.数据处理测量数据在计算透过率时有所不同。放待测样品的电压值。五、实验结果与分析1.单色仪的校准对实际出射光波长与相应的单色仪显示平均值的数据进行线性拟合。记实际波长为y，显示波长为x则两个量的关系可拟合为一下线性函数：y=0.9932x+2.739，R^2=0.99982.光谱透过率的测量（1）2号片的光谱透过率500nm以下的波段强度较弱，数据分析时不予考虑。透过率曲线如图：结论:根据测量结果,2号薄片在500-650nm波段内,透过率保持较低值;650nm到750nm波段内透过率随着波长的增大而增大;750nm以上波段内,透过率保持一个较高的值（3）中心波长为670nm的滤光片的透过率测量：透过率曲线：:对670nm滤光片进行透过率测量,如上图所示透过率曲线在670nm处有一个透过率峰值在距离峰值波长10nm-15nm范围内,峰值波长两侧各有一个透过率谷底值。(4)各滤光片的滤光性能测试：各个滤光片的测量波长漂移方向均向短波方向，漂移量均在6nm值在4左右，可见这些窄带滤光片的滤光性能较为良好。六、思考题（1）本实验采用了什么方法来消除杂散光对测试数据的影响？排除噪声，提取信号。（2）若需测试一个探测器的光谱响应灵敏度，实验该如何设计？器分别测得输出电压V1(λ)和V2(λ),参考探测器的光谱响应为R2测探测器的光谱相应可由R1(λ)/R2（λ）=V1(λ)/V2(λ)求出。（3）请自行设计合理的测试方案来判断试样如汽车太阳膜的优劣。测膜性能为劣。（4）如发现单色仪定标曲线上相对于已知波长λ的鼓轮刻度L偏离了ΔL将原定标曲线平移ΔL后继续使用，为什么？仪重新定标而不是直接将定标曲线平移。实验九红外报警器的设计与调试一、概述警，告诉主人出现了意外情况，以便采取应急措施。放大图1-1主动式红外报警器原理框图及处理常用的红外报警器，按其工作方式可分为主动式和被。图1-1报警，或以其它方式报警。图1-2被动式红外报警器原理框图被动式红外报警器的原理框图如图1-2所示，这种报警器实际上只有接受部分，后，经过信号放大和处理，就会发出报警。二、设计任务与要求1.满足发射部分与接收部分之间距离至少为1米，当有人或者物体进入两者之间，红外辐射被阻断时即发出声光报警。2.使用交流市电，但在停电时，报警器应能正常工作。3.设计方案经济、实用、可靠。三、技术指标电气参数，如使用电源的形式，电源电压及电流等。900nm波段附近。四、设计方案首先查阅光电手册，经过多种因素考虑选择红外发光二级管HG413，其发光波段集中在0.95um2CU1峰值在0.88um附近，到0.95um时仍然有70%的峰值响应故可选用。因为没有响应峰值在0.95um的光电二极管。也只好这样配置。根据红外发光二极管HG4132-1所示。图2-1红外报警器发射部分原理图这是一个由555电路组成的多谐振荡器，振荡频率为3.1kHz。调节R3的大小可限制通过HG413R3使用100欧可变变阻器，方便调节。图2-2红外报警器接收部分原理图红外报警器接收部分如图5-2所示。这里RL是光电二极管2CU的偏置电路，RC是交流耦合电路，A1构成电压跟随器。A2A3D3和R7C3组2CUA1A2A3