《光电检测技术》实验指导书

《光电检测技术》实验指导书丁松南京工业高校自动化学院2006-0４—17目录实验一光敏电阻特性实验……１实验二光敏电阻开关设计实验………………4实验三光栅位移实验…………６实验四面阵CCD电荷耦合器件应用实验-—线径测量……9实验五光电二极管、三极管特性实验………12实验六光电池特性实验………161-实验一光敏电阻特性实验一．实验目的了解光敏电阻的光电特性、伏安特性.二.实验内容偏置电压肯定时,光敏电阻的阻值和照度的对应关系。照度肯定时,光敏电阻的偏置电压与其电流的对应关系。照度转变时，光敏电阻的偏置电压和电流的对应关系。三．实验设备及仪器直流稳压电源。光敏电阻。相关信号处理单元。四。实验线路及原理光敏电阻是一种当光照耀材料表面被汲取后，在其中激发载流子，使材料导电性能发生变化的内光电效应器件。当加上肯定电压后,光生载流子在电场的作用下沿肯定方向运动在电路中产生电流，达到光电转换的目的。当入射光的照度肯定时，电路中的电流与光敏电阻的偏置电压存在肯定的关系.由于光激发所产生的载流子会转变光敏电阻的电导值，而在没有光照的情况下热激发所产生的载子同样也会转变光敏的电导值,只是对于光敏电阻而言光电导起主要作用。所以，光敏电阻在光照条件下，总电流由两部分组成:亮电流=光电流+暗电流。光敏电阻单元接线图五.实验方法与步骤直流稳压电源置V档,光敏电阻探头用专用导线一端连接后，插入照度实验架上传感器安装孔，导线另一端插入面板上“光敏电阻Ti”插口.开启电源及光强开关，并将“光强/加热”开关置5档,此时入射照度最大.同时检查加热开关是否关闭。在“光敏电阻单元"如图１-１接线。检查接线是否正确.关闭光强开关，登记电流表度数(暗电流），将数据记录.随后将“光强／加热”开关置“1"档。开启光强开关，记录电流表读数,并逐步将“光强/加热"开关转换到“5”档,记录每一档所对应的电流表读数，并填入下表。光强（档）０12３45电流（mＡ)将光强/加热开关置于“5”档，直流稳压电源置于Ｖ档。保持光强／加热开关在“５”档,将“直流稳压电源"分档逐步调整至V,并逐一登记电流表读数并填入下表电压（V)４68１012电流（mA）９、将光强/加热开关分别调至“4”和“3”档，重做步骤８，记录电流表读数填入下表光强/加热开关置“4”档电压（V）46８10１2电流(mA）光强／加热开关置“3”档电压（Ｖ）468101２电流(ｍA）六．实验报告内容与要求填写实验数据表格。12Ｖ偏置电压下的照度－电流曲线。５档照度下,光敏电阻的V—I特性曲线。4档照度下，光敏电阻的V—I特性曲线。3档照度下,光敏电阻的V-I特性曲线.七．思考1．12Ｖ偏置电压下的照度—电流曲线可以分析得出照度与电阻的关系如何？２.照度对于光敏电阻的伏安特性有何影响？ﻬ实验二光敏电阻开关设计实验一。实验目的光敏电阻的应用方式。光电开关的工作原理。LED驱动电路的应用.二.实验内容光敏电阻检测电路的使用.设计电路掌握ＬED的亮灭.三．实验设备及仪器直流稳压电源.光敏电阻.相关信号处理单元。ＬＥＤ指示灯.四．注意事项ＬED指示灯需要接保护电阻,否则极易烧毁.晶体管放大电路中集电极不行与电源短接。五。实验线路及原理光敏电阻是一种当光照耀材料表面被汲取后，在其中激发载流子，使材料导电性能发生变化的内光电效应器件.当加上肯定电压后，光生载流子在电场的作用下沿肯定方向运动在电路中产生电流，达到光电转换的目的。当入射光的照度肯定时,电路中的电流与光敏电阻的偏置电压存在肯定的关系。常用的光敏电阻测量电路有恒流电路和恒压电路.LＥD驱动电路的相关知识见书本有关章节。六．实验方法与步骤参考书本关于光敏电阻检测（恒流/恒压）电路,设计一电路，由实验台光源照度掌握LED指示灯的亮灭。直流稳压电源置Ｖ档,光敏电阻探头用专用导线一端连接后，插入照度实验架上传感器安装孔，导线另一端插入面板上“光敏电阻Ti"插口。按预先设计的电路选择合适电路元件搭建开关电路。将保护电阻和毫安表与LＥＤ串接，便于记录LＥD中的电流大小.光强／加热开关置5档，开启光强／加热开关.将光强/加热开关逐步转至4－1档，记录指示灯的亮灭情况填入下表光强(档）０12345电流(mA）转动光谱调整架测微头使传感器透光狭缝进入光谱带红光一侧。转动测微杆,在光谱带内移动狭缝,注意ＬED指示灯的闪亮情况七。实验报告内容与要求绘制设计的光明电阻开关电路.实验数据填入表格。八。思考掌握方式是否只有一种？不同的掌握方式灵敏度是否一样?不同波长的光源对光敏电阻的光电特性是否有影响?ﻬ实验三光栅位移实验一．实验目的了解光栅结构与位移测量的原理。二.实验内容利用光栅的光学放大原理测量微小位移.三.实验设备及仪器光栅实验模块.直流稳压电源。细分计数板。螺旋测微仪.示波器。四．实验线路及原理光栅是由标尺光栅和指示光栅组成的。光栅在本质是指在光学玻璃上平行均匀地刻出的直线条纹。在标尺光栅和指示光栅上，通常他们的线纹密度一样,一般1０-1００线/毫米。图3－1标尺光栅和指示光栅把指示光栅平行放在标尺光栅上面,再使两者线纹之间形成一位小夹角，在光照过光栅时，在指示光栅上就会产生若干粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。当指示光栅和标尺光栅之间作相对左右移动时，莫尔条纹也作上下移动。假设莫尔条纹宽度是W，并按W/4处分别放置两个光敏三极管，随着指示光栅的移动,在光敏三极管中就感应出和光线亮度相应的电流。图３－2光栅及莫尔条纹的形成显见，指示光栅每移动一个栅距，则会使莫尔条纹移动一个纹距,而一个移距会在光敏三极管中产生一个周期的正弦波.对于50线光栅,每移动1/50mｍ的距离,则产生一个正弦波输出。为了提高计数分辨率，通常对光栅输出信号方波进行四倍频细分。对于移动一个栅距而形成TＰ1、TP２方波，在一个周期内,其信号幅值变化为：11→10→０0→01→11，或1０→11→01→0０→10，即每一周期有4个电平变化，利用D触发器可获得４个边缘脉冲信号，若计数器是对这样的边缘脉冲计数，则将使光栅计数分辨率(精度)提高四倍.例如，采纳50线光栅传感器，经过４倍频电路后，计数分辨率将变成:1/50×1/４=５μｍ。ﻩ ﻩﻩ 图３－３光栅传感器输出方波五。实验方法与步骤按实验要求接线:光栅实验模块和细分计数板的电源接直流稳压电源输出，电源置V档,螺旋测微仪与指示光栅固定，起始位置置０mm处.光栅输出端子接细分计数板，细分计数板A（TP1）、B(TＰ2）端分别接示波器.检查接线是否正确,打开电源开关。旋转螺旋测微仪使指示光栅产生肯定量的位移，观察细分计数板的C(ＴＰ３)、Ｄ(TP4）端的边缘脉冲输出结果,填入下表。位移(μm）０２550751０0150计数器(Ｃ端）5、按细分计数板清零键，将当前显示值清为0。0００状态。6、螺旋测微仪起始位置置150μｍ，反向位移,重复第4步,记录数据填入下表。位移(μｍ）150１00755０250计数器（C端)六.实验报告内容与要求填写实验数据表格。七．思考分析光栅的光学放大原理分析细分原理ﻬ实验四面阵CCＤ电荷耦合器件应用实验--线径测量一。实验目的了解电荷耦合器件测径系统的结构与工作特性.学会线径测试仪的使用。二。实验内容CＣＤ线径仪的使用。三.实验设备及仪器成像传感器及电子处理模块。成像光学系统.照明光源。螺旋测微仪.测量仪支架。机械调节器。电源适配器.ＵSB接口线。直流稳压源。测量软件。计算机。四.实验线路及原理光源从一端放射，照到被测量物体，通过光学系统在另一端成像（成像的精度由光学系统掌握，即调焦）.由于各物体在成像端的像与该被测物体的真实尺寸具有肯定的比例，经过标准件的测量，得出相应的比例因子,这样通过计算就能测出被测量物体的尺寸。五.实验方法与步骤CCＤ测量仪主要在底座两端分别支起光源支架和传感器支架，光源支架上安装有电源适配器和光源座，传感器支架上安装有传感器盒和调焦环，并通过遮光筒将光源座和调焦环联结起来。其简略结构参见图４—１ﻩ ﻩ ﻩﻩ图4－1CCD线径仪结构图电源适配器接±12V直流电源，用USB线连接测径仪和计算机。开启计算机测量程序。按“定标”按钮,在侧量窗口插入标准具，调整调焦环至清楚成像。输入标准具的标称量；取出标准具。按“开头”按钮，在测量窗口插入待测物件，调焦至清楚成像。按“暂停”按钮使测量窗口显示静止，读取测量数据.按“连续”按钮恢复测量窗口的动态显示;按“结束”按钮可以退出。选择多个样品,分别用螺旋测微仪和ＣＣＤ线径仪进行测量。六.实验报告内容与要求依据所选样品，分别测量，记录结果数据,计算误差。七．思考光学调焦的CＣＤ线径仪的精度如何？ﻬ实验五光电二极管、三极管特性实验一。实验目的了解光电二极管光电特性、伏安特性.了解光电三极管光电特性,当光电管的工作偏压肯定时，光电管输出光电流与入射光的照度(或通量）的关系。二.实验内容分别测试光电二极管、三极管的光电特性和伏安特性。比较两种器件的相同点和区分。三．实验设备及仪器光电二极管.光电二极管变换单元。电压表.光电三极管.光电三极管变换单元。四.注意事项为使实验直观，该实验没有在封闭的黑盒中进行，所以具有肯定的外界因素干扰，实验时请注意不要使正面干扰光较大，同时注意人员移动时的影响。因光电二极管产生的光电流比较小,为便于读数，所以采纳I／V变换器将光电流ILi转换成电压，其关系为:ILｉ=|V/Ｒf｜五．实验线路及原理光电二极管是一种典型的光伏器件，用高阻P型硅作为基片,表面掺杂生长一层极薄的N型层(大约１μm),从而形成一很浅的表面ＰN结,而空间电荷区较宽,所以保证大部图５－１光电二极管测量电路分光子能够入射到耗尽层内。由光子激发的电子—空穴对在反向偏置电压ＶBB作用下形成二极管的反向光电流。此光电流通过外加负载RL后产生电压信号输出。图5－2光电三极管测量电路光电三极管是一种光生伏特器件，用高阻P型硅作为基片，然后在基片表面进行掺杂形成ＰN结。Ｎ区集中得很浅为1um左右，而空间电荷区（即耗尽层）较宽，所以保证了大部分光子入射到耗尽层内.光子入射到耗层内被汲取而激发电子—空穴对，电子—空穴对在外加反向偏置电压VBＢ作用下，空穴流向正极,形成了三极管的反向电流即光电流。光电流通过外加负载电阻RL后产生电压信号输出。六.实验方法与步骤直流稳压电源置Ｖ档，光敏二极管探头用专用导线一端连接后，插入照度实验架上传感器安装孔，导线另一端插入面板上“光敏二极管Ti”插口。开启光强开关,并将光强/加热开关置“5”档，此时入射照度最大。在“光电二极管单元"如图5-1接线，并在负载单元中选择R＝__２00K＿作为Rf接入I/Ｖ变换器.关闭光强开关，登记电压表的读数(暗电流)，并将数据填入下表。随后将光强／加热开关置“１"档。光强0１234５电压（V）电流（Ｉ)（V／Rｆ)开启光强开关，登记电压表读数，并逐步将“光强/加热"开关转换到“5”档,登记每一档的电压表读数并填入上表。作出照度-电流曲线(ＩLｉ＝V/Rf）.将光电二极管的“+"极与“｜”之间联线拆去,在“+"极接入－4V电压使光电二极管出负偏压状态。重复4－5过程，比较一下与零偏压是有什么区分？开启光强开关，并将光强/加热开关置“5"档,同时检查加热开关是否关闭，仍按图５-1接线(零偏压）。记录下这时电压表读数,并填入下表偏压(Ｖ)0—４—6-8－10电压(Vo）电流(｜Vo/Rf|）将光电二极管的“＋”极与“｜”之间联线拆去，将“直流稳压电源”单元中“-Vo”端口与光电二极管“＋”极相连,给二极管加上偏压。直流稳压电从-4V逐步调整至—1０V，记录下每一步的电压表读数值.并填入上表。做出V-Ｉ曲线.将光强／加热开关分别调至“４—3"档，重复上述9—1２步，比较三条V-I曲线有什么不同?直流稳压电源置V档，光敏三极管探头用专用导线一端连接后，插入照度实验架上传感器安装孔，导线另一端插入面板上“光电二极管Ｔｉ”插口。开启电源及光强开关，并将光强/加热开关置“5"档,此时入射照度最大。同时检查加热开关是否关闭。在“光电三极管单元”如图6-1接线，选择Ｒe=_＿2０0Ω,Rb=2K。关闭光强开关，登记电流表的读数（暗电流），并将数据填入下表。随后将光强／加热开关置“1"档.光强012345电流（mA）开启光强开关,登记电流表读数，并逐步将“光强／加热”开关转换到“５”档，登记每一档的电流表读数并填入上表。作出照度—电流曲线.重复1-２步,记录下这时电流表读数，并填入下表V＋4V＋6Ｖ+8Ｖ+１0Ｖ＋12VＩ(mA）直流稳压电源从V逐步降至V,每隔一步记录下电压表读数，并填入上表.作出V-I曲线.将光强／加热开关分别调至“4-3”档,重复上述7-9步，比较三条Ｖ－Ｉ曲线有什么不同？七。实验报告内容与要求填写实验数据表格。作出光电二极管不同档位伏安特性曲线图。作出光电三极管不同档位伏安特性曲线图。八.思考比较光电二极管、三极管的伏安特性曲线图的不同之处。ﻬ实验六光电池特性实验一.实验目的了解光电池的光电特性,即短路电流及开路电压与照度的关系.二。实验内容了解光电池的光电特性.了解光电池的光谱特性三。实验设备及仪器光电池。光电池变换单元。照明光源.光谱调较支架.四．实验线路及原理硅光电池在原理结构上类似于光电二极管,其区分在于硅光电池用的衬底材料的电阻率低,约为0。1~０．01Ω.cm，而硅光电二极管衬底材料的电阻率约为１０00Ω。cm，光敏面从０。1Ω．cｍ2~１0Ω．cm２不等，光敏面积达则接收辐射能量多。输出光电流大.五．实验方法与步骤将光电池用专用导线连接后,插入照度实验架上传感器安装孔,导线另一端插入面板上“光电池”插口。开启电源及光强开关，并将光强／加热开关置“５”档,此时入射照度最大.同时检查加热开关是否关闭。在“光电池单元”如图7－1接线.图6—1光电池电流特性关闭光强开关，登记电流表的读数(暗电流),并将数据填入下表.随后将光强／加热开关置“１"档。光强０１2３４5电流（ｍＡ)开启光强开关，并逐步将“光强/加热”开关转换到“5”档，登记每一档的电流表读数并填入上表。作出照度—短路电流曲线.如图7－2接线，做开路电压试验。关闭光强开关，登记电压表的读数，并将数据填