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光电技术 实 验 指 南 上实验课前务必仔细阅读本实验讲义 CSY2000G 实验指南 2 目 录 前言错误!未定义书签。目录3 第一章 产品说明书4 第二章 实验指南6 实验一 光电基础知识实验5 实验二 光敏电阻实验 11 实验三 光敏二极管的特性实验 15 实验四 光敏三极管特性实验 19 实验五 光开关实验（透射式）23 实验六 红外线光电开关 25 实验七 光电池实验 258 实验八 热释电红外传感器实验 30 实验九 光源及光调制解调实验 33 实验十 PSD位置传感器实验 36 CSY2000G 实验指南 3 第一章 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：0-9999 r/min 计时器（秒表）：9999S 气压表:4-40 KPa 3、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）CSY2000G 实验指南 4 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）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）CSY2000G 实验指南 5 第二章 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 Qe J 光量 Q Q=Qdt 1m s 辐射通量 e e=de/dt W 光通量 =Id 1m 辐射出射度 e e=de/ds W/m2 光出射度 M M=d/ds 1m/m2 辐射强度 e e=de/ds w/sr 发光强度 I 基本量 cd 辐射亮度 Le Le=de/(ds cos)w/(m2 sr)（光）亮度 L I=dI/ds cos cd/m2 辐射照度 Ee Ee=de/dA w/m2（光）照度 E E=d/dA LX 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 CSY2000G 实验指南 6 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(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。CSY2000G 实验指南 7 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后拧紧固定螺钉。在光源 CSY2000G 实验指南 8 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 CSY2000G 实验指南 9 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。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 CSY2000G 实验指南 10 与012V的可调电源的+、相连，监测可调电源的输出大小。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）2 3 4 5 6 7 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 滤色片颜色()红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 光照度（Lx）（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）2.5V 3V 3.5V 4V 4.5V 5V 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）3 3.5 4 4.5 5 光功率(mw)CSY2000G 实验指南 11 实验二 光敏电阻实验 一、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 （2）按图2-1的光学系统装置图，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2-1 光敏电阻实验原理图 CSY2000G 实验指南 12 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。CSY2000G 实验指南 13（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）100 300 500 700 900 1100 1300 1500 电流mA 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）1.25 2 3 4 5 照 度 LX 100 电流（mA）300 电流（mA）500 电流（mA）I CSY2000G 实验指南 14 光电流 VCC 图24光敏电阻伏安特性 4、光谱特性测量 （1）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MT5528 100LX照度下的电流 红 650 橙 610 黄 570 绿 530 青 480 蓝 450 紫 400 CSY2000G 实验指南 15 实验三 光敏二极管的特性实验 一、实验目的：了解光敏二极管工作原理及光生伏特效应。二、基本原理：光敏二极管和光电池均是一种光伏探测器。利用了 Pn 结的光伏效应，对光伏探测器总的伏安特性可表达为 i=iD-i=isoexp(eu/kBT)-1-i 式中i中是流过探测器总电流，iso二极管反向电流，e是电子电荷，u是探测器两端电压，kB为玻耳兹曼常数，T器件绝对温度。光敏二极管的具有光生伏特效应，当入射光的强度发生变化，通过光敏二极管的电流随之变化，于是在光敏二极管的二端电压也发生变化。光照时导通，光不照时，处于截止状态，并且光电流和照度成线性关系。三、需用单元器件：光敏器件实验（一）模板、主机箱、光敏二极管、光源、光照度计探头、滤色片 四、实验步骤：CSY2000G 实验指南 16 图3-2 光敏二极管特性实验接线图 1、光照特性的测量 根据图32 接线，测量光敏二极管的暗电流和亮电流。（1）暗电流测试：将主机箱中的012V可调稳压电源的调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底，打开主机箱电源，读取主机箱上电流表（20uA档）的值即为光 CSY2000G 实验指南 17 敏二极管的暗电流。（2）亮电流测试：a.关闭主机箱电源，撤下光敏二极管，换上光照度计探头。用连接线将照度计探头的两个插孔与主机箱上的照度计输入的两个插孔“”、“”分别相应连接；照度计探头与光源之间用遮光筒连接。b.打开主机箱电源，顺时针方向慢慢地调节012V可调电源（光源电压），使主机箱上照度计的读书为100LX。c.撤下照度计探头，换上光敏二极管，读取电流表值，即为 100LX，U测5V（光敏二极管工作电压）时的亮电流。重复a、b、c实验步骤，把测量值填入表3-1，并作出曲线。表3-1 照度LX 100 200 300 400 500 600 700 800 I亮（mA）I(mA)LX 图3-3 光敏二极管光照实验特性 2、光谱特性测试 光谱特性测试用七种颜色的滤光片代替不同波长的光。实验方法与亮电流测试方法基本一样，不同点就是拧下光源前盖，更换不同颜色的滤色镜，调节光源电压，在不同照度下，测得光电流，填入表3-2，并作出曲线。CSY2000G 实验指南 18 表32 颜色(nm)光电流I 照度LX 红(650)橙(610)黄(570)绿(530)青(480)蓝(450)紫(400)10 100 图3-4 光敏二极管光谱实验特性 I CSY2000G 实验指南 19 实验四 光敏三极管特性实验 一、实验目的：了解光敏三极管结构、性能和V-I特性。二、基本原理：在光敏二极管的基础上，为了获得内增益，就利用晶体三极管的电流放大作应，用Ge或Si单晶体制造NPN 或PNP型光敏三极管。其结构使用电路及等效电路如图4-1所示。光敏三极管可以等效一个光电二极管与另一个一般晶体管基极集电极并联：集电极-基极产生的电流，输入到共发三极管的基极在放大。不同之处是，集电极电流（光电流）有集电结上产生的i控制。集电极起双重作用；把光信号变成电信号起光电二极管作用；使光电流再放大起一般三极管的集电结作用。一般光敏三极管只引出 E、C 两个电极，体积小，光电特性是非线性的，广泛应用于光电自动控制作光电开关应用。三、需用单元与器件：光电器件实验（一）模板、主机箱、光敏三极管、光源、光照度计探头 四、实验步骤：CSY2000G 实验指南 20 1、光敏三极管伏安特性 光敏三极管在不同的照度下的伏安特性就象一般晶体管在不同的基极电流输出特性一样。光敏三极管把光信号变成电信号。（1）根据图3-2 把光敏二极管换成光敏三极管，按图接线，将光敏三极管的两个插孔接到实验模板的光敏器件输入的插孔中，实验模板的电流表和电压表插孔分别与主机箱的电流表输入和电压表输入插孔分别相连接。将实验模板上的 Vcc插孔与主机箱的+5V电源相连。（2）首先慢慢调节 012V 光源电压,使光源的光照度到某一照度(用照度计测量),再调节光敏三极管的工作电压,测量光敏三极管的输出电流和电压。填入表4-1表4-4，并作出一定光照度下的光敏三极管的伏安特性曲线 表41 在100lx照度下 U1(V)1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 I1(mA)表42 在500lx照度下 U1(V)1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 I1(mA)表43 在1000lx照度下 U1(V)1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 I1(mA)CSY2000G 实验指南 21 表44 在1500lx照度下 U1(V)1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 I1(mA)I(mA)外加电压(V)图4-2光敏三极管伏安特性实验曲线 2、光敏三极管的光照特性测量 暗电流与亮电流测试实验方法同实验三（参照实验三）。将实验数据填入表4-5，并作出光照特性曲线。表4-5 照度LX 100 200 300 400 500 600 700 800 I亮（mA）I(mA)LX 图4-3 光敏三极管光照特性实验曲线 3、光敏三极管的响应波长（光谱特性）光敏三极管对不同波长的光，接收灵敏度光不一样的，它有一个峰值响应波长。当入射光的波长大于峰值响应波长时，相对灵敏度要下降。光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长小于峰值响应波长时，相对灵敏度也要下降，这是由于光子在半导 CSY2000G 实验指南 22 体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达 PN 结，因而使相对灵敏度下降。实验时通过滤色片的得到不同波长的光，不同波长的光在相同的照度下，检测出对应的光敏三极管的电流大小，则得到不同波长的灵敏度。光敏三极管响应波长（光谱特性）的实验方法同实验三光谱特性测量，参照实验三做实验。将实验数据列入表4-6，并作出光谱特性曲线。表46 颜色(nm)光电流I 照度LX 红(650)橙(610)黄(570)绿(530)青(480)蓝(450)紫(400)10 100 图4-4光敏三极管光谱实验特性 I CSY2000G 实验指南 23 实验五 光开关实验（透射式）一、实验目的：了解透射式光电开关组成原理及应用。二、基本原理：光电开关可以由一个光发射管和一个接收管组成（光耦、光断续器）。当发射管和接收管之间无遮挡时，接收管有光电流产生，一旦此光路中有物体阻挡时光电流中断，利用这种特性可制成光电开关用来工业零件计数、控制等。三、需用器件与单元：光电实验装置、光电器件实验模块（一）、普通发光二极管、光敏二极管、主机箱 见图5-1光敏器件实验装置图。四、实验步骤：（1）根据图 5-1 接线：将发光二极管两端接入实验模板光敏器件输入两端（注意极性），将实验模板上的电流表的两个插孔用线短接，再将光敏二极管（接收管）两端引入实验模块的光敏接收器件两端，再将实验模块上的VCC插孔与“”插孔接到主机箱的+5V电源的相应插孔上。（2）开启主机箱电源，用手或者其他物体挡住发光二极管与光敏二极管之间的光路，接收管接收不到光，实验模板上的发光二极管不点亮，当光路中无物体阻隔畅通时，实验模板上的发光二极管亮，由此形成了开关功能。*利用这个开关功能，学员们可以自己组建计数系统实验。CSY2000G 实验指南 24 图5-1 光开关实验连接图 CSY2000G 实验指南 25 实验六 红外线反射式光电开关（光耦）一、实验目的 了解红外线光耦开关的组成及基本原理。二、基本原理 红外线开关模块（OW2152反射式光耦）中有一个红外发射二极管和红外三极管组成。当物体接近时，发射管发射的红外线被物体反射回来接收管上，被接收管接收。接上放大和控制电路，常用做楼道口等处作电灯自动开关。当有人经过时，控制楼道灯亮。通过延时电路控制，经过若干秒后，楼道灯自动熄灭。三、需用器件和单元 光电器件实验（光开关）模板、主机箱、反射光耦 四、实验步骤（1）按照图61接线：反射光耦（反射式光电开光）有四个插孔，红、黑色插孔接实验模板的红外发射二极管的正端和“”端，黄、蓝色插孔接实验模板的红外线接收三极管集电极和发射极插孔。再将实验模板的VCC插孔和“”插孔接到主机箱的+5V电源和“”插孔。（2）打开主机箱电源，用手接近或离开光耦探头，观察实验模板上的开关指示灯工作现象。（3）发射式光电器件（光发射、光接受）作开发实验。将光发射管和光接收管分别引入实验模板中的红外发射二极管和红外发射三极管处（注意极性）。调整发射和接收之间的相对位置，观察光路遮挡与畅通时的现象。CSY2000G 实验指南 26 图61光电器件实验（光开关）实验接线图 CSY2000G 实验指南 27 实验七 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7-1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）。CSY2000G 实验指南 28 图7-1 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 CSY2000G 实验指南 29 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7-1，并作出曲线图。表71 强度（lx）电流（mA）电压（mV）电流 电压 光强度 图7-2硅光电池开路电压 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7-2，并在图7-3作出曲线图。表7-2 波长（nm）红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 电动势（mv）电流（mA）电动势 波长 CSY2000G 实验指南 30 实验八 热释电红外传感器实验 一 实验目的：了解热释电红外传感器基本原理和在实际中的应用 二 基本原理：当已极化的热电晶体薄片受到辐射热时候，薄片温度升高，极化强度sp下降，表面电荷减少，相当于”释放”一部分电荷，故名热释电。释放的电荷通过一系列的放大，转化成输出电压。如果继续照射，晶体薄片的温度升高到 Tc(居里温度)值时，自发极化突然消失。不再释放电荷，输出信号为零,见图8-1。因此，热释电探测器只能探测交流的斩波式的辐射（红外光辐射要有变化量）。当面积为 A 的热释电晶体受到调制加热，而使其温度 T 发生微小变化时，就有热释电电流。dtdTAPi，A 为面积，P为热电体材料热释电系数，dtdT是温度的变化率。8-1热释电效应 CSY2000G 实验指南 31 图8-2 热释电实验接线图 图8-3 成品实验接线图 CSY2000G 实验指南 32 三 需用器件与单元：光电器件实验（二）模板、主机箱、红外热释电探头、红外热释电探测器。四 实验内容：光电器件实验（二）模板分两部分，分为器件原理实验图（左），传感器实验图（右）1 原理实验（1）按图8-2接线：将红外热释电探头的三个插孔相应地连到实验模板热释电红外探头的输入端口上（红色插孔接 D；蓝色接 S；黑色接 E），再将实验模板上的VCC+5V 和“”相应的连接到主控箱的电源上，再将实验模板的右边部分的探测器信号输入短接。（2）打开主机箱电源，手在红外热释电探头端面晃动时，探头有微弱的电压变化信号输出，经两级电压放大后，可以检测出较大的电压变化，再经电压比较器构成的开关电路，使指示灯点亮。观察这个现象过程。2 传感器实验（1）红外热释电探测器有四个接线，按图 8-3 接线：将探头的 1、3 号线相应的连接到实验模板的+12V 与“”上，再将红外热释电探测器 2、4 号线分别接到实验模板的探测器信号输入端口上，再将实验模板的+12V和“”接到主机箱+12V电源和“”上。（2）打开主机箱电源，需延时几分钟模板才能正常工作。当人体或动物移动后，蜂鸣器报警。逐点移远人与传感器的距离，估计观察能检测到的红外物体的探测距离。CSY2000G 实验指南 33 实验九 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 91 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。CSY2000G 实验指南 34 图9-1 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92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 CSY2000G 实验指南 35 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9-2 声音调制 *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？CSY2000G 实验指南 36 实验十 PSD位置传感器实验 一、实验目的：了解PSD光电位置敏感器件的原理与应用 二、基本原理：PSD 为一具有PIN 三层结构的平板半导体硅片。其断面结构如图101 所示，表面层P为感光面，在其两边各有一信号输入电极，底层的公共电极是用与加反偏电压。当光点入射到PSD 表面时，由于横向电势的存在，产生光生电流0I，光生电流就流向两个输出电极，从而在两个输出电极上分别得到光电流1I和2I，显然210III。而1I和2I的分流关系则取决于入射光点到两个输出电极间的等效电阻。假设 PSD 表面分流层的阻挡是均匀的，则PSD可简化为图102所示的电位器模型，其中1R、2R为入射光点位置到两个输出电极间的等效电阻，显然1R、2R正比于光点到两个输出电极间的距离。图10-1 图10-2 CSY2000G 实验指南 37 因为 )/()(/1221XLXLRRII 210III 所以可得 )2/(01LXLII )2/(02LXLII LIIIX)/(012 当入射光恒定时，0I恒定，则入射光点与PSD中间零位点距离X与12II 成线性关系，与入射光点强度无关。通过适当的处理电路，就可以获得光点位置的输出信号。三、需用器件与单元：PSD 传感器及位移装置、PSD传感器实验模板、主机箱 四、实验步骤：1 观察PSD结构，它有四只管脚，其中有一边为园弧状附近的管脚加反偏电压fV，其对角线部位管脚为空脚（如图103）。PSD接线中黑线接fV端，其中两个为输出端可随意接入。图103 2 按图10-4 接线，将实验模块的V15和“”插孔与主机箱中的V15稳压电源和“”分别相连，再将实验 PSD 传感器装置中的半导体激光器的两个插孔与实验模板的激光电源的插孔相应连接。实验模板的PSD I2 接PSD传感器的蓝色插孔，vref基准源接PSD传感器的白色插孔，PSD I1接PSD 传感器的红色插孔。3 将 PSD 传感器实验模板单元电路连接起来，即1oV与1 iV接，2oV与2iV接（注：V03、Vi3、Vi4、V05不用接线）4oV与5iV接，6oV与6iV接，将实验模板上激光电源的“”与V15的“”及7iV输出的“”连接起来。将主机箱的电压表接到实验模板的 CSY2000G 实验指南 38 V07或“”上。图104 4.打开主机箱电源，实验模板开始工作。转动测微头使激光光点在PSD 上的位置从一端移向另一端。此时电压变化可在V4之间，若未达到此值，可调输出增量旋纽3RV。5.从PSD 一端开始旋转测微头，使光点移动，取mmX5.0，即转动测微头一转，读取数显表示值。填入表101 表101 PSD传感器位移值与输出电压值 位移量（mm）输 出 电 压（V）6.根据表10-1所列的数据，计算中心量程2mm、3mm、4mm时的非线性误差 五 思考题 入射光点大小对测量有什么影响？