《光电技术实验》PPT课件.ppt

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1、光电技术实验实验课内容内容1、CdS光敏电阻的性能测试。2、硅光电池负载特性测试。3、光电二极管及光电三极管光照特性测试。4、光电倍增管特性和参数测试。5、光电耦合器件的应用。6、单通道红外遥控系统的制作与应用。7、热释电器件在光电技术中的应用。8、面阵CCD的工作原理和应用。实验课要求要求1）作好预习，结合已学的理论知识，明确实验目的、实验原理与方法。2）保证人身安全，爱护实验器材，严格按实验操作方法动手实验。3）细心观察，实事求是作好实验记录；进行结果分析和验证。4）按要求按时完成实验报告。实验报告要求告要求 按规定格式整洁的书写，按时交给实验指导教师。实验报告的内容包括：1、实验目的、原

2、理及方法（简述）。2、实验电原理图、仪器连接方框图，测试点位置。3、实验过程（简述）、实验记录（数据、现象及发现的问题）。4、实验数据整理、有关曲线以及实验结果分析。5、思考题的讨论。例：小例：小实验 VD1 D2V1 V2用500型万用表档（表内阻50K）分别测试V1和V2，得三结果：1.V1=0V V2=0V试分析：三个实验结果是否正确呢？如何验证呢？实验一一CdSCdS光敏光敏电阻的性能阻的性能测试 光敏电阻的工作原理、电路符号及常用蛇形结构CdSCdS光敏光敏电阻阻的光照特性曲的光照特性曲线和伏安特性曲和伏安特性曲线 光照特性曲线伏安特性曲线实验暗箱的外暗箱的外观及控制旋及控制旋钮 电

3、压表插口表插口电流表插口流表插口示波器示波器测试端口端口电源插口源插口上盖上盖实验暗箱的照度控制旋暗箱的照度控制旋钮 固定部分固定部分调整部分整部分十位与个位十位与个位读数刻度数刻度百位百位读数窗数窗 读数数标记点点实验暗箱的照度控制刻度暗箱的照度控制刻度对照表照表 CdSCdS光敏光敏电阻性能阻性能测试装置装置 注：1、盖好实验暗箱上盖以避免外界光照的影响。2、照度值按“照度调节”旋钮的读数参照对应表格决定。CdSCdS光敏光敏电阻的阻的时间响响应CdSCdS光敏光敏电阻阻时间响响应测试时示波器的使用注意点示波器的使用注意点 1、示波器CH1接“Lightwave”，探头应置“X10”。2、

4、示波器CH2接“Iout”，探头置“X10”或置“X1”。3、同步置于“CH1”。4、两个输入端应该置于“DC”档。5、“MODE”选择先置于“CH1”，调节出稳定的波形；再置于“CH2”或置“DUAL”(“CHIP”按下)来观测。6、注意“SWP.VOR”旋钮顺时针转到底（CAL位置）。实验二二 硅光硅光电池池负载特性特性测试工作原理及工作原理及电路符号路符号伏安特性曲伏安特性曲线 硅光硅光电池池硅光硅光电池的池的负载特性特性在某一照度下，硅光电池的输出端电压UU及输出电流II随着负载电阻而变化，因此，其输出功率P PUIUI与负载电阻RLRL的阻值有关。当RLRL等于最佳负载电阻RoptR

5、opt情况下可获得最大的输出功率。在工程计算中，常按照经验公式，即当负载电阻为最佳负载电阻值时，输出电压U（0.60.7）Uoff。最佳负载电阻值与入射光通量有关，它随入射光通量的增大而减少。硅光硅光电池的池的负载特性特性测试装置装置 注：RL的电阻值由调节旋钮的位置读出。实验三三光光电二极管及光二极管及光电三极管三极管光光 照照 特特 性性 测 试光光电二极管二极管工作原理及电路符号伏安特性曲线 光光电三极管三极管工作原理及电路符号伏安特性曲线 光光电二极管的二极管的负载特性特性测试装置装置 注：电流指示用200mV电压表并联取样电阻的方法，因 取样电阻值为10K，故电压表指示10mV等效为

6、1A。光光电三极管的三极管的负载特性特性测试装置装置 注：电流指示用200mV电压表并联取样电阻的方法，因 取样电阻值为100，故电压表指示1mV等效为10A。实验四四光光电倍增管特性和参数倍增管特性和参数测试 光电倍增管的工作原理及典型各极供电电路931A931A光光电倍增管（倍增管（侧窗管）窗管）倍增极系倍增极系统结构：构：99级鼠鼠笼形形 主要性能数据主要性能数据：光光谱响响应范范围 300300650nm650nm最大响最大响应波波长400nm400nm光阴极（不透明）光阴极（不透明）锑铯光阴极光阴极阴极最小有效尺寸阴极最小有效尺寸8x24mm8x24mmnSnS极限工作条件极限工作条

7、件阳极与阴极阳极与阴极间的的电压1250VDC1250VDC第第1 1倍增极与阴极倍增极与阴极间的的电压250VDC250VDC平均阳极平均阳极电流流0.1mA0.1mA环境温度范境温度范围-80-80+50+50光光电倍增管倍增管阴极和阳极伏安特性曲阴极和阳极伏安特性曲线 阴极伏安特性曲线阳极伏安特性曲线 光光电倍增管阴极灵敏度的倍增管阴极灵敏度的测量量电路路 注意：施加的注意：施加的电压不得超不得超过250V，以免以免损坏光坏光电倍增管。倍增管。光光电倍增管阳极灵敏度的倍增管阳极灵敏度的测量量电路路 光光电倍增管倍增管实验仪面板面板 光光电倍增管倍增管实验仪内部内部结构构 实验五五光光电耦

8、合器件的耦合器件的应用用 一、对射式光电耦合开关的结构及电路符号 光光电耦合器件耦合器件进行信号的行信号的传输实验电原理原理图 要求：在传输正弦信号时调整VR02、VR03使信号输 出最大而失真最小，分析此分析此时“信号信号输出出”点的点的正正 弦信号幅度和其直流弦信号幅度和其直流电压的关系。的关系。使用光使用光电耦合器件模耦合器件模拟人人员进出自出自动计数控制数控制 模模拟人人员进出自出自动计数控制数控制实验的要求的要求 1 1、观察并分析如果小察并分析如果小动物通物通过人人员进出自出自动计数控制系数控制系统时，由于不能同，由于不能同时遮遮挡K1K1、K2K2，是否会造成，是否会造成误计数？

9、数？22、观察并分析人察并分析人员进出出时于半途退回的情于半途退回的情况下系况下系统是否会是否会误计数？数？CD4013CD4013双双D D触发器的连接图与真值表触发器的连接图与真值表 CD40193CD40193二二进制可制可预置可逆置可逆计数器数器 CD40193的连接图CD40193CD40193的工作波形的工作波形图 加计数减计数MRPLP0P1P2P3CPUCPDQ0Q1Q2Q3TCUTCD注意：可控硅一般注意：可控硅一般应用于交流的控制，在用于交流的控制，在直流直流电路中接通后不能控制其断开。路中接通后不能控制其断开。光控双向可控硅光控双向可控硅使用光控双向可控硅控制灯光照明使用

10、光控双向可控硅控制灯光照明 实验六六单通道通道红外遥控系外遥控系统的制作与的制作与应用用 红外线发射单元红外线接收及信号处理单元受控制单元红外线红外线遥控系统工作原理 555555集成集成电路路 V VR RVctVct（即（即2Vcc/32Vcc/3）时，R R1 1，VoVo0 0，D D对地短路；地短路；VsVcc/3VsVcc/3时，S S1 1，VoVo1 1，D D对地断路。地断路。/MR/MR为优先复位端，先复位端，/MR/MR为“0”“0”时，VoVo0 0，D D对地短地短路；路；555555多多谐振振荡器器电原理原理图 振荡频率f=1.49/(2R1R2)C占空比D（R1R

11、2）/（2R1R2）单通道通道红外外线遥控系遥控系统发射射单元元电原理原理图 元器件参数：R1、R2：RJ-4K3 R3：RJ-1K2 R4：RJ-33 VR1：3323-10K C1：2200p（涤纶）C2：103（涤纶）C3：10F（电解）U1：NE555（DIP8）Q1：2SA1015（TO92）D1：PH303（5）SW1：按键微动开关 6x6x7单通道通道红外外线遥控系遥控系统接收接收单元元电原理原理图 CD4017CD4017及其工作波形及其工作波形图 直流直流电机正反向机正反向驱动电原理原理图 实验七七热释电器件在光器件在光电技技术中的中的应用用 热释电红外传感器的结构及内部电气

12、连接 热释电红外探外探测/控制系控制系统的的组成框成框图 活活动人人员发出出的的红外外辐射射经菲菲涅涅尔透透镜聚聚焦焦至至热释电探探测器器，输出出交交变的的超超低低频信信号号（一一般般为0.10.110Hz10Hz）；由由于于信信号号非非常常微微弱弱，必必须经过高高增增益益的的低低噪噪声声放放大大器器进行行放放大大，同同时为了了抑抑制制其其它它物物体体辐射射来来的的红外外干干扰信信号号，放放大大器器设计为0.20.27Hz7Hz低低频带通放大器，只放大活通放大器，只放大活动人人员的信号。的信号。为有效的有效的对外来干外来干扰信号及随机噪声信号及随机噪声进行分离，降低系行分离，降低系统的的误报率

13、以提供可率以提供可靠性，将低通放大器靠性，将低通放大器输出的出的动态模模拟信号信号经过电平比平比较处理，只有当信号超理，只有当信号超过设定的定的电平平时，比，比较器才器才输出高出高电平。平。这个高个高电平就可用于触平就可用于触发各种控制各种控制单元元以完成系以完成系统的各种功能。的各种功能。热释电红外外传感器的前置放大与窗口比感器的前置放大与窗口比较器器用用热释电红外外传感器控制的感器控制的节能灯能灯 555555单稳态触触发器器电原理原理图 暂稳态时间T=1.1RCT=1.1RC用用热释电红外外传感器控制的感器控制的报警器警器 注：1、U1的电源端未画出，但在Protel中默认是VCC。2、

14、U2为蜂鸣器。实验七的七的实验报告要求告要求 1 1、记录“报警器模警器模块”和和“节能灯模能灯模块”的的工作工作过程。程。2 2、两个模、两个模块各有什么功能？分析其各有什么功能？分析其电路是如路是如何何实现这些功能的？些功能的？3 3、回答、回答实验讲义上两个思考上两个思考题。实验八八面面阵CCDCCD的工作原理及的工作原理及应用用（一）（一）电视基基础知知识1 1、图像与像素像与像素2 2、扫描描3 3、同步、同步4 4、彩色的三基色原理、彩色的三基色原理5 5、视频信号的波形信号的波形像素与像素与图像的像的传输图像与像素：像与像素：一幅图像可以被分割成许多独立小单元，这些小单元只是一个

15、个不同颜色及亮度的点。组成成图像的最小像的最小单元称元称为像素像素（图像被分割的像素数越多，图像质量越好）。图像的像的传输：采用极多的传输通道来同时传输各像素通常是不可能的，只能把所有把所有像像素的信息按素的信息按时间顺序用同一条序用同一条传输通道通道进行行传输。这条传输通路轮流的接通每一对相应的光电单元和发光单元。只要轮流的速度足够快，由于人眼的人眼的视觉暂留特性留特性，看起来好像是所有的像素同时发光，显示出完整的画面。像素像素顺序序传送示意送示意图图像的像的传输扫描描顺序的分解像素和序的分解像素和综合像素的合像素的过程，称程，称为扫描描。图像需像需经扫描才能描才能输出一出一维时序信号（即序

16、信号（即视频信号信号）进行行传输，视频信号也需信号也需经扫描才能恢复原描才能恢复原图像。像。传统的的扫描方式是基于描方式是基于电视系系统中中电子束子束摄像管像管和和显像管的像管的电子束子束扫描，描，按从左向右、从上向下的按从左向右、从上向下的规律律进行行，扫完第一幅后完第一幅后扫第二幅，如此循第二幅，如此循环。从左向。从左向右的右的扫描称描称为行行扫描描、从上向下的、从上向下的扫描称描称为场扫描描。图像的像的传输扫描描为了充分覆盖矩形了充分覆盖矩形图像面，采用匀速的像面，采用匀速的单向直向直线扫描方式。描方式。扫描只在描只在单个方向个方向扫描描（正程）（正程）时才才传送送图像信息像信息，朝相反

17、方向，朝相反方向扫描描（逆程）只（逆程）只传送同步送同步信息信息，也称，也称“回回扫”或或“消消隐”。由于由于人眼的人眼的视觉暂留特性，留特性，当当扫描速度足描速度足够快，快，使使换幅幅频率既高于活率既高于活动景物运景物运动连续感所需的感所需的频率，率，又高于又高于临界界闪烁频率，率，则接收到的是既有接收到的是既有连续感又感又无无闪烁感的活感的活动景象。景象。摄像管的工作原理示意像管的工作原理示意图显像管的工作原理示意像管的工作原理示意图图像像扫描的同步描的同步 要求收发两端的扫描规律必须严格一致，称为同步同步：1）两端的扫描速度必描速度必须相同，称作同相同，称作同频。2）两端每行、每每行、每

18、场的的扫描起始描起始时刻相同，称同相刻相同，称同相。图像信号扫描的不同步现象示意（a）原图像（b）行不同频（c）行、场均不同相 电视制式制式 行、场扫描的速度、周期等都有严格的规定，同时为确保行、场扫描的同步，还必须设定行与场的同步控制脉冲。这些规定被称为电视制式制式。我国的电视制式为PALPALD D，规定扫描行频15625Hz（行周期64S、行逆程时间12S）、场频50Hz（场周期20mS、mS、每场扫描312.5行），一帧图像由奇、偶两场组成，实现隔行扫描模式。帧频（每秒图像改变数）为25Hz、MHz、MHz等。隔行隔行扫描的描的图像像 第一第一场 第二第二场 彩色基本知彩色基本知识 彩

19、色与光彩色与光 光有光有单色光与复合光。色光与复合光。太阳光随波太阳光随波长由由长到短所呈到短所呈现的的颜色依此色依此为：红、橙、黄、橙、黄、绿、青、青、蓝、紫。、紫。决不能以决不能以颜色来判断光色来判断光谱的分布。一定的光的分布。一定的光谱分布表分布表现为一定的一定的颜色，但同一色，但同一颜色色则可由不同光可由不同光谱分布而分布而获得。得。彩色三基色原理彩色三基色原理 自然界中绝大多数彩色可用三种不同颜色的单色光按一定比例混合得到，这三种颜色就称为三基色。彩电中三基色为红(R)、绿(G)、篮(B)三幅基色三幅基色图像像组成彩条成彩条彩色彩色图像的像的摄取取 彩色彩色图像的重像的重现 图像与其

20、相像与其相应的的视频行波形行波形1 1点子点子图像像格子格子图像像图像与其相像与其相应的的视频行波形行波形2 2棋棋盘图像像彩条彩条图像像（二）（二）CCDCCD（电荷耦合器件）荷耦合器件）图像像传感器感器CCDCCD图像像传感器的基本感器的基本结构是构是脉冲控制下的脉冲控制下的MOSMOS电容器容器阵列列，具有具有电荷耦合、存荷耦合、存储、转移功能。移功能。CCDCCD单元的元的控制控制栅极极处于高于高电平平时，其下面形成深，其下面形成深势阱，阱，MOSMOS电容可以存容可以存储电荷；而当控制荷；而当控制栅极极处于低于低电平平时，其下，其下面的面的势阱不能存阱不能存储电荷，原存荷，原存储的的

21、电荷即要荷即要转移出去。移出去。在各控制在各控制栅极加上极加上驱动脉冲，即可以脉冲，即可以实现各各单元元间信号信号电荷的荷的转移。移。CCD相邻单元2、3在驱动脉冲2、3作用下的电荷转移过程隔列隔列转移型面移型面阵CCDCCD隔列隔列转移型面移型面阵CCDCCD的自的自扫描描隔列隔列转移型面移型面阵CCDCCD按按电视制式的制式的时序工作（自序工作（自扫描）；描）；在在场正正程程期期间像像敏敏单元元进行行光光积分分，此此时转移移栅的的低低电位将像敏位将像敏单元与垂直移位寄存器隔开；元与垂直移位寄存器隔开；进入入场逆逆程程时，转移移栅的的正正脉脉冲冲将将像像敏敏单元元的的信信号号电荷荷同同时平行

22、的平行的转移到垂直移位寄存器；移到垂直移位寄存器；在在下下一一个个场正正程程期期间，垂垂直直移移位位寄寄存存器器在在垂垂直直驱动脉脉冲冲V1V1V4V4的的驱动下下一一行行行行地地将将信信号号电荷荷向向水水平平移移位位寄寄存存器器转移；移；同同时，其其水水平平移移位位寄寄存存器器由由水水平平驱动脉脉冲冲H1H1、H2H2驱动，在行正程期，在行正程期间快速地将信号送到快速地将信号送到输出放大器出放大器输出。出。隔列转移型面阵CCD各驱动脉冲的波形 A段A段波形展开图：AA段波形展开段波形展开图SWP:10uS/div(X10 MAG)0.2uS/div(X10 MAG)垂直移位寄存器垂直移位寄存

23、器结构示意构示意图垂直移位寄存器在垂直垂直移位寄存器在垂直驱动脉冲脉冲V1V1V4V4的的驱动下一行行地将信号下一行行地将信号电荷向水平移位寄存器荷向水平移位寄存器转移移单片彩色片彩色CCDCCD摄像机原理像机原理图 单片彩色片彩色CCDCCD 单片彩色片彩色CCDCCD感光感光单元的元的结构构为三三层：第第一一层是是“微微型型镜头”，为扩展展CCDCCD的的采采光光率率，必必须扩大大各各像像素素的的受受光光面面积。在在感感光光层前前加加上上“微微型型镜头”，感感光光面面积就由微型就由微型镜片的表面片的表面积来决定。来决定。第第二二层是是“分分色色滤色色片片”，CCDCCD感感光光层并并不不能能分分辨辨颜色色，因此各因此各单元元对什么什么颜色感光完全由色感光完全由滤色片决定。色片决定。第第三三层是是“感感光光层”，将将穿穿过滤色色层的的光光转换成成电子子信信号号并并传送到送到图像像处理理电路。路。单片彩色片彩色CCDCCD的的滤色片色片 单片彩色CCD的一种滤色片棋盘格式滤色片应用用电视 实际的应用电视都是一个系统，由三个基本部分构成摄像机或成像装置 图像的传输与控制设备 图像的处理与显示设备 应用用电视的分的分类 应用电视分为四大类：1.通用型应用电视2.特种成像方式应用电视3.特殊环境下使用的应用电视4.具有特种功能的应用电视