《光電檢測技術(shù)》實驗指導(dǎo)書

《光電檢測技術(shù)》實驗指導(dǎo)書丁松南京工業(yè)高校自動化學(xué)院2006-0４—17目錄實驗一光敏電阻特性實驗……１實驗二光敏電阻開關(guān)設(shè)計實驗………………4實驗三光柵位移實驗…………６實驗四面陣CCD電荷耦合器件應(yīng)用實驗-—線徑測量……9實驗五光電二極管、三極管特性實驗………12實驗六光電池特性實驗………161-實驗一光敏電阻特性實驗一．實驗?zāi)康牧私夤饷綦娮璧墓怆娞匦浴⒎蔡匦?二.實驗內(nèi)容偏置電壓肯定時,光敏電阻的阻值和照度的對應(yīng)關(guān)系。照度肯定時,光敏電阻的偏置電壓與其電流的對應(yīng)關(guān)系。照度轉(zhuǎn)變時，光敏電阻的偏置電壓和電流的對應(yīng)關(guān)系。三．實驗設(shè)備及儀器直流穩(wěn)壓電源。光敏電阻。相關(guān)信號處理單元。四。實驗線路及原理光敏電阻是一種當(dāng)光照耀材料表面被汲取后，在其中激發(fā)載流子，使材料導(dǎo)電性能發(fā)生變化的內(nèi)光電效應(yīng)器件。當(dāng)加上肯定電壓后,光生載流子在電場的作用下沿肯定方向運動在電路中產(chǎn)生電流，達(dá)到光電轉(zhuǎn)換的目的。當(dāng)入射光的照度肯定時，電路中的電流與光敏電阻的偏置電壓存在肯定的關(guān)系.由于光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子會轉(zhuǎn)變光敏電阻的電導(dǎo)值，而在沒有光照的情況下熱激發(fā)所產(chǎn)生的載子同樣也會轉(zhuǎn)變光敏的電導(dǎo)值,只是對于光敏電阻而言光電導(dǎo)起主要作用。所以，光敏電阻在光照條件下，總電流由兩部分組成:亮電流=光電流+暗電流。光敏電阻單元接線圖五.實驗方法與步驟直流穩(wěn)壓電源置V檔,光敏電阻探頭用專用導(dǎo)線一端連接后，插入照度實驗架上傳感器安裝孔，導(dǎo)線另一端插入面板上“光敏電阻Ti”插口.開啟電源及光強開關(guān)，并將“光強/加熱”開關(guān)置5檔,此時入射照度最大.同時檢查加熱開關(guān)是否關(guān)閉。在“光敏電阻單元"如圖１-１接線。檢查接線是否正確.關(guān)閉光強開關(guān)，登記電流表度數(shù)(暗電流），將數(shù)據(jù)記錄.隨后將“光強／加熱”開關(guān)置“1"檔。開啟光強開關(guān)，記錄電流表讀數(shù),并逐步將“光強/加熱"開關(guān)轉(zhuǎn)換到“5”檔,記錄每一檔所對應(yīng)的電流表讀數(shù)，并填入下表。光強（檔）０12３45電流（mＡ)將光強/加熱開關(guān)置于“5”檔，直流穩(wěn)壓電源置于Ｖ檔。保持光強／加熱開關(guān)在“５”檔,將“直流穩(wěn)壓電源"分檔逐步調(diào)整至V,并逐一登記電流表讀數(shù)并填入下表電壓（V)４68１012電流（mA）９、將光強/加熱開關(guān)分別調(diào)至“4”和“3”檔，重做步驟８，記錄電流表讀數(shù)填入下表光強/加熱開關(guān)置“4”檔電壓（V）46８10１2電流(mA）光強／加熱開關(guān)置“3”檔電壓（Ｖ）468101２電流(ｍA）六．實驗報告內(nèi)容與要求填寫實驗數(shù)據(jù)表格。12Ｖ偏置電壓下的照度－電流曲線。５檔照度下,光敏電阻的V—I特性曲線。4檔照度下，光敏電阻的V—I特性曲線。3檔照度下,光敏電阻的V-I特性曲線.七．思考1．12Ｖ偏置電壓下的照度—電流曲線可以分析得出照度與電阻的關(guān)系如何？２.照度對于光敏電阻的伏安特性有何影響？?實驗二光敏電阻開關(guān)設(shè)計實驗一。實驗?zāi)康墓饷綦娮璧膽?yīng)用方式。光電開關(guān)的工作原理。LED驅(qū)動電路的應(yīng)用.二.實驗內(nèi)容光敏電阻檢測電路的使用.設(shè)計電路掌握ＬED的亮滅.三．實驗設(shè)備及儀器直流穩(wěn)壓電源.光敏電阻.相關(guān)信號處理單元。ＬＥＤ指示燈.四．注意事項ＬED指示燈需要接保護(hù)電阻,否則極易燒毀.晶體管放大電路中集電極不行與電源短接。五。實驗線路及原理光敏電阻是一種當(dāng)光照耀材料表面被汲取后，在其中激發(fā)載流子，使材料導(dǎo)電性能發(fā)生變化的內(nèi)光電效應(yīng)器件.當(dāng)加上肯定電壓后，光生載流子在電場的作用下沿肯定方向運動在電路中產(chǎn)生電流，達(dá)到光電轉(zhuǎn)換的目的。當(dāng)入射光的照度肯定時,電路中的電流與光敏電阻的偏置電壓存在肯定的關(guān)系。常用的光敏電阻測量電路有恒流電路和恒壓電路.LＥD驅(qū)動電路的相關(guān)知識見書本有關(guān)章節(jié)。六．實驗方法與步驟參考書本關(guān)于光敏電阻檢測（恒流/恒壓）電路,設(shè)計一電路，由實驗臺光源照度掌握LED指示燈的亮滅。直流穩(wěn)壓電源置Ｖ檔,光敏電阻探頭用專用導(dǎo)線一端連接后，插入照度實驗架上傳感器安裝孔，導(dǎo)線另一端插入面板上“光敏電阻Ti"插口。按預(yù)先設(shè)計的電路選擇合適電路元件搭建開關(guān)電路。將保護(hù)電阻和毫安表與LＥＤ串接，便于記錄LＥD中的電流大小.光強／加熱開關(guān)置5檔，開啟光強／加熱開關(guān).將光強/加熱開關(guān)逐步轉(zhuǎn)至4－1檔，記錄指示燈的亮滅情況填入下表光強(檔）０12345電流(mA）轉(zhuǎn)動光譜調(diào)整架測微頭使傳感器透光狹縫進(jìn)入光譜帶紅光一側(cè)。轉(zhuǎn)動測微桿,在光譜帶內(nèi)移動狹縫,注意ＬED指示燈的閃亮情況七。實驗報告內(nèi)容與要求繪制設(shè)計的光明電阻開關(guān)電路.實驗數(shù)據(jù)填入表格。八。思考掌握方式是否只有一種？不同的掌握方式靈敏度是否一樣?不同波長的光源對光敏電阻的光電特性是否有影響??實驗三光柵位移實驗一．實驗?zāi)康牧私夤鈻沤Y(jié)構(gòu)與位移測量的原理。二.實驗內(nèi)容利用光柵的光學(xué)放大原理測量微小位移.三.實驗設(shè)備及儀器光柵實驗?zāi)K.直流穩(wěn)壓電源。細(xì)分計數(shù)板。螺旋測微儀.示波器。四．實驗線路及原理光柵是由標(biāo)尺光柵和指示光柵組成的。光柵在本質(zhì)是指在光學(xué)玻璃上平行均勻地刻出的直線條紋。在標(biāo)尺光柵和指示光柵上，通常他們的線紋密度一樣,一般1０-1００線/毫米。圖3－1標(biāo)尺光柵和指示光柵把指示光柵平行放在標(biāo)尺光柵上面,再使兩者線紋之間形成一位小夾角，在光照過光柵時，在指示光柵上就會產(chǎn)生若干粗的明暗條紋，稱為莫爾條紋。當(dāng)指示光柵和標(biāo)尺光柵之間作相對左右移動時，莫爾條紋也作上下移動。假設(shè)莫爾條紋寬度是W，并按W/4處分別放置兩個光敏三極管，隨著指示光柵的移動,在光敏三極管中就感應(yīng)出和光線亮度相應(yīng)的電流。圖３－2光柵及莫爾條紋的形成顯見，指示光柵每移動一個柵距，則會使莫爾條紋移動一個紋距,而一個移距會在光敏三極管中產(chǎn)生一個周期的正弦波.對于50線光柵,每移動1/50mｍ的距離,則產(chǎn)生一個正弦波輸出。為了提高計數(shù)分辨率，通常對光柵輸出信號方波進(jìn)行四倍頻細(xì)分。對于移動一個柵距而形成TＰ1、TP２方波，在一個周期內(nèi),其信號幅值變化為：11→10→０0→01→11，或1０→11→01→0０→10，即每一周期有4個電平變化，利用D觸發(fā)器可獲得４個邊緣脈沖信號，若計數(shù)器是對這樣的邊緣脈沖計數(shù)，則將使光柵計數(shù)分辨率(精度)提高四倍.例如，采納50線光柵傳感器，經(jīng)過４倍頻電路后，計數(shù)分辨率將變成:1/50×1/４=５μｍ。? ?? 圖３－３光柵傳感器輸出方波五。實驗方法與步驟按實驗要求接線:光柵實驗?zāi)K和細(xì)分計數(shù)板的電源接直流穩(wěn)壓電源輸出，電源置V檔,螺旋測微儀與指示光柵固定，起始位置置０mm處.光柵輸出端子接細(xì)分計數(shù)板，細(xì)分計數(shù)板A（TP1）、B(TＰ2）端分別接示波器.檢查接線是否正確,打開電源開關(guān)。旋轉(zhuǎn)螺旋測微儀使指示光柵產(chǎn)生肯定量的位移，觀察細(xì)分計數(shù)板的C(ＴＰ３)、Ｄ(TP4）端的邊緣脈沖輸出結(jié)果,填入下表。位移(μm）０２550751０0150計數(shù)器(Ｃ端）5、按細(xì)分計數(shù)板清零鍵，將當(dāng)前顯示值清為0。0００狀態(tài)。6、螺旋測微儀起始位置置150μｍ，反向位移,重復(fù)第4步,記錄數(shù)據(jù)填入下表。位移(μｍ）150１00755０250計數(shù)器（C端)六.實驗報告內(nèi)容與要求填寫實驗數(shù)據(jù)表格。七．思考分析光柵的光學(xué)放大原理分析細(xì)分原理?實驗四面陣CCＤ電荷耦合器件應(yīng)用實驗--線徑測量一。實驗?zāi)康牧私怆姾神詈掀骷y徑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作特性.學(xué)會線徑測試儀的使用。二。實驗內(nèi)容CＣＤ線徑儀的使用。三.實驗設(shè)備及儀器成像傳感器及電子處理模塊。成像光學(xué)系統(tǒng).照明光源。螺旋測微儀.測量儀支架。機(jī)械調(diào)節(jié)器。電源適配器.ＵSB接口線。直流穩(wěn)壓源。測量軟件。計算機(jī)。四.實驗線路及原理光源從一端放射，照到被測量物體，通過光學(xué)系統(tǒng)在另一端成像（成像的精度由光學(xué)系統(tǒng)掌握，即調(diào)焦）.由于各物體在成像端的像與該被測物體的真實尺寸具有肯定的比例，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)件的測量，得出相應(yīng)的比例因子,這樣通過計算就能測出被測量物體的尺寸。五.實驗方法與步驟CCＤ測量儀主要在底座兩端分別支起光源支架和傳感器支架，光源支架上安裝有電源適配器和光源座，傳感器支架上安裝有傳感器盒和調(diào)焦環(huán)，并通過遮光筒將光源座和調(diào)焦環(huán)聯(lián)結(jié)起來。其簡略結(jié)構(gòu)參見圖４—１? ? ??圖4－1CCD線徑儀結(jié)構(gòu)圖電源適配器接±12V直流電源，用USB線連接測徑儀和計算機(jī)。開啟計算機(jī)測量程序。按“定標(biāo)”按鈕,在側(cè)量窗口插入標(biāo)準(zhǔn)具，調(diào)整調(diào)焦環(huán)至清楚成像。輸入標(biāo)準(zhǔn)具的標(biāo)稱量；取出標(biāo)準(zhǔn)具。按“開頭”按鈕，在測量窗口插入待測物件，調(diào)焦至清楚成像。按“暫停”按鈕使測量窗口顯示靜止，讀取測量數(shù)據(jù).按“連續(xù)”按鈕恢復(fù)測量窗口的動態(tài)顯示;按“結(jié)束”按鈕可以退出。選擇多個樣品,分別用螺旋測微儀和ＣＣＤ線徑儀進(jìn)行測量。六.實驗報告內(nèi)容與要求依據(jù)所選樣品，分別測量，記錄結(jié)果數(shù)據(jù),計算誤差。七．思考光學(xué)調(diào)焦的CＣＤ線徑儀的精度如何？?實驗五光電二極管、三極管特性實驗一。實驗?zāi)康牧私夤怆姸O管光電特性、伏安特性.了解光電三極管光電特性,當(dāng)光電管的工作偏壓肯定時，光電管輸出光電流與入射光的照度(或通量）的關(guān)系。二.實驗內(nèi)容分別測試光電二極管、三極管的光電特性和伏安特性。比較兩種器件的相同點和區(qū)分。三．實驗設(shè)備及儀器光電二極管.光電二極管變換單元。電壓表.光電三極管.光電三極管變換單元。四.注意事項為使實驗直觀，該實驗沒有在封閉的黑盒中進(jìn)行，所以具有肯定的外界因素干擾，實驗時請注意不要使正面干擾光較大，同時注意人員移動時的影響。因光電二極管產(chǎn)生的光電流比較小,為便于讀數(shù)，所以采納I／V變換器將光電流ILi轉(zhuǎn)換成電壓，其關(guān)系為:ILｉ=|V/Ｒf｜五．實驗線路及原理光電二極管是一種典型的光伏器件，用高阻P型硅作為基片,表面摻雜生長一層極薄的N型層(大約１μm),從而形成一很淺的表面ＰN結(jié),而空間電荷區(qū)較寬,所以保證大部圖５－１光電二極管測量電路分光子能夠入射到耗盡層內(nèi)。由光子激發(fā)的電子—空穴對在反向偏置電壓ＶBB作用下形成二極管的反向光電流。此光電流通過外加負(fù)載RL后產(chǎn)生電壓信號輸出。圖5－2光電三極管測量電路光電三極管是一種光生伏特器件，用高阻P型硅作為基片，然后在基片表面進(jìn)行摻雜形成ＰN結(jié)。Ｎ區(qū)集中得很淺為1um左右，而空間電荷區(qū)（即耗盡層）較寬，所以保證了大部分光子入射到耗盡層內(nèi).光子入射到耗層內(nèi)被汲取而激發(fā)電子—空穴對，電子—空穴對在外加反向偏置電壓VBＢ作用下，空穴流向正極,形成了三極管的反向電流即光電流。光電流通過外加負(fù)載電阻RL后產(chǎn)生電壓信號輸出。六.實驗方法與步驟直流穩(wěn)壓電源置Ｖ檔，光敏二極管探頭用專用導(dǎo)線一端連接后，插入照度實驗架上傳感器安裝孔，導(dǎo)線另一端插入面板上“光敏二極管Ti”插口。開啟光強開關(guān),并將光強/加熱開關(guān)置“5”檔，此時入射照度最大。在“光電二極管單元"如圖5-1接線，并在負(fù)載單元中選擇R＝__２00K＿作為Rf接入I/Ｖ變換器.關(guān)閉光強開關(guān)，登記電壓表的讀數(shù)(暗電流)，并將數(shù)據(jù)填入下表。隨后將光強／加熱開關(guān)置“１"檔。光強0１234５電壓（V）電流（Ｉ)（V／Rｆ)開啟光強開關(guān)，登記電壓表讀數(shù)，并逐步將“光強/加熱"開關(guān)轉(zhuǎn)換到“5”檔,登記每一檔的電壓表讀數(shù)并填入上表。作出照度-電流曲線(ＩLｉ＝V/Rf）.將光電二極管的“+"極與“｜”之間聯(lián)線拆去,在“+"極接入－4V電壓使光電二極管出負(fù)偏壓狀態(tài)。重復(fù)4－5過程，比較一下與零偏壓是有什么區(qū)分？開啟光強開關(guān)，并將光強/加熱開關(guān)置“5"檔,同時檢查加熱開關(guān)是否關(guān)閉，仍按圖５-1接線(零偏壓）。記錄下這時電壓表讀數(shù),并填入下表偏壓(Ｖ)0—４—6-8－10電壓(Vo）電流(｜Vo/Rf|）將光電二極管的“＋”極與“｜”之間聯(lián)線拆去，將“直流穩(wěn)壓電源”單元中“-Vo”端口與光電二極管“＋”極相連,給二極管加上偏壓。直流穩(wěn)壓電從-4V逐步調(diào)整至—1０V，記錄下每一步的電壓表讀數(shù)值.并填入上表。做出V-Ｉ曲線.將光強／加熱開關(guān)分別調(diào)至“４—3"檔，重復(fù)上述9—1２步，比較三條V-I曲線有什么不同?直流穩(wěn)壓電源置V檔，光敏三極管探頭用專用導(dǎo)線一端連接后，插入照度實驗架上傳感器安裝孔，導(dǎo)線另一端插入面板上“光電二極管Ｔｉ”插口。開啟電源及光強開關(guān)，并將光強/加熱開關(guān)置“5"檔,此時入射照度最大。同時檢查加熱開關(guān)是否關(guān)閉。在“光電三極管單元”如圖6-1接線，選擇Ｒe=_＿2０0Ω,Rb=2K。關(guān)閉光強開關(guān)，登記電流表的讀數(shù)（暗電流），并將數(shù)據(jù)填入下表。隨后將光強／加熱開關(guān)置“1"檔.光強012345電流（mA）開啟光強開關(guān),登記電流表讀數(shù)，并逐步將“光強／加熱”開關(guān)轉(zhuǎn)換到“５”檔，登記每一檔的電流表讀數(shù)并填入上表。作出照度—電流曲線.重復(fù)1-２步,記錄下這時電流表讀數(shù)，并填入下表V＋4V＋6Ｖ+8Ｖ+１0Ｖ＋12VＩ(mA）直流穩(wěn)壓電源從V逐步降至V,每隔一步記錄下電壓表讀數(shù)，并填入上表.作出V-I曲線.將光強／加熱開關(guān)分別調(diào)至“4-3”檔,重復(fù)上述7-9步，比較三條Ｖ－Ｉ曲線有什么不同？七。實驗報告內(nèi)容與要求填寫實驗數(shù)據(jù)表格。作出光電二極管不同檔位伏安特性曲線圖。作出光電三極管不同檔位伏安特性曲線圖。八.思考比較光電二極管、三極管的伏安特性曲線圖的不同之處。?實驗六光電池特性實驗一.實驗?zāi)康牧私夤怆姵氐墓怆娞匦?即短路電流及開路電壓與照度的關(guān)系.二。實驗內(nèi)容了解光電池的光電特性.了解光電池的光譜特性三。實驗設(shè)備及儀器光電池。光電池變換單元。照明光源.光譜調(diào)較支架.四．實驗線路及原理硅光電池在原理結(jié)構(gòu)上類似于光電二極管,其區(qū)分在于硅光電池用的襯底材料的電阻率低,約為0。1~０．01Ω.cm，而硅光電二極管襯底材料的電阻率約為１０00Ω。cm，光敏面從０。1Ω．cｍ2~１0Ω．cm２不等，光敏面積達(dá)則接收輻射能量多。輸出光電流大.五．實驗方法與步驟將光電池用專用導(dǎo)線連接后,插入照度實驗架上傳感器安裝孔,導(dǎo)線另一端插入面板上“光電池”插口。開啟電源及光強開關(guān)，并將光強／加熱開關(guān)置“５”檔,此時入射照度最大.同時檢查加熱開關(guān)是否關(guān)閉。在“光電池單元”如圖7－1接線.圖6—1光電池電流特性關(guān)閉光強開關(guān)，登記電流表的讀數(shù)(暗電流),并將數(shù)據(jù)填入下表.隨后將光強／加熱開關(guān)置“１"檔。光強０１2３４5電流（ｍＡ)開啟光強開關(guān)，并逐步將“光強/加熱”開關(guān)轉(zhuǎn)換到“5”檔，登記每一檔的電流表讀數(shù)并填入上表。作出照度—短路電流曲線.如圖7－2接線，做開路電壓試驗。關(guān)閉光強開關(guān)，登記電壓表的讀數(shù)，并將數(shù)據(jù)填