THSGD-1(安徽)实验指导书(光电检测)

目  录    1

实验一  发光二极管特性测试实验    2

实验二  光敏电阻的特性测试实验    3

实验三  光敏二极管的特性测量    5

实验四  光敏三极管的特性测量    8

实验五  硅光电池特性测试实验    10

实验六  透射式光电开关    12

实验七  反射式光电开关    13

实验八  光照度传感器测光照度实验    14

实验九  半导体激光器实验    16

实验十  光耦实验    18

实验十一  光电转速实验    19

实验十二  光调制解调    21

实验十三  热释电红外传感器检测实验    22

实验十四  PSD位置测量实验    23

实验十五  光纤温度传感器系统实验    24

实验十六  光纤位移传感器实验    26

实验十七  光纤压力传感器压力系统实验    28

实验一  发光二极管特性测试实验

一、实验目的

了解发光二极管的工作原理及基本特性。

二、实验仪器

电流表、光电器件/光开关实验模块、光功率/光照度计。

三、实验原理

某些半导体材料（如GaAs）形成的PN结正向偏置时空穴与电子在PN结复合产生特定波长的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙Eg有关。发光波长可由下式确定：

             (1-1)

式(1-1)中h为普朗克常数，c为光速。在实际的半导体材料中能级间隙Eg有一个宽度，因此发光二极管发出光的波长不是单一的，其发光波长宽度一般在25～40nm左右，随半导体材料的不同而有差别。

发光二极管输出光功率P与驱动电流I的关系由下式确定：

              (1-2)

其中，η为发光量子效率，Ep为光子能量，e为电子电荷常数。

从上式可见，输出光功率与驱动电流呈线性关系，当电流较大时由于PN结不能及时散热，发光效率降低，LED输出光功率趋向饱和。本实验用一个驱动电流可调的白色超高亮度发光二极管作为光源，驱动电流的调节范围为0～20毫安。

四、实验内容与步骤

１.如图1-1接线，将直流电流表和发光二极管串联接入LED“光源驱动”恒流源中，用专用连线连接硅光电池至光照度计。

图1-1  发光二极管特性测试实验接线图

２.光照度计选择“2000Lx”档（注意要调零），直流电流表选择“20mA”档。

３.将“电流调节”电位器逆时针旋到底，打开电源开关，顺时针旋转“电流调节”电位器，将电流表和光照度计的读数记入表1-1。

表1-1  发光二极管发光特性

1.根据表1-1的实验数据作出发光二极管的电流－光照关系曲线。

2.总结说明发光二极管的发光特性。

实验二  光敏电阻的特性测试实验

一、实验目的

1．了解光敏电阻的工作原理。

2．测量光敏电阻的光照特性。

二、实验仪器

恒流源、直流电流表、万用表、光电器件/光开关实验模块。

三、实验原理

光敏电阻的工作原理是光电导效应。在无光照时，光敏电阻具有很高的阻值，在有光照时，当光子的能量大于材料的禁带宽度，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，激发出电子-空穴对，使电阻降低。入射光越强，激发出的电子-空穴对越多，电阻值越低；光照停止后，自由电子与空穴复合，导电性能下降，电阻恢复原值。光敏电阻通常是用半导体材料CdS（硫化镉）或CdSe（硒化镉）等制成。图2-1为光敏电阻的原理结构示意图。

图2-1  光敏电阻原理结构图

它是由涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质构成，半导体上装有梳状电极。由于存在非线性，因此光敏电阻一般用在控制电路中，不适用作测量元件。

发光二极管输出光功率P与驱动电流I的关系由下式确定：，其中，为发光效率，为光子能量，为电子电荷常数。

由上式可知，输出光功率与驱动电流呈线性关系，因此本实验用驱动电流可调的发光二极管作为实验光源，来测量光敏电阻的光照特性。

四、实验内容与步骤

1．光敏电阻置于光电传感器模块上的暗盒内，其两个引脚引出到面板上。暗盒的另一端装有发光二极管，通过驱动电流控制入射光强大小，如图2-2所示。

图2-2  光敏电阻特性测量电路

2．连接实验台恒流源输出到光电器件/光开关实验模块驱动发光二极管，用实验台上的直流电流表测量LED驱动电流，用万用表的欧姆档测量光敏电阻阻值Rg，并将数据记录在表2-1中。

表2-1  光敏电阻与输入光强关系特性测量

1.简述光敏电阻的工作原理。

2.根据记录数据，作Rg-I曲线，并作简单的分析。

实验三  光敏二极管的特性测量

一、实验目的

1．了解光敏二极管的工作原理。

2．测量光敏二极管的光照特性、伏安特性。

二、实验仪器

恒流源、直流电流表、直流稳压电源、直流电压表、光功率/光照度计、光电器件/光开关实验模块。

三、实验原理

1．工作原理

光敏二极管是一种PN结半导体元件，它以高电阻系数P型硅（或锗）为基本材料制作基片，然后在基片上用扩散磷的方法形成N型光敏面，构成一个PN结，当具有比禁带能量大的光照射到PN结上时，半导体内电子受到激发，就产生出电子-空穴对。由于电场的作用，在耗尽层中产生的电子向N区漂移，空穴向P区漂移，并且扩散长度以内的电子、空穴也从PN结扩散到耗尽层，然后又在电场作用下，各自漂向N区和P区，如图3-1所示。结果就在P型层和N型层中产生了电荷积累，从而产生了电势，这就是光电效应。

图3-1  受光照的光敏二极管

这种电荷积累降低了PN结势垒，所以电子和空穴又会反方向移动，直到电压下降到某一值时就达到了平衡，这个电压值称为开路电压。将PN结两端的电极短路时所产生的电流称为短路电流，如图3-2所示。

图3-2  光敏二极管的伏安特性

2．伏安特性

光敏二极管在不同照度下的伏安特性曲线如图3-3所示。

从图中可以看出：

(1)当入射光强度增加时，通过光敏二极管的电流随之增加。这是由于入射光越强，激发的电子-空穴对越多。

(2)在零偏压时，仍有光电流输出。这是由于光电二极管存在光生伏特效应。

(3)在一定光强下，光电流随着电压的增大而增大，但很快饱和。这是由于在一定光强下，被激发的电子-空穴对浓度是一定的。

图3-3  光敏二极管的伏安特性曲线

光敏二极管在无光照条件下，若给PN结一个恰当的反向电压，则反向加强了内建电场，使PN 结空间电荷区拉宽，势垒增大，流过PN结的电流(暗电流)很小，它是由少数载流子的漂移运动形成的。

当入射光子在本征半导体的p-n 结及其附近产生电子—空穴对时，光生载流子受势垒区电场作用，电子漂移到n 区，空穴漂移到p 区。当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。其伏安特性是：

            (3-1)

式(3-1)中I为流过光敏二极管的总电流,为反向饱和电流，V为PN结两端电压，T为工作绝对温度，为产生的光电流。

四、实验内容与步骤

1．光照特性测量

如图3-4接线。注意：光敏二极管为反偏状态；电流表选择20uA档，测量前要调零，电压源首先调为3V。

（1）暗电流测量：打开电源，将恒流源的调节旋钮逆时针调到底，读取电流表的读数，即为光敏二极管的暗电流。暗电流基本为0uA，一般光敏二极管的暗电流小于0.1uA，暗电流越小，光敏二极管性能越好。

图3-4  光敏二极管光电流测量电路

(2)光电流测试：在图3-4接线的基础上，用专用连线连接硅光电池至光照度计（参考图1-1），选择合适的档位，并注意要调零。调节恒流源旋钮来增大LED光源的驱动电流，记录下光照度及光敏二极管的光电流，并将数据记录在表3-1中。

表3-1  光敏二极管的光电流和入射光的强度关系测量

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，调节恒流源使光照强度为某一恒定值，调节电压源（2~8V），测量流过光敏二极管的电流，并将数据记录在表3-2中。

表3-2  光敏二极管的光电流和偏置电压的关系测量

光电流uA

光照度（Lx）

偏压V

根据记录的数据，作光敏二极管光电流与入射光强的关系曲线。

实验四  光敏三极管的特性测量

一、实验目的

1．了解光敏三极管的工作原理。

2．测量光敏三极管的光照特性、伏安特性。

二、实验仪器

恒流源、直流电流表、直流稳压电源、直流电压表、光功率/光照度计、光电器件/光开关实验模块。

三、实验原理

光敏三极管是具有NPN或PNP结构的晶体管，是能够靠光的照射量控制电流的一种光电效应器件。当具有的光子能量（E=hv为普朗克常数，v为光频率）大于禁带能量（取决于材料）的光，照射到半导体PN结上时，价带电子就与入射光成正比地被激发到导带上，并在价带中留下空穴，生成电子-空穴对。这个电子-空穴对中电子向N区、空穴向P区扩散。当入射光照射到反向偏置的集电结上时，就产生了基极电流，再被放大倍（共发射极电流放大系数），成为光电流输出。

光敏三极管的结构如图4-1所示。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。

图4-1  光敏三极管的结构图

四、实验内容与步骤

1．光照特性测量

按图4-2接线，在图4-2接线的基础上，用专用连线连接硅光电池至光照度计（参考图1-1），选择合适的档位，并注意要调零。将可调电压源调至某一值（如3V），再调节恒流源，即调节LED的驱动电流，记录不同驱动电流时光敏三极管的电流，并将数据记录在表4-1中。

图4-2  光敏三极管特性的测量电路

表4-1  光敏三极管的光电流和入射光强的关系测量

缓慢调节恒流源的电流调节旋钮至某一值使光照度为一定值。再调节可调电压源，记录光敏三极管的电压和电流。

表4-2  光敏三极管的伏安关系测量

根据记录的数据，作出光敏三极管的伏安特性曲线和光照特性曲线。

实验五  硅光电池特性测试实验

一、实验目的

1．了解硅光电池的原理。

2．测量硅光电池的光照特性。

二、实验仪器

恒流源、直流电压表、直流电流表、光电器件/光开关实验模块。

三、实验原理

硅光电池主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的光照射下，释放出光电子的现象。当光照射半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。当外加偏置电压与结内电场方向一致，PN结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子-空穴对）。结区内的电子-空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向N区，空穴被拉向P区而形成光电流。当入射光强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。这种变化在入射光强度很大的动态范围内仍能保持线性关系。常用的硅光电池结构如图5-1所示。

图5-1  硅光电池结构图

四、实验内容与步骤

在光光电器件/光开关实验模块上，如图5-2所示接线。

图5-2  硅光电池特性测量电路

1.开路电压测量

打开实验台电源，接上电压表，选择合适的档位，顺时针旋转恒流源调节旋钮，记录下硅光电池的开路电压2.取下电压表连线接上电流表，选择合适的档位记录完以后再记录硅光电池短路电流。将数据填入表5-1。

表5-1  硅光电池光照特性测量

1．简述硅光电池的工作原理。

2．根据记录的数据，作驱动电流-开路电压、驱动电流-短路电流曲线，并对所得的曲线作出分析。

实验六  透射式光电开关

一、实验目的

1．了解透射式光电开关组成原理及应用。

2．了解光电开关在工业、光控制等方面的应用。

二、实验仪器

直流稳压电源、直流电压表、光电器件模块/光电开关实验模块。

三、实验原理

光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而最终控制输出的“开”“关”信号的器件。用光电开光检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高”“低”之分即可。

对射式光电开关大部分都做成开槽式，把一个光发射器(红外发光二极管)和一个光接收器(光敏晶体管)，分别装在槽的两侧，如图6-1所示。

图6-1  对射式光电开关示意图

发光器能发出红外光或可见光，在无阻挡情况下光接收器能接收到光。但有被检测的物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作，输出一个开关控制信号，控制负载产生人们要想达到的作用。

四、实验内容与步骤

1．将实验台上的+5V，GND分别接到实验模块的透射光开关部分，将U01 和GND接到直流电压表。

2．记下电压表的示数，然后用遮挡物挡住发射管发出的红外光，如图6-1，注意观察此时电压的变化。

3．重复步骤2的实验多次，总结出电压变化的规律。

五、实验报告

1．查资料了解光电开关在工业、光控制等方面的应用。

2．想一想能否利用透射式光电开关的功能，组建计数、计时等系统。

实验七  反射式光电开关

一、实验目的

1．了解反射式光电开关的工作原理。

2．了解光电开关在工业、光控制等方面的应用。

二、实验仪器

直流稳压电源、直流电压表、光电器件模块/光电开关实验模块

三、实验原理

光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而最终控制输出的“开”“关”信号的器件。用光电开光检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高”“低”之分即可。

反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，如图7-1。

图7-1  反射式光电开关

当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率较高时，直接反射式的光电开关是首选的检测模式。

四、实验内容与步骤

1．将实验台上的+5V，GND分别接到实验模块的反射光开关部分，将U01和GND接到直流电压表。

2．记下电压表的示数，然后用反射面（如镜片、硬币等）将光反射，如图7-1，调节反射面与光电开关间的距离，注意观察电压的变化。

3．重复步骤2的实验多次，总结出电压变化的规律。

五、实验报告

1．查资料了解光电开关在工业、光控制等方面的应用。

2．想一想能否利用反射式光电开关的功能，组建计数、计时系统等。

实验八  光照度传感器测光照度实验

一、实验目的

1．了解光电测量系统的组成。

2．学习光照度测量的原理和方法。

二、实验仪器

光照度计、光照度探测器、光照度计连接线、台灯（安装卤素灯）

三、实验原理

1．光照度(Ev)是光度学中的一个基本物理量，和辐射度学中的辐射照度(Ee)物理量相对应。光照度：接收面上单位面积所接收的辐射通量。光照度的单位是勒克斯（lx），它相当于1lm的光通量均匀地照射在1m2面积上所产生的光照度。

2．光电测量系统

光是人们最熟悉的物质。广义上讲，指的是光辐射，按波长可以分为X射线、紫外辐射、可见光和红外辐射。而从狭义上讲，人们所说的“光”指的就是可见光，即对人眼能产生目视刺激而形成“光亮”感的电磁辐射。可见光的波长范围是380～780nm。

光电测量系统的典型配置如图8-1所示，包括辐射源（或光源）、信息载体、光电探测器和信号处理装置。

图8-1  光电测量系统

3．光电探测器

光电探测器包括真空光电器件和固体光电器件。本实验装置主要研究固体光电器件。固体光电器件又分为半导体光电导器件和半导体结型光电器件，本实验中探测器用半导体结型光电器件PN23CV。

（1）半导体光电导器件

半导体光电导器件是利用半导体材料的光电导效应制成的光电探测器件。光电导效应是表示半导体材料（或器件）受到光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料（或器件）电导率增大。光电导效应属于内光电效应，最典型的光电导器件是光敏电阻。

（2）半导体结型光电器件

半导体结型光电器件是利用光生伏特效应来工作的光电探测器件。光生伏特效应是一种内光电效应，当光子激发时能产生一个光生电动势，当两端短接时能得到短路电流。这种效应是基于两种材料相接触形成内建势垒，光子激发的光生载流子被内建电场扫向势垒两边，从而形成了光生电动势。结型光电器件按结的种类不同，可分为PN结型、PIN结型和肖特基结型等，属于这一类的光电器件很多，有光电池、光电二极管、光电三极管等。

四、实验内容与步骤

注意：在此实验过程中光照度探测器的四位编号应当与位于实验台右边的双联插座上边贴的条形码的后四位编号一致。

1.测量环境光光照度

（1）打开实验装置总电源，电源指示灯亮。

（2）如图8-2接线。用光照度计连接线将光照度计探测器接至光照度计输入，将其调零。调零方法为：选择合适的档位，用手捂住光照度探测器，使其几乎没有光照，调节光照度计调零旋钮，使数显框为零。

（3）调整光照度计探测器角度，使探头有效地接收实验室内光线辐射。

（4）改变光照度计探测器角度，观察观察光照度变化（注意：要及时换挡，光照度超过量程时显示为1）。

2.测量台灯光照度

（1）打开实验装置总电源，电源指示灯亮。

（2）如图8-2接线。用光照度计连接线将光照度计探测器接至光照度计输入，将其调零。调零方法为：选择合适的档位，用手捂住光照度探测器，使其几乎没有光照，调节光照度计调零旋钮，使数显框为零。

（3）打开台灯电源，调整光照度计探测器角度，使探头有效地接收台灯发出的光线。

（4）改变台灯离光照度探测器的的距离，观察光照度变化（注意：要及时换挡，光照度超过量程时显示为1）。

图8-2  环境光/台灯光照度测量接线图

五、实验报告

1．阐明光照度测量的原理和方法。

2．整理实验结果，写出心得体会。

实验九  半导体激光器实验

一、实验目的

1．了解半导体激光器的工作原理及基本特性。

2．学习激光光功率测量的原理和方法。

二、实验仪器

半导体激光器、光功率计探测器、光功率/光照度计、电源适配器。

三、实验原理

激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成，如图9-1。常用的泵浦源是辐射源或电源，利用泵浦源能量将工作物质中的粒子从低能态激发到高能态，使处于高能态的粒子数大于处于低能态的粒子数，构成粒子数的反转分布，这是产生激光的必要条件。处于这一状态的原子或分子称为受激原子或分子。

当高能态粒子从高能态跃迁到低能态而产生辐射后，它通过受激原子时会感应出同相位同频率的辐射。这些辐射波沿由两平面构成的谐振腔来回传播时，沿轴线的来回反射次数最多，它会激发出更多的辐射，从而使辐射能量放大。这样，受激和经过放大的辐射通过部分透射的平面镜输出到腔外，产生激光。

图9-1  激光器工作原理图                      图9-2  GaAs半导体激光器结构图

1．半导体激光器的工作原理

半导体激光器的工作物质是半导体材料。它的原理与发光二极管没有太多差异，P-N结就是激活介质，如砷化镓同质结二极管激光器的结构，两个与结平面垂直的晶体解理面构成了谐振腔，如图9-2。P-N结通常用扩散法或液相外延法制成。当P-N结正向注入电流时，则可激发激光。

半导体激光器光输出-电流特性如图9-3所示，其中受激发射曲线与电流轴的交点就是该激光器的阈值电流，它表示半导体激光器产生激光输出所需的最小注入电流。阈值电流还会随温度的升高而增大。阈值电流密度是衡量半导体激光器性能的重要参数之一，其数值与材料、工艺、结构等因素密切相关。

图9-3  半导体激光器输出-电流特性

根据材料与结构的不同，目前半导体激光器的发射光波长为0.33um～44um。半导体激光器体积小、重量轻、效率高，寿命超过一万小时，因此广泛应用于光通信、光学测量、自动控制等方面，是最有前途的辐射源之一。

2．半导体激光器的特性                

（1）单色性

普通光源发射的光，即使是单色光也有一定的波长范围。这个波长范围即谱线宽度，谱线宽度越窄，单色性越好。

（2）方向性

普通光源的光是均匀射向四面八方，因此照射的距离和效果都很有限，即使是定向性比较好的探照灯，它的照射距离也只有几十公里。半导体激光器的方向性一般用光束的发射角表示，一般为5°～10°。

（3）亮度

半导体激光器由于发光面小，发散角小，因此可获得高的光谱辐亮度。用半导体激光器代替其它光源可解决由于弱光照明带来的低信噪比问题，也为非线性光学创造了前提。

（4）相干性

由于半导体激光器的发光过程是受激辐射，单色性好，发射角小，因此有很好的空间和时间相干性。半导体激光器的出现使相干计量和全息术获得了性变化。

四、实验内容与步骤

注意：在此实验过程中光功率探测器的四位编号应当与位于实验台右边的双联插座上边贴的条形码的后四位编号一致。

半导体激光器特性测试实验中激光光功率测量原理图，如图9-4。

图9-4  激光光功率测量原理图

实验步骤如下：

1．打开实验装置总电源，电源指示灯亮，将光功率计探测器接至光功率计输入，将其调零。调零方法为：选择合适的档位，用手捂住光功率探测器，使其几乎没有光照，调节光功率计调零旋钮，使数显框为零。 

2．将电源适配器从实验装置侧面接上AC220V电源，插头接至半导体激光器探测器，半导体激光器亮。

3．调节半导体激光器方向和光功率计高度，使半导体激光器发射出的光照射到光功率计探测器的部分。

4．光功率计选择合适量程（一般选择2mw或20mw档），测量不同距离时的激光光功率。

五、实验注意事项

1．光功率计探头采用精密光电传感器，注意保护。

六、实验报告

1．阐明激光光功率测量的原理和方法。

2．整理实验结果，写出心得体会。

实验十  光耦实验

一．实验目的

1.、了解和掌握光耦基本知识及工作原理

二、实验仪器

恒流源、直流电流表、电压表、恒压源、万用表、光电器件/光开关实验模块。

三、实验原理

光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦，如图10-1。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。

光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。

图10-1  光耦示意图

四、实验内容与步骤

1.将光电器件/光开关实验模块中的发光二极管接到恒流源中，万用表电阻档接光敏电阻两端，通过改变恒流源电流大小，来改变发光二极管光照度使光敏电阻阻值在2k左右，如图2-2。

2.不要改变恒流源的大小，然后将光耦的输入和发光二极管串联在恒流源上，如图10-2接线。Uo和GND接电压表20V档，记录输出的电压。

图10-2  光耦实验连线图

3.图10-2中不要接恒流源，Uo和GND接电压表20V档，记录输出的电压。

五、实验报告

1.简述光耦的原理，了解光耦的应用。

2.对光耦实验连线图的原理做简单的分析。

实验十一  光电转速实验

一、实验目的

1．了解对射式光电开关、反射式光电开关测速的原理。

2．熟悉对射式光电开关、反射式光电开关测速的方法。

二、实验仪器

直流稳压电源、频率/转速表、光电开关实验模块

三、实验原理

1．对射式光电开关测速

传感器端有发光管和接收管，发光管发出的光源通过转盘上的孔透射到接收管上，并转换成电信号，由于转盘上有等间距的6个透射孔，转动时将获得与转速及透射孔数有关的脉冲，将电脉计数处理即可得到转速值。

2．反射式光电开关测速

传感器端有发光管和接收管，发光管发出的光被转盘上的圆形金属片反射至接收管，并转换成电信号，由于转盘上有等间距的6个金属片，转动时将获得与转速及金属片个数有关的脉冲，将电脉计数处理即可得到转速值。

四、实验内容与步骤

1．对射式光电开关测速

光电传感器已安装在转动源上，如图11-1所示。实验台上的+5V电源接到光电转速传感器检测装置，光电输出接到频率/转速表的“f/n”输入端。

图11-1对射式光电测速安装示意图

打开实验台电源开关，用不同的电源驱动转动源转动，记录不同驱动电压对应的转速，填入表11-1。             

表11-1  电机驱动电压-转速关系测量

光电传感器已安装在转动源上，如图11-2所示。实验台上+5V电源接到光电转速传感器检测装置，光电输出接到频率/转速表的“f/n”输入端。

打开实验台电源开关，用不同的电源驱动转动源转动，记录不同驱动电压对应的转速，填入表11-2。

表11-2  电机驱动电压-转速关系测量

图11-2反射式光电测转速安装示意图

五、实验报告

根据测得的驱动电压和转速关系数据，分别作V-n曲线，比较两种曲线。

实验十二  光调制解调

一、实验目的

1．了解光调制解调的原理。

2．掌握脉冲信号、声音信号的调制解调方法。

二、实验仪器

直流稳压电源、正弦函数信号发生器、光电调制解调实验模块、光电器件/光开关实验模块。

三、实验原理

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（如数字信号、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。本实验用的是脉冲调制和音频调制。

四、实验内容与步骤

光电调制解调实验模块面板，如图12-1所示。

图12-1  光电调制解调实验模块面板图

1．脉冲调制

将光电调制解调实验模块中脉冲输出和信号输入用导线相连，发射LD、接收Rm分别与光电器件/光开关实验模块上的发光二极管和光敏电阻相连，从实验台引入各直流电源。

打开电源，脉冲输出LED灯亮。按动按钮触发脉冲，脉冲输出LED灯闪，接收端扬声器发声。调节电位器RW1、RW2观察扬声器发声的变化情况。

2．音频调制

将光电调制解调实验模块中信号输入与实验台上的正弦函数信号发生器相连，模拟声音信号，发射LD、接收Rm分别与光电器件/光开关实验模块上的发光二极管和光敏电阻相连，从实验台引入各直流电源。

打开电源，调节正弦函数信号发生器的信号频率和幅度，接收端扬声器会发出不同频率、不同大小的声音。调节电位器RW1、RW2观察扬声器发声的变化情况。

五、实验报告

描述脉冲电光调制和声光调制解调现象并分析。

实验十三  热释电红外传感器检测实验

一、实验目的

1．了解热释电式红外传感器的基本原理。

2．理解热释电式红外传感器的应用电路。

二、实验仪器

直流稳压电源、红外传感器实验模块

三、实验原理

当已极化的热电晶体薄片受到辐射热时，薄片温度升高，极化强度下降，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(居里温度)时，自发极化突然消失。不再释放电荷，输出信号为零,见图13-1。

图13-1  热释电效应

因此，热释电传感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i。

其中A为面积，P为热电体材料热释电系数，是温度的变化率。

特点：当入射辐射为恒定辐射时，热释电传感器不响应，只能脉冲辐射工作。

四、实验内容与步骤

1．将红外线传感器实验模块中比较器输出和报警电路输入相连，接上5V、GND；

2．打开实验台电源，手在红外热释电传感器附近晃动时，传感器有微弱的电压变化信号输出，经电压放大后，可以检测出较大的电压变化，再经电压比较器控制报警电路，指示灯点亮，蜂鸣器响。观察这个现象过程。

五、实验报告

1．介绍热释电红外传感器的原理。

2．分析信号放大电路、比较器电路、报警电路。

实验十四  PSD位置测量实验

一、实验目的

   了解PSD位置传感器的基本原理和特性。

二、实验仪器

   PSD传感器模块,±15V直流稳压电源

三、实验原理

PSD（Position Sensitive Detector）传感器是一种能检测起表面光点位置的位置传感器。由一个具有均匀表面阻抗的PIN光电二极管构成，其剖面结构如下图所示： 

图14-1  PSD位置传感器原理结构图

由图可看出，PSD位置传感器分三层：P层、I层和N层。当有如射光照射到P层表面，在入射点产生与光的入射强度成正比的光电流。因为P层的阻抗系数一定，输出光电流的大小与入射点和输出电极之间的距离成反比。光电流i1与i2之间有如下关系：

其中，Xa为入射点到起始点的距离，Xb为入射点到PSD中心点的距离。

四、实验内容与步骤

1．将点光源驱动输出接PSD位移传感器上的点光源，调节电位器Rw1使电光源驱动最大，接入±15V直流稳压电源。

2．打开实验台电源，调节测微头，使减法器的输出为零，调节电位器Rw3，使PSD位移传感器的输出Uo为零。

3．逆时针旋转螺旋测微头，每隔0.25mm记录一次PSD位移传感器模块的输出Uo，直到Uo输出无明显变化。顺时针旋转螺旋测微头，每隔0.25mm记录一次PSD位移传感器模块的输出Uo，直到Uo输出无明显变化。

表14-1  PSD位置测量实验记录表

根据实验测得的数据，计算PSD位置传感器测量位移的非线性误差。

六、注意事项

PSD传感器的有效量程8mm，超过量程测量的数据是没有意义的

实验十五  光纤温度传感器系统实验

一、实验目的

1.了解光纤温度传感器的基本原理和特性。

2.理解半导体的光透射率特性。

3.了解用Pt100测温度。

二、实验仪器

光纤温度传感器实验模块、±15V直流稳压电源、电压表、万用表

三、实验原理

1、测温原理

光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而被广泛使用的光纤传感器。根据它的工作原理可以分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。我们介绍一种光强调制型的半导体光吸收型光纤传感器。

当一定波长的光通过半导体材料时，主要引起的吸收是本征吸收，即电子从价带激发到导带引起的吸收。对直接跃迁型材料，能够引起这种吸收的光子能量hv必须大于或等于材料的禁带宽度Eg。

式中，h为普朗克常数，v是频率。从式中可看出，本征吸收光谱在低频方向必然存在一个频率界限，当频率低于时不可能产生本征吸收。一定的频率对应一个特定的波长，λg=c／，称为本征吸收波长。

根据固体物理理论，直接跃迁型半导体材料GaAs的吸收波长是随着温度的变化而变化的。图15-1所示是GaAs的透射率随温度变化的示意图。当温度升高时，本征吸收波长变大，透射率曲线向长波长方向移动，但形状不变；反之，当温度降低时，本征吸收波长变小，透射率曲线保持形状不变而向短波长方向移动。当光源的光谱辐射强度不变时，GaAs总透射率就随其温度发生变化，温度越高，总透射率越低。通过测量透过GaAs的光的强弱即可达到测温的目的。通过研磨抛光将GaAs加工成很薄的薄片，其入射光和出射光用光纤耦合，这就是半导体吸收式光纤温度传感器的基本原理。

1—光源光谱光分布

2—吸收边沿透射率f(λ,T)

λ

图15-1  GaAs的透射率随温度变化的示意图

2、光纤温度传感器结构原理

图15-2为光纤温度传感器结构原理图。传感器有有半导体光吸收器GaAs、光纤、加热丝、Pt100、发射端、接收端和信号处理系统等组成的。

在实验时我们用加热丝对加热块进行加热，加热到一定温度时停止加热。在降温过程中，测量Pt100的阻值，通过用热电偶热电阻分度表来得到加热块不同时刻温度T，测得对应输出电压Uo，通过做Uo-T曲线，来实现对光纤温度传感器的标定1—光源光谱光分布

2—吸收边沿透射率

。

图15-2光纤温度传感器结构原理图

四、实验内容与步骤

1．将加热电源接到+15V，GND上，万用表的200欧姆档接Pt100的红绿两端；

2.打开实验台电源，当加热到一定温度，即Pt100的阻值上升到一定值(如134.71Ω)时去掉加热电源线，停止加热（说明：Pt100的电阻值温度在0℃时为100Ω，阻值随温度变化增大，增加大约为3.9Ω/10℃）；

3．模块的+15，-15，GND接上面板的电源，输出接电压表，调节电位器Rw使电压表输出显示为零。用万用表的欧姆档测量Pt100的阻值，通过分度表查出对应温度，记录下对应的Uo，填入表15-1。

表15-1  R、Uo及对应温度记录表

1.根据记录的数据，作输出电压Uo-对应温度T曲线。

2.对所得的曲线作出分析，说明输出电压与对应温度的关系。

3.对光纤温度传感器进行简单的标定。

4.查资料了解Pt100分度表。

实验十六  光纤位移传感器实验

一、实验目的

1.了解反射式光纤位移传感器的原理。

2.熟悉反射式光纤位移传感器测量位移的方法。

3.学会确定光纤位移传感器大致的线性范围的方法。

二、实验仪器

直流稳压电源、直流电压表、光纤位移传感器模块、Y型光纤传感器、测微头（千分尺）、反射面

三、实验原理

反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理如图16-1所示：光纤采用Ｙ型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射面，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接收到的光源与反射体表面的性质及反射体到光纤探头的距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射面时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。

图16-1  反射式光纤位移传感器原理

四、实验内容与步骤

1．光纤传感器的安装如图16-2所示，将Y型光纤安装在光纤位移传感器实验模块上。探头对准镀铬反射板，调节光纤探头端面与反射面平行，距离适中。固定测微头。接通电源预热数分钟。

图16-2  反射式光纤位移传感器安装示意图

2．将测微头起始位置调到14mm处，手动使反射面与光纤探头端面紧密接触，固定测微头。

3．从实验台接入±15V、GND电源，打开实验台电源开关。

4．将模块输出“Uo”接到直流电压表（20V档），仔细调节电位器Rw使电压表显示为零。

5．旋动测微器，使反射面与光纤探头端面距离增大，每隔0.1mm读一次输出电压Ｕ值，填入表16-1中。

表16-1  光纤测距位移-电压关系测量

根据所得的实验数据，确定光纤位移传感器大致的线性范围，并给出其灵敏度和非线性误差。

实验十七  光纤压力传感器压力系统实验

一、实验目的

   了解光纤压力传感器的基本原理和特性。

二、实验仪器

   光纤压力传感器模块、±15V稳压电源

三、实验原理

   这里采用的光纤压力传感器的原理和光纤位移传感器的原理是一样的，在光纤位移传感器的探头前加一个膜片构成。其结构如图17-1所示，光源发出的光经发射光纤传输并投射到膜片的内表面，反射光由接收光纤接收并传会光敏元件。与位移传感器不同的是，这里膜片位移的微小变化是在压力的作用下由膜片产生的挠曲而引起的，当膜片的位移发生变化，则输出信号也发生变化。

图17-1  光纤压力传感器原理结构图

四、实验内容与步骤

1．将光纤压力模块上气室上的导气软管拔出，逆时针旋转气室的活塞旋钮，使气室内的空腔体积最大，插上导气软管。

2．光纤传感器的发射光纤和接收光纤插到光纤压力传感器的发射接收管座内，输出Uo接直流电压表20V档。将±15V直流稳压电源接入光纤压力传感器模块。打开实验台电源。

3．调节电位器Rw1使光纤压力模块的输出Uo为零（调节过程中不要触碰光纤压力传感器或者振动实验模块），顺时针旋转气室的活塞旋钮，逐渐增大气室内的压力，使压力显示表显示为0.1MPa，调节电位器Rw2，使光纤压力模块的输出Uo为5V。

4．逆时针旋转气室的活塞旋钮，逐渐减小气室内的压力，每隔0.005MPa记录一次光纤压力模块的输出Uo。

5．顺时针旋转气室的活塞旋钮，逐渐增大气室内的压力，每隔0.005MPa记录一次光纤压力模块的输出Uo。

表17-1  光纤压力传感器压力测量实验记录表

根据表17-1测得的数据，计算光纤压力传感器的非线性误差和迟滞误差。