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1、目录仪器说明（仪器使用前请详阅本章）3一实验工作台部分3二信号源及仪表显示部分3三处理电路部分4四实验操作须知15实验内容16实验一光敏电阻特性实验实验三光敏二极管特性实验实验十光纤位移传感器特性实验实验十一光纤位移传感器位移测量实验十四光电耦合式传感器转速测量实验十六热释电红外传感器特性实验实验十七热释电红外传感器人体探测实验十八 PSD光电位置传感器位移测量附录仪器工作台布局图光电传感实验原理仪 器 说 明（仪器使用前请详阅本章）KYCSY10G型光电传感器系统实验仪是为了满足现代光电传感器实验教学课程所需而研制的实验仪器，它集各经典与新型光电传感器件、被测体、信号源、仪表显示、处理电路、
2、信号采集与处理及实验所需的温度源、位移、光源、旋转装置等机构中于一体，可以方便地对各光电器件进行光电特性、光照特性、温度特性、光频特性、伏安特性及应用演示等二十四种实验，并可根据实验原理自主开发出更多的实验内容。本实验系统主要由实验工作台、信号源及仪表显示、处理电路、数据采集及处理、图象采集与数字处理五部分组成。一实验工作台部分：位于实验仪的顶部，装配了实验所需的各种光电器件、温度源、光源、旋转装置、位移平台、各种支架等。（详见附录二仪器工作台布局图）光敏电阻：CdS材料制成的半导体光电导器件，其电阻值随光照强度从nM至nK；光敏二极管：由具有光敏特性的PN结制成的光生伏特器件，不同材料的光敏
3、二极管具有不同的光谱范围；光敏三极管：具有NPN或PNP两种结构的半导体光生伏特器件，引出两个电极，较之光敏二极管具有更高的灵敏度；红外接收管：对红外光敏感的光电器件；光电池：根据光生伏特效应原理制成的半导体PN结光电器件，光谱响应范围在50100m波长之间；光断续器：透过型的红外发射接收器件；光纤位移传感器：导光型近红外发射接收传感器，可测量位移、转速、振动等，连接于仪器下方大面板的光纤入口处，多模光强型，量程2mm，在其线性范围内精度5%；PSD光电位置传感器：一维半导体式光点位置敏感器件，测试范围25mm，灵敏度0.01mm，精度1%；CCD电荷耦合图像传感器：物体轮廓与图像监测，光敏面
4、尺寸4mm3.5mm；10热释电红外传感器：光谱响应715m，光频响应0.510Hz,探测距离5m；11光栅传感器：光栅衍射及光栅距测试、光栅莫尔条纹精密位移测试；二信号源及仪表显示部分：直流稳压电源：12V提供仪器处理电路温度源的工作电源，最大输出1.5A，2V10V，档距2V，分五档输出，提供直流信号源，最大输出电流1.5A；温度源：直流电加热器，温升100；光源：12V安全电压，高亮度卤钨灯，各色高亮度LED发光管及激光光源；位移装置：位移范围25mm,精度10m；测速电机：转速02400转/分；慢速电机：控速电机及遮热叶片组成；数字式电压/频率表：3 1/2位显示，分2V、20V、2K
5、Hz、20KHz四档，灵敏度50mV，频率显示5Hz20KHz；微安表：0100A，精度42.5%；试件插座：位于光电器件板上，可供实验者插入随机所带附件中提供的光电器件进行实验比较，光电器件板上的传感器与仪器下部面板上的传感器接口处的接线端是相通的，实验时传感器接线可从下部面板端口引出，另外“光敏电阻”、“光电池”、“光敏二极管”、“发光二极管”与试件插座相并接，“光敏三极管”与“红外接收”相并联，“发光二极管”与“红外发射”相并联，实验时接入的其他试件可插入试件插座，也可插入相关传感器的备用插座；三处理电路部分：实验选配单元：实验者可利用仪器提供的电源、电位器、三极管、部分光电器件、仪表及
6、实验连接线组成光电器件的光谱、照度、伏安特性等测试电路。光敏灯控电路：由光敏电阻作光电敏感器件的照明灯自动控制电路，由光照强度来决定是否灯亮。光敏管亮灯控制电路：由光敏二极管、光敏三极管作光电敏感器件的照明灯自动控制电路，由光照强度来决定是否灯亮。光耦合器处理电路：通过光电耦合式传感器将光信号转换为脉冲信号，并可通过仪表直接显示。PSD光电位置处理电路：PSD光电位置传感器产生的电信号经过运放、滤波等处理，使其更加线性，便于测量。光纤变换电路：提供光纤传感器红外发射、接收、稳幅、变换，输出模拟信号电压与频率变换方波信号，四芯航空插座上装有光电转换装置和由两根多模光纤（一根接收，一根发射）组成的
7、光强型光纤传感器。热释电红外探测电路：热释电红外传感器产生的电信号经过三级运放、滤波等处理，使其更加线性，便于测量。红外检测电路：将红外接收管转换的电信号进行放大、滤波，转化为便于仪表测量的信号。四实验操作须知：使用本仪器前，请先熟悉仪器的基本状况，对各传感器激励信号的大小、信号源、显示仪表、位移及旋转装置的工作范围做到心中有数，仪器面板上的纽子开关都应选择好正确的倒向，实验时，传感器接入光电转换/处理电路相应的传感器接口，（按照传感器与处理电路的相应图形对应接入即可）按照实验内容正确操作，确认无误后开启电源。实验者可利用仪器提供的试件插座和实验方法对相同种类不同型号的光电传感器进行性能测试比
8、较，实验选配单元中的可变电阻可用在光敏器件的测试电路中，具体阻值在实验中应由万用表，尤其是在做伏安特性、光照特性等实验时。实验操作时，在用实验连接线接好各系统并确认无误后方可打开电源，各信号源之间严禁用连接线短路，如开机后发现信号灯、数字表有异常状况，应立即关机，查清原因后再进行实验，请注意当高亮度光源打开时对仪器有一定的干扰，特别是在小信号数据采集时应避免开灯，光源灯头及电源线接头应注意保持接触良好。请按照说明安装好图像捕捉卡及实验软件，安装图像卡时计算机内不能有其它图像卡驱动程序，否则要引起文件冲突，按照安装说明正确安装图像卡的驱动程序和应用程序，正确进行选项设置，视频源的制式一定要选为“
9、PAL_B”，这样才能获得清晰稳定的图像，在详细了解了实验软件内容和操作方法后进行实验，图像卡的视频线及数据采集卡的通信线务请连接正确。请特别注意，固体激光器电源插头（3V电压供电）不能插入CCD电源的插孔（12V供电），否则会烧坏激光器，光电实验仪器在实验时应注意背景光的影响，必要时许多实验都应在暗光下进行。本实验仪为教学实验用仪器，而非测量用仪器，各传感器在其工作范围内有一定的线性和精度，但不能保证在整个信号变化范围都是呈线性变化，限于实验条件，有些实验只能作为定性演示，能完成实验指导书中的实验内容，则整台仪器正常。本仪器需防尘，以保证实验接触良好，仪器正常工作环境温度-1040。实验一
10、光敏电阻特性实验一实验目的：了解光敏电阻的工作原理。掌握使用本仪器测定光敏电阻的各种特性。了解从实验曲线中获取物理特性的方法。二实验原理：利用具有光电导效应的半导体材料制成的光敏传感器叫光敏电阻，又称为光导管，是一种均质的半导体光电器件,其结构如图（1）所示，光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积,提高灵敏度。光敏电阻应用得极为广泛，可见光波段和大气透过的几个窗口都有适用的光敏电阻，利用光敏电阻制成的光控开关在日常生活中随处可见，当内光电效应发生时，光敏电阻电导率的改变量为： 图（）在上式中，e为电荷电量，为空穴浓度的改变量，为电子浓度的改变量，表示迁移率，当两端
11、加上电压U后，光电流为：式中A为与电流垂直的表面，d为电极间的间距。在一定的光照度下，为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。 光敏电阻在未受到光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流，光敏电阻受到光照射时的阻值称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流，亮电流与暗电流之差称为光电流，一般暗电阻越大，亮电阻越小，光敏电阻的灵敏度越高，光敏电阻的暗电阻一般在兆欧数量级，亮电阻在几千欧以下，暗电阻与亮电阻之比一般在102106之间。一般光敏电阻（如硫化铅、硫化铊）的伏安特性曲线如图（2）所示，由该曲线可知，所加的电压越高，光电路越大，而且没有饱和现象，在给定的电压下，光电流的数值将隋光照增强而
12、增大，在设计光敏电阻变换电路时，应使光敏电阻的工作电压或电流控制在额定功耗线之内。图（）光敏电阻伏安特性曲线光敏电阻的光电流与光照强度之间的关系，称为光敏电阻传感器的光照特性，不同类型的光敏电阻，其光照特性也不同，多数光敏电阻传感器光照特性类似于图（3）的特性曲线，光敏电阻的光照特性呈现出一定程度的非线性特性，光敏电阻的光照度电阻值的典型特性曲线如图（4）所示，低照度a区曲线斜率较大，中间照度区b区可近似视为直线区，也是光敏电阻的主要工作区，因而光电流随光照度增长较快，在高照度区，电阻值随照度下降慢，光电流随照度增长也变慢。 图（）光敏电阻光照特性曲线 图（）光敏电阻照度电阻特性曲线几种常用光
13、敏电阻的光谱特性曲线如图（5）所示，对于不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。从图中可以看出，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域。因此，在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果。图（）光敏电阻光谱特性曲线当光敏电阻元件温度升高时，光敏电阻的阻值会下降，并且暗电阻比亮电阻下降更多。环境温度对低照度时电阻值的影响比在高照度时影响更大，因此，当环境温度升高时，光敏电阻的亮电阻与暗电阻之差值会减小，这意味着光敏电阻的光电流会有所降低，图（6）示出了CdS光敏电阻在光照度一定时光电流与环境温度的关系曲线，可以看出环境温度上升时CdS光敏电阻的光电流会有所下
14、降。图（）光敏电阻温度特性曲线三实验所需部件:直流稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元）、数字电压频率表、各种光源、遮光罩、固体激光器、光照度计（自备或选配）四实验步骤:.测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻并计算光电阻，观察光敏电阻的结构,用遮光罩将光敏电阻完全掩盖,用万用表欧姆档测得的电阻值为暗电阻暗,移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的电阻值为亮电阻亮，暗电阻暗与亮电阻亮之差为光电阻光，光电阻越大，则光敏电阻灵敏度越高。然后在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻，试作性能比较分析。图（）发光管连接电路图（）光敏电阻测量电路.测试光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流，按照图（8）接线，分别在
15、暗光及环境光照射下测出输出电压暗和亮，电流暗=暗/,亮电流亮=亮/，亮电流亮与暗电流暗之差称为光电流光，光电流越大则灵敏度越高。. 光敏电阻的伏安特性测试，按照图（8）接线，电源可从直流稳压电源212V间选用，每次在一定的光照条件下，测出当加在光敏电阻上电压 为+2V、+4V、+6V、+8V、+10V、+12V时电阻R两端的电压U，和电流I，同时计算出此时光敏电阻的阻值，并填入以下表格，根据实验数据画出光敏电阻的伏安特性曲线。光敏电阻伏安特性测试数据表（暗光）工作电压2V4V6V8V10V12VU（V）I（mA）R光（）光敏电阻伏安特性测试数据表（正常环境光照）工作电压2V4V6V8V10V1
16、2VU（V）I（mA）R光（）光敏电阻伏安特性测试数据表（有光源照射）工作电压2V4V6V8V10V12VU（V）I（mA）R光（）. 光敏电阻的光照特性测试，按照图（8）接好实验线路，负载电阻R选定1K，光源用高亮度卤钨灯（实验者可仔细调节光源控制旋钮，得到不同的光源亮度），从电源电压UCC=2V开始到UCC=12V，每次在一定的外加电压下测出光敏电阻在相对光照度从“弱光”到逐步增强的电流数据，即：，同时求出此时光敏电阻的阻值，即： 。这里要求尽量多测试（不少于15个）在不同照度下的电流数据，尤其要在弱光位置选择较多的数据点，以使所得到的数据点能够绘出较为完整的光照特性曲线。光敏电阻光照特性
17、测试数据表（电压： ）照度UR（伏）光电流光敏电阻光照特性测试数据表（电压： ）照度UR（伏）光电流光敏电阻光照特性测试数据表（电压： ）照度UR（伏）光电流根据以上实验数据画出光敏电阻的一组光照特性曲线。.光敏电阻的光谱特性测试，不同的半导体材料制成的光敏电阻有着不同的光谱特性，见图（），当不同波长的入射光照到光敏电阻的光敏面上，光敏电阻就有不同的灵敏度。照图（8）接线, 其工作电源可选用直流稳压电源的负电源，用高亮度LED（红、黄、绿、蓝、白）作为光源，发光电源可选用直流稳压电源的正电源。发光管的接线可参照图（7）。限流电阻用选配单元上的1K100K档电位器，首先应置电位器阻值为最大，开启
18、电源后缓慢调小阻值，使发光管逐步发光并至最亮，当发光管达到最高亮度时不应再改变限流电阻阻值,依次将各发光管接入光电器件模板上的发光管插座。发光管与光敏电阻顶端可用附件中的黑色软管连接（透镜对透镜），分别测出光敏电阻在各种光源照射下的光电流，再用固体激光器作为光源，测得光电流，将测得的数据记入下表，据此作出两种光电阻大致的光谱特性曲线：光源激光红黄绿蓝白光电阻I光电阻II.光敏电阻的温度特性测试，光敏电阻与其他半导体器件一样,性能受温度影响较大.随着温度的升高电阻值增大,灵敏度下降。请按图(8)测试电路，分别测出常温下和加温(可用电烙铁靠近加温或用电吹风加温，电烙铁切不可直接接触器件)后的伏安特
19、性曲线。五注意事项:.实验时请注意不要超过光电阻的最大耗散功率P MAX, P MAX=LU.光源照射时灯胆及灯杯温度均很高，请勿用手触摸，以免烫伤。.实验时各种不同波长光源选用的高亮度LED在不发光时均为透明材料封装，查看颜色及亮度均可从其顶端透镜前观察。用做光源时也应将透镜发光点对准光敏器件。实验三光敏二极管特性实验一实验目的：熟悉光敏二极管的结构和光电转换原理。掌握光敏二极管的暗电流及光电流的测试方法。了解光敏二极管的特性，当光电管得工作偏压一定时，光电管输出光电流与入射光的照度（或通量）的关系。二实验原理:光敏二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P
20、N结，N区扩散区很浅为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，光被吸收而激发电子空穴对，电子空穴对在外加反向偏压的作用下，空穴流向正极，形成了二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。光敏二极管原理如图（9）所示。图（）在无光照的情况下，若给PN结一个适当的反向电压，则反向电压加强了内建电场，使PN结空间电荷区拉宽，势垒增大，流过PN结的电流（称反向饱和电流或暗电流）很小，它（反向电流）是由少数载流子的漂移运到形成的。当光敏二极管被光照时，满足条件hvEg时，则在结区产生的光生载流子将被内场拉开，光生电子被拉向N区，光生空穴被
21、拉向P区，于是在外加电场的作用下以少数载流子漂移运动为主的光电流。显然，光电流比无光照时的反向饱和电流大得多，如果光照越强，表示在同样条件下产生的光生载流子越多，光电流就越大，反之，则光电流越小。当二极管与负载电阻RL串联时，则在RL的两端便可得到随光照度变化的电压信号，从而完成了将光信号转变成电信号的转换。光敏二极管在无光照时，在所加反向电压作用下，仍会有反向电流流过，这种电流的数值很小，称为暗电流。暗电流值是光敏二极管传感器的重要参数之一，它影响光敏二极管的光电变换质量和工作稳定性，因此希望它数值越小越好。在无辐射作用的情况下，PN结硅光敏二极管的正、反向特性与普通PN结二极管基本一样，均
22、为图（10）所示的伏安特性曲线，当有光照时，PN结硅光敏二极管的反向输出特性曲线如图（11）所示。 图（）光敏二极管伏安特性曲线 图（）输出特性曲线图（12）所示为典型光电二极管的短路电流光照度特性曲线，图（）光敏二极管光照特性曲线定义光敏二极管的光谱响应为以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光敏二极管时，其电流灵敏度或响应程度与波长的关系为光谱响应，图（13）为光敏二极管的光谱特性曲线。图（） 光敏二极管传感器的短路光电流也是随环境温度而有微小改变的。温度上升，短路光电流也随之均匀增大。三实验所需部件：光敏二极管、直流稳压电源、负载电阻(实验选配单元中可变电阻)、遮光罩、光源、数字电压频率表
23、(自备4 1/2位万用表).、微安表（或自备4 1/2位万用表上的200mA 档）、照度计（自备或另购）四实验步骤：图（）按图（14）接线,要注意光敏二极管是工作在反向工作电压的，由于硅光敏二极管的反向电流非常小，所以应视实验情况逐步提高工作电压，如有必要可用稳压电源上的10V或12V串接。光敏二极管的暗电流测试，用遮光罩盖住光敏二极管，选择合适的电路反向工作电压,选择适当的负载电阻。打开仪器电源，调节负载电阻值，微安表显示的电流值即为暗电流，或用4 1/2位万用表200mV档测得负载电阻R上的压降U暗，则暗电流I暗=U暗/R。一般锗光敏二极管的暗电流要大于硅光敏二极管暗电流数十倍，可在试件插
24、座上更换其他光敏二极管进行测试做性能比较。光敏二极管的光电流测试，缓慢揭开遮光罩，观察微安表上的电流值的变化,（也可将照度计探头置于光敏二极管同一感光处，观察当光照强度变化时光敏二极管光电流的变化）或是用4 1/2位万用表200mv档测得R上的压降U光,光电流I光=U光/R，如光电流较大，则可减小工作电压或调节加大负载电阻。光敏二极管的伏安特性测试，按图(14)连接实验线路,光源选用高亮度卤素灯,分别调节至“弱光”、“中光”和“强光”三种照度，负载电阻用万用表确定阻值1K欧姆，将可调光源调至一种照度，每次在该照度下，测出加在光敏二极管上的各反向偏压与产生的光电流的关系数据，其中光电流（1K为取
25、样电阻），在三种光照度下重复上述实验。光敏二极管伏安特性测试数据表（照度：弱）电压（伏）24681012UR（伏）电阻（欧姆）光电流光敏二极管伏安特性测试数据表（照度：中）电压（伏）24681012UR（伏）电阻（欧姆）光电流光敏二极管伏安特性测试数据表（照度：强）电压（伏）24681012UR（伏）电阻（欧姆）光电流根据实验数据画出光敏二极管的伏安曲线。光敏二极管的光照度特性测试，按图（14）接线，光源选用高亮度卤素灯，由实验者按照从“弱-强”仔细调节光源电位器取得多种光照度 ，每选一种照度就选择3种反向偏压测试记录，测出光敏二极管在相对光照度为“弱光”到逐步增强的光电流数据，其中（1K为取
26、样电阻）。光敏二极管光照特性测试数据表（电压： ）照度UR（伏）光电流光敏二极管光照特性测试数据表（电压： ）照度UR（伏）光电流光敏二极管光照特性测试数据表（电压： ）照度UR（伏）光电流根据实验数据画出光敏二极管的光照特性曲线。.光敏二极管的光谱特性测试，不同的半导体材料制成的光敏二极管有着不同的光谱特性，见图（13），当不同波长的入射光照到光敏二极管的光敏面上，光敏二极管就有不同的灵敏度。照图（14）接线, 其工作电源可选用直流稳压电源的负电源，用高亮度LED（红、黄、绿、蓝、白）作为光源，发光电源可选用直流稳压电源的正电源。发光管的接线可参照图（7）。限流电阻用选配单元上的1K100K
27、档电位器，首先应置电位器阻值为最大，开启电源后缓慢调小阻值，使发光管逐步发光并至最亮，当发光管达到最高亮度时不应再改变限流电阻阻值,依次将各发光管接入光电器件模板上的发光管插座。发光管与光敏二极管顶端可用附件中的黑色软管连接（透镜对透镜），分别测出光敏二极管在各种光源照射下的光电流，再用固体激光器作为光源，测得光电流，将测得的数据记入下表，据此作出两种光电阻大致的光谱特性曲线：光源激光红黄绿蓝白光电流I光电流II.光敏二极管的温度特性测试，光敏二极管与其他半导体器件一样,性能受温度影响较大.随着温度的升高电阻值增大,灵敏度下降。请按图(14)测试电路，分别测出常温下和加温(可用电烙铁靠近加温或
28、用电吹风加温，电烙铁切不可直接接触器件)后的伏安特性曲线。五注意事项：本实验中暗电流测试最高反向工作电压受仪器电压条件限制为12V（24V），硅光敏二极管暗电流很小，虽然提高了反向电压，但还是有可能不易测得。测试光电流时要缓慢地改变光照度，以免测试电路中的微安表指针打表，如微安表量程不够大，可选用万用表的200mA电流档。实验十光纤位移传感器特性实验一实验目的：了解光纤位移传感器的结构。熟悉光纤位移传感器的工作原理。二实验原理：反射式光纤位移传感器的工作原理如图（28）所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤一端合并经切割打磨组成光纤探头，在传感系统中，一支为接收光纤，另一支为光源光纤，光纤只起传
29、输信号的作用。当光发射器发生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电转换器，光电元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到位置量。光纤传感器工作特性曲线如图（29）所示。一般都选用线性范围较好的前坡为测试区域。 图（） 图（）三实验所需部件：光纤传感器、光电变换器（放大稳幅电路）、近红外发射及接收电路单元（外引光电变换组件），反射物（电机叶面或其它反射物件）、数字电压表四实验步骤：观察光纤传感器的结构：一支为发射、另一支为接收的多模光纤，两端合并处为圆形结构，光纤质量的优劣可通过对光照射观察光通量的大小而得出结论。光纤
30、传感器的光电变换组件内发射的光源是近红外光,接收电路接收近红外信号后经稳幅及放大输出。判断光电变换器上两个光纤安装孔位置具体为发射还是接收的办法为，将光纤变换器单元电压输出VO端接数字电压表输入端，光电变换组件的四芯航空插头接入光纤变换器四芯插座，将两支光纤的其中一根插入光纤安装孔中的一个，观察电压表输出情况。参考图（7）将接通电源的红外发光管顶端靠近光纤探头，如VO端有电压输出则此孔为接收放大端，如单独插入另一孔,光纤探头靠近接通电源的红外光敏三极管，如光敏三极管有反应则说明此孔为红外光源发射。将两根光纤均装入光电变换组件,装入时注意不要过分用力,以免影响到组件中光电管的位置。分别将光纤探头
31、置于全暗无反射和对准较强光源的照射，光纤变换器输出电压应分别为零和最大值。五注意事项两支光纤三端面均经过精密光学抛光,其端面的光洁度直接会影响光源损耗的大小,需仔细保护。禁止使用硬物、尖锐物体碰触，遇脏可用镜头纸擦拭。如非必要，最好不要自行拆卸，观察光纤结构一定要在实验老师的指导下进行。实验十一光纤位移传感器位移测量一实验目的：学习光纤位移传感器测量微小长度量。二实验原理：本实验仪中所用的为导光型光纤传感器,光纤在传感器中起到光的传输作用，因此是属于非功能性的光纤传感器。光纤传感器的两支多模光纤分别为光源发射及接收光强之用，一支发射近红外光，经过反射片的反射传入另一支接收端。三实验所需部件：光
32、纤传感器、光电变换器（放大稳幅电路）、近红外发射及接收电路单元（外引光电变换组件），反射物（电机叶面或其它反射物件）、数字电压表四实验步骤：将光纤传感器、光电变换组件与光纤变换电路相连接，输出端Vo接数字电压表。光纤探头安装于位移平台的支架上用固定螺丝固定,电机叶片对准光纤探头,注意保持两端面的平行。尽量降低室内光照度,移动位移平台使光纤探头紧贴反射面，此时变换电路输出电压Vo应约等于零。旋动螺旋测微仪带动位移平台使光纤端面离开反射叶片，每旋转一圈(0.5毫米)记录Vo值,并将记录结果填入表格,作出距离X与电压值mv的关系曲线。位移(mm)电压(v)从测试结果可以看出，光纤位移传感器工作特性曲
33、线如图（29）所示分为前坡和后坡，前坡范围较小，线性较好。后坡工作范围大但线性较差，因此平时用光纤位移传感器测试位移时一般采用前坡特性范围，根据实验结果试找出本实验仪的最佳工作点。五注意事项：同一实验室如有多台光电传感器实验仪,由于光电变换组件中的光电元件特性存在不一致,则光纤变换电路中的发射接收放大电路的参数也不一致，仪器出厂时单元电路都是与光电组件单独调配的，故请做实验之前将光纤光电变换块和实验仪对应编号,不要混用,以免影响正常实验。实验十四光电耦合式传感器转速测量一实验目的：了解光电开关的原理和应用。二实验原理：光耦合器件是由发光与受光器件组成,输入端与输出端在电气上是绝缘的，只能由光来
34、传递信号。光耦合器又分光电耦合器和光断续器两种,所用的发光、受光器件都相似。光电耦合器主要用于电路的隔离,光断续器主要是用来测试目标物体的有无，功能的不同使它们的安装结构不同，本实验仪中的光耦合器件为光断续器。图（30）为光断续器原理图。图（）三实验所需部件：光断续器、测速电机、数字电压/频率表、示波器、光电耦合单元四实验步骤观察光断续器的结构，这是一种透过型的光断续器,近红外发光二极管发出的光信号经光敏达林顿电路接收放大整形后输出，光断续器发射光电源信号由光耦电路中的12V电源提供（光耦合器单元中V1、V2端口）。按照仪器面板所示符号一一对应连接好光断续器的光源激励电源，Vo输出端接数字频率
35、表2KHz档，开启电机，用示波器观察光断续器输出端Vo的转速波形。将Vo端输出的电压波形接入“整形入”端口，从整形电路输出的为标准的5VTTL电平，此信号可用做数据采集频率计数信号。电机转速（转/秒）频率表读数2五思考题：光电耦合器与光断续器主要是元件安装位置上的差别,试想如果将光断续器作为光电耦合器是否可能?在结构上应做什么改变?实验十六热释电红外传感器特性实验一实验目的：了解热释电人体红外传感器的结构和基本原理。熟悉集成运放的线性应用和非线性应用。二实验原理：热释电器件是目前唯一能够用于热成像探测技术中的红外光传感器，如图（32）所示，属于热电型器件，当热电元件PZT受到光照时能将光能转换
36、为热能，受热的晶体两端产生数量相等符号相反的电荷，如果带上负载就会有电流流过，输出电压信号。图（）对于一般的电介质，在电场作用消失后，极化状态随即消失，带电粒子又恢复原来的状态。而有一类称做“铁电体”的电介质在外加电场作用消失后，仍保持着极化状态，称其为“自发极化”。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片时，引起温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷。释放的电荷经过处理电路转换成电压输出。如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放电荷，也不再有电压信号输出。因此，热释电不同于其它光电器件，在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零。只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。三实验所
37、需部件：热释电红外传感器、慢速电机、热释电红外探测电路单元、电加热器、数字电压表四实验步骤：将菲涅尔透镜装在热释电红外传感器探头上,探头方向对准慢速电机支座下透孔前的热源方向,按图标符号将传感器接入处理电路，接好发光二极管（显示实验单元探测状态），输出端Vo接数字电压表20V档。开启电源,待单元电路输出稳定后开启热源,同时将慢速电机叶片拨开不使其挡住热源透射孔。随着热源温度缓慢上升,观察热释电红外传感器的Vo端输出电压变化情况，可以看出传感器并不因为热源温度上升而有所反应。开启慢速电机,调节转速旋钮,使电机叶片转速尽量慢,不断地将透热孔开启遮挡，此时会发现输出电压也随之变化，当达到告警电压时,
38、则发光管闪亮。逐步提高电机转速,当电机转速加快,叶片断续热源的频率增高到一定程度时,传感器又会出现无反应的情况，请分析这是什么原因造成的？(可结合热释电红外传感器工作电路原理分析)五注意事项：慢速电机的叶片因为是不平衡形式，加之电机功率较小，所以开始转动时可能需要用手拨动协助转动。实验十七热释电红外传感器人体探测一实验目的：了解热释电人体红外传感器的应用。二实验所需部件：热释电红外传感器、慢速电机、热释电红外探测电路单元、数字电压表四实验步骤：将热释电红外传感器的安装方向调整180面对仪器前实验者，连接传感器探头与处理电路,输出端Vo接电压表。开启电源,待电路稳定后,实验者从探头前经过,移动速
39、度从慢到快,距离从近到远,观察传感器的反应，记录下传感器最大探测距离。在探头前装上菲涅尔透镜,重复步骤2，并尝试在探头的不同视场范围进入,记录下装透镜后最大的探测距离和探测角度，加深对菲涅尔透镜作用的了解（实际应用中，菲涅尔透镜是必需的）。实验十八 PSD光电位置传感器位移测量一实验目的：了解PSD光电位置传感器的结构。2.掌握PSD光电位置传感器的工作原理。二.实验原理：光电位置敏感器件（PSD）是基于光伏器件的横向效应的器件，是一种对入射到光敏面上的光电位置敏感的光电器件。因此，称其为光电位置敏感器件（Position Sensitive Detector，简称为PSD），如图（33）所示
40、为PIN型PSD器件的结构示意图，它由三层构成，上面为P型层，中间位I型层，下面为N型层。在上面的P型层上设置有两个电极，两电极间的P型层除具有接受入射光的功能外还具有横向分布电阻的特性。即P型层不但为光敏层，而且还是一个均匀的电阻层。 当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点得距离为xA时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻P型层分别由电极1和2输出，设P型层的电阻是均匀的，两电极间的距离为2L，流过两电极的电流分别为I1和I2，则流过N型层上电极的电流I0为I1和I2之和，即I0=I1+I2。若以PSD器件的几何中心点O为原点，光斑中心距原点O的距离为xA
41、，则利用上式即可测出光斑能量中心对于器件中心的位置xA，它只与电流I1和I2的和、差及其比值有关，而与总电流无关。 图（） 图（）PSD器件已被广泛地应用于激光自准直、光点位移量和振动的测量、平板平行度的检测和二维位置测量等领域。目前，PSD器件已有一维和二维两种PSD器件。本仪器用的是一维PSD器件，主要用来测量光斑在一维方向上的位置或移动量的装置，图（34）为一维PSD器件的原理图，其中和为信号电极，为公共电极。它的光敏面为细长的矩形条。图（35）为其等效电路，它由电流源Ip、理想二极管VD、结电容Cj、横向分布电阻RD和并联电阻Rsh组成， PSD器件属于特种光伏器件，它的基本特性与一般
42、硅光伏器件基本相同，如光谱响应、时间响应和温度响应等与前面讲述的PN结光伏器件相同。作为位置传感器PSD有其独特特性，即位置检测特性，PSD的位置检测特性近似于直线，图（36）所示为一维PSD位置检测误差特性曲线，由曲线可知，越接近中心位置测量误差越小，因此，利用PSD来检测光斑位置时，尽量使光点靠近器件中心。 图（） 图（）三实验所需器件：PSD组件(器件已装在基座上)、固体激光器、反射体、PSD光电位置单元、数字电压表四实验步骤：通过PSD基座上端圆孔观察PSD器件及在基座上的安装位置,PSD光电位置传感器的“I1”和“I2”两端对应接入PSD光电位置单元的“I1”和“I2”两输入端，输出端Vo接数字电压表20V档。确认接线无误后，开启仪器电源，此时因无光源照射，PSD器件前端的聚焦透镜也无光照射而形成的光点照射在PSD器件上，Vo输出的为环境光的噪声电压，试用一块遮光片将观察圆孔盖上，观察光噪声对输出电压的变化。将激光器电源插头插入“激光电源”插口，激光器安装在基座圆孔中并固定。注意激光束照射到反射面上时的情况，光束应与反射面垂直。激光束照射到反射面后PSD组件上的透镜将漫反射的激光光线聚焦到PSD器件表面，旋转激光器角度，调节激光光点，（必要时也可旋转调节PSD前的透镜）使光点尽可能集中在PSD器件上。