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標題: 光電檢測實驗報告 [打印本頁]
作者: 51黑ss    時間: 2016-3-30 22:30
標題: 光電檢測實驗報告
      

題    目：   光電檢測實驗報告                  
姓    名：    孫鵬                                      
學    院：    自動化學院                          
專    業：    測控與儀器                       
班    級：     232122                           
學    號：    20121003920                     
    指導老師：    莫  文  琴                       



實驗一  光電傳感器特性實驗一 實驗目的
1.學習掌握光電二、三極管的工作原理
2.學習掌握光電二、三極管的基本特性
3.了解光電二、三極管應用差異
二 實驗原理
     光電二極管和普通二極管一樣，也是由一個PN結組成的半導體器件，也具有單方向導電特性。但是，在電路中不是用它作整流元件，而是通過它把光信號轉換成電信號。光電二極管是在反向電壓作用在工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也約大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉換成電信號，成為光電傳感器件。
三 實驗內容
1.光電二極管暗電流測試實驗
將光電二極管單元中的采樣電阻開關打到200M；將光電二極管探頭放入頻率特性光源的圓筒中；將其輸出V0接入電壓表，電壓表測量范圍至20V檔。打開電源開關，記下電壓表讀數，根據Ii=V/Rf，計算暗電流大小=       29pA        。
2.光電二極管光電流測試實驗
將光電二極管單元中的采樣電阻開關打到10K；將光電二極管探頭放入光譜盒后面的傳感器安裝孔；將其輸出V0接入電壓表，電壓表測量范圍至20V檔。打開電源開關，記下電壓表讀數，根據Ii=V/Rf，計算光電流大小.
      
測量次數
    		      
1
    		      
2
    		      
3
    		      
4
    		      
5
    		      
6
    		      
7
    		      
8
    		      
9
    		      
10
   
      
光照度(lx)
    		      
82
    		      
105
    		      
115
    		      
154
    		      
176
    		      
210
    		      
235
    		      
260
    		      
320
    		      
366
   
      
光電流(uA)
    		      
0.46
    		      
0.63
    		      
0.69
    		      
1.04
    		      
1.26
    		      
1.62
    		      
1.88
    		      
2.19
    		      
2.60
    		      
3.03
   
      
電流靈敏度(nA/lx)
    		      
5.61
    		      
6.0
    		      
6.0
    		      
6.75
    		      
7.12
    		      
7.71
    		      
8.0
    		      
8.42
    		      
8.13
    		      
8.29
   


3.光電二極管伏安特性測試實驗
將光電二極管與電流表串聯接入電路中，并將探頭放入光譜盒后面的傳感器安裝孔；輸出V0接入電壓表，電壓表測量范圍至20V檔。分別改變采樣電阻，把電流表、電壓表的讀數填入表中
光照度為210 lx時
      
采樣電阻
    		      
2K
    		      
5K
    		      
10K
    		      
20K
   
      
光電壓（mV）
    		      
7.0
    		      
18.5
    		      
36.8
    		      
74.0
   
      
光電流(uA)
    		      
4.0
    		      
4.0
    		      
4.0
    		      
4.0
   
      
電流靈敏度
      
(nA/lx)
    		      
19.0
    		      
19.0
    		      
19.0
    		      
19.0
   
光照為200 lx時
      
采樣電阻
    		      
2K
    		      
5K
    		      
10K
    		      
20K
   
      
光電壓（mV）
    		      
   4.3
    		      
11.7
    		      
22.1
    		      
49.8
   
      
光電流(uA)
    		      
   2.0
    		      
2.0
    		      
2.0
    		      
2.0
   
      
電流靈敏度
      
(nA/lx)
    		      
10.0
    		      
10.0
    		      
10.0
    		      
10.0
   
光照為150 lx時
      
采樣電阻
    		      
2K
    		      
5K
    		      
10K
    		      
20K
   
      
光電壓（mV）
    		      
3
    		      
8.3
    		      
17.0
    		      
34.7
   
      
光電流(uA)
    		      
1.8
    		      
1.8
    		      
1.8
    		      
1.8
   
      
電流靈敏度
      
(nA/lx)
    		      
12.0
    		      
12.0
    		      
12.0
    		      
12.0
   
根據實驗2和實驗3的結果，畫出光電二極管的伏特特性曲線。
4.光電二極管頻率特性測試實驗
將光電二極管單元中的采樣電阻開關打到2K；將光電二極管探頭放入頻率特性光源的圓筒中；將其輸出V0接入示波器第一通道，示波器的第二通道接頻率特性單元探測孔。比較示波器兩波形，分析光電二極管的頻率特性，響應時間為    26us            。
5.光電二極管光譜特性測試實驗
將光電二極管單元中的采樣電阻開關打到5K；將光電二極管探頭放入光譜盒后面的傳感器安裝孔；將其輸出V0接入電壓表，電壓表測量范圍至20V檔。按下光源開關，調節光強至最大。旋轉光譜調整螺母，依次改變狹縫的透過光譜，并記下此時電壓讀數。
      
波長μm
    		      
>0.78 紅外
    		      
0.78 紅
    		      
0.622 橙
    		      
0.597 黃
    		      
0.577 綠
    		      
0.492 藍
   
      
電壓 (V)
    		      
  10.1
    		      
9.81
    		      
  8.53
    		      
  5.77
    		      
  1.89
    		      
  0.42
   
      
  8.24
    		      
  7.95
    		      
  6.86
    		      
  4.58
    		      
  1.38
    		      
  0.32
   
      
  5.27
    		      
  5.43
    		      
  3.81
    		      
  3.18
    		      
  0.91
    		      
  0.20
   
      
平均值
    		      
  7.86
    		      
  7.73
    		      
  6.40
    		      
  4.51
    		      
  1.40
    		      
  0.31
   
6.光電三極管暗電流測試實驗
將光電三極管單元中的采樣電阻開關打到200M；將光電三極管探頭放入頻率特性光源的圓筒中；將其輸出V0接入電壓表，電壓表測量范圍至20V檔。打開電源開關，記下電壓表讀數，根據Ii=V/Rf，計算暗電流大小=        38.5pA        。
7.光電三極管光電流測試實驗
將光電三極管單元中的采樣電阻開關打到10K；將光電三極管探頭放入光譜盒后面的傳感器安裝孔；將其輸出V0接入電壓表，電壓表測量范圍至20V檔。按下光源開關，調節光強至最大。打開電源開關，記下電壓表讀數，根據Ii=V/Rf，計算光電流大小。
      
測量次數
    		      
1
    		      
2
    		      
3
    		      
4
    		      
5
    		      
6
    		      
7
    		      
8
    		      
9
    		      
10
   
      
光照度(lx)
    		      
6
    		      
14
    		      
25
    		      
33
    		      
52
    		      
75
    		      
96
    		      
121
    		      
149
    		      
181
   
      
光電流(uA)
    		      
1.24
    		      
2.20
    		      
4.00
    		      
4.8
    		      
8.5
    		      
10.4
    		      
13.6
    		      
17.0
    		      
19.8
    		      
23.0
   
      
電流靈敏度
      
(nA/lx)
    		      
207
    		      
157
    		      
160
    		      
145
    		      
163
    		      
139
    		      
142
    		      
140
    		      
133
    		      
127
   
      
測量次數
    		      
11
    		      
12
    		      
13
    		      
14
    		      
15
    		      
16
    		      
17
    		      
18
    		      
19
    		      
20
   
      
光照度(lx)
    		      
216
    		      
240
    		      
310
    		      
    		      
    		      
    		      
    		      
    		      
    		      
   
      
光電流(uA)
    		      
27.2
    		      
31.5
    		      
38.8
    		      
    		      
    		      
    		      
    		      
    		      
    		      
   
      
電流靈敏度
      
(uA/lx)
    		      
126
    		      
131
    		      
125
    		      
    		      
    		      
    		      
    		      
    		      
    		      
   
8.光電三極管伏安特性測試實驗
光電三極管與電流表串聯后連接到電路中；將光電三極管探頭放入光譜盒后面的傳感器安裝孔；將其輸出V0接入電壓表，電壓表測量范圍至20V檔；分別改變采樣電阻，把電流表、電壓表讀數填入下表。
照度：400lx
      
采樣電阻
    		      
2K
    		      
5K
    		      
10K
    		      
20K
   
      
光電壓(v)
    		      
0.29
    		      
0.72
    		      
1.43
    		      
2.81
   
      
光電流(uA)
    		      
120
    		      
120
    		      
120
    		      
120
   
      
電流靈敏度
      
(uA/lx)
    		      
0.30
    		      
0.30
    		      
0.30
    		      
0.30
   
   照度：300lx
      
采樣電阻
    		      
2K
    		      
5K
    		      
10K
    		      
20K
   
      
光電壓（V）
    		      
0.21
    		      
0.54
    		      
1.07
    		      
2.14
   
      
光電流(uA)
    		      
90
    		      
90
    		      
90
    		      
90
   
      
電流靈敏度
      
(uA/lx)
    		      
0.30
    		      
0.30
    		      
0.30
    		      
0.30
   
  照度：200lx
      
采樣電阻
    		      
2K
    		      
5K
    		      
10K
    		      
20K
   
      
光電壓（V）
    		      
0.14
    		      
0.44
    		      
0.87
    		      
1.73
   
      
光電流(uA)
    		      
7.5
    		      
7.5
    		      
7.5
    		      
7.5
   
      
電流靈敏度
      
(uA/lx)
    		      
0.0375
    		      
0.0375
    		      
0.0375
    		      
0.0375
   

根據實驗2和實驗3的結果，畫出光電三極管的伏特特性曲線。
9.光電三極管頻率特性測試實驗
將光電三極管單元中的采樣電阻開關打到2K；將光電三極管探頭放入頻率特性光源的圓筒中；將其輸出V0接入示波器第一通道，示波器的第二通道接頻率特性單元探測孔。比較示波器兩波形，分析光電三極管的頻率特性，響應時間為     24us             。
10.光電三極管頻譜特性測試實驗
將光電三極管單元中的采樣電阻開關打到5K；將光電三極管探頭放入光譜盒后面的傳感器安裝孔；將其輸出V0接入電壓表，電壓表測量范圍至20V檔。按下光源開關，調節光強至最大。旋轉光譜調整螺母，依次改變狹縫的透過光譜，并記下此時電壓讀數。
      
波長μm
    		      
>0.78 紅外
    		      
0.78 紅
    		      
0.622 橙
    		      
0.597 黃
    		      
0.577 綠
    		      
0.492 藍
   
      
電壓 V
    		      
  7.30
    		      
6.32
    		      
  4.92
    		      
  0.86
    		      
  0.30
    		      
   2.70
   
      
  4.52
    		      
3.81
    		      
  2.97
    		      
  0.51
    		      
  0.17
    		      
   1.59
   
      
  2.86
    		      
2.43
    		      
  1.87
    		      
  0.32
    		      
  0.10
    		      
   0.99
   
      
平均值
    		      
  4.90
    		      
  4.19
    		      
  3.25
    		      
  0.56
    		      
  0.19
    		      
  1.76
   


實驗二  光電耦合傳感實驗一、實驗目的
1.了解光開關（反射式、對射式）的工作原理及其特性
2.了解并掌握使用光開關測量轉速的原理及方法
二實驗原理
     光耦合器一般由三部分組成:光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管，使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電-光-電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸資訊中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在電腦數位通信及即時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加其工作之可靠性。本實驗介紹兩種器件，反射式和對射式光電傳感器。
三、實驗內容
按電路符號將對射式光耦中的“發射二極管”和“接收三極管”接入電路。
1.對射式光開關實驗（非調制）
請說明對射式光耦處在轉盤不同位置時，轉速測量電路中發光二極管的狀態；并簡述理由。
     光耦與圓孔處于相對時，LED燈亮；光耦與鐵板相對時，LED燈熄滅。
     對射式光耦經過轉盤圓孔時，由于二極管發射的光照到光敏三極管上，二極管輸出電流，轉速測量驅動三極管導通，轉速測量電路的發光二極管發亮；當反射式光耦正下方為鐵盤即離開圓孔時，發光二極管發射的光沒有被光敏二極管接受時，光敏三極管幾乎沒有電流輸出，使轉速測量電路的三極管截止，轉速測量電路的發光二極管不亮。
2.反射式光開關實驗（非調制）
請說明反射式光耦處在轉盤不同位置時，轉速測量電路中發光二極管的狀態；并簡述理由。
    光耦與圓孔處于相對時，LED熄滅；光耦與鐵板相對時，LED燈亮。
    反射式光耦經過轉盤圓孔時，由于二極管發射的光沒有直接透射沒有反射到接受光敏三極管上，輸出為低電平，轉速測量驅動三極管沒有導通，轉速測量電路的發光二極管不亮；當反射式光耦正下方為鐵盤即離開圓孔時，發光二極管發射的光被光敏三極管接受，輸出電流，使轉速測量電路的三極管導通，轉速測量電路的發光二極管導通。
3.對射式光開關實驗（調制）
按電路符號將對射式光耦中的“接收三極管”接入電機下方的解調電路，用手撥動電機轉盤，使接收三極管可以通過電機轉盤上的圓孔接收到發射二極管的發射光。調節“中心頻率”旋鈕，當鎖相環的中心頻率與調制頻率基本一致時，鎖相環輸出一低電平，發光二極管熄滅。請分析原因？
    當電機轉盤上的圓孔接收到發射二極管的發射光時，光耦輸出導通，調制信號可以進入鎖相環電路，當鎖相環的中心頻率與調制頻率基本一致時輸出為低電平，而此時LED燈會熄滅。
4.反射式光開關實驗（調制）
為什么要對光耦發射的光進行調制？此時，“發射二極管”發出的光強是如何變化的？
    光耦其實是電氣隔離開光，當輸入信號需要抽樣采集時，可以用光耦進行調制，產生一定頻率一定占空比的開關信號，這樣可以分離不同信號，也可以隔離因電信號產生的干擾。發光二極管接受到的是脈沖信號，可以通過調制光耦的開關占空比調節發光二極管的強度。因為實驗中光耦的調制有電機控制，且占空比固定，轉速可調（即調制頻率可調），隨著電機轉速的加速，發光二極管由一閃一滅的效果逐漸變得不閃滅，光線給人一種錯覺越來越暗，其實發光的功率沒有變。  
5.對射式光開關轉速測量實驗
      當圓孔轉到光耦下，發光二極管點亮，當圓孔遠離光耦時，發光二極管熄滅；調節轉速，會發現發光二極管跳動的速度越來越快，最后發現二極管感覺常亮了。
  6反射式光開關轉速測量實驗
     當圓孔轉到光耦下，發光二極管熄滅，當圓孔遠離光耦時，發光二極管點亮；調節轉速，會發現發光二極管跳動的速度越來越快，最后發現二極管感覺常亮了。由于圓孔的位置比鐵板少，相同速度下，發光二極管的亮度強于反射式二極管發射的亮度。
7   光音頻調制/解調實驗
按照電路符號把對射式光耦中的“發射二極管”和“接收三極管”接入儀表的音頻調制電路。請思考反射式光電開關和對射式光電開關，分別在轉盤處于什么位置時，喇叭會發出聲音？說明了什么？
     反射式，光耦處相對于于鐵板時，由于發射二極管的光被接受三極管接受，光耦三極管導通，驅動喇叭發音；對射式，光耦處于圓孔對面時，由于發射二極管的光被接受三極管接受，光耦三極管導通，驅動喇叭發音。
實驗三  光纖位移傳感實驗一、實驗目的
1.了解光纖位移傳感器工作原理及其特性
2.了解并掌握光纖位移傳感器測量位移的方法
二實驗原理      本實驗儀中所用的為傳光型光纖傳感器,光纖在傳感器中起到光的傳輸作用，因此是屬于非功能性的光纖傳感器。光纖傳感器的兩支多模光纖分別為光源發射及接收光強之。光電傳感器內發射光源是近紅外光,接收近紅外信號后經穩幅及放大。發射二極管的光經光纖涉入空氣經反光鐵板進入接受光纖，進而進入光敏三極管，讀取光強大小。三實驗內容
1.光纖位移光學系統組裝調試實驗
2.光纖位移傳感器輸出信號誤差補償實驗
旋轉測微頭使反射片貼緊光纖位移傳感器端面（x=0），用數字電壓表測量第二級放大器的輸出電壓。若不為零，將補償調零電位器接入放大器+端。調節“增益”電位器的大小，調節補償調零電位器使電壓輸出為零；進一步減小電壓表量程（2V/200mV），調節補償調零電位器，使電壓輸出為零。
3.光纖位移傳感測距實驗
數字電壓表置2V檔，旋轉測微頭使反射光逐漸離開光纖傳感器端面，觀察反射片上光斑的變化，并每隔0.1mm讀出數字電壓表顯示值，填入表中。

      
X (mm)
    		      
0.0
    		      
0.1
    		      
0.2
    		      
0.3
    		      
0.4
    		      
0.5
    		      
0.6
    		      
0.7
    		      
0.8
    		      
0.9
   
      
V( mV)
    		      
0
    		      
0
    		      
0
    		      
0.6
    		      
1.2
    		      
1.9
    		      
2.9
    		      
3.8
    		      
4.8
    		      
5.9
   
      
X (mm)
    		      
1.0
    		      
1.1
    		      
1.2
    		      
1.3
    		      
1.4
    		      
1.5
    		      
1.6
    		      
1.7
    		      
1.8
    		      
1.9
   
      
V( mV)
    		      
7.2
    		      
8.5
    		      
10.1
    		      
11.7
    		      
13.2
    		      
15.0
    		      
17.0
    		      
18.8
    		      
20.6
    		      
22.7
   
      
X (mm)
    		      
2.0
    		      
2.1
    		      
2.2
    		      
2.3
    		      
2.4
    		      
2.5
    		      
2.6
    		      
2.7
    		      
2.8
    		      
2.9
   
      
V( mV)
    		      
25.0
    		      
27.6
    		      
30.0
    		      
32.2
    		      
35.0
    		      
38.0
    		      
41.0
    		      
43.5
    		      
47.2
    		      
50.0
   
      
X (mm)
    		      
3.0
    		      
3.1
    		      
3.2
    		      
3.3
    		      
3.4
    		      
3.5
    		      
3.6
    		      
3.7
    		      
3.8
    		      
3.9
   
      
V( mV)
    		      
53.0
    		      
56.0
    		      
58.5
    		      
60.8
    		      
63.4
    		      
67.0
    		      
68.5
    		      
70.4
    		      
72.9
    		      
74.2
   
      
X (mm)
    		      
4.0
    		      
4.1
    		      
4.2
    		      
4.3
    		      
4.4
    		      
4.5
    		      
4.6
    		      
4.7
    		      
4.8
    		      
4.9
   
      
V( mV)
    		      
75.5
    		      
77.2
    		      
77.8
    		      
78.9
    		      
79.0
    		      
79.1
    		      
77.6
    		      
77.0
    		      
78.0
    		      
76.2
   
      
X (mm)
    		      
5.0
    		      
5.1
    		      
5.2
    		      
5.3
    		      
5.4
    		      
5.5
    		      
5.6
    		      
5.7
    		      
5.8
    		      
5.9
   
      
V( mV)
    		      
76.5
    		      
75.6
    		      
76.0
    		      
75.0
    		      
74.0
    		      
73.5
    		      
72.2
    		      
72.0
    		      
70.4
    		      
69.5
   
      
X (mm)
    		      
6.0
    		      
6.1
    		      
6.2
    		      
6.3
    		      
6.4
    		      
6.5
    		      
6.6
    		      
6.7
    		      
6.8
    		      
6.9
   
      
V( mV)
    		      
67.5
    		      
66.5
    		      
65.1
    		      
64.0
    		      
63
    		      
62.5
    		      
62
    		      
60
    		      
58.9
    		      
57.6
   
      
X (mm)
    		      
7.0
    		      
7.1
    		      
7.2
    		      
7.3
    		      
7.4
    		      
7.5
    		      
7.6
    		      
7.7
    		      
7.8
    		      
7.9
   
      
V( mV)
    		      
57.0
    		      
57.2
    		      
56.0
    		      
53.9
    		      
53.2
    		      
52.2
    		      
50.6
    		      
46.0
    		      
43.5
    		      
40.4
   

根據上述數據，作出光纖位移傳感器的位移特性圖

4.實驗誤差分析
計算前坡、后坡輸出的靈敏度S、線性度L的大小。
由光標指示可得前坡靈敏度為17.6mV/mm,后坡輸出靈敏度為-9.2mV/mm.前坡的線性度強于后坡。說明光纖位移傳感器在微小距離內有一定的線性度，超過其最大反射強度后，其線性度降低。
5.光纖位移傳感器測速實驗
簡述為什么要對光纖接收的信號電壓進行調節，再進行測速？
光纖測速只測量入射光與反射光是否在同一傳輸路徑上的開關量，由于環境外界光源的干擾即電子器件本身的噪聲，直接采集光強的信息需要復雜的轉換電路及程序算法才能確定每次入射光與反射光是否處于同一通道內，若對光纖接受的信號電壓事先進行調節，當光纖信號電壓達到某一閾值時，光通道連接上，否則斷路，這樣只需知道開關信號就可以知道入射光與反射光是否接通。



   






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