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光电子技术实验指导书 光电子技术实 验 指 导 书CSY2000G光电传感器实验仪说明 CSY2000G光电传感器实验仪主要有主机箱、传感器装置、实验模板、实验桌四大部分组成（一）主机箱：供电电源AC220V，50HZ额定功率200W1、有实验所需的电源、压力源0-12V连续可调直流稳压电源0-5V连续可调直流稳压电源±15V、+12V、+5V稳压电源 2、显示压力源：气压量程4-20KPa（通过调节玻璃转子流量计、旋钮、气压输出大小可调）电流表：DC20μA-20mA(量程三档切换)电压表：DC200mV-20V（量程三档切换)光功率计：1999mW光照度计：1999Lx频率/转速表：f： 0-9999Hz、 n：0-9999 r/min计时器（秒表）：9999S气压表:4-40 KPa3、温控仪：PID位式调节仪：0-2000C（二）传感器装置 光学传感器 由底座，升降支架、遮光筒、滑轨等组成，可卸式活动安装各种光电器件探头，光源等1、 光敏器件及传感器光敏电阻光敏二极管光敏三极管红外光敏二极管（光接受）硅光电池反射式光耦（红外发射与红外光敏三极管组合）红外线热释电探头光照度计探头光功率计探头2、传感器光纤传感器、（位移、压力、温度）PSD位置传感器线阵CCD测径系统（可选）光栅位移传感器（可选）3、光源普通白炽灯、普通发光二极管、红外发射管、半导体激光管、各种滤色镜。

三）实验模板光电器件实验（一）模板光电器件实验（二）模板光电器件实验（光开关）模板光电器件实验（光调制）模板光电传感器转速测量实验模板光纤传感器实验模板PSD传感器实验模板温度传感器（四）实验桌 放置主机箱、实验模板、各种实验器件实验台尺寸为：1600×800×740（mm）实验指南实验一 光电基础知识实验实验目的通过实验使学生对光源分光原理，辐射量与光度量、光的不同波长等基本概念有具体的认识第一部分 光源和光波长实验一、实验原理：以电磁波形式或粒子（光子）形成传输的能量，它们可以用光学条件反射、成像或色散，这样能量传输及其传播过程称为光辐射 为了对光辐射进行定量描述，存在着辐射单位和光度单位两套不同的体系，下表是常用的辐射度量和光度量之间的对应关系表（一）、常用辐射度量和光度量之间的对应关系辐射度量物理量光度量物理量名称符号定义成定义式单位物理量名称符号定义成定义式单位辐射能QeJ光量QνQν=∫Qνdt1m s辐射通量ΦeΦe=dΦe/dtW光通量ΦνΦν=∫IνdΩ1m辐射出射度МeМe=dΦe/dsW/m2光出射度MνMν=dΦν/ds1m/ m2辐射强度ІeІe=dΦe/dsw/sr发光强度Iν基本量cd辐射亮度LeLe=dІe/(ds cosө)w/(m2 sr)（光）亮度LνIν=dIν/ds cosөcd/m2辐射照度EeEe=dΦe/dAw/ m2（光）照度EνEν=dΦν/dALX 在光度单位中，发光强度是基本单位，定义为一个光源发出频率为540×1012 HZ的单色辐射。

若在一给定方向上的辐射光度为1/683 （W/Sŗ），则该光源在该方向上的的发光强度为1 cd（坎德拉） 本实验中备有普通光源和激光光源两种，普通光源（探炽灯）的光谱为连续光谱利用滤色片或色片或通过分光镜后，可以提供红橙黄绿青蓝紫多种波长的光辐射激光光源是半导体激光器，发射的激光波长630-680纳米激光颜色为红色 三棱镜的分光原理: 三棱镜的分光作用原理基于以下几点：（1）、三棱镜表面对光线的折射作用三棱镜对不同波长的各色光具有不同的折射率因此当三棱镜中入射的光（白光为各种不同波长的复合光，从波长为400纳米（m m）紫光至760纳米的红光）则三棱镜对不同色光具有不同折射率各色光经折射后的折射角将不同因此通过三棱镜出射时，各色光的偏角也随之不同所以，白光经过三棱镜折射以后将分解成各种色光并呈现出一片按序排列的颜色这种现象称为光的色散2）、图1-1画出了三棱镜表面产生折射的情况 如入射光（某一单色光）经三棱镜AB进入玻璃介质后，光线产生一偏角δ1该光束在B面出射时，又产生一偏角δ2光线经二次折射后入射光与出射光产生的偏角 δ0 =δ1+δ2对三棱镜两个折射面AB导出折射定律为：SinI1=nSinI1’ SinI2’=nSinI2利用两式相减，并根据α= I1’-I2，δ=δ1+δ2= I1-I2’+ I2- I2’经过具体运算得Sin1/2(α+δ)=n-Sinα/2*Cos(I1’+I2)/Cos1/2(I1+I2’)由式可见，光线经棱镜折射后，产生的偏角 是光线入射角I1 。

棱镜折射角α和折射率n的函数，对于给定的三棱镜α和n为定值，因此 随I1 而变图1-2表示的光通过三棱镜时的色散现象，由于介质的折射率随波长的的变短而增大，尤其是短波部分，折射率增加的更快 由图1-2可知红色的波长长，折射率小，产生较小的偏角，而紫色的波长短，折射率大，产生的偏角也大，这样的光经三棱镜折射后，形成一条按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序的连续光谱，本实验用于演示这一现象 利用滤色片也可以从白光中获取单色光，常用滤色片有二类，一类是塑料片，它只能透射某一波长的光，而对其它波长具有吸收作用，对玻璃滤光片，玻璃片上镀某种颜色（例如红色）的薄膜，它利用光的频率效应则它对红色的光是干涉相长对其它颜色的光则干涉相消衡量滤色质量优劣的是色纯度2、实验器材 ： CSY—2000G主机箱、普通光源、分光装置（三棱镜）、半导体激光器、滤色片、光照度计及探头3、 实验步骤：（1） 根据图1-3将普通光源插进安装架上，把光源的两个插孔分别连接到主机箱的“0~12V”可调电压源上，调节“0~12V”的可调旋钮，可改变光源的亮度（调节电源0~12V必须从最低电压起始慢慢调到12V，否则冲击电流大，电源自动截止保护，要正常工作必须重新开机）。

2） 将光源升降杆的固定螺钉旋松，旋转光源180°后拧紧固定螺钉在光源的前方适当的位置安放分光三棱镜，旋转棱镜，观察投射出的连续的带状分光光谱（红~紫七色，如图1-3）图1-3 光电实验装置示意图（白色光的光色散）（3） 关闭电源，旋下光源前盖，装上不同颜色的滤色片，观察不同波长（颜色）的光4） 把普通光源取下，换上半导体激光光源，连接5v电源（注意1.二极管保护；2光源注意极性），重复（2）5） 把分光装置对太阳观察太阳光，用一白纸作受光面从出射的受光面上观测带状光谱（如图1-4）图1-4 太阳光的光色散第二部分 辐射度与光度学1、 基本原理： 光辐射的探测和计量,在辐射度单位和光度单位两套不同的体系辐射度单位适用于整个电磁波段光度学只适用于可见光波段本实验帮助学生理解两种概念体系的区别和联系 2、实验器材：CSY—2000G主机箱、普通光源（含遮光筒）、半导体激光光源、各种滤色片，光照度计探头3、 实验步骤：（1） 根据图1-5装置图将照度计探头代替光敏探头，把照度计探头的两个插孔与主机箱的光照度计两个插孔正负对应相连，再按下主机箱照度计的按纽（×1）打开主控箱电源，测量当前环境下的照度。

图1-5 辐射度与光度学的接线示意图（2） 关闭主控箱电源，把普通光源的两个插孔与主控箱的0~12V的可调电源的两个插孔相连，逆时针调节可调电源旋钮到底把主机箱的电压表输入端（+、−）分别与0~12V的可调电源的+、− 相连，监测可调电源的输出大小按表1-1慢慢旋转可调电源旋钮，按表1-1记录数据表1—1输入电压（v）234567光照度（Lx）（3）关闭主机箱电源，取下实验装置的遮光筒，旋下普通光源的前盖，分别旋上不同颜色的滤光片，装上遮光筒，按上面的方法分别测量不同滤色片下的照度并作记录，把数据填入表1-2表1—2波长照度电压660nm600nm560nm510nm470nm400nm2V3V4V5V6V7V（4）在（3）中，用眼睛观察不同颜色光的亮度情况，感觉同一照度下不同颜色的光，感受一下眼睛对光颜色的敏感度5）关闭主机箱电源，将普通光源撤下换上半导体激光器，将半导体激光器的两个插孔（+、−）分别与主机箱0~5V的可调电源的+、− 相连开主机箱电源，同上面方法用照度计测量激光器发出的光的照度，作记录把数据填入表1-3表1—3输入电压（v）2.5V3V3.5V4V4.5V5V光照度（Lx）（6） 关闭主机箱电源，用光功率探头代替照度计探头，将光功率探头的两个插孔（+、−）分别与主机箱的光功率计输入端的+、− 相连，打开主机箱电源，方法同上用光功率计测量激光器的光功率，并作记录，把数据填入表1-4。

表1—4输入电压（v）33.544.55光功率(mw)五、思考题 白光与其他色彩光有何区别？人的视觉对什么颜色（波长）的光最敏感？为什么灯泡在相同工作电压下发出各种波长光的照度、光功率大小不同？实验二 光敏电阻实验一、 实验目的：了解光敏电阻的光谱响应特征、光照特性和伏安特性等基本特性二、 基本原理：在光线的作用下，电子吸收光子的能量从键合状态过渡到自由状态引起电导率的变化，这种现象称为光电导效应光电导效应是半导体材料的一种体效应光照愈强，器件自身的电阻愈小基于这种效应的光电器件称光敏电阻光敏电阻无极性，其工作特性与入射光光强、波长和外加电压有关三、 需用器件与单元： CSY—2000G主机箱、光源、滤色片、 光电器件实验（一）模板 、cds光敏电阻、光照度探头四、 实验步骤：1、亮电阻和暗电阻测量（1） 图2-1是光敏电阻实验原理图图2-1 光敏电阻实验原理图（2） 按图2-1的光学系统装置图，安装好普通光源和光照度计探头及遮光筒，将主机箱的0~12V的可调电源与普通光源的两个插孔相连，将可调电源的调节旋钮逆时针方向慢慢调到底将照度计探头的两个插孔与主机箱照度计输入端“+”、“─”相应连接。

打开主机箱电源，顺时针方向慢慢增加0~12V可调电源，使主机箱照度计显示100LX（按下按钮×1） 图2-2光敏电阻实验接线图（3） 撤下照度计连线及探头，换上光敏电阻将光敏电阻的一个插孔连到主机箱固定稳压电源+5V的“+”插孔上光敏电阻的另一个插孔连到主机箱电流。