光电传感器应用技术实验指导书.docx

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光电传感器应用技术实验指导书

光电传感器技术实验指导

太原理工大学物理与光电工程学院太原理工大学测控技术研究所

2014年10月21日

实验一光敏电阻特性参数及其测量

1、光敏电阻伏安特性实验

1.1、实验目的

通过本实验，认识并学习光敏电阻，掌握光敏电阻的基本工作原理，变换电路和它的光照特性和伏安特性等基本参数及其测量方法。

达到会用光敏电阻器件进行光电检测方面应用课题的设计。

1.2、实验仪器

①GDS-Ⅲ（或Ⅳ）型光电综合实验平台1台；

②LED光源1个；

③光敏电阻1个；

④通用光电器件实验装置2只

⑤光电器件支杆2只；

⑥连接线20条；

⑦示波器探头2条；

☆注意事项：

LED发光二极管正负极性问题（从侧面观察两条引出线在管体内的形状，较小的是正极），与之对应的通用光电器件实验装置中，白螺钉一端为正极，黑螺钉一端为负极。

通用光电器件引线红色为正，黑色为负。

1.3、实验原理

某些物质吸收了光子的能量后，产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象称为物质的光电导效应。

利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成电导（或电阻）随入射光度量变化器件，称为光电导器件或光敏电阻。

当光敏电阻受到光的照射时，其材料的电导率发生变化，表现出阻值的变化。

光照越强，它的电阻值越低。

因此，可以通过一定的电路得到输出信号随光的变化而改变的电压或电流信号。

测量信号电压或电流很小。

当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）将急剧变化，因此电路中电流将迅速增加。

便可获得光敏电阻随光或时间变化的特性，即光敏电阻的特性参数。

1.4、实验步骤

利用图1实验装置可以测量出光敏电阻的伏安特性，并能够画出其伏安特性曲线。

实验过程可以采用如下步骤：

下面利用光电综合实验平台提供的硬件资源，模拟示波、模拟伏安特性以及其功能软件，直接对光敏电阻进行伏安特性的测量实验，在计算机界面上直接得到光敏电阻的伏安特性曲线。

具体实验步骤如下：

a.电路接通无误后将LED与光敏电阻闭合、固定，接通平台电源，进入如平台软件的主界面，在主界面中点击“伏安特性实验”选项。

在参数设置框中对伏安特性实验的参数进行设置，主要有两项，分别是采样频率（250Hz）——阶梯波与扫描锯齿波的工作频率，和发出锯齿波的级数选择（4级）。

点击示波器进行观测。

b.执行“返回”，更换采集方式。

返回到主界面后，单击“数据采集”菜单，显示屏将显示出光敏电阻的伏安特性曲线，保存数据。

1.5、实验结果及分析

测量光敏电阻伏安特性。

思考：

图1中R2、R3的作用。

2、光敏电阻时间响应特性实验

2.1、实验目的

通过本实验，认识并学习光敏电阻，掌握光敏电阻的基本工作原理，变换电路和它的光照特性和伏安特性等基本参数及其测量方法。

达到会用光敏电阻器件进行光电检测方面应用课题的设计。

2.2、实验仪器

①GDS-Ⅲ（或Ⅳ）型光电综合实验平台1台；

②LED光源1个；

③光敏电阻1个；

④通用光电器件实验装置2只

⑤光电器件支杆2只；

⑥连接线20条；

⑦示波器探头2条；

2.3、实验原理

（1）弱辐射条件下的时间响应

设入射辐射如右图上方的方波所示光脉冲，其辐射通量Φe表示为：

光敏电阻的光电导率Δσ和光电流Ie随时间变化的规律为如上图下方所示的输出波形，其变化规律为：

式中Δσ0与Ie0分别为弱辐射作用下的光电导率和光电流的稳态值。

显然，当t>>r时，Δσ=Δσ0，Ie=Ie0；当t=τr时，Δσ=0.63Δσ0，I=0.63Ie0；τr定义为光敏电阻的上升时间常数，即光敏电阻的光电流上升到稳态值IΦe0的63%所需要的时间。

停止辐射时，入射辐射通量Φe与时间的关系为：

同样，可以推导出停止辐射情况下的光电导率和光电流随时间的变化规律

当t=τf时，Δσ0下降到Δσ=0.37Δσ0，Ie0下降到I=0.37Ie0；当t>>τf时，Δσ0与Ie0均下降到0；可见，在辐射停止后，光敏电阻的光电流下降到稳态值的37%所需要的时间称为光敏电阻的下降时间常数，记为τf。

显然，光敏电阻在弱辐射作用下的上升时间常数τr与下降时间常数τf近似相等。

（2）强辐射条件下的时间响应

如右图所示为较强的辐射通量Φe（图的上方）脉冲作用于光敏电阻时的输出波形（图的下方波形），无论对本征型还是杂质型的光敏电阻，光激发载流子的变化规律由下式表示，其中，设入射辐射为方波脉冲

光敏电阻电导率σ的变化规律为：

其光电流的变化规律为：

显然，当t>>τ时，Δσ=Δσ0，Ie=Ie0；当t=τ时，Δσ=0.76Δσ0，Ie=0.76Ie0。

在强辐射入射时，光敏电阻的光电流上升到稳态值的67%所需要的时间τr定义为强辐射作用下的上升时间常数。

当停止辐射时，由于光敏电阻体内的光生电子和光生电荷需要通过复合才能恢复到辐射作用前的稳定状态，而且随着复合的进行，光生载流子数密度在减小，复合几率在下降，所以，停止辐射的过渡过程要远远大于入射辐射的过程。

停止辐射时光电导率和光电流的变化规律可表示为：

2.4、实验步骤

利用图1实验装置可以测量出光敏电阻的时间响应特性，并能够画出其时间响应特性曲线。

具体实验步骤如下：

a.电路接通无误后将LED与光敏电阻闭合、固定，接通平台电源，进入如平台软件的主界面，在主界面中点击“时间响应实验”选项。

然后，再从时间响应实验栏的“采样频率”选项中设置适当的频率，最后，采用两个示波探头CH1与CH2分别接在电阻Re端测量方波输入脉冲和光敏电阻变换电路的输出上，然后点击“采集数据”菜单。

“时间相应测量结果的界面”，界面分为两部分，上部显示加在光敏电阻上的输入方波脉冲的波形，其横轴为时间坐标，显示以方波脉冲光作用到光敏电阻上，下部分为光敏电阻变化电路的输出信号，对比上下两部分波形，观测光敏电阻的时间响应特性。

b.调节R2，使得方波信号工作在非饱和状态。

测量光敏电阻在强（R1=510Ω）、弱（R1=1MΩ）两种辐射作用下时间响应特性。

例如，弱辐射的上升时间测量方法为：

上升曲线边缘处点击鼠标右键，在上升到稳态50%点击鼠标右键，弱辐射条件下光敏的上升时间为两者差，可从界面右下角处直接读出。

2.5、实验结果及分析

测量光敏电阻在强、弱两种辐射作用下时间响应特性，并分别计算出对应的上升、下降时间，将结果进行比较。

关机与结束

①所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则要重新补作上述实验；若合理，可以进行关机；

②先将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回配件箱；

③将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后离开实验室。

实验二光电二极管的特性参数及其测量

1、实验目的

硅光电二极管是最基本的光生伏特器件，掌握了光电二极管的基本特性参数及其测量方

法对学习其他光伏器件十分有利。

通过该实验，要熟悉光电二极管的光电灵敏度、时间响应、

光谱响应等特性。

2、实验仪器

①GDS-Ⅲ（或Ⅳ）型光电综合实验平台1台；

②LED光源1个；

③光电二极管1只；

④通用光电器件实验装置3只；

⑤光电器件支杆2只；

⑥连接线20条；

⑦示波器探头2条；

☆注意事项：

LED与光电二极管的区别以及正负极性问题（从顶端看去，能够看出它们的差异，光电二极管的光敏面积，即显深颜色部分，较大；发光二极管没有）。

光电二极管的长引脚为正、短引脚为负。

通用光电器件引线红色为正，黑色为负。

3、实验原理

光电二极管是典型的光生伏特器件，它只有一个PN结。

光电二极管的全电流方程为：

式中前一项称为扩散电流，也称为暗电流，用Id表示；后一项为光生电流，常用IP表示。

显然，扩散电流Id与加在光电二极管上的偏置电压U有关，当U=0时，扩散电流为0。

扩散电流Id与偏置电压U的关系为：

式中，ID为PN结的反向漏电流，与材料中的杂质浓度有关；q为电子电荷量，k为波尔曼常数，T为环境的绝对温度。

显然，上式描述了光电二极管的扩散电流与普通二管没有什么区别。

而与入射辐射有关的电流Ip为：

式中，h为普朗克常数，α为硅材料的吸收系数，d为光电二极管在光行进方向上的厚度，λ为入射光的波长。

显然，对单色辐射来讲，当光电二极管确定后，上述参数均为常数。

因此，结论为光电二极管的光电流随入射辐射通量Φe，λ线性变化，式中的负号表明光生电流的方向与扩散电流的方向相反。

4、实验内容

①光电二极管伏安特性的测量；

②光电二极管时间响应特性的测量；（选作）

5、实验步骤

①光电二极管伏安特性的测量

a.将LED、光电二极管接入中通用光电器件实验装置（注意正负极性），按图1搭建电路。

电路检查无误后将LED与光电二极管闭合，避免杂散光的影响，打开实验平台开关。

b.调出光电综合实验平台的执行软件界面，在界面上先选中“伏安特性实验”。

点击界面上的“示波器”，所示的示波器显示界面，选择通道1为红色，通道2为蓝色，再点击“开始”菜单，屏幕上将显示出各通道输入信号的波形。

c.调节电路参数，使输出信号波形的每个台阶的高度均有一定的差异，高度尺寸不太小或太大，此时光电二极管的变换电路调得比较合适。

点击停止按键，然后在主界面上再点击“数据采集”，保存光电二极管器件的伏安特性曲线图。

②光电二极管时间响应特性的测量

a.按图2搭建电路，电路检查无误后，进行“时间响应实验”。

b.调节电路参数，观测时间响应特性，并保存。

6、实验结果及分析

①测量光电二极管的伏安特性曲线。

②测量光电二极管的时间响应特性曲线。

关机与结束

①所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则要重新补作上述实验；若合理，可以进行关机；

②先将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回配件箱；

③将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后离开实验室。

实验三PSD位置传感器实验

1.实验目的

通过PSD光电位置传感器的原理实验，掌握光伏器件的横向效应和利用横向效应制造出的光点位置传感器（PSD），并了解有关PSD的应用技术。

2.实验仪器

①GDS-Ⅲ（或Ⅳ）型光电综合实验平台主机1台；

②一维PSD光电位置传感器及其夹持器1件；

③点状半导体激光器1只；

④二维调整架1只；

3.实验内容

将装载有点光源的被测物体所发出的圆形光点落入到一维PSD器件上，其两个电极分别输出两路电流，电流强度的和与差值与光点距器件中心位置的距离有关，因此，可用电流强度来度量光点在PSD上的位置，既用电流测出被测物体的位置。

4.实验原理

如右图所示为PIN型PSD器件的结构示意图，它由3层构成，上面为p型层，中间为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的距离为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与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与I2之和。

即：

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，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。

5.实验步骤

a.搭建实验装置。

从实验平台备件箱中取出PSD实验装置，并将其用支持架固定在光电综合实验平台上。

固定的时候要求PSD光敏面与光学平台台面平行。

然后再将点状半导体激光器（LD光源）装置安装到下面装有二维调整架上，使二维调整架能够沿PSD长度方向微调，构成右图所示的结构。

b.将激光器LD电源正极与Vcc连接，负极与50Ω电阻串联后接地。

串联电阻的作用为防止电路电流过大烧坏激光器。

c.PSD器件搭设。

PSD有三个引脚：

红、黄、黑，红色引脚接电流表正极，黄色引脚接另一电流表正极，黑色引脚分别接入电流表负极。

d.打开试验台开关，调节调整架位置，使激光器的光斑落在PSD的中间位置，分别读出I1与I2的值。

然后调节微调器，使光斑沿PSD敏感面移动，边移动边记录电流I1与I2的值，从调整架或微调器上测出位移量△X，观测并记录位移量与电流变化量的关系。

6.实验结果及分析

画出△X与I1-I2的关系曲线。

思考入射光电大小对测量结果的影响。

关机与结束

①将所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则要重新作上述实验；若合理，可以关机；

②先退出计算机软件，关掉计算机电源，再将实验平台的电源关掉；

③最后，将所用的配件放回配件箱；将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后离开实验室。

实验四非接触物体外形尺寸的测量实验

1、实验目的

本实验是在光电综合实验平台上利用线阵CCD相机、非接触测量物体尺寸的基本部件和成像物镜等自行搭建的方法来完成，通过实际搭建的测量系统使学生的动脑分析、动手操作的能力大幅度提升，对系统的认识程度也会得到提升与锻炼。

2、实验所需仪器设备

①GDS-Ⅲ（或GDS-Ⅳ）型光电综合实验平台1台；

②线阵CCD相机1台；

③50mm焦距的成像物镜1只；

④被测物夹持器1只；

⑤模拟被测杆件3mm、5mm、8mm各1只；

⑥远心照明光源1只；

⑦磁性表座3只；

⑧若用GDS-Ⅳ型光电综合实验平台时，必须配置PC计算机1台；

3、利用线阵CCD进行非接触测量物体尺寸的基本原理

线阵CCD的输出信号包含了CCD各个像元所接收光强度的分布和像元位置的信息，使它在物体尺寸和位置检测中显示出十分重要的应用价值。

CCD输出信号的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体震动（振动）等的测量。

将被测物体A置于成像物镜的物方视场中，将线阵CCD像敏面恰好安装在成像物镜的最佳像面位置上。

图4-1线阵CCD测量尺寸物体外径原理图

当被均匀照明的被测物体A通过成像物镜成像到CCD的像敏面上时，被测物体像黑白分明的光强分布使得相应像敏单元上存储载荷了被测物尺寸信息的电荷包，通过CCD及其驱动器将载有尺寸信息的电荷包转换为如图4-1右侧所示的时序电压信号（输出波形）。

根据输出波形，可以测得物体A在像方的尺寸D′，再根据成像物镜的物像关系，找出光学成像系统的放大倍率β，便可以用下面公式计算出物体A的实际尺寸D

D=D′/β（4-1）

显然，只要求出D′，就不难测出物体A的实际尺寸D。

线阵CCD的输出信号UO随光强的变化关系为线形的，因此，可用UO模拟光强分布。

采用二值化处理方法将物体边界信息（图4-1中的N1与N2）检测出来是简单快捷的方法。

有了物体边界信息便可以进行上述测量工作。

4、实验内容

①建立非接触测量物体外形尺寸的基本结构；

②观测二值化处理过程中CCD的输出信号；

③在进行二值化阈值电平调整的过程中，观察阈值电平的调整对测量值的影响；

④进行光学系统放大倍率的标定；

5、实验步骤

①先从配件箱中找出所需仪器设备（配件），在光学平台上用磁性表座将远心照明光源安装与固定在平台的一侧，可以参考然如图4-2所示的结构图。

②再用磁性表座将被测物固定装置安放到远心照明光源前（距光源20mm为最佳），模拟被测物杆件的顶端应高出光源出光的上端（远心照明光源正极接+5V,负极接1K电位器，然后接地）；

③再用一个磁性表座将平台提供的TCD1252线阵CCD相机安装固定到平台的另一侧（如图4-2所示），安装时要注意相机的中心高度与远心照明光源光轴中心尽量等高；

④将50mm成像物镜连同接圈一起安装到线阵CCD相机上；

⑤用平台提供的电源将远心照明光源点亮，用白纸观察被测物在远心光源下所成的像，调整被测物的位置，使被测物的像位于视场中间部位，然后将屏向相机镜头方向移动，直到镜头，并使器像恰好在镜头的中部。

到此，目视粗调完成。

图4-2平台上尺寸测量实验装置系统图

⑥在光学平台上找到LCCD（线阵CCD）的7针插座，将相机的电缆线上的7孔插座插到其上；

⑦启动光电综合实验平台的计算机电源，进入“带实验装置”文件夹，点击之，弹出如图各种实验软件选项，找到尺寸测量软件；

⑦在被测夹持器中夹入5mm被测杆件，计算放大倍率并进行标定；

6、实验结果及分析

①建立非接触测量物体外形尺寸的基本结构；

②对二值化处理过程中CCD的输出信号进行观测；

③在进行二值化阈值电平调整的过程中，观察阈值电平的调整对测量值的影响；

④写出实验总结报告，解释为何不同阈值下测量结果有差异，造成这种差异的原因有几点。

关机与结束

①所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则要重新补作上述实验；若合理，可以进行关机；

②先将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回配件箱；

③将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后离开实验室。

实验五利用线阵CCD测量物体的倾斜角度

1、实验目的

应用彩色线阵CCD可以测量物体的倾斜角度，学习利用线阵CCD测量被测物体倾斜角度的方法能够帮助学生进一步掌握线阵CCD的基本应用问题，培养学生充分发挥想象力，增强创新设计能力。

2、实验所需仪器设备

①GDS-Ⅲ（或Ⅳ）型光电综合实验平台1台；

②TCD1251D相机1台；

③模拟物体倾斜角度实验装置1台；

④50mm焦距成像物镜1台；

⑤远心照明光源1只；

⑥磁性表座底座3只；

3、利用彩色线阵CCD测量物体倾斜角度的原理

利用线阵CCD测量物体倾斜角度的方法有很多，其实质都属于尺寸测量和位移量测量的类型。

常用的测量方法有两种。

第一种方法为用单色线阵CCD的测量方法，在如图5-1所示中的水平粗线代表线阵CCD的像敏单元阵列，假设被测物体的轴线与像元排列方向垂直，线阵CCD将测出它的直径宽度为D，当该物体旋转了角度α后，CCD测量出来的宽度值也发生变化，变为DS。

被测物的倾斜角度α的计算公式为

α＝cos-1（D/DS）（5-1）

图5-1测倾斜方法

4、实验内容

①学习利用彩色线阵CCD测量被测物体倾斜角度的基本原理。

②掌握利用彩色线阵CCD测量倾角的方法。

5、实验步骤

①从平台备件箱中取出3只磁性表座、支杆、模拟物体倾斜角度实验装置、远心照明光源和TCD1251D相机；

④在GDS-Ⅳ型平台上搭建时，应该参考如图5-2所示的结构进行搭建，同样，倾斜实验装置应该靠近远心照明光源；

图5-2在Ⅳ型平台上搭建倾角测量系统

⑤将远心照明光源用平台上的电源将其点亮（可以利用平台上的所有资源），使模拟倾斜的被测物图像能够被线阵CCD相机所接收；

⑥将50mm成像物镜安装到相机上；

⑦将相机的电缆线与平台的“LCCD”接口接好；

⑧将GDS-Ⅲ型光电综合实验平台的计算机启动，并调出事先装好的角度测量实验软件，弹出如图5-3所示的软件界面；

图5-3平台上搭建倾斜角度测量实验软件界面

⑨先将被测量的杆件至于垂直放置，在软件界面“尺寸测量”框中点击“宽度D”，测量出杆件的直径D，然后，再将杆件调到倾斜一定的角度，再点击“宽度DS”，测量出倾斜放置时的DS值，此时，在角度测量窗内就可以读到倾角角度值。

6、实验结果及分析

①根据彩色线阵CCD测量被测物体倾斜角度的基本原理，对被测杆件进行角度测量；

②写出实验总结报告，思考光源与被测物间的距离变化会有什么样的影响？

关机与结束

①所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则要重新补作上述实验；若合理，可以进行关机；

②先将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回配件箱；

③将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后离开实验室。

实验六用线阵CCD测量物体的振动

1、实验目的

①通过搭建物体振动的实验系统掌握系统的结构与构成；

②通过实验掌握系统结构参数对测量结果的影响。

③学习用线阵CCD测量物体振动参数的方法。

2、所需器材

①GDS-Ⅲ（或Ⅳ）型光电综合实验平台1台；

②TCD1251D相机1台；

③YHZD-Ⅰ型振动实验装置1台；

④远心照明光源1只；

⑤磁性表座2只；

⑥支杆2只；

⑦PC计算机（在只有GDS-Ⅳ型平台情况）1台；

3、实验原理

物体振动的测量常需要测量的振动参数为振幅、频率和相位。

用线阵CCD测量这些参数的测量原理结构如图6-1所示。

利用安装在光学成像物镜像面上的线阵CCD对振动过程中的物进行成像并其边界信息连续地采样输出，测量电路不断地找出被测物体像的中心在线阵CCD向面上的位置，显然，它是时间的函数，设其为W（t）。

如果物体做周期运动，则函数W（t）为周期函数，周期T的倒数为物体振动的频率f；W（t）最大值与最小值之差的一半应该为物体的振动幅度。

如何采集物体像在线阵CCD像面上位置的函数W（t）是测量物体振动的关键。

图6-1振动测量原理图

线阵CCD在驱动脉冲的作用下周期性地输出每个像元所接收的光强信息，其周期为行同步脉冲Fc的周期，也为线阵CCD的积分时间ting。

在同步脉冲Fc的周期内利用二值化数据采集方法或A/D数据采集方法总能够测出被测物体像中心在CCD像敏面上的位置，它便是时间的函数W（t）。

而Fc的周期或ting为采样的间隔时间，它相当于显示曲线坐标架的横轴刻度，其纵轴坐标应为物体中心的位置值。

因此，连续不断地采集物体图像的中心位置便可以获得函数W（t），测出物体的振动状况。

4、实验内容

①测量被测杆件做正弦运动时的振动状态，画出振动波形图；

②根据振动波形图计算出它的振动周期、振幅与初相位。

5、实验步骤

搭建完成后就可以进行测量物体振动的实验，具体步骤为：

①先在光电综合实验平台上将远心照明光源点亮；

②将TCD1251D相机的电缆线连接到平台的“LCCD”插座上，并接通电源，执行振动实验程序，弹出振动实验主界面，观测被测杆件的像（输出波形），调整被测杆件与相机间的距离，直到能够观测到较为清晰的图像（波形的前后沿陡直）后，再用镜头上的调焦环仔细调整好焦距，然后将系统锁定；

③再将振动实验装置的电源接入平台提供的+12V和地（GND）上，振动实验装置将驱动振动杆件做往复正弦振动，其振动速度可由调节旋钮调节；

图6-2GDS-Ⅳ平台上搭建振动实验

④杆件振动后，界面上部将实时显示被测杆像每个瞬间在线阵CC