光电检测实习报告.docx

1、光电检测实习报告光电检测技术实习报告 学生姓名： 班 级： 学 号： 指导老师： 实验一 光敏电阻特性实验 1实验二 光敏电阻的应用暗灯控制 6实验三 光敏二极管特性实验 7实验四 光敏三极管特性实验 12实验五 光敏管的应用光控电路 15实验六 红外光敏管特性实验 16实验七 红外光敏管的应用红外检测 19实验八 光电池特性实验 20实验九 光电池的应用光强计 24实验十 光纤位移传感器特性实验 25实验十一 光纤位移传感器位移测量 26实验十二 光纤位移传感器测温实验 27实验十三 光纤位移传感器转速测量 28实验十四 光电耦合式传感器转速测量 29实验十五 菲涅尔透镜特性实验 30实验一

2、 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

3、端加上电压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

4、强而增大，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

5、用光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

6、所下降。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

7、，分别在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）(注：R = 100K）工作电压2V4V6V8V10V12VU（V）1.2722.533.795.046.31-I（uA）1.0

8、1.02.03.03.9-R光（k）7281470110598669461-光敏电阻伏安特性测试数据表（正常环境光照）(注：R = 100K）工作电压2V4V6V8V10V12VU（V）1.973.996.028.0310.05-I（uA）3.168.511.915-R光（k）9.671.66-光敏电阻伏安特性测试数据表（有光源照射）(注：R = 100K）工作电压2V4V6V8V10V12VU（V）1.953.965.967.979.98-I（uA）1939597998-R光（k）2.631.020.670.380.20-. 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1

9、K，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。光敏电阻光照特性测试数据表（电压：2V ）照度UR（mV）56747883108115123137146155166175185195204光电流（uA）232830324044485256606468727680光敏

10、电阻光照特性测试数据表（电压： 4V ）照度UR（mV）103115123135145155166174186196206220227239249光电流（uA）404448525660646872768084889296光敏电阻光照特性测试数据表（电压： 6V ）照度UR（mV）8495101114125135147157166177186199206218226光电流（uA）323640444852566064687276808488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

11、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

12、大致的光谱特性曲线：(注：R=1k U总=10V) 光电阻I /光源激光（R=100K）红（R=100K）黄绿蓝（R=100K）白（R=100K）UR（V）10.086.780.180.015.814.83I（uA）100686046048. 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，

13、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。实验二 光敏电阻的应用-暗灯控制一实验目的：.了解光敏电阻的应用。二实验原理:本实验为一种当有光照射时切断电路，无光照射时接通电路的暗通型光电控制器电路，当光照消失（无光照）时，光敏电阻CdS的阻值增大，处理电路中的晶体管T基极电压升高，T导通,集电极负载LED流过的电流增大,LED发光管发光。三实验所需部件:光敏电阻、光敏灯控、发光二极管、数字电压频率表四实验步骤:按照仪器面板所示，将光敏电阻对应接入“光敏灯控”单元的“

14、光敏入”，“发光管”端口与“发光二极管”相接，输出端Vo接数字电压频率表20V档。确认无误后，开启仪器电源，调节“暗光控制”电位器，使在实验室光照环境下发光管不亮。然后改变光照条件，分别用白纸、带色的纸和遮光罩改变光敏电阻的光照，当光照变暗到一定程度时发光管变亮，这就是日常所用的暗光街灯控制电路的原理。根据暗通电路原理,试设计一个亮通控制电路。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，

15、用高阻P型硅作为基片，然后在基片表面进行掺杂形成PN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

16、载流子将被内场拉开，光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向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

17、二极管的正、反向特性与普通PN结二极管基本一样，均为图（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

18、选配单元中可变电阻)、遮光罩、光源、数字电压频率表(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

19、的暗电流要大于硅光敏二极管暗电流数十倍，可在试件插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

20、偏压与产生的光电流的关系数据，其中光电流（1K为取样电阻），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 ）（注： R =1K U=6V）电压（V）24681012UR（V）1.943.945.947.949.96-电阻（k）55553-光电流（uA）1212121212-光敏二极管伏安特性测试数据表（照度： 中 ）（注： R =1K U=6V）电压（V）24681012UR（V）1.933.925.937.929.94-电阻（k）3.33.63.33.42.5-光电流（uA）21222323.524-光敏二极管伏安特性测试数据表（照度： 强 ）（注： R =1K U=

21、6V）电压（V）24681012UR（V）1.903.905.907.909.91-电阻（）2.852.732.702.632.30-光电流（uA）3536.5373839-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为取样电阻）。光敏二极管光照特性测试数据表（电压：6V ） （注：R=1K）照度UR（V）5.965.955.955.945.935.935.925.

22、915.915.90光电流(uA)481216202428323639光敏二极管光照特性测试数据表（电压： 8V ）（注：R=1K）照度UR（V）7.967.967.957.947.937.937.927.917.917.90光电流(uA)04812162024283236光敏二极管光照特性测试数据表（电压： 10V ）（注：R=1K）照度UR（V）9.989.989.979.979.969.959.959.949,939.93光电流(uA)04812162024283236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

23、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，

24、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：(R=1K ,U=10V)光源激光（R=100K）红（R=100K）黄绿蓝（R=100K）白（R=100K）UR（V）0.389.909.979.889.949.85I（uA）100288607280. 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），

25、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。实验四 光敏三极管特性实验一实验目的；熟悉光敏三极管的结构和工作原理。了解光敏三极管的特性，当工作偏压一定时，光敏三极管输出光电流与入射光照度的关系。二实验原理：光敏三极管与反向偏压的光敏二极管的工作原理是类似的，但是器件中有两个PN结，以便利用一般晶体管得作用得到电流增益。因而，有的文献又称光敏三极管为光电孪生二极管或具有两个PN结的光敏二极管。由于具有比光敏二极管高得多的响应度，工作时对电源的要求又不苛刻，所以

26、，它是目前我国应用最广泛的一种半导体器件。光敏三极管可以用元素半导体制得，也可用化合物半导体制得，本仪器用的是一种用平面工艺制造的硅NPN型光敏三极管，只有E、C两个引出端子，光敏三极管的暗电流就是无光照射时集电极发射极间的漏电流，在基极开放状态下使用时，光敏三极管的暗电流就是在Vce作用下的集电极发射极的反向饱和电流Iceo=IcbohFE,光敏三极管的暗电流也比光敏二极管增大了hFE倍，光敏三极管伏安特性曲线如图（15）所示。设Ip为集电极基极间构成的等效光敏二极管Dj的光生电流；Ic为光敏三极管的响应输出电流（集电极电流）；hEF为光敏三极管的直流放大倍数；则光敏三极管的响应输出电流为：

27、IcIphFE,光敏三极管的灵敏度比光敏二极管提高了hEF倍光敏三极管的输出电流Ic与光电流Ip保持线性关系；这亦代表了输出电流Ic与入射光量之间，基本保持线性关系，如图（16）光照特性曲线所示。 图（） 图（） 硅光电三极管的相对光谱特性曲线如图（17）所示，光电三极管的光谱灵敏度特性与光电二极管相似，在可见光区和近红外光区都有较好的响应，光电三极管的光谱响应特性主要取决于构成光敏器件的半导体材料的光谱响应特性；只是在光谱响应的增益值方面，受光电管hFE个体差异的影响而有较大的个体差异，这一点与光电二极管有所不同。图（） 图（） 光敏三极管的相对光响应灵敏度与温度的特性曲线如图（18）所示，环境温度T对光电三极管的灵敏度有很大影响，由于光电三极管的hFE受环境温度的影响较大，所以光电三极管的灵敏度也会随环境温度变化而变化，温度特性方面光电三极管与光电二极管有很大不同。三实验所需部件：光敏三极管、直流稳压电源、各类光源、数字电压频率表（自备4 1/2位表）、微安表（或自备4 2/1位万用表200mA档）、负载电阻（实验选配单元）、照度计（用户选配）四