CSY10G型光电传感器系统实验仪实验指导书
实验原理
光电传感器（探测器）是将光信号转换为电信号的传感器，它主要检测直接引起光强度变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能导致光量变化的其它非电量，如物体形状、表面粗糙度、位移、速度、加速度、工作状态识别等。光电传感器具有非接触性、响应快、性能可靠等特点，因而在现代工业生产中得到广泛应用。
光电传感器的物理基础是光电效应。在光辐射作用下电子逸出材料的表面，产生光电子发射称为外光电效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。电子不逸出材料表面的则是内光电效应。光电导效应、光生伏特效应属于内光电效应。光电效应通常分为外光电效应和内光电效应，通常所用的光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等都属于上述两种类型。 光电导效应
当光照射到某种半导体材料上时，进入半导体内部的光子能量足够大，某些电子吸收光子的能量，从原来的束缚态变成导电的自由态，这时在外电场的作用下，流过半导体的电流会增大，即半导体的电导会增大，该现象叫光电导效应。它是一种内光电效应。
光电导效应可分为本征型和杂质型两类。前者是指能量足够大的光子使电子离开价带跃入导带，价带中由于电子离开而产生空穴，在外电场作用下，电子和空穴参与电导，使电导增加。杂质型光电导效应则是能量足够大的光子使施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁到导带或价带，从而使电导增加。杂质型光电导的长波限比本征型光电导的要长得多。长波限对于光探测器具有重要的意义，长波限越长，则能够探测的光波长也就越大。例如，Ge探测器的探测波长就大于Si探测器。 光生伏特效应
在无光照时，半导体PN结内部自建电场。当光照射在PN结及其附近时，在能量足够大的光子作用下，在结区及其附近就产生少数载流子（电子、空穴对）。载流子在结区外时，靠扩散进入结区；在结区中时，因电场的作用，电子漂移到N区，空穴漂移到P区。结果使N区带负电荷，P区带正电荷，产生附加电动势，此电动势称为光生电动势，此现象称为光生伏特效应。 光电传感器的基本特性
光电传感器的基本特性则包括：伏安特性、光照特性等。其中光电传感器在一定的入射照度下，光敏元件的电流I与所加电压U之间的关
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系称为光敏器件的伏安特性。改变照度则可以得到一组伏安特性曲线。它是传感器应用设计时选择电参数的重要依据。光电传感器的光谱灵敏度与入射光强之间的关系称为光照特性，有时光电传感器的输出电压或电流与入射光强之间的关系也称为光照特性，它是光敏传感器应用设计时选择参数的重要依据之一。
操作须知
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，尤其是在做伏安特性、光照特性等实验时。
请按照说明安装好图象卡及实验软件，（安装图象卡时计算机内不能有其它图象卡驱动程序，否则要引起文件冲突）。按照安装说明正确安装图象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“PAL_B”，这样才能获得清晰稳定的图象。在详细了解了实验软件内容和操作方法后进行实验。
实验前应检查仪器的工作电压是否正常，实验连接线是否完好，实验中应避免电源之间相互短路。
图象卡的视频线及数据采集卡的通信线务请连接正确。
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。 仪器工作台上的具体布局请见布局示意图。CCD摄象机及一体组装的移动导轨可以按照实验需要灵活安装，实验时请根据实验需要按布局图安装在相应的导轨基座支柱上。
请特别注意：固体激光器插头（3V电压供电）不能插入CCD电源插孔（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。
请注意本仪器为实验性仪器，大多实验主要是对光电传感器进行定性的分析演示，而非应用工程中的定量测试。通过完成本实验仪的实验内容，期望能对实验者在光电传感器方面的认识有所加深，为以后的工程应用打下基础。
仪器使用前应对各项传感器、公共电路进行检查，如能完成实验指导书中的相应内容，则仪器性能正常。
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目录
实验原理 ........................................................................................................................ 1 操作须知 ........................................................................................................................ 2 实验一 光敏电阻特性实验 ........................................................................................ 4 实验二 光敏电阻的应用-----暗光亮灯电路 ............................................................. 6 实验三 光敏二极管特性实验 .................................................................................... 7 实验五 光敏三极管特性测试 .................................................................................. 10 实验六 光敏三极管对不同光谱的响应 .................................................................. 12 实验七 光电池特性测试. ......................................................................................... 13 实验八 光电池应用------光强计 ............................................................................ 15 实验九 红外光敏管应用-----红外检测 ................................................................. 15 实验十 光纤位移传感器原理 ................................................................................ 16 实验十一 光纤传感器--------位移测试 ................................................................. 17 实验十二 光纤传感器应用--------测温传感器 ....................................................... 17 实验十三 光纤传感器---转速与振动测试 ............................................................ 18 实验十四. 光耦合器件------光断续器 ................................................................. 18 实验十五 菲涅尔透镜性能实验 .............................................................................. 19 实验十六 红外光传感器----热释电红外传感器性能 .......................................... 19 实验十七 红外光传感器----热释电红外传感器人体探测 ...................................... 20 实验十八. 光电位置敏感器件-----PSD传感器 ...................................................... 20 实验二十 光栅衍射实验——光栅距的测定 .......................................................... 22 实验二十一 光栅衍射——测距实验 ...................................................................... 22 实验二十二 光栅莫尔条纹原理 .............................................................................. 23 实验二十三 电荷耦合图像传感器---CCD摄像法测径实验 ................................ 23 实验二十四 CCD摄像法的应用—莫尔条纹记数 ................................................ 24
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实验一 光敏电阻特性实验
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1-1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：
????p?e??p??n?e??n 在上式中，e为电荷电量，?p为空穴浓度的改变量，?n为电子浓度的改变量，?表示迁移率。当两端加上电压U后，光电流为：Iph?Ad????U
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。
光敏电阻的伏安特性如图1-2所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。
图1-2光敏电阻的伏安特性曲线 图1-3 光敏电阻的光照特性曲线
光敏电阻的光照特性则如图 1-3 所示。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是在大多数的情况下，曲线的形状都与图1-3 类似。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因
此不适宜作测量型的线性敏感元件 ，在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。
图 1-4 几种光敏电阻的光谱特性
实验所需部件:
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稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元）、电压表、各种光源、遮光罩、激光器、光照度计（做光照特性测试，由用户自备或选配）
实验步骤:
1. 测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、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R暗，移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的阻值为亮电阻R亮，暗电阻与亮电阻之差为光电阻，光电阻越大，则灵敏度越高。
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。 2. 光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流
按照图1-5接线，分别在暗光及有光源照射下由微安表测得暗电流I暗和亮电流I亮，两者之差称为光电流，光电流越大，则灵敏度越高。 3. 光敏电阻的伏安特性测试
按照图1-5接线，电阻R选定1K，电源可从直流稳压电源+2~+12V间选用，在以下三种不同的光照条件下，测出当电源电压 为+2V、+4V、+6V、+8V、+10V、+12V时电阻R两端的电压UR和电流数据，由此算出此时光敏电阻的阻值，即：Rg?Ucc?URIPh，并填入以下表格，根
图1-5 光敏电阻的测量电路
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（V） UR（V） 电流（μA） 电阻（Ω） 工作电压（V） UR（V） 电流（μA） 电阻（Ω） 工作电压（V） UR（V） 电流（μA） 电阻（Ω） 2 2 2 4 4 4 6 6 6 8 8 8 10 10 10 12 12 12 光敏电阻伏安特性测试数据表（正常环境光照） 光敏电阻伏安特性测试数据表（有光源照射） 4. 光敏电阻的光照特性测试
按照图1-5接好实验线路，负载电阻R选定1K，光源用高亮度卤钨灯，由照度计测得相应照度值（实验者可仔细调节光源控制旋钮，得到不同的光源照度），每确定一种照度后改变测试电路工作电压(0V-12V)。选定三个工作电压，测出光敏电阻在相对光照度从“弱光”到逐步增强的光电流数据。这里要求尽量多的测点（不少于15个）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。
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