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1、光电检测技术及系统 实验指导书闻春敖浙江大学光电信息工程学系光电信息工程实验中心2013 年 4 月实验规则 注意事项 预习要求1、 实验前必须认真阅读实验指导书及必要的参考资料。明确实验目的。熟悉内容和步骤，达到规定要求后才可进行。2、 安装实验装置前，检查所有仪器电源开关“关”状态，所有微调旋钮为最小位置，安装好后，应认真检查，确定无误。再经指导老师检查允许后方可接上电源，开启电源时，必须通知本组同学，实验完毕，需将可调旋钮至最小，然后再关闭全部仪器电源。3、 实验时，不要随便开关电源，也不要使身体与设备的带电部分接触，实验中有百伏以上甚至万伏以上高压，必须引起高度重视。4、 一旦发生事故
2、或异常情况，立即关闭所有电源，经指导老师查明故障后，方可继续实验，尚未查明原因前，不要改变现状，以便分析原因，吸取教训。5、 实验完毕，实验结果必须由指导教师审阅，待全部正确后方可将实验装置恢复原状，所有仪器放回原处，排列整齐，经老师同意后方可离去。6、 进实验室就得遵守实验室规章制度，更应注意的是实验时必须保持安静、整洁、不许随便乱动旋钮及开启电源开关，不准随便搬动实验装置。7、 实验前简单写好实验目的，原理步骤及预习要求所需测量的内容，理论曲线，然后根据实验要求进行安装测试。实验报告写法与要求一、实验报告应将实验题目、目的、班级、组别、姓名、学号及同组者姓名等各项书写完整。二、实验报告具体
3、内容及要求：（可参考实验指导书，但不能照抄，希望按自己体会写） 。（一）实验目的（二）实验仪器（三）实验原理（简写）（四）实验步骤：（写出实验方法和顺序，并画出装置示意图或线路图）（五）实验结果（1） 记录实验现象及条件（2） 记录必要数据（必要时列出表格）（3） 对实验结果进行理论分析目 录实验一实验一 光伏探测器件的应用电路及其特性测量光伏探测器件的应用电路及其特性测量实验二实验二 光电导探测器的应用电路及其特性测量光电导探测器的应用电路及其特性测量实验三实验三 光电倍增管的应用电路及特性测试光电倍增管的应用电路及特性测试实验四实验四 位置灵敏探测器（位置灵敏探测器（PSD）实验五实验五
4、典型光电测量系统的设计典型光电测量系统的设计实验六实验六 光学传感三维面形测量光学传感三维面形测量 实验七实验七 面阵面阵 CCD 原理及驱动实验原理及驱动实验实验八实验八 光电探测器光谱响应的实验光电探测器光谱响应的实验1实验系统的组成实验系统的组成系统由光电器件（光电倍增管、光电池等)、光电探测器测试暗箱、工作电源（卤钨灯电源、光电倍增管电源等） 、电流电压转换及放大滤波电路、标准A光源稳流电源、PSD位置传感器实验装置、照度计、计算机等组成。可完成实验项目有光伏探测器件的应用电路及其特性测量、光电导探测器的应用电路及其特性测量、光电倍增管的应用电路及特性测试、位置灵敏探测器（PSD） 、
5、典型光电测量系统的设计、数据采集卡及信号频谱分析。部分实验仪器介绍如下：1 1测试暗箱测试暗箱光电探测器测试暗箱如图1所示：暗箱分上下两层。50W/12V卤钨灯发射出光经过中性小孔减光盘后，由漫透射板出射均匀的漫透射光，光照射到半导体光电传感器或通过反光镜、漫反射板、小孔最后照射到光电倍增管。减光盘 漫透射板反光镜漫反射板光电倍增管放光电器件位置67挡屏2挡屏398挡屏1挡屏412534 130KKD1D 2D3D9A1M130K130K130K光源 （卤钨灯）信号 输出端电源 输入端图 1 光电探测器测试暗箱减光盘共有八档，减光盘刻度位置在 3 时出光最大，而后各档的以此衰减，详见表一。2
6、2 工作电源工作电源减光盘刻度32107654衰减倍率约约11/21/41/81/161/321/64黑2电源主要有三部分组成：分别是卤钨灯电源、光电倍增管电源、测量电路工作电源。2 21 1 卤钨灯电源卤钨灯电源在科学研究和工业生产中，凡涉及辐射量和光度量的测试工作，如光源的发光强度、光通量、光探测器的光谱灵敏度、物体的光度性质以及测光仪器的检测和标定等，一般都要使用标准光源作为测试依据。标准光源包括两部分：标准灯和与之配套的专用电源。标准灯是经过精心制作和检验的优质灯，经国家计量部门标定并发给相应检定数据和测试证书的方能作为标准灯使用。而标准灯专用电源应确保标准灯的发光强度的稳定性和准确性
7、，提供相应稳定和准确的电流和电压。只有两者极佳的配合，才能获得最佳的标准光源的效果。光电检测技术及系统实验中用到光源，对于光电器件的光照特性的测试，稳定的光源至关重要。卤钨灯发光强度的稳定性和准确性除了与其本身质量有关外，还取决于供电电源的稳定性和准确性。电源的参数对于标准灯发光强度的影响可由下式体现：1）工作电压对发光强度的影响：dI/I=dI/I= 3.63.6 dU/UdU/U (1)式中 dI/I 为发光强度的变化；dU/U 为工作电压的变化，若要求发光强度 dI/I0.005 ，则 dU/U0.0014。2）工作电流对发光强度的影响：dI/I=dI/I= 6 6 di/idi/i (
8、2)式中 di/i 为电流的变化。若要求发光强度变化 dI/I0.005 ， 则 di/i0.00083。上述结果表明工作电流的变化对发光强度更灵敏，因此给卤钨灯供电时，采用稳流电源供电比稳压电源供电更合理和更优越。对卤钨灯来讲，除应采用稳流源供电外，在使用中还切忌电压（或电流）冲击。所谓电压（电流）冲击，是指突然给灯丝施加不超过损坏程度的较高电压（电流） 。因为灯丝在通电时产生热膨胀，断电时产生收缩，如工作电压或电流突然施加变化，灯丝受到冲击其机械结构发生变化，这是影响灯的稳定性及寿命的重要因素之一。所以，卤钨灯工作时应逐渐地从零电流或零电压增加。关机时，也应逐渐降低电流或电压，然后再关电源
9、。在实际应用时通常规定开机 15 秒25 秒钟，电流（或电压）从零到达额定值。关机时也是一样。这样可避免过急的热胀冷缩给灯丝造成的损坏。这对延长灯的寿命有着重要的作用。该电源是为 50W 卤钨灯供电而研制，操作步骤如下3（1） 、通过电缆线连接电源至卤钨灯，压入启动开关，开电源开关，电流由 O 慢慢升高，约 25 秒到设定值。设定值可通过电流调节电位器设定。稳定后电流调节至3.54.00A。（2） 、关机前，弹出启动开关，电流由设定值慢慢下降至 O , 然后关电源。注意：电源输出端绝对不能短路，注意：电源输出端绝对不能短路，否则电源功率管将烧坏，否则电源功率管将烧坏，请千万注意。请千万注意。2
10、.22.2 光电倍增管电源光电倍增管电源光电倍增管的供电方式有两种，即负高压接法， （阴极接电源负高压，电源正端接地）和正高压接法（阳极接电源正高压，电源负端接地） 。负高压接法的优点是便于与后面的放大器连接，并且可以直流输出信号，也可以交流输出信号，操作安全方便，缺点在于因玻壳的电位与阴极电位接近，屏蔽罩应至少离开管子玻壳 12mm，使系统的外形尺寸增大，否则由于静电屏蔽的寄生影响，暗电流与噪声都会增大。正高压接法的优点是可使屏蔽光、磁、电的屏蔽罩直接与管子外壳相连，因而屏蔽效果好，暗电流小，噪声水平低，由于阳极处于正高压，会导致寄生电容大，如果直流输出，要求传输电缆能耐高压，而且后级的直流
11、放大器也处于高电压，这样会产生一系列的不便，如果是交流输出，则需通过耐高压、噪声小的隔直电容。实验采用负高压电源，通过电位器调节输出电压，调节范围 01000V。注意：电源输出端切勿短路，高压注意：电源输出端切勿短路，高压切勿触摸接线端子切勿触摸接线端子。2.32.3 测量电路工作电源测量电路工作电源在设计时考虑到实验平台的通用性，设计提供+/-5V、+/-12V、+/-15V 及+/-1.25+/-35 伏可调式稳压源以满足各个实验对电源电压的不同要求。由于集成稳压器件 7800/7900 系列电路已极其成熟，并且其性能指标（额定电流为 1.5A，稳定度在 5%以内）完全符合实际需求，所以采
12、用此 7800/7900 系列作为固定稳压源。而用可调稳压器件 LM317/LM337 作为可调稳压源的稳压器件。可调稳压源设计电路如图 2。412C31000uFVin2ADJ1+V out3U1 LM 317R1 5K 1F1FU SE 112J3CO N2C4 0.1uFR8 5K 1 ZD Y LE D R2RE S3C21000uFC1 0.1uF1234D112J1CO N212C61000uFVin3ADJ1-Vout2U2LM 337R3 5K 112C71000uFR7 5K 11 2J4 CO N2F2FU SE 2C8 0.1uFFD Y LE DR4RE S3C5 0.
13、1uF1234D2 12J2CO N2图 2 可调稳压源电路电路工作原理：交流 220V 先经变压器降压，降压后的交流电通过桥堆整流，由电容进行滤波，通过调节电位器 R2，使得 LM317 out 端与 ADJ 端的电阻和 ADJ 端与地间电阻的比值发生改变，而 out 端与 ADJ 端的电位差是固定的(为 1.25V)，从而使 out 端电压可调。使用注意事项使用注意事项：电源输出端绝对不能短路电源输出端绝对不能短路3.3.电流电压转换及放大滤波电路电流电压转换及放大滤波电路电流/电压转换及放大滤波电路是光电检测中很重要的一部分，因光电器件如光电二极管的短路电流和照度成线性，而一般通用的放大
14、器件多是对电压信号进行放大，所以电流/电压转换也成了必需。对于微弱光电流信号，经电流/电压转换后的信号较小，所以放大是必不可少的，至于滤波，可以大大减少噪声对信号的影响，对测量的准确性起着非常重要的作用，电路框图和原理图如图 3、图 4 所示。电流/电压转 换放大倍数控制调零电压放大信号输入信号输出信号滤波图 3 电流/电压转换及放大滤波电路框图电路组成 (1) I/V 转换(含调零) (2)可控增益放大器电路 (3)增益控制电路(1).供电电源: 正负电源:+12V -12V GND 5C1 1000u/25VC2 1000u/25V22d1 n400722d2 n4007R135K1R17
15、1KR181K12J5CON2C5 100PC3100P132w2 1K_ LED+ LEDR20 10KR16 10KR6100KR10100KC4 100PR12510R710KR9100KR1451KR51MR19 10K3261874U3OP-073261874U4OP-07P1P2N1N2E2C2E1C1U2TLP521-2132w3 10K132w4 100KR81KR3 5K1R4 5K1R110/4WR210/4W11+12VJD11_12VJD11GNDJD11*1000JD11*100JD11*1JD11*10JD11OUT JD11Uo1 JD11AJD11BJD11Uo
16、2JD11Ui2 JD11G1JD11+5VJD11+5v/AJD11+5v/BJDR15510K132w5 1MR11470132w1 1K132w61KR21100KR24100KR22 470R23 470R25100K1 2BNCCON211GJDX012X114X215X311Y01Y15Y22Y34INH6A10B9VEE7X13Y3v+16GND8U1405211adjo JD11adjiJDC6 100PHBiteLEDLBiteLEDR30 200K图 4 电流/电压转换及放大滤波电路原理图(2). I/V 转换电路输入端为高频头，输出端为 U01，I/V 转换电路的电阻 Rf 可通过短路线来选择，接点 OUT 分别与接点*1K、 *10K、*100K、 *1000K 相连，对应的 Rf 值分别为1K、 10K、100K、
