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1、光电技术实验主讲教师王丽君Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望目目 录录实验一 光敏二极管特性测量实验 实验二 红外光电接近开关实验 实验三 光敏电阻特性及参数测量实验 实验四 光敏电阻暗光街灯实验 实验五 光电耦合器性能测试实验 实验六 光电耦合器控制开关实验 实验七 PSD特性参数测量实验 实验八 PSD微振动检测实验实验九 CCD摄像法物体轮廓 尺寸测量实验 实验十 硅光电池的光电特性测量实验 实验十一硅光电池测光实验 实验十二 硅光电池转速测定实验实验十三 激光器
2、偏振光强度分布测量实验实验十四 光电断续器性能测试实验 实验十五 光电断续器斩光频率测量实验 实验十六 光敏三极管特性及参数测量实验 实验十七 红外遥控LED彩灯实验 实验十八 光栅衍射演示实验实验十九 光栅周期测定实验 实验二十 光栅衍射法激光波长测定实验实验二十一CCD摄像监控演示及视频图像采 集处理实验 综合光电实验（10余种） 附录：CCD Measure测试系统软件说明 实验一实验一实验一实验一 光敏二极管特光敏二极管特光敏二极管特光敏二极管特性测量实验性测量实验性测量实验性测量实验一、实验目的：一、实验目的： 了解红外发光二极管（红外LED）的发光特性，测量和掌握不同照度下光敏二极
3、管的光电特性，测量和掌握不同照度下光敏二极管的伏安特性。二、实验原理：二、实验原理：光敏二极管是一种光电效应器件，可以应用于光伏和光电导工作模式，主要用于可见光及红外光谱区。通常是在反偏置条件下工作，即光电导工作模式，这样可以减少光生载流子渡越时间及结电容，可获得较宽的线性输出和较高的响应频率。实验过程中通过改变环境光照强度和反偏电压，测定通过光敏二极管的光电流大小，从而获得其在不同光照强度和不同反偏电压下的光电特性及伏安特性，得到相应的关系曲线。三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电源，光敏对管（红外LED，光敏二极管），电阻，数字电压表，电流（毫安）表，激光器（由“激光器”单元的V
4、OUT插孔端及亮度旋钮控制，下同）。 四、实验步骤：四、实验步骤：(1) 按图1.1所示连接各元件和单元。检查接线无误后，开启稳压电源。(2) 光电特性测量。在某一电压U（如3V电源）时，用毫安表（电流值刻度读数值当前量程）测定电流随光照强度（如暗处、日光灯照射、台灯照射、激光照射等）的变化情况，记录测定的数据，将结果绘制成曲线图。 表1.1 光敏二极管的光电特性（3V电源时）图 1.1 光敏二极管特性测量电路mAVRUI增大IU图1.2 光敏二极管的伏安特性光照状况 全 暗 日光灯照射 台灯斜照射 台灯正照射 激光照射 电流值I (mA) (3) 伏安特性测量。在某一光照下，改变电压U的大小
5、（如1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0V等，可用面板上的“振动控制”或“电机控制”单元分压获得，即Vin端接入3V或5V，调节旋钮，获得不同的Vout端电压，后同），用毫安表测定电流的变化，数字电压表测定U值，记录测定的数据；改变光照强度（如日光灯照射、台灯照射、激光照射等），重复测量电流随电压的变化情况，在图1.2上绘制出IU曲线族。注意：注意：施加的电压尽量不要超过5V。不能过分用力地插入或拔出接插线，因为这可能导致部分插孔松动，造成实验结果的不准确。请仔细插入或拔出接插线（后同）。 实验二实验二实验二实验二 红外光电接近红外光电接近红外光电接近红外光电接近开关实验开关实验开关
6、实验开关实验一、实验目的：一、实验目的：在光敏二极管光电特性和伏安特性测定的基础上，学习掌握由“红外发光二极管红外光敏二极管对”组成的红外光电接近开关的原理及其应用。二、实验原理：二、实验原理：利用光敏二极管在反偏置条件下的光电特性，可将其作为光电接近开关的接收传感器件。当红外LED发出的红外光被某一逐渐逼近的物体遮挡并反射到光敏二极管时，光敏二极管的光电流（或光电导）将发生改变。当物体逼近到一定距离（即反射光强足够大）时，开关电路使继电器开启，从而达到开关控制的目的。三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电源，光敏对管（红外LED，光敏二极管），电阻，接近开关电路，继电器，数字电压表。
7、四、实验步骤：四、实验步骤： 图 2.1 光电接近开关实验电路 K12VKR3V(1) 按图2.1所示连接各元件和单元，并连接12V电源。（箭头表示连接线，后同） (2) 检查接线无误后，开启稳压电源。 (3) 用一物体（白纸）从远处向左侧实验台上的接近开关探头前端逼近，到一定距离时，可听到继电器“嗒嗒”的启动声音，并用直尺测量此时遮挡物与探头之间的大致距离，作多次试验后，取平均值，即为接近开关的动作距离。将结果填入表2.1。调节“增益”旋钮，可适当改变系统的响应灵敏度，或改变接近开关的动作距离。(4) 利用此接近开关，实验者可根据自己的兴趣设计其他实验，如利用接近开关及继电器控制电机的转动，
8、控制彩灯的闪亮等。表2.1 接近开关的动作距离 序 号 123平 均 动作距离 (cm) 实验三实验三实验三实验三 光敏电阻特性光敏电阻特性光敏电阻特性光敏电阻特性参数测量实验参数测量实验参数测量实验参数测量实验一、实验目的：一、实验目的：了解光敏电阻的电阻特性，掌握光敏电阻的伏安特性及其随光照强度的变化规律。二、实验原理：二、实验原理：光敏电阻是最典型的光电效应器件，即其电导率随光照强度而发生变化。半导体光电导器件是利用半导体材料的光电导效应制成的光电探测器件。本实验旨在测定光敏电阻在不同光照环境下的电阻值，并测定其伏安特性随光照强度的变化规律。三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电
9、源，光敏电阻，数字电压表，电流（毫安）表，万用表。mAUI四、实验步骤：万用表图四、实验步骤：万用表图3.1 暗、亮电阻的暗、亮电阻的测定测定图3.1 暗、亮电阻的测定mAUI万用表图3.2 伏安特性测量电路(1) 光敏电阻的暗、亮电阻测定。如图3.1所示，用万用表从光敏电子两端测定它在不同光照条件下的电阻值，将测得的结果填入表3.1。 表3.1 光敏电阻的阻值变化 光 照 状 况 全 暗 日光灯照射 台灯斜照射 台灯直照射 激光照射 光敏电阻值(k) (2) 光敏电阻伏安特性测定。按图3.2所示连接各元件和单元，检查连接无误后，开启电源。用一挡光物（如黑纸片或瓶盖）遮住光敏电阻（视为全暗），
10、分别接插不同的电压U值（如1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 4.0, 5.0V等），利用电流表测定流过光敏电阻的电流值I，数字电压表测定U值。 改变光敏电阻的光照强度（如全暗、日光灯、台灯、激光照射），重复测定I与U的关系，可得到图3.3所示的伏安特性关系曲线族。 (3) 分析上述测量结果， 进一步了解光敏电阻的光敏特性，掌握其中的变化规律。实验四实验四实验四实验四 光敏电阻暗光光敏电阻暗光光敏电阻暗光光敏电阻暗光街灯实验街灯实验街灯实验街灯实验一、实验目的：一、实验目的：利用光敏电阻的电阻变化特性，将之作为街灯自动点亮与熄灭的传感器件，掌握基于光敏电阻的暗光街灯的工作原理及应用。二、实
11、验原理：二、实验原理：根据实验测定，光敏电阻的电阻值随光亮度的增大而迅速减小。利用这一特性，设计了暗光街灯演示实验。其原理是当环境变暗时光敏电阻的阻值增大，当亮度降低到一定值时，即光敏电阻值增大到某一阈值时，光电传感电路系统自动点亮小灯泡，从而达到与暗光街灯相似的目的。 三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电源，光敏电阻，三极管放大电路，小灯泡（负载），万用表，数字电压表四、实验步骤：(1) 按图4.1所示连接各元件和单元，连接3V电源。(2) 检查连接无误后，开启电源。(3) 用一挡光物（如黑纸片或瓶盖）慢慢靠近实验台上的光敏电阻，也即将光敏电阻上的部分光线挡住时，可观察到小灯泡慢慢
12、由暗变亮；当光敏电阻完全被挡住时，或者室内灯光全部熄灭时，小灯泡亮度达到最亮。这一实验过程与暗光街灯的自动亮暗控制完全相同。适当调节该单元的“增益”旋钮，可改变小灯泡的亮度。五、注意事项：直流电源应确认为3V，否则有可能毁坏小灯泡。如房间内光线太强或太暗，请作适当调整，以使光敏电阻正常工作。负负载载3V图 4.1 暗光街灯实验电路实验五实验五实验五实验五 光电耦合器性光电耦合器性光电耦合器性光电耦合器性能测试实验能测试实验能测试实验能测试实验一、实验目的：一、实验目的：了解由红外发射管接收管构成的光电耦合器的工作原理和特性，测定并掌握其中的接收元件的伏安特性。二、实验原理：二、实验原理：光电耦
13、合器是一种“电光电”耦合器件，它由红外LED及与之对准但有一定距离的接收管组成。光耦的输入量和输出量均为电流，但两者在电气上完全绝缘。本实验将测定光耦的接收器的伏安特性，其测定原理与光敏二极管、三极管的伏安特性测定相似。三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电源，光电耦合器，电阻，数字电压表，电流（毫安）表。四、实验步骤：(1) 按图5.1所示连接各元件和单元。(2) 检查无误后，开启电源。发射管的控制电压（01.5V）,可借用面板上的“分压单元”分压获得，即Vin端接入3V，将Vout端与光耦发射器正端连接。 (注意: 发射器控制电压绝对不得超过1.6V,否则可能烧坏光电耦合器) (3
14、) 当发射器电压为0V时（全暗），接收器测量电路分别接插不同的电源电压（如1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 4.0, 5.0V），以获得不同的电压U值。利用电流表测定流过接收器的电流值I， 用数字电压表测定U值。之后，改变发射器IU图 5.2 光耦接收器的伏安特性发射器电压UI图 5.1 光耦接收器伏安特性测量电路VmAR01.5V电压（01.5V），以获得不同强度的红外光，重复测定I和U的关系，将实验结果(4) 将测得的曲线族与实验一的光敏二极管伏安特性曲线族比较，考察分析两者的异同。注意: 发射器控制电压不得超过1.6V。接收器电压不得超过5V。绘制在图5.2中，得到光耦接收器在 不
15、同红外光照下的IU关系曲线族图。实验六实验六实验六实验六 光电耦合器控光电耦合器控光电耦合器控光电耦合器控制开关实验制开关实验制开关实验制开关实验一、实验目的：一、实验目的：利用光电耦合器的性能，将之作为光电控制开关系统的传感器件，以实现电气上绝缘的光耦式继电控制。二、实验原理：二、实验原理：当光耦的反射管流过电流时即发出红外光，接收器受此光照后将产生相应的光电流，光电流足够大时，接收器达到饱和状态，其发射极输出高电平，从而控制后续的继电器开启，实现电气上绝缘的光耦式继电控制。三、实验所需元件和单元：三、实验所需元件和单元：直流稳压电源，光电耦合器，电阻，按钮，数字电压表，继电器。四、实验步骤
16、：四、实验步骤： (1)按图6.1所示实验电路连接各元器件及各单元。连接12V电源端，并将实验电路的“K”输出端与继电器的“IN”端相连。图 6.1 光电耦合器控制开关实验电路+12VKR3V按钮按钮接继电器(2) 检查无误后开启稳压电源。按一下面板上的控制按钮，发射管发出红外光，电路开始工作，可听到继电器开启的“嗒”声；再按一下按钮，发射管关闭，继电器再次发出“嗒”声，表示已关闭。(3) 利用上述控制开关，即可将继电器用于控制其他电路系统或负载的开启与关闭，如小灯泡（3V电源）的点亮，彩灯（5V电源）的点亮等。实验者也可自行设计多种控制对象，达到光耦式继电控制的目的。 实验七实验七实验七实验
17、七 PSD PSD特性参数特性参数特性参数特性参数测量实验测量实验测量实验测量实验一、实验目的：一、实验目的：了解光电位置敏感元件（PSD）的原理，测定并掌握PSD的光电特性和位置敏感特性。二、实验原理：二、实验原理：PSD元件是一种对入射在光敏面上的光点位置敏感的光电器件，其输出光电流信号与光点在光敏面上的位置有关，且与光的聚焦无关，只与光的能量重心有关，此即PSD的位置敏感特性。此外，PSD的总输出光电流大小随光照强度而增大。三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电源，半导体激光器，PSD元件，PSD光电流/电压转换电路，数字电压表，电流（毫安）表或万用表。四、实验步骤：(1) PS
18、D位置敏感特性测定。按图7.1所示电路将PSD元件的上端或下端（虚线）与毫安表相连。检查无误后开启稳压电源。取下激光器，插头连接到“激光器”单元VOUT端，将之点亮，通过PSD座的观察窗使激光束照射到PSD上，手动激光器，使光斑从左至右沿光敏面移动，在此过程中记录毫安表或万用表的读数，将光电流的变化情况填入表中。(2) PSD光电特性测定。按图7.2所示电路将PSD元件的上端和下端与毫安表或万用表相连。检查无误后开启稳压电源。通过PSD座的观察窗，用不同的光源（如日光灯、台灯、激光等）照射到PSD光敏面上，以表7.2记录PSD光电流的变化情况。(3) 分析掌握PSD的光电敏感特性与位置敏感特性
19、及其变化规律。mAmA图7.1 PSD位置敏感特性测量电路图7.2 PSD光电特性测量电路光 敏 区域光斑PSD实验八实验八实验八实验八 PSD PSD微振动检测微振动检测微振动检测微振动检测实验实验实验实验一、实验目的：一、实验目的：深入了解光电位置敏感元件（PSD）的工作机理，了解PSD的动态响应特性，掌握采用PSD元件测量微振动的原理与方法。二、实验原理：二、实验原理：激光器发出的激光束照射到“振子” (偏心轮)上，一部分被偏心轮漫反射，经透镜聚焦PSD光敏面上，PSD两端输出一定的光电流。当偏心轮随电机高速旋转时，光斑位置在PSD光敏面将作周期性微振动，造成光电流的周期性微小变化，通过
20、放大电路将光电流转换成电压信号，即可得到反映偏心轮振子振动的波形。三、实验所需元件和单元：三、实验所需元件和单元：直流稳压电源，半导体激光器，PSD元件，PSD光电流/电压转换电路，低通滤波器，电机，振子（偏心轮），示波器。 15V15VIC示波器或低通滤波器光敏区域光斑大体位置PSD图 8.1 PSD微振动测量实验电路四、实验步骤：四、实验步骤：按图8.1所示电路连接各部分。连接好“低通滤波器”单元的正负电源。检查无误后开启稳压电源。点亮激光器，适当调节激光斑在偏心轮上的上下左右位置，使PSD光敏面上的光斑大致位于图示位置。(3) 将面板上“振动控制”单元的输入端“VIN”接5V电源端；将“
21、振动控制”单元的输出端“VOUT”与“振子”上端连接，“振子”下端（靠近实验者的那一端）接地。顺时针调节频率旋钮，偏心轮电机开始转动，可在示波器上看到振动波形，即偏心轮的包络线（参见图8.1）。适当调节“增益”旋钮，使振动波形不失真。(4) 将“PSD电流/电压转换”单元的输出端与“低通滤波器”单元的输入端连接，用示波器观察滤波前后的波形及其差别。(5) 频率测定。可从示波器上测得振动周期，取其倒数即为频率值。据此实际上还测定了电机的转速。精细调节“振动控制”单元的“频率”旋钮，改变振子的频率，重复上述实验。将实验结果填入表中。振幅的测定实验请实验者自行设计。实验九实验九实验九实验九 CCD
22、CCD摄像法物摄像法物摄像法物摄像法物体轮廓尺寸测量实验体轮廓尺寸测量实验体轮廓尺寸测量实验体轮廓尺寸测量实验一、实验目的：一、实验目的：掌握电荷耦合器件（CCD）的成像原理、特性及其应用，掌握采用CCD摄像法测量物体轮廓尺寸的原理和方法，了解计算机视频采集的有关概念。二、实验原理：二、实验原理：电荷耦合器件（CCD）的一个重要应用是作为摄像器件，它能把两维光学图像信号通过驱动电路转变成一维的视频信号输出。它的原理是：首先用光学成像系统（光学镜头）将被摄的景物图像成像在CCD的光敏面上，在每一个光敏单元（MOS电容器）的势阱中存储与图像照度成正比的光生信号电荷完成了光电转换和电荷的积累。然后，
23、转移到CCD的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下有顺序地转移和输出，成为视频信号。通过视频采集卡将模拟的视频信号转换成数字信号，通过计算机将该视频信号在显示器上实时显示。应用实验仪附带的软件 “CCD Measure”系统，可以先后捕获标准目标与被测目标的图像（也可用“AVerCap”软件捕获图像），通过对这些图像的计算处理和比较，即可获知被测目标的轮廓尺寸三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电源，CCD摄像头，测量目标，标准目标，视频线，计算机系统，视频图像采集卡，图像采集软件（AVerCap），测试软件（CCD Measure系统）。四、实验步骤：四、实验步骤：(1) 将CCD摄像头
24、的电源插头（红正、黑地）与12V电源连接，并将CCD摄像头的视频输出端与图像卡的视频输入端连接。注：注：不可将CCD电源极性接反。(2) 检查无误后开启实验仪电源，开启计算机，运行CCD Measure测试系统软件。（操作步骤参见附录）（3）点击“启动”按钮，可在屏幕窗口显示测定目标的图像，适当地上下左右转动CCD摄像头使目标像大致位于屏幕窗口的中央。(4) 尺寸标定。先采用一标准直径（D0=10 mm）的圆形物体作为标准测量目标，利用测试程序测定它在计算机屏幕上的像的直径数值D1（单位用象素数表示），确定测量常数KD1/D0。(5) 在保持CCD摄像头姿态不变的情况下，任取一未知直径的圆形物
25、体代替标准目标，作为测量目标，利用测试程序测得其屏幕像的直径，除以测量常数K，即可获得该目标的直径。将测量结果填入表中。（6）实验完毕后请将CCD摄像头的电源插头、视频输入线拔掉。（7）请实验者自行考虑和设计如何利用此方法测量正方体、长方体等目标的尺寸。实验十实验十实验十实验十 硅光电池的光硅光电池的光硅光电池的光硅光电池的光电特性测量实验电特性测量实验电特性测量实验电特性测量实验一、实验目的：一、实验目的：了解硅光电池的工作原理，掌握硅光电池的短路电流、开路电压等特性及其随光强而变化的规律。二、实验原理：二、实验原理：硅光电池是一种利用光生伏特效应的p-n 结光电器件，不需加偏压即可把光能转
26、换成为电能。硅光电池的短路光电流与光照度（光通量）成线性关系，而开路电压与光照度的对数成正比。本实验旨在测定硅光电池的短路电流和开路电压及其变化规律。三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电源，硅光电池，数字电压表，电流（毫安）表，台灯，激光器等光源。 ，四、实验步骤：四、实验步骤： (1) 短路电流测定。按图10.1所示连接各单元。用电流表测定硅光电池在不同光照下（全暗、日光等照射、台灯照射、激光照射）时的短路电流大小，将结果记录至表10.1。(2) 开路电压测定。按图10.2所示连接各单元。用数字电压表测定硅光电池在不同光照下（全暗、日光等照射、台灯照射、激光照射）时的开路电压大小，
27、将结果记录至表中。(3) 分析考察硅光电池的短路电流和开路电压的变化规律。 mAV图 10.1 硅光电池短路电流测量图 10.2 硅光电池开路电压测量实验十一实验十一实验十一实验十一 硅光电池测硅光电池测硅光电池测硅光电池测光实验光实验光实验光实验一、实验目的：一、实验目的：深入了解硅光电池的工作原理及静态特性，掌握其在环境光亮度测量中的应用。二、实验原理：二、实验原理：根据硅光电池在不同光照条件下的电流与电压特性，可将之作为测定环境光强度的传感器件。环境光照变化时，将引起硅光电池光电流或电动势的变化，测定后两者的变化值，即可获知环境光照的变化情况。三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压
28、电源，硅光电池，放大电路，数字电压表，台灯，激光器等光源。四、实验步骤：四、实验步骤： 图 11.1 硅光电池测光实验电路(1) 按图11.1所示电路连接各单元。(2) 检查无误后开启电源，将增益调整到适当位置，在不同光照环境条件下，读出电路的输出电压，将结果记入表中。(3) 实验者可自行设计实验，设定某一光照亮度阈值（即测定电压值），当环境光照亮度小于阈值时，即提供警示信号，提醒人们以提高环境光亮度，预防近视等的发生。 +3V数字电压表实验十二实验十二实验十二实验十二 硅光电池转硅光电池转硅光电池转硅光电池转速测定实验速测定实验速测定实验速测定实验一、实验目的：一、实验目的： 进一步了解和掌
29、握硅光电池的动态响应特性及其应用。二、实验原理：二、实验原理：当激光束直接照射到硅光电池上时，后者将输出连续的光电流信号；而如果激光束被固定于变速电机轴上的斩光器斩光，则光电池接收到的是被调制的频率为f0的光信号，相应地将输出周期性的光电流信号。将此信号进行调整、放大或滤波，即可得到较理想的波形。 该信号的频率可由示波器测得，进而计算出变速电机此时的转动频率（速度）为：f = f0/N (其中N为斩光器叶片或通孔的数量)。三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电源，硅光电池，放大电路，调速单元，变速电机，斩光器，半导体激光器，示波器。15VIC示波器或滤波器15V图 12.1 硅光电池转
30、速测量实验电路四、实验步骤四、实验步骤：（1）按图12.1所示连接各单元。将“电机控制”单元的输入端“VIN”连接到5V电源端，输出端“VOUT”连接“电机”上端，“电机”下端（靠近实验者的那一端）接地。(2) 检查无误后开启电源。连接激光器插头，调节亮度旋钮使其点亮。先转动偏振片转盘，使透过它的激光束最强；或者将偏振片转盘逆时针旋出，撤去。适当调节激光器高度，使激光束投射到硅光电池的光敏面上。调节“速度”旋钮，使电机旋转。(3) 用示波器观察斩光波形（注：大致为方波。由于硅光电池的响应频率较低，故而波形可能出现叠波，这是正常现象，因此电机转速不宜过快），据此测定波形的频率，即为斩光频率，将斩
31、光频率除以8（斩光器有8个通孔，故电机每转一周可斩光得到8个波形），即为电机的转速。调节电机的转速，重复上述测量实验，将转速结果记入表中。 实验十三实验十三实验十三实验十三 激光器偏振激光器偏振激光器偏振激光器偏振光强度分布测量实验光强度分布测量实验光强度分布测量实验光强度分布测量实验一、实验目的：一、实验目的： 进一步掌握硅光电池的特性。了解偏振片的透光特性，考察了解激光器的偏振光强度分布，拓展硅光电池在光学元件的透射率、液体透明度或浊度等测量方面的应用。 二、实验原理：二、实验原理：通常使用的激光器发出的激光束均为偏振光，当光束被一块偏振片遮挡住时，如果两者偏振轴方向一致，则透过偏振片的光
32、束强度最大；如两者偏振轴垂直，则透射光强度最弱甚至为零；转动偏振片的角度，即可获得不同的透射光强度，如图13.1所示。由于硅光电池可对不同的光强度进行测定，因此，通过旋转偏振片，采用测光方法可测定激光器偏振光强度的分布状况。三、实验所需单元：三、实验所需单元： 直流稳压电源，半导体激光器，偏振片，硅光电池，放大电路，数字电压表。四、实验步骤：四、实验步骤：(1) 按实验十一图11.1所示连接各单元。04590135180225270315图13.2(2) 检查无误后，开启电源。点亮激光器。适当调整激光器姿态，调整斩光片，使激光束穿过斩光片的通孔照射到硅光电池上。图 13.1 激光器偏振光强度分
33、布测量原理图激光器偏振片偏振光硅光电池偏振光(3) 转动偏振片转盘，可发现透过偏振片的激光强度发生改变；当透射激光束最亮时，将之记为起始角度位置。(4) 记录起始角度位置时的数字电压表的读数(对应于激光亮度)，然后逆时针转动偏振片转盘，每转动22.5 （转盘上的孔与固定盘的孔每对准一次）， 记录一次电压读数，列于表中，或按比例绘制在图中的角度线上。(5) 考察激光器偏振光强度的分布情况，并分析原因。 实验十四实验十四实验十四实验十四 光电断续器光电断续器光电断续器光电断续器性能测试实验性能测试实验性能测试实验性能测试实验一、实验目的：一、实验目的：了解由红外LED光敏管构成的光电断续器的特性，
34、测量和掌握不同照度下其中的光敏管的光电特性，测量和掌握不同照度下光敏管的伏安特性。二、实验原理：二、实验原理：实验过程中通过改变环境光照强度和反偏电压，测定通过光敏管的光电流大小，从而获得其在不同光照强度和不同反偏电压下的光电特性及伏安特性，得到相应的关系曲线。三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电源，光电断续器，电阻，数字电压表，电流（毫安）表，激光器。四、实验步骤：四、实验步骤：(1) 按图1.1所示连接各元件和单元。检查接线无误后，开启稳压电源。UmAVR图 14.1 光敏二极管特性测量电路I(2) 光电特性测量。在某一电源电压（如3V）时，用毫安表测定电流随光照强度（如暗处、日
35、光灯照射、台灯照射、激光照射等）的变化情况，记录测定的数据，将结果绘制成曲线图。(3) 伏安特性测量。在某一光照下，改变电压U（如1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 4.0, 5.0V等）的大小，用毫安表测定电流的变化，数字电压表测定U值，记录测定的数据；改变光照强度（如日光灯照射、台灯照射、激光照射等），重复测量电流随电压的变化关系，将结果绘制成曲线族。注：电压U不得超过5V。 实验十五实验十五实验十五实验十五 光电断续器光电断续器光电断续器光电断续器斩光频率测量实验斩光频率测量实验斩光频率测量实验斩光频率测量实验一、实验目的：一、实验目的：进一步学习光电断续器的性能，掌握基于光电断续器
36、的斩光频率（速度）测量系统的工作原理及应用。二、实验原理：二、实验原理：光电断续器中的红外LED与光敏管相对设置。当红外LED发出红外光时，如光敏管处于反偏状态，则光敏管将输出连续的光电流信号；如果用挡块将红外光遮挡，光电流为零。因此，如果用斩光片将红外光周期性斩断，则光敏管将输出同频率的周期性光电流信号。将光电流信号放大，即可测得其频率，从而推算出斩光频率或电机转速。 三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电源，光电断续器，放大电路，继电器，电机，斩光器，示波器。R图 15.1 光敏二极管特性测量电路3V遮挡片或斩光片+12VK接继电器(遮挡时)接示波器（斩光时）四、实验步骤四、实验步
37、骤：(1) 按图15.1所示连接各元器件和实验单元。检查无误后开启电源。(2) 遮挡调试。将放大电路“K”两端与继电器“IN”两端连接。用手缓慢转动斩光片，每转过一个透光孔位置，继电器发出“嗒”的开关声，说明电路工作正常。(3) 频率（速度）测量。撤去继电器。将“电机控制”单元的输入端“VIN”连接到5V电源，输出端“VOUT”连接“电机”上端，“电机”下端接地。调节“速度”旋钮使电机转动，用示波器从“K”的下端及接地端观察斩光波形（注：大致为方波，由于光敏管响应频率较低，可能出现叠波，这是正常现象，故电机转速不宜过快），据此测定波形的频率，即为斩光频率，将斩光频率除以8（斩光器有8个缺口，故
38、电机每转一周可斩光得到8个波形），即为电机的转速。调节电机的转速，重复上述测量实验，将转速结果记入表中。 实验十六实验十六实验十六实验十六 光敏三极管光敏三极管光敏三极管光敏三极管特性及参数测量实验特性及参数测量实验特性及参数测量实验特性及参数测量实验一、实验目的：一、实验目的：测量和掌握不同照度下光敏三极管的光电特性，测量和掌握不同照度下光敏三极管的伏安特性。二、实验原理：二、实验原理：光敏三极管的工作原理与光敏二极管类似，同属内光电效应器件，但其光电特性和伏安特性比光敏二极管灵敏。实验过程中通过改变环境光照强度和反偏电压，测定通过光敏三极管的光电流大小，从而获得其在不同光照强度和不同反偏电
39、压下的光电特性及伏安特性，得到相应的关系曲线。三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电源，光敏三极管，红外LED，电阻，数字电压表，电流（毫安）表，半导体激光器。四、实验步骤：四、实验步骤：(1) 按图16.1所示连接各元件和单元。检查接线无误后，开启稳压电源。图 16.1 光敏三极管特性测量电路U mAVR(2) 光电特性测量。在某一电压U（如3V）时，用毫安表测定电流随光照强度（如暗处、日光灯照射、台灯照射、激光照射等）的变化情况，记录测定的数据，将结果绘制成曲线图。(3) 伏安特性测量。在某一光照下，改变电压U的大小（如1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 4.0, 5.0V等）
40、，用毫安表测定电流的变化，数字电压表测定U值，记录测定的数据；改变光照强度（如日光灯照射、台灯照射、激光照射等），重复测量电流随电压的变化关系，将结果绘制成曲线图。注：电压不得超过5V。(4) 请比较光敏三极管与光敏二极管特性的异同，并分析原因。 实验十七实验十七实验十七实验十七 红外遥控红外遥控红外遥控红外遥控LEDLED彩灯实验彩灯实验彩灯实验彩灯实验一、实验目的：一、实验目的：进一步了解光敏三极管的光电特性，掌握由“红外LED光敏三极管对”构成的红外遥控系统的原理及应用。二、实验原理：二、实验原理：光敏三极管和普通晶体三极管相似，具有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流
41、控制，更主要的是受光信号的控制。实验中发射电路驱动红外LED发射连续或编码脉冲光信号，由光敏三极管接收，转换为相应的电信号，经放大或解码电路处理后，驱动控制对象工作。三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电源，电阻，红外LED，光敏三极管，红外接收及放大电路，LED彩灯，按钮，继电器， 四、实验步骤：四、实验步骤：(1) 按图17.1所示连接各单元。检查无误后，开启电源。(2) 按一下按钮，可听到继电器开启的“嗒”声，同时LED彩灯点亮，再按一次按钮，继电器关闭，LED彩灯熄灭。在这里，按钮实际上是遥控器的开关。 (3) 利用红外遥控电路及继电器的开关特性，实验者可自行设计其他的控制实验
42、。K彩灯12VK5VR3V按钮图 17.1 红外遥控LED彩灯实验电路实验十八实验十八实验十八实验十八 光栅衍射演光栅衍射演光栅衍射演光栅衍射演示实验示实验示实验示实验一、实验目的：一、实验目的： 了解激光照射时光栅的衍射特性。二、实验原理：二、实验原理：激光束d衍射光斑光栅LS 图 18.1 光栅衍射演示实验原理图 激光束d衍射光斑光栅LS根据衍射规律，当激光照射光栅时，将产生如图所示的衍射光斑图样。光斑的分布及间距与光栅距d、激光波长、衍射距离L等存在一定的关系。三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电源，半导体激光器，衍射光栅，投射屏。四、实验步骤：四、实验步骤：(1) 将激光器移
43、至衍射光栅实验区的激光器座上，适当调节激光器姿态，使激光器与衍射光栅对准。(2) 连接无误后，开启电源。点亮激光器，可在前方投射屏（或墙壁）上观察到衍射光斑的排列，与激光器正对的光斑为中央光斑，从中央光斑两侧向外依次为一级、二级、三级衍射光斑。(3) 请实验者思考分析光斑的大小、分布及强度的变化规律。 实验十九实验十九实验十九实验十九 光栅周期测光栅周期测光栅周期测光栅周期测定实验定实验定实验定实验一、实验目的：一、实验目的： 了解激光照射时光栅的衍射特性，掌握光栅距的测定方法。激光束d衍射光斑光栅LS二、实验原理：二、实验原理： 图 19.1 光栅衍射实验及光栅距（光栅周期）测定原理图 激光
44、束d衍 射 光斑光栅LS根据衍射规律，光栅距d与激光波长、衍射距离L、一级光斑和中央光斑的间距S之间存在如下关系：d/S根据上述关系式，在已知激光波长的情况下，利用衍射距离L、中央光斑的间距S等参数，即可计算测定衍射光栅的光栅距d。三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电源，半导体激光器，衍射光栅，直尺，投射屏。四、实验步骤：四、实验步骤：(1) 将激光器移至衍射光栅实验区的激光器座上，适当调节激光器姿态，使激光器与衍射光栅对准。(2) 连接无误后，开启电源。点亮激光器，可在前方投射屏（或墙壁）上观察到衍射光斑的排列，与激光器正对的光斑为中央光斑，从中央光斑两侧向外依次为一级、二级、三级
45、衍射光斑。请分析光斑的大小及强度变化规律。(3) 光栅距测量。已知激光波长为0.67m, 用直尺或卷尺测量L和S的值，即可计算出光栅距d的大小。调整投射屏的距离L，多次测量，将结果记表中。实验二十实验二十实验二十实验二十 光栅衍射法光栅衍射法光栅衍射法光栅衍射法激光波长测定实验激光波长测定实验激光波长测定实验激光波长测定实验一、实验目的：一、实验目的： 了解激光照射时光栅的衍射特性，掌握激光波长的测定方法。激光束d衍射光斑光栅LS二、实验原理：二、实验原理： 图 20.1 光栅衍射法激光波长测定原理图激光束d衍射光斑光栅LS根据衍射规律，光栅距d与激光波长、衍射距离L、一级光斑和中央光斑的间距
46、S之间存在如下关系：d/S根据上述关系式，在已知光栅距d的情况下（由上一实验测定），利用衍射距离L、中央光斑的间距S等参数，即可计算测定激光波长。三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电源，激光教鞭或其他激光器，衍射光栅，直尺，投射屏。四、实验步骤：四、实验步骤：(1) 用手持激光教鞭等代替上一实验的激光器。将激光器对准衍射光栅。(2) 点亮激光器，可在前方投射屏（或墙壁）上观察到衍射光斑的排列，与激光器正对的光斑为中央光斑，从中央光斑两侧向外依次为一级、二级、三级衍射光斑。请分析光斑的大小及强度变化规律。(3) 激光波长测量。上一实验已知测得光栅距d，用直尺或卷尺测量L和S的值，即可计
47、算出激光波长的大小。调整投射屏的距离L，多次测量，将结果记表中。 实验二十一实验二十一实验二十一实验二十一 CCD CCD摄像监摄像监摄像监摄像监控演示及视频图像采集处控演示及视频图像采集处控演示及视频图像采集处控演示及视频图像采集处理实验理实验理实验理实验一、实验目的：一、实验目的：进一步掌握电荷耦合器件（CCD）的成像原理、特性及其在摄像监控方面的应用，学习了解计算机视频采集卡的图像采撷功能，掌握CCD拍摄的动态视频图像（视频段）及单幅静态图像的采集和处理方法。二、实验原理：二、实验原理：CCD器件的原理同实验九。利用计算机视频采集接口卡，可将来自CCD的模拟视频信号转换成数字信号，并在监
48、视器上实时显示图像，从而达到对目标场景的摄像监控之目的。采用视频采集卡附带的“AVerCap”软件，可进行CCD摄像监控的演示实验，并且对CCD拍摄的动态视频图像（视频段）及单幅静态图像的进行采集和处理。三、实验所需单元：三、实验所需单元：直流稳压电源，CCD摄像头，视频线，计算机系统，影像采集卡，视频软件(AVerCap)，摄像监控场景等。四、实验步骤：四、实验步骤：(1) 将CCD摄像头的电源插头（红正、黑地）与12V电源连接，并将CCD摄像头的视频输出端与视频图像采集卡的视频输入端连接（注：注：不可将CCD电源极性接反）。检查无误后开启实验仪电源；开启计算机，安装好影像采集卡程序“AVe
49、rCap”。(2) 用鼠标依次点击“开始”“程序”“AVerMedia EZCapture”“AVerCap”，出现菜单界面和窗口后，点击“Options”“Video Source” 会显示如下对话框： 设置“Video Connector”为“Composite”；设置“Video Standard”为“PAL”。点击“Options”“Color Setup” 会显示如下对话框：“Brightness”、“Contrast”、“Saturation”可根据情况设置。经过设置后可在窗口中看到CCD拍摄监控到的视频图像。沿水平轴适当转动CCD摄像头（注：注：不可水平转动CCD），使之对准室内
50、某一场景目标（如天花板），调节CCD镜头焦距，使图像最清晰。(3) CCD拍摄的动态视频图像（视频段）的采集。用鼠标点击“Capture”“Capture Video “后开始采集动态视频图像；按“ESC”键后停止采集后，在新菜单界面中点击“File”“Save Captured Video AS”，保存刚才采集的视频段。（视频段长度控制在30秒钟内）(4) CCD拍摄的单幅静态图像的采集。用鼠标点击“Capture”“Single Frame”，即可将此瞬间CCD拍摄到的单幅图像采集下来，点击“File”“Save Single Frame”，保存图像。(5) 实验完毕后请将CCD摄像头的电
51、源插头、视频输入线拔掉。(6) 请实验者自行考虑利用其他视频放映软件（如Windows Media Player等）与图像处理软件（如Photoshop等）对采集到的视频图像进行放映和处理。 综合光电实验（综合光电实验（综合光电实验（综合光电实验（1010余种）余种）余种）余种）读者可根据上述光电传感器及其基本实验原理，以串接、并接、交叉、组合等方式，设计各类综合性光电实验，以便更深入掌握光电传感器的原理、性能及其应用。以下为部分综合实验举例。(1) 接近开关 （控制发射器）红外遥控器 继电器 控制对象（如彩灯）(2) 接近开关 （控制发射器）光电断续器 继电器 控制对象(3) 接近开关 （控
52、制发射器）光电耦合器 继电器 控制对象(4) 暗光街灯 （控制发射器）红外遥控器 继电器 控制对象(5) 暗光街灯 （控制发射器）光电耦合器 控制对象(6) 红外遥控器 （控制发射器）光电耦合器 控制对象(7) 红外遥控器 （控制发射器）光电耦合器 控制对象(8) 光电耦合器 （控制发射器）光电断续器 控制对象(9) 光电断续器 （控制发射器）光电耦合器 控制对象(10) 激光光强（旋转偏振片） 硅光电池输出 （控制发射器）光电耦合器 控制对象(11) 衍射光栅实验，已知激光波长、光栅周期d，测定衍射距离L。 附录：附录：附录：附录：CCD MeasureCCD Measure测试测试测试测试
53、系统软件说明系统软件说明系统软件说明系统软件说明软件说明软件说明软件说明软件说明CCD Measure 测试系统是我们开发的配合 “光电传感器实验仪” 使用的直径测试系统。下图是其运行时的情况： 功能介绍功能介绍：文件（文件（F）菜单）菜单：处理BMP 文件的打开、保存、关闭等相关的文件操作。编辑（编辑（E）菜单）菜单：处理针对图像操作的恢复、重做以及图像的剪切、复制、粘贴等。查看（查看（V）菜单）菜单：切换工具条、状态条、辅助窗口的显示；可以按比例缩放（最大可缩放16倍）或全屏显示图像。采集（采集（C）菜单）菜单：设置图像采集的一些参数：如视频源的来源、视频显示的格式等，同时可以启动、停止图
54、像采集及捕捉图像等。帮助（帮助（H）菜单）菜单： 显示有关本软件的版本信息。辅助窗口辅助窗口： 当有图像在窗口中显示时，可以显示鼠标处图像上该象素点的位置坐标（X，Y）和该象素点颜色的红（R）、绿（G）、蓝（B）及其亮度值（I）；同时可以显示以后测量得到的直径值（Distance）。采集捕获图像后，再出现如下菜单：图像（图像（I）菜单）菜单：对BMP 图像进行一些简单的处理，如图像的反转、镜像、二值化、几种滤波方式以及直径的测量，其中直径的测量分为黑白图像和彩色图像两种。黑白图像是指已经二值化处理过的图像，二彩色图像是指还未进行二值化处理的原始图像，后者要求选择一个阈值颜色亮度作为门限点。本软
55、件将比该门限点亮度高的颜色变换为白色，反之为黑色。颜色（颜色（C）菜单）菜单：调整图像的亮度、对比、饱和度；可以将图像转换为灰度图像和负片（图像黑白反转）。窗口（窗口（W）菜单）菜单：新建一窗口；当有多窗口显示时，可以将这些窗口层叠、水平平铺、垂直平铺显示及关闭所有窗口；也可以选取某个窗口为前台窗口。工具条工具条： 为了您更快捷的操作，本软件设有两个工具条。她们对应了菜单上大多的常用的功能。关于她们各自的功能，将鼠标移到某个按钮上稍稍停一会，在鼠标旁边及最下面的状态条上会有简单的提示。如第二工具条：第一个为缩放按钮，当按下该按钮时，将鼠标移到图像上，左键单击可以放大图像，右键单击则为缩小图像。
56、第二个为选取按钮，当按下该按钮时，可以在图像上拖动鼠标选取感兴趣的区域进行处理，这时图像上会显示一矩形框，以后针对该图像的操作都将只对此选取得区域进行。也可以将此区域复制成一幅新的图像。第三个位吸色按钮，当按下该按钮时，可以查看所取颜色的信息（显示在辅助的Colors窗口中。对彩色图像进行测量时软件会要求用户选取一个颜色作为门限，也是用此按钮耶。第四、五、六个按钮为采集的启动、停止、捕捉图像。接下来的三个按钮为调整图像的对比、亮度、滤波。第十个按钮为二值化按钮。第十一个按钮为二值化后图像的直径测量操作。第十二个按钮为彩色图像的直径测量操作。状态条：状态条： 可以显示图像的大小及采用的颜色位数。
57、测试操作步骤测试操作步骤：Windows 2000/XP系统的操作步骤：系统的操作步骤：安装影像采集卡及其相应的驱动程序（已安装完毕）。安装 AVerCap软件及CCD Measure软件（已安装完毕）。按照“光电传感器实验仪”实验指导书将CCD测直径这一实验线路接通，并确认连线正确，如图像采集卡的视频输入线、CCD的电源线（12V）等。去掉CCD镜头上的镜头盖。运行CCD Measure软件。点击“启动”按钮。（不先启动的话，将无法设置以下参数） 设置采集参数。菜单设置视频源 会显示如下对话框： 设置“选择视频设备”为“Conexant Capture”；设置“选择视频源”为“视频组合”。*
58、注意：“视频格式”有关参数请不要设置，有关“Brightness”、“Contrast”、“Saturation”等参数请在AVerCap软件中设置（如下对话框）。（启动AVerCap软件时应先关闭CCD Measure软件）这时应该有视频图像显示。若无，请重新检查步骤13，重点检查步骤1。通过调整CCD与测量目标之间的距离、CCD镜头的焦距、背景照明光源使测量目标基本成像于图像的中央并占据图像的大部分，并保证图像清晰，轮廓分明。注意注意：调整好后，为保证精度，更换测量目标时应尽量保持CCD与测量目标之间的距离、CCD镜头的焦距、背景照明光源不变。捕获一幅图像进行直径测量。测量前准备工作：将该
59、图像转化为灰级图像（菜单颜色灰级图像）并选择一种方法进行滤波处理（菜单图像滤波）如中值滤波；二值化处理（菜单图像二值化）；直径测量（菜单图像直径测量黑白图像）。这样直径将会以象素值显示在辅助窗口的Distance域（注意要将鼠标移到图像上）。之后请按照实验九的操作步骤进行实验。 常见问题及解决方法常见问题及解决方法：启动图像采集后，如发现视频图像抖动的厉害，首先确认采集参数设置正确，若仍不能解决问题，可先将采集模式为重叠模式，再改回预览模式试试。若不能捕捉图像，应确认采集模式为预览模式。重叠模式下，视频信息不经过内存而直接送显存故而捕捉不到图像。当同时打开几幅图像时，全屏显示返回正常显示后，如发现前台窗口中只有一幅图像，而其他图像不见了时，可通过窗口菜单中显示的已打开的窗口获得。如果因操作系统原因使启动图像采集不正常,可用AVerCap软件采集图像，再使用CCD Measure系统处理所采集的图像。 衍射光栅小街灯光敏电阻光敏电池光敏三极管LED彩灯红外LED激光器（座）激光器（座）电机及振子光耦视标偏振片光敏对管PSD元件激光器（座）透镜电机及斩光片光电断续器CCD摄像头ENDEND
