光电检测实验

实验一、光照度计设计实验

一、实验目的

1、了解和掌握光电池在光照度计上的应用原理

2、了解和掌握光照度计结构原理

3、了解和掌握光照度计电路设计原理

二、实验内容

1、光照度计测量光照度实验

2、光照度计设计性实验

三、实验仪器

1、光电创新实验仪主机箱

2、光照度计&光功率计设计模块

3、照度计探头

4、连接线

4、万用表

四、实验原理

光照度是光度计量的主要参数之一，而光度计量是光学计量最基本的部分。光度量是限于人眼能够见到的一部分辐射量，是通过人眼的视觉效果去衡量的，人眼的视觉效果对各种波长是不同的，通常用V（λ）表示，定义为人眼视觉函数或光谱光视效率。因此，光照度不是一个纯粹的物理量，而是一个与人眼视觉有关的生理、心理物理量。

光照度是单位面积上接收的光通量，因而可以导出：由一个发光强度I的点光源，在相距L处的平面上产生的光照度与这个光源的发光强度成正比，与距离的平方成反比，即：

2

E

I

/L

式中：E——光照度，单位为Lx；

I——光源发光强度，单位为cd；

L——距离，单位为m。

光照度计是用来测量照度的仪器，它的结构原理如下图所示：

图 1-1

图中D为光探测器，图3-2为典型的硅光探测器的相对光谱响应曲线；C为余弦校正器，在光照度测量中，被测面上的光不可能都来自垂直方向，因此照度计必须进行余弦修正，使光探测器不同角度上的光度响应满足余弦关系。余弦校正器使用的是一种漫透射材料，当入射光不论以什么角度射在漫透射材料上时，光探测器接收到的始终是漫射光。余弦校正器的透光性要好；F为V（λ）校正器，在光照度测量中，除了希望光探测器有较高的灵敏度、较低的噪声、较宽的线性范围和较快的响应时间等外，还要求相对光谱响应符合视觉函数V （λ），而通常光探测器的光谱响应度与之相差甚远，因此需要进行V（λ）匹配。匹配基

本上都是通过给光探测器加适当的滤光片（V（λ）滤光片）来实现的，满足条件的滤光片往往需要不同型号和厚度的几片颜色玻璃组合来实现匹配。当D接收到通过C和F的光辐射时，所产生的光电信号，首先经过I/V变换，然后经过运算放大器A放大，最后在显示器上显示出相应的信号定标后就是照度值。

图1-2 硅光电探测器光谱特性曲线

图1-3 光谱视觉曲线

照度测量的误差因素

1）照度计相对光谱响应度与V（λ）的偏离引起的误差。

2）接收器线性：也就是说接收器的响应度在整个指定输出范围内为常数。

3）疲劳特性：疲劳是照度计在恒定的工作条件下，由投射照度引起的响应度可逆的暂时的变化。

4）照度计的方向性响应。

5）由于量程改变产生的误差：这个误差是照度计的开关从一个量程变到邻近量程所产生的系统误差。

6）温度依赖性：温度依赖性是用环境温度对照度头绝对响应度和相对光谱响应度的影响来表征。

7）偏振依赖性：照度计的输出信号还依赖于光源的偏振状态。

8）照度头接收面受非均匀照明的影响。

五、注意事项

1、不得扳动面板上面元器件，以免造成电路损坏，导致实验仪不能正常工作。

2、说明：输入“+”“-”为探头输入端、输出“+”“-”为照度计输出电压测试点。

X1、X10、X100开关为放大倍数切换开关。

六、实验步骤

1、照度计探头红黑插座对应接到实验模块上输入端“+” “-”。

2、万用表红黑表笔对应接到实验模块上输出端“+” “-”。

3、放大倍数切换开关拨至X1挡，向上拨。

4、打开电源开关，观察万用表指示数值。

5、改变不同光照度和放大倍数，观察万用表指示数值变化。

6、关闭电源。

七、设计性实验

光照度计电路原理图如下：

U1对光电池输出电流进行I/V 变换，将光电流转换为电压，K1为档位切换开关。U2对输出电压进行放大，调节RP1阻值大小可以给便放大倍数，5脚对应电位器为调零电位器。

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八、思考题

分析放大电路芯片选用条件。

实验四、光功率计设计实验

一、实验目的

1、了解和掌握光硅光电探测器在光功率计上的应用原理

2、了解和掌握光功率计结构原理

3、了解和掌握光功率计电路设计原理

二、实验内容

1、光功率计测量光照度实验

2、光功率计设计实性验

三、实验仪器

1、光电创新实验仪主机箱

2、光照度计&光功率计设计模块

3、功率计探头

4、连接线

4、万用表

四、实验原理

光功率是光在单位时间内所做的功。光功率单位常用毫瓦(mw)和分贝(db)表示,其中两者的关系为:1mw=0db，换算关系为，dB = 10*lg(A/B)。而小于1mw的分贝为负值。

使用分贝做单位主要有三大好处。

（1）数值变小，读写方便。电子系统的总放大倍数常常是几千、几万甚至几十万，一架收音机从天线收到的信号至送入喇叭放音输出，一共要放大2万倍左右。用分贝表示先取个对数，数值就小得多。

（2）运算方便。放大器级联时，总的放大倍数是各级相乘。用分贝做单位时，总增益就是相加。若某功放前级是100倍(20dB)，后级是20倍(13dB)，那么总功率放大倍数是100×20=2000倍，总增益为20dB＋13dB=33dB。

（3）符合听感，估算方便。人听到声音的响度是与功率的相对增长呈正相关的。例如，当电功率从0.1瓦增长到1.1瓦时，听到的声音就响了很多；而从1瓦增强到2瓦时，响度就差不太多；再从10瓦增强到11瓦时，没有人能听出响度的差别来。如果用功率的绝对值表示都是1瓦，而用增益表示分别为10.4dB，3dB和0.4dB，这就能比较一致地反映出人耳听到的响度差别了。您若注意一下就会发现，Hi－Fi功放上的音量旋钮刻度都是标的分贝，使您改变音量时直观些。

五、注意事项

1、不得扳动面板上面元器件，以免造成电路损坏，导致实验仪不能正常工作。

2、说明：输入“+”“-”为探头输入端、输出“+”“-”为照度计输出电压测试点。

X1、X10、X100开关为放大倍数切换开关。

六、实验步骤

1、功率计探头红黑插座对应接到实验模块上输入端“+”“-”。

2、万用表红黑表笔对应接到实验模块上输出端“+”“-”。

3、放大倍数切换开关拨至X1挡，向上拨。

4、打开电源开关，观察万用表指示数值。

5、改变不同光照度和放大倍数，观察万用表指示数值变化。

6、关闭电源。

七、设计性实验

光功率计电路原理图如下：

U1对光电池输出电流进行I/V 变换，将光电流转换为电压，K1为档位切换开关。U2对输出电压进行放大，调节RP1阻值大小可以给便放大倍数，5脚对应电位器为调零电位器。

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八、思考题

分析放大电路芯片选用条件。

实验四、颜色识别系统设计实验

一、实验目的

1、了解颜色传感器的组成及工作原理

2、了解颜色传感器的基本特性

3、掌握颜色传感器的应用

二、实验内容

1、颜色传感器短路电流测试实验

2、颜色传感器开路电压测试实验

3、颜色传感器颜色识别实验

4、设计实验：颜色传感器颜色识别设计实验

三、实验仪器

1、光电创新实验平台主机箱

2、颜色识别系统设计模块

3、万用表

4、连接线

四、实验原理

1、颜色传感器的基本结构

颜色传感器是由三个Si-PIN 光电管以及在片滤波器集成在一起的，每个光电管都各自有三种颜色之一的滤波器。它具备小尺寸设计，高质量滤波器和三种颜色同步记录的特点。三个不同区域的颜色识别响应，类似于人眼。每个光电管对相应光谱滤波器的颜色光最敏感，主要是红色，绿色，蓝色，适用于彩色扩影、彩色印刷、色彩鉴别电路。

目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，颜色传感器是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解颜色传感器的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN 结原理和光电效应理论。

图13.1是半导

体PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当P 型和N 型半导体材料结合时，由于P 型材料空穴多电子

少，而N 型材料电子

多空穴少，因此P 型材料中的空穴向N 型材料这边扩散，N 型材

料中的电子向P 型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的P 型区出现负电荷，N 型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在PN 结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当PN 结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当PN 结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为PN 结的单向导电性,电流方向是从P 指向N 。

零偏 反偏 正偏 图 4.1 半导体PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区

2、颜色传感器的工作原理

颜色传感器是由三个Si-PIN光电管以及在片滤波器集成在一起的，除了响应波段与光电二极管不同外，电气性能是一致的，因此，了解了每个光电管的响应波段后，我们就可以把颜色传感器当做光电二极管来研究。下面来介绍一下光电二极管的工作原理：光电管(PD)把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。

在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。

漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。

当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。

当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。这种由PN 结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子 - 空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管。

如图13.2(a)所示，光电二极管通常要施加适当的反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量。由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间，使响应速度减慢。

3、颜色传感器的基本特性

(1) 短路电流

电极

(a)

(b)

图4.3 颜色传感器短路电流测试

如图13.3所示，不同的光照的作用下， 毫安表如显示不同的电流值。即为颜色传感器的短路电流特性。 (2)开路电压

电极

(a)

(b)

SiO2膜

图4.4 颜色传感器开路电压测试

如图13.4所示，不同的光照的作用下， 电压表如显示不同的电压值。即为颜色传感器的开路电压特性。 (3) 光谱特性

一般光电探测器的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，探测器所产生短路电流与入射光波长之间的关系。一般用相对响应度表示，

本实验中颜色传感器的光谱响应曲线如下图13.5所示：

图4.5 颜色传感器的光谱曲线

五、注意事项

1、当万用表用作电流测试时应先用大量程，然后逐级调小到合适的量程，以免烧坏电

流档；

2、连线之前保证电源关闭；

3、实验过程中，请勿同时拨开两种或两种以上的光源开关，这样会造成实验所测试的数据不准确。

六、实验内容及步骤

1、颜色传感器短路电流特性测试

颜色传感器后端盖如图13.6所示：

图4.6 颜色传感器光源及探测器的后端盖示意图

（1）组装好光通路组件，将光源部分与颜色识别系统设计模块连接起来，即黑色插座与J1相连，红绿蓝与J2、J3、J4任意连接；

（2）将光源与探测器都置于导轨上，发光方向要正对探测器方向；

（3）打开电源，观察光源是否点亮；

（4）滑动双刀双掷开关S3,观察光源发光变化；

（5）将光源与探测器的距离由10cm开始逐渐调近，每隔2cm用万用表测量一次颜色传感器各个部分（即红黑、蓝黑和绿黑）的电流值，并记录下来，填入下表，然后通过S3切换到不同的光源，重复上述测量并记录数值，关闭电源。

（6）上表中所测得的电流值即为颜色传感器不同光照度下的短路电流。

（7）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。

2、颜色传感器开路电压特性测试

（1）组装好光通路组件，将光源部分按照实验1中连接好；

（2）将实验1中测电流改为测电压，其它步骤不变，将数据记录在下表中；

（3）上表中所测得的电压值即为颜色传感器不同光照度下的开路电压。

（4）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。

3、颜色传感器颜色识别实验

根据实验1和2所测数据，对颜色传感器已经有了一定的了解，下面进行颜色识别的实验：

（1）连接好光路组件，光源和探测器尽量靠近，光源部分按照实验1中连接，探测器部分红色插座连J5,绿色插座连J6，蓝色插座连J7，黑色插座连J8;

（2）打开电源，打开红色光源，测量J9、J10测试点的电压值，调节电位器W1，使阈值电压大于J10并且小于J9处的电压值;

（3）关闭电源，用跌插头对连接J9与J9’、J10与J10’、J11与J11’;

（4）打开电源，切换不同颜色的光源，观察D5、D6、D7的变化。

（5）关闭电源，拆除所有连线。

七、设计性实验

根据传感器的特性，自行搭建应用电路，实现颜色识别功能。

参考电路：

光源部分如下图所示，J2/J3/J4与J1连接不同的发光二极管，通过S3来切换点亮不同的光源。

C1

CO N1探测器部分电路如下图所示：

LED

D

eLED

J9'

J10'

八、思考题

颜色传感器与光电二极管的异同之处是什么？