光电检测技术实验讲义

光电检测技术 实验指导书

电气工程学院

目 录

实验一 半导体激光器工作域值及输出功率特性的测量?????????????2

实验二 半导体激光器输出光谱特性曲线的测量????????????????9

实验三 光电探测原理及特性测试（综合性）?????????????????13

实验四* CCD输出特性及二值化处理实验???????????????????22

实验五 PSD位移传感器特性实验??????????????????????28

实验六 反射式光纤位移传感器原理及定标实验????????????????32

实验七 光电报警系统设计（设计性）????????????????????38

1

实验一 半导体激光器工作域值及输出功率特性的测量

一、实验目的

测试半导体激光器工作域值，测量输出功率－电流（P-I）特性曲线和输出功率的稳定性，从而对半导体激光器工作特性有个基本了解。

二、实验内容

1、测试YSLD3125型半导体激光器工作域值。

2、测试YSLD3125型半导体激光器输出功率与电流（P-I）特性曲线。

3、测试YSLD3125型半导体激光器注入电流为30mA时输出功率的稳定性。

三、实验仪器

1、YSLD3125型半导体激光器（带尾纤输出，FC型接口） 1只 2、ZY606型LD/ LED电流源 1台 3、光功率计 1台 4、万用表 1只

四、实验原理

1、激光器一般知识

激光器是使工作物质实现粒子数反转分布产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射的光放大）的缩写。

激光的本质是相干辐射与工作物质的原子相互作用的结果。尽管实际原子的能级是非常复杂的，但与产生激光直接相关的主要是两个能级，设Eu表示较高能级，El表示较低能级。原子能在高低能级间越迁，在没有外界影响时，原子可自发的从高能级越迁到低能级，并伴随辐射一个频率为

??(Eu?El)/h

的光子，这过程称自发辐射。

若有能量为h??Eu?El的光子作用于原子，会产生两个过程，一是原子吸收光子能量从低能级越迁到高能级，同时在低能级产生一个空穴，称为受激越迁或受激吸收，此激发光子消失；二是原子在激发光子的刺激下，从高能级越迁到低能级，并伴随辐射一个频率

??(Eu?El)/h

的光子，这过程称受激辐射。

受激辐射激发光子不消失，而产生新光子，光子增加，而且产生的新光子与激发光子具有相同的频率、相位和偏振态，并沿相同的方向传播，具有很好的相干性，这正是我们所需要的。

受激辐射和受激吸收总是同时存在的，如果受激吸收超过受激辐射，则光子数的减少多于增加，总的效果是入射光被衰减；反之，如果受激辐射超过受激吸收，则入射光被放大。实现受激辐射超过受激吸收的关键是维持工作物质的原子粒子数反转分布。所谓粒子数反转分布就是工作物质中处于高能级的原子多于处于低能级的原子。所以原子的粒子数反转分布是产生激光的必要条件。

实现粒子数反转可以使受激辐射超过受激吸收，光在工作介质中得到放大，产生激光，但工作介质的增益都不足够大，若使光单次通过工作介质而要产生较强度的光，就需要很长的工作物质，实际上这

2

是十分困难，甚至是不可能的。于是就想到了用光学谐振腔进行光放大。所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对面地装两块反射镜，如下图所示：

一块几乎全反射，一块为部分反射，激光可透过部分反射镜射出。被反射回到工作介质的光，可在工作介质中多次往返，设往返次数为m，则有效长度为：

Leff?2mL （m=1，2，3，4?）

L为工作介质的的实际长度。

由于谐振腔内工作介质存在吸收，反射镜存在透射和散射，而且只有沿轴线方向的光才被放大，因此光受到一定损耗，当增益和损耗相当时，在谐振腔内建立起稳定的激光振荡。即一个激光器，m有一个确定的值。

谐振腔的另一个作用是选模，光在谐振腔内反射时，反射波将和入射波发生干涉，为了能在腔内形成稳定的振荡，必须满足相干相长的条件，也就是沿腔的纵向（轴线方向）形成驻波的条件，这条件是：

L?q?2n 或??2nL q式中，?为波长，n是工作介质的折射率，q=1，2，3，4，?，为某一整数，为驻波波幅的个数，它表征了腔内纵向光场的分布，称为激光的纵模，q=1称单纵模激光器，q≥2称多纵模激光器。每个驻波的频率是不一样的，第q个驻波的频率由：

?q?qc 2LC?3?108m/s，为光速。

以上两式都说明，虽然由于导带和价带是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带，两个能带中不同能级之间电子的跃迁会产生许多不同波长的光波，但只有符合激光振荡的相位条件的那些波长存在，不符合激光振荡的相位条件的那些波长的光将衰减掉，这些波长取决于激光器工作物质的纵向长度L。

多纵模激光器输出q个波长的光，但幅度不一样，幅度最大的称为主模，其余的称为边模。 2、半导体激光器的结构

半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带，如下图（a）所示，能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Eu和价带顶的能量El之间的能量差Eu?El?Eg称为禁带宽度或带隙，不同的半导体材料有

不同的带隙。本征半导体中导带和价带被电子和空穴占据的几率是相同的，N型半导体导带被电子占据

的几率大，P型半导体价带被空穴占据的几率大。如下图（b）、（c）所示。

3

半导体激光器的结构多种多样，基本结构是下图所示的双异质结平面条形结构。这种结构由三层不同类型半导体材料构成，中间层通常为厚度为0.1～0.3μm的窄带隙P型半导体，称为有源层，作为工作介质，两侧分别为具有较宽带隙的N型和P型半导体，称为限制层。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结。有源层与右侧的N层之间形成的是P--N异质结，而与左侧的P层之间形成的是P--P异质结，故这种结构又称N-P-P双异质结构，简称DH结构。

施加正向偏压后，就能使左侧的N层向有源层注入电子，右侧的P层向有源层注入空穴，但由于右侧的P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层，同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在0.1～0.3μm的有源层内，形成了粒子数的反转分布。

前后两个晶体解理面作为反射镜构成谐振腔。 给半导体激光器施加正向偏压，即注入电流是维持有源层介质的原子永远保持粒子数的反转分布，自发辐射产生的光子作为激发光子诱发受激辐射，受激辐射产生的更多新光子作为新的激发光子诱发更强的受激辐射。

3、半导体激光器的主要特性 （1）输出光功率特性

激光器光功率特性通常用输出光功率与激励电流I的关系曲线，既P—I曲线表示。给半导体激光器注入电流，就是给激光器有源层半导体工作介质注入能量，对价带上的载流子（电子）进行激发，当注入电流较小时，导带和价带间载流子不能形成反转分布，这时从导带上跃迁到价带上的载流子主要以自发辐射为主，产生的是荧光，即非相干光。当注入电流达到一定值时，导带和价带间载流子才能形成反转分布，产生受激辐射，激光器才有激光(即相干光)输出，这个一定值称为阈值电流。阈值电流以后，随着注入电流的增大，导带和价带间粒子数差值增大，激光增益系数增大，输出功率增加，并与注入电流近似成线性关系，如下式所示。

P?Pth??If?Ith???Dhfe

4

式中If为注入电流，h?6.628?10?34J?S为普朗克常数，f?c?为入射光频率，c?3?10m/s8为光速，?为入射光波长，e为电子电量，η线表示如下：

D为外微分量子效率，Ith为阈值电流，Pth为阈值功率。图

半导体激光器 LD的P-I特性曲线

根据P-I曲线可以求出激光器的阈值电流Ith和外微分量子效率ηD：将P-I曲线的线性部分作直线与横坐标相交，交点处的电流值即为激光器的阈值电流；曲线线性部分的斜率为可计算ηD。

（2）温度特性

激光器输出光功率是随温度而变化的，有两个原因：一是激光器阈值电流Ith随温度升高而增大，二是激光器外微分量子效率η

D

?Dhfe，由曲线求得斜率，

随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，η

D

减小，输出光功率明显下

降，达到一定温度时，激光器就不激射了。当以直流电流驱动时，阈值电流Ith随温度的变化更加明显。

五、设备简介

1、 ZY-YSLD3125型激光器

我们所用ZY-YSLD3125型半导体激光器是具有多量子阱F-P腔激光器LD，内置背景光探测器PD，这种激光器使用时具有下图所示四种型式：

图中，LD为激光器，PD为背景光探测器。PD-N side dwon的管是探测器PD的负（N）与激光器LD的负（N）或正（P）相连，PD-P side dwon的管是探测器PD的正负（P）与激光器LD的负（N）或正（P）相连，与激光器LD的负（N））相连的称为DVD型管，与激光器LD的正（P）相连的称为POINT型管。所用ZY-YSLD3125型激光器为PD-N side dwon的POINT型管，单模光纤同轴封装，带尾纤FC连接。性能指标如下表所示

5

参数 额定功率 中心波长 光谱宽度 阈值电流 工作电流 探测器电流 探测器暗电流 符号 测试条件 最小值 0.2 1290 － － － 100 － 典型值 － 1310 2 10 Ith+20 － － 最大值 1 1330 5 15 － － 0.1 单位 mW nm nm mA mA μA nA Pout Iop=Ith+20 λ Δλ Ith Iop Im Id CW CW CW CW CW CW 表中CW表示连续。管脚图如下

2、 ZY606型LD/ LED电流源

本机为激光二极管（LD）专用测试设备，可广泛用于650nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等各种中小功率LD的电流测试及老化测试。设备内部带APC(Automatic Power Control)电路及ACC(Automatic Current Control)电路，可以实现以下三种功能：

1） LD电源

2） Iop及Im电流测试 3） LD恒功老化及恒流老化

性能指标

供给电流（Iop）max：150mA 反馈测量电流(Im)max：2000uA Iop的测量准确度： ±0.5mA Iop分辨率：0.1mA Im测量准确度：±5uA Im分辨率：1uA

仪器的结构

仪器的前面板如下图所示 POWER 电源开关

IOP 激光器工作电流显示 Im 激光器探测电流显示

PD正、PD负、LD正、LD负 待测激光器插入座

DVD、POINTER 待测激光器类型转换钮，按下测DVD型 恒功、恒流 恒功或恒流测量转换钮 粗调、细调 激光器工作电流调节钮 操作说明

1）本机只能对PD-N side down的LD进行测量，不能用来测量PD-P side down安装的激光器，否则会损坏激光器。

6

2） 本机的一大特色是设备内部带APC（Automatic Power Control）电路，这种电路是LD在实际应用时

通常采用的一种恒功控制电路。因此，一只LD在本机上所表现的直流特性，将与它在实际应用时的直流特性完全一致。有了这种恒功控制电路，就可以长期通电对LD进行寿命及稳定性考核。从而反映出LD在应用产品（如光通信模块、DVD激光头等）中工作时的稳定性。没有APC电路的设备，则不能实现上述功能。 操作步骤

1）通电之前，确保“粗调”旋钮在最小值位置。这样可防止冲击电流损坏LD。 2）确认LD已经插接良好后，打开电源开关。此时电源输出为零，LD尚未发光。

3）恒功测量：将切换开关拨到恒功档，顺时针缓慢调节输出功率“粗调”旋钮，LD射出激光。改调“细调”旋钮，可将LD输出调至要求的数值（用一台光功率计来测量LD的输出功率）。通过Iop显示窗口可以读出输出电流值，通过Im显示窗口可以读出探测电流值。

4）恒流测量：将切换开关拨到恒流档，该方式下“细调”旋钮无效，Im窗口显示读数也无效。只需要调节输出功率“粗调”旋钮即可，通过Iop显示窗口可以读出输出电流值。

5）恒功老化：将被测LD调到固定的功率输出（这个值由用户根据需要确定），并保持不断电，记录该LD在通电一定时间后工作电流的变化量，从而反映出LD产品在实际应用中的稳定性。

6）恒流老化：将被测LD调到固定的电流输出（这个值由用户根据需要确定），并保持不断电，记录该LD在通电一定时间后输出功率的变化量，从而反映出LD产品在实际应用中的稳定性。

五、实验装置及步骤

（一）ZY-YSLD3125型激光器测试实验装置如下

1、按图连接线路，连接图如下。关于ZY606型LD/ LED电流源的详细使用方法参见设备简介。

LD/LED电流源光功率计

2、因YSLD3125型半导体激光器为Pointer型， 将电流源“DVD、Pointer”管切换钮置于Pointer，

7

恒功恒流切换置于恒功，“粗调”和“细调”置于最小。开启电流源，缓慢调节电流旋纽使电流由0mA逐渐增加到35mA，每隔3mA测输出光功率值，绘制P-I曲线。切记电流最大不能超过40mA，否会损坏激光器！！

3、通过P-I曲线的线性部分作直线与横坐标相交，交点处的电流值即为激光器的阈值电流，计算外微分量子效率ηD。

4、稳定性测量，将工作电流调到25mA，每隔1分钟测一次输出功率，测20～30分钟。 输出功率稳定性S按下式计算

?PS?______ P?__?P130iP30 ?p?___?(p130i?p)

__30

注意：插拔激光器之前，务必先把输出功率“粗调”旋钮调到最小，然后关闭电源开关，这是因为带电插拔LD会造成LD的劣化。

六、实验报告要求

1、 在坐标纸上作出P—I曲线，并确定出阈值电流和外微分量子效率。 2、 计算工作电流为25mA时输出功率的稳定性。

8

实验二 半导体激光器输出光谱特性曲线的测量

一、实验目的

测试半导体激光器输出光谱特性曲线与注入电流的关系，掌握测量方法,解释注入电流对谱线中心波长影响的原因。

二、实验内容

测试中心波长650nm 的半导体激光器的光谱特性。

三、实验仪器

1、中心波长650nm 半导体激光器 1只 2、ZY606型LD/ LED电流源 1台 3、WGD3型组合式多功能光栅光谱仪 1台 4、微机 1台

四、实验原理

半导体激光器的发射波长取决于工作物质导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg（eV），由??(Eu?El)/h，??c/?可得

??8hchc ?Eu?ElEg?34将光速C?3?10m/s，普朗克常数h?6?628?10

J?S，1eV?1?6?10?19J代入得到

??1?24 Eg不同的半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长。铝镓砷—镓砷（AlGaAs）材料适用于630--900nm波段，铟镓砷磷—铟磷（InGaAsP—InP）材料适用于1300--1550nm波段。

由前面的讨论已知，在直流驱动下，多纵模激光器输出q个波长的光，幅度最大的主模和若干边模。其典型的光谱如下图所示：

随着驱动电流的增加，由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模减少，主模增益增加，同时驱动电流增加时，半导体能带宽度变大，禁带宽度Eg变小，从而使纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄，同时中心波长变大。

9

五、设备简介

WGD3型组合式多功能光栅光谱仪由入射光源、光栅单色仪、控制箱、软件及计算机、光电探测器组成。

光栅单色仪：光栅单色仪光学系统原理如下图所示：

光源发出的复色光束入射到入射狭缝S1，经反射镜M1反射到准光镜M2上，经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3后可通过一转换开关从出射狭缝S2或S3射出。S2处可安装光电探测器探测出射光束，S3处用来观察出射光束。本仪器安装的光电探测器为光电倍增管。通过控制机构转动平面光栅G，则出射不同波长的光束。

控制箱前面板如下图所示

负高压调节：手动调节供光电倍增管的直流电压，调节范围0—1000V，用电压表指示；

倍增管：与光电倍增管探测器相连的接口，输出负高压到光电倍增管，输出通过软件产生的控制光

10

电倍增管增益的信号，共有1—7八档增益；

电机驱动：与光栅单色仪相连的接口，输出通过软件产生的控制光栅G转动的信号； USB：与计算机相连的通信接口； PWR：接通电源指示灯；

STA：计算机与控制箱通信的指示灯；

六、实验装置及方法

实验装置如下图

电流源供给激光器驱动电流，电流值可自身测量。激光器输出的光进入光栅单色仪进行分光，输出单一波长的光，用光电倍增管接收，光电倍增管输出的与接收光强成比例的电压信号由计算机显示。光栅单色仪的分光由计算机控制。

1、将激光器安装在S1狭缝，开启电流源电源，用“恒流”、“POINTER”档，调“粗调”，使驱动电流为35mA；

2、光谱仪转换开关拨至“观察”缝，调整S1狭缝宽度，从S3缝观察使有红光出现； a) 将光电倍增管探测器安装在S2，并按图接好电路，光电倍增管直流电压暂调至400V，初步调整S2狭缝宽度适当；

b) 参数设置：仅供参考

S1、S2狭缝刻度调至2mm

工作方式栏中的间隔选0.1nm

工作范围栏中的起始波长选550 nm，终止波长选750 nm 工作状态栏中的增益（光电倍增管的增益）选1 当前寄存器选寄存器1

从工作界面上点击“单程”，则扫描出一条光谱曲线，横坐标是波长，纵坐标是相对能量。要求光谱曲线能观察到6～8个副峰，如果曲线能量轴过小或过大，可适当调整S2狭缝宽度或光电倍增管直流电压，使曲线高度适中。 c) 从工作界面上点击“读取数据”，选择寻峰—自动寻峰，则出现寻峰/谷菜单，在此菜单中选择检峰、积存器1、适当设置最小峰高，然后点击“检峰/谷”钮，则给出各峰的波长和能量；此曲线说明了半导体激光器的多纵模特性；

d) 将半导体激光器调驱动电流调为15mA，当前寄存器选寄存器2，从工作界面上点击“单程”，则扫描出一条光谱曲线，要求光谱曲线能观察到高度适中完整主峰。若过大（顶端出现平坦）或过小，可适当调整光电倍增管直流电压和工作状态栏中的增益（光电倍增管的增益），使曲线高度适中；

e) 将半导体激光器调驱动电流调为20mA，当前寄存器选寄存器3，点击“单程”，则扫描出一条光谱曲线，要求此光谱曲线高度与驱动电流调为15mA时的曲线高度接近；

f) 将半导体激光器调驱动电流调为25mA，当前寄存器选寄存器4，仿上扫描出调驱动电流为

11

25mA的光谱曲线；

9、比较并分析3条光谱曲线的异同，测量中心波长值。

六、实验要求

1、 在坐标纸上做出650nm 的半导体激光器在调驱动电流为15 mA 、20 mA 、25mA的光谱曲线。

2、 指出调驱动电流由小到大光谱曲线的不同，分析其原因。

12

实验三 光电探测原理及特性测试

一、实验目的

了解两种探测器的工作原理及特性。 （一）内增益探测器

1.理解内增益探测器光电倍增管的基本特性。 2.学习光电倍增管基本参数的测量方法。 (二) 四象限光电探测器

1．了解四象限探测器的性能及单脉冲定向原理。

2．通过该系统直接、间接地测定目标的方向，观测红外可见光辐射到四象限探测器上的位置和

强度变化。

二、实验内容

（一）内增益探测器

测量光电倍增管的静态特性参数。 (二) 四象限光电探测器

1.测量激光器脉冲驱动信号。

2.测量以四象限探测器做接收器，脉冲光信号的放大信号、展宽信号。

3.通过上位机显示每个象限的光强以及光斑的光心坐标，通过观察光斑在四个象限的显示情况

验证四象限探测器原理。

三、实验原理

(一) 内增益探测器

1.结构

光电倍增管是具有内增益的探测器，结构如图。K是光电阴极，D为聚焦极，它与阴极共同形成电子光学聚焦系统，将光电阴极发射的电子会聚成束并通过膜孔射向第一倍增极D1，D1～D10为倍增极，所加电压逐级增加。A为收集电子的阳极。这些电极封装在真空管内，光电阴极附近制作光入射窗口。在高速初电子的激发下，第一倍增极被激发出若干二次电子，这些电子在电场的作用下，又打第二倍增极，又引起更多的二次电子发射??，此过程一直继续D10。最后经倍增的电子被阳极A收集而输出光电流，在负载RL上产生信号电压。

图8 光电倍增管

13

2.供电分压器

为使光电倍增管能正常工作，需要在阴极K和阳极A加近千伏的电压。同时，还需要在阴极、聚焦极、倍增极、阳极之间分配一定的极间电压，才能保证光电子能被有效的收集，光电流通过倍增极系统得到放大。通常由上图所示的电阻链分压来完成。

随着光通量的增加，阳极电流Ia也相应增加。当光通量进一步增大并超过某一定值后，阳极电流与光通量之间会偏离线性关系，甚至使光电倍增管进入饱和状态，如图9所示

图9 阳极电流与光通量关系

*输出信号是直流情况下，当阳极电流为Ia时，末级倍增极Dn的一次电流IDn?Ia??n，?n为倍增极的二次发射系数，从此倍增极经过Rn流向阴极的电流为Ia?IDn???1????Ia，同理，其它倍增

??1?n?极也有一部分电流流向阴极，而且这些电流随光电流增大而增大，这些电流会使各极间电压重新分配。当Ia远小于流过分压电路的电流Ib时，极间电压的重新分配不明显，阳极电流Ia随光通量线性增加；如曲线A段。当阳极电流增大到能与分压器电流相比拟时，极间电压的重新分配将很明显，导致阳极与后几级倍增极的极间电压下降，阴极与前几级倍增极的极间电压上升，结果光电倍增管的电流放大倍数明显增加，如曲线B段。当阳极电流进一步增加时，阳极与末级倍增极的极间电压趋向零，阳极的电子收集率逐渐减小，最后阳极输出电流饱和，如曲线C段。为防止极间电压的再分配以保证增益稳定，分压器电流至少为最大阳极电流的20倍。对于直线性要求很高的应用场合，分压器电流至少为最大阳极平均电流的100倍。*

3.输出电路

光电倍增管输出的是电荷，且其阳极可以看成是一个理想的电流发生器来考虑。因此，输出电流与负载阻抗无关。但实际上，对负载的输入阻抗却存在着一个上限。因为负载电阻上的电压降明显地降低了末极倍增管与阳极之间的电压，从而降低放大倍数。

对于直流信号，光电倍增管的阳极能产生达数十伏的电压输出。因此可以使用大的负载电阻；对于交流信号，光电倍增管的输出级可等效成阳极电流源、负载电阻RL、阳极对地的等效电容CL的并联电路，时间常数RLCL应远小于脉冲宽度。

4.倍增管的主要特性和参数

光电倍增管的特性参数包括灵敏度、电流增益、伏安特性、暗电流等。 1）灵敏度

灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数，一般是指积分灵敏度。

14

阴极灵敏度SK

阴极光照灵敏度SK是指光电阴极本身的积分灵敏度。定义为光电阴极的光电流Ik除以入射光通量Φ所得的商

Sk?IK(?A/Lm) ?侧光电倍增管阴极灵敏度，阴极为一极，其它各极连在一起为另一极。入射到阴极K的光照度为E，光电阴极的面积为A，则光电倍增管接受到的光通量为

??E?A

若已知光照度E，光电阴极的面积A，用G测得光电流IK，则可计算出阴极灵敏度。 阳极灵敏度Sp

阳极光照灵敏度Sp定义是指光电倍增管在一定工作电压下阳级输出电流与照射阴极上光通量的比值

Sp?Ip?(A/Lm)

2） 放大倍数(电流增益)G

放大倍数G(电流增益)定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流Ip与阴极电流IK间的比值。

G?IpIK?SpSK

放大倍数G取决于系统的倍增能力，因此它是工作电压的函数。 3） 暗电流Id

当光电倍增管在完全黑暗的情况下工作时，在阳极电路里仍然会出现输出电流，称为暗电流，暗电流与阳极电压有关，通常是在与指定阳极光照灵敏度相应的阳极电压下测定的。 4）伏安特性

有阳极伏安特性和阴极伏安特性之分 阴极伏安特性：定义为当光照度E一定时，阴极电流IK与阴极和第一倍增极之间的电压（阴极电压）VK的关系。当VK大于几十伏后，阴极电流开始趋向饱和，且与光照度成线性变化。

阳极伏安特性：定义为当光照度E一定时，阳极电流Ip与最后一级倍增极之间的电压（阳极电压）VA的关系。当VA大于几十伏后，阳极电流开始趋向饱和，且与光照度成线性变化。如下图所示：

图10 阴极、阳极伏安特性

(二) 四象限光电探测器

由四象限探测器组成的光电定向是指用光学系统来测定目标的方位，该系统框图如下图：

15

发射部分接收部分信号处理电路A/D转换单片机计算机显示 图11 系统结构图

*系统电路框图如下

1.发射部分

发射部分主要由650nm激光器、NE555组成的脉冲发生器组成。 2.接收部分

接收部分主要由四象限探测器承担。四象限光电探测器是是将四个性能完全相同的探测器按照直角坐标排列成四个象限做在同一芯片上，通常称四象限管，如下图所示：

图13 四象限探测器

16

四个象限之间的间隔称为“死区”。在可见光和近红外波段，光电探测器目前广泛采用硅光电池和硅光电二极管。光电探测器有光照射时产生电信号。

二维方向上目标的方位定向原理如下图所示：

由光学系统和四象限探测器组成接收系统，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像。四象限探测器放在光学系统后焦面附近，光轴通过四象限探测器的十字沟道中心，因四象限探测器的位置略有离焦，于是接收目标的像为一圆形光斑。当目标成像在光轴上时，圆形光斑中心与四象限探测器中心重合。因四象限探测器中四个探测器件受照的光斑面积相同，输出相等的脉冲电压。当目标成像不在光轴上时，目标像的圆形光斑的位置在四象限探测器上相应的有偏移，四个探测器件受照的光斑面积不同，输出不相等的脉冲电压。比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位）。

3、信号处理电路

信号处理电路包括四象限探测器的偏置与放大电路、展宽电路和运算电路： （1）四象限探测器的偏置与放大电路

单脉冲定向系统中，光脉冲通常由激光产生，其脉冲宽度一般为几十纳秒级，也可作得更窄。而重复频率比较低，一般为几十赫兹。这种信号要用来指示与控制需要放大与展宽。另一方面由于探测器的性能不可能完全一致，放大器可以起补偿和均衡作用。偏置与放大电路通常都与探测器做在一起。 （2）展宽电路

窄脉冲展宽实质是峰值保持的一个特例。由于脉冲宽度极窄要求电路响应快而又要保持相对较长的时间，而且还需要有较高的线性输出，所以展宽电路实质是用于将目标脉冲信号在显示时有一个持续时间，以便观察。

(3)显示电路

模拟显示：用四个探测器输出并被展宽的信号驱动发光二极管D1～D4，二极管亮表示光斑在此象限的面积最大。

数字显示：将四个探测器输出并被展宽的信号进行模/数转换。转换后的信号再送入单片机，然后通过RS232连接线与计算机相连。在计算机显示数字输出。显示方式如下图所示。

要精确显示光斑在X—Y坐标系中的位置，必须对四个探测器输出并被展宽的信号进行计算，得到

17

代表光斑沿X或Y方向的偏移量所对应的电压。

图16 和差运算电路

假设光斑得到的辐射是均匀的，每个光电探测器件收到的光功率，从而输出信号一定与每个探测器件接收到的光斑面积成比例，可以将探测器件接收到的光斑面积和光斑半径r作为已知量计算出偏离量x1，y1。这里以A、B、C、D表示二极管接收到的光斑面积占总光斑面积的百分比，当时，通过求扇形面积的公式求得

x1y??1，1??1rrx1??r4?ry1??(A?B)?(C?D)?

4?(A?D)?(B?C)?

可见，只要能测出A、B、C、D和r就可以求得目标直角坐标（x1、，但实际系统中能测得的是，y1）

各象限的光功率信号。若探测器件的材料是均匀的，则各象限的光功率信号与各象限的光斑面积成正比 ，各象限的输出信号也与各象限的光斑面积成正比，对和差运算，系统输出电压信号为

VX1?KP?(A?D)?(B?C)?

Vy1?KP?(A?B)?(C?D)?

以上四式中，K为电路放大系数，P为探测器接收的总功率。显见，只要系统确定，则K、P、r均是常数，偏离值只与光斑面积的百分比有关；但在实际系统中，P和r要随目标距离远近而变化，Vx1、

Vy1并不能代表目标的实际坐标，若采用和差比幅式就可以解决这个问题 。

四、注意事项

1、连线之前要保证电源关闭。

2、若照度计表头显示为“1＿”时说明超过量程，应改为合适的量程再测试。

3、光电倍增管对光的响应极为灵敏。因此，在没有完全隔绝外界干扰光的情况下，切勿对管施加

18

工作电压，否则会导致管内倍增极的损坏；

4、测量倍增管阴极电流时，加在其间的电压不可超过250V，否则容易烧坏光电倍增管。 5、PCB板右边部分为220V电源模块，切勿触摸，防止触电。 6、在插拔RS232接口前，必须切断电源开关。 7、不要用眼睛直接看激光，以免损伤眼睛。

五、实验步骤

(一) 内增益探测器 1.暗电流测量

1）将电压调节逆时针调到最小，光源开关断开，阴极(阳极)开关拨到阳极位置，即正常分压供电。 2）缓慢调节电压调节开关，测电压分别为200V、400V、600V、800V、1000V时的暗电流值。 2.阳极伏安特性及灵敏度测量

1）将电压调节逆时针调到最小，阴极(阳极)开关拨到阳极位置，即正常分压供电合光强1，此时光照度E=10lx，所用光电倍增管光电阴极有效面积A=8mm×24mm。

2）缓慢调节电压调节开关，测电压分别为100V、200V、300V、400V、500V、600V、700V、800V、900V、1000V时的阳极电流值。

3）断开光强1，合上光强2，此时光照度E=50lx，重复2)的实验内容。 3.阴极伏安特性及灵敏度测量

1）将电压调节逆时针调到最小，阴极(阳极)开关拨到到阴极位置，既各倍增极和阳极接在一起作为一个电极。光照度调到E=150lx。

2）缓慢调节电压旋钮，从0开始，每隔50V记录电压和电流值，直到电压调至最大为止。 (二) 四象限光电探测器

1.系统的安装：*安装好的示意图如下

图20 安装图 *

激光器用四芯连接线与电路板右边的四芯航空插座相连，四象限探测器用六芯连接线与电路板上的六芯航空插座相连，串口与计算机相连。

2.将激光器和探测器在水平方向对准，调节激光器前端的旋，使激光器的光斑到满意程度后，对

19

准四象限探测器的光敏面中心，指示四个象限光强的指示灯其中一个或两个亮，证明电路正常工作。

3.运行软件并点击“运行”，将出现下面窗口

屏幕正中四个窗口分别显示四个象限管与接收的光强度对应的输出电压值（单位：V）和变化范围，右面的屏幕可以直观的显示出光辐射到的探测器上的位置。如图所示，第三象限电压值最大，且第三象限最亮，说明第三象限接收的光斑面积最大。与模拟显示进行比较，看是否一致。

4.用示波器观测激光器的驱动信号、各象限的脉冲信号的放大信号和展宽信号并记录，是否与显示情况一致。验证四象限探测原理。*对应测试点如下： 缩写 GND FD1 FD2 FD3 FD4 ZK1 ZK2 ZK3 ZK4 MC 定义 地 探测器一象限输出并放大后的信号 探测器二象限输出并放大后的信号 探测器三象限输出并放大后的信号 探测器四象限输出并放大后的信号 探测器一象限的信号被展宽后的信号 探测器二象限的信号被展宽后的信号 探测器三象限的信号被展宽后的信号 探测器四象限的信号被展宽后的信号 激光器的脉冲驱动信号 * 5.转动四象限探测器或左右方向的移动激光器，观察模拟显示和数字显示的变化。

六、实验报告要求

（一）内增益探测器 1.画出Id~V关系曲线。

2.分别画出两个光照下光电倍增管阳极电流Ip与光电倍增管电压关系曲线，即阳极伏安特性曲线。 3.分别计算上述电压下阳极灵敏度。

4.画出光电倍增管阴极电流IK与所加电压关系曲线，即阴极伏安特性曲线。

20

5.计算相应电压下的阴极灵敏度。 (二) 四象限光电探测器

根据实验中的体会试分析影响定向精度的因素有哪些？

21

实验四 CCD输出特性及二值化处理实验

一、实验目的

通过对典型线阵CCD在不同驱动频率和不同积分时间下的输出信号的测量，进一步掌握CCD的有关特性，掌握积分时间的意义，以及驱动频率与积分时间对CCD输出信号的影响；了解运用线阵CCD进行物体尺寸测量的基本方法。

二、实验准备内容

1、学习掌握线阵CCD的基本工作原理（参考相关教科书）。 2、学习掌握TCD1200D线阵CCD的基本工作原理。 3、掌握双综示波器的基本操作。

三、实验仪器

1、双踪同步示波器（20MHz以上） 1台 2、CCD原理应用实验箱 1台 3、计算机 1台

四、实验原理

（一）CCD输出特性

两相线阵CCD电荷传输原理示意图如下：

每一相有两个电极（即原理中的一个CCD转移寄存器的MOS电容实际中用两个），这两个电极与半导体衬底间的绝缘体厚度不同，在同一外加电压下产生两个不同深度的势井，绝缘体薄的那个MOS电容比绝缘体厚的那个MOS电容势井深，只要不是过多的电荷引入，电荷总是存于右边那个势井。图b显示了相位相差180O的驱动脉冲Φ1为高电位，Φ2为低电位时MOS电容的势井深度及电荷存储情况。图c表示Φ1和Φ2电位相等时的情况，这时电荷还不能移动；图d显示了Φ1为低电位，Φ2为高电位时

22

的情况，这时电荷流入Φ2相的势井。当Φ1和Φ2电位再相等时停止流动。

电荷传输机理证明，电荷从一个势井传输到下一个势井需要一定的时间，且电荷传输随时间的变化遵循指数衰减规律，只有由Φ1和Φ2的频率所确定的电荷传输时间大于或等于电荷传输所需要的时间，电荷才能全部传输。但在实际应用中，从工作速率考虑，由频率所确定的电荷传输时间往往小于电荷本身传输所需要的时间。这就是说，电荷的转移效率与驱动频率有关。驱动频率越低，输出信号越强。 我们知道，积分时间为光电转换的时间，显然，积分时间越长，光敏区的MOS电容存储的电荷越多，相应输出信号越强。 （二）、输出信号的二值化处理

线阵CCD的输出信号包含了CCD各个像元的光强分布信息和像元位置信息，这就使我们能够测量物体的尺寸和位置。可采用成像法和透射法。成像法如下图所示：

将尺寸为L的被测物体ab置于成像镜头的物面，线阵CCD的感光面置于成像镜头的像面，调节成像镜头，则在CCD的感光面上形成物体倒立的像ba，CCD感光面上光强分布发生变化，从而输出电信号强度发生变化，理想的反映光强分布的电信号曲线应如实线所示。根据这个曲线，可以测得物体ab经成像镜头在像面的尺寸L，若已知光学放大倍数f，就可以计算物体的尺寸L。

透射法如下图所示，（本实验采用这种方法）：

均匀的平行光垂直入射CCD感光面，将宽为L的物体放入光路，则CCD感光面接收到的光强，从而CCD输出信号将发生变化，理想情况如实线所示，但由于入射光非平行性和直边衍射等因素的影响，实际输出信号的强度变化如虚线所示，不能唯一确定L，要实际进行定量测量，必须对CCD输出信号进行处理。

''

其处理方法就是对虚线所示CCD输出信号进行所谓“二值化处理”。下图是硬件固定阈值二值化处

23

理电路及处理结果：

比较放大器的正相输入端接CCD的输出信号U0，反相输入端接一电位器，通过此电位器调节反相输入端的电平，此电平称为阈值电平。只有U0大于阈值电平时，放大器才有输出信号U1，U1称为二值化输出信号，可用示波器观察。

硬件二值化过程只能定性观察，要定量测量，需通过软件来实现，由USB数据采集电路采集U0信号，再给出阈值电平，则可提取表示物体边缘的像元S1和S2， S1和S2的差值即为被测物体在CCD像面上所占据的像元数目。若已知像元间距，进而可求得物体ab的尺寸L。显然，不论是硬件二值化还是软件二值化，这样求得物体ab的尺寸L与阈值电平有关，这是固定阈值二值化处理的缺点。 （三）数据采集及软件二值化

数据采集的种类和方法很多，这里介绍实验仪所采用的8位并行接口方式的数据采集基本工作原理。

下图所示为以8位A/D转换器件TLC5510A为核心器件构成的线阵CCD数据采集系统。以单片机完成地址译码器、接口控制、同步控制、存储器地址译码等逻辑功能。计算机软件通过向端口发送控制指令对单片机复位。单片机等待SH上升沿（对应于CCD第一个有效输出信号）触发AD开始工作，AD器件则通过RS信号完成对每个像元的同步采样，A/D转换输出的8位数字信号则存储在静态缓存器件（IDT72241）中。

''

当一帧像元的数据转换完成后，单片机（U29）会生成一个标志转换结束的信号，同时停止A/D转换器和存储器的工作。单片机（U30）将此帧像元的数据进行处理，并通过USB接口芯片将采集信号送给计算机软件进行相关显示处理。当软件读取并处理完一行数据后，再次发送复位指令循环上述过程。

CCD输出信号经A/D转换进入计算机系统后，软件测量方法很多，这里介绍最基本的二值化测量方法。软件二值化原理同硬件二值化相同，给出适当的阈值，判断出输出低于阈值的像元数，然后进行计算。与硬件二值化不同的是软件二值化除可用固定阈值外，可以使用“浮动阈值”， 浮动阈值的取值范围是0%～100%，其实际阈值按下式计算：

24

实际阈值=（信号的最大值－信号的最小值）×浮动阈值＋信号的最小阈值 可见，阈值的实际值是随测量值而变的，这在一定程度上消除了由于背景光不稳定造成的测量误差。另外，软件二值化可以方便地采用多次平均叠加算法提高精度。

本实验软件使用“固定阈值”法。

五、实验内容及步骤

1、CCD输出信号的测量 （1） CCD输出信号与光强的关系

● 将驱动频率设置为0档，积分时间设置为0档。

●用示波器CH1探头测试转移脉冲SH，并调节扫描速度和同步使之同步，使SH脉冲至少出现2周期。

●用示波器CH2探头测试CCD输出信号U0，改变光源强度，观察U0的波形变化，并解释波形变化的原因，最后调至接近饱和状态。

（2）CCD输出与积分时间的关系

●在上述基础上，改变积分时间，仔细观察U0信号的变化。 ●记录U0的变化的规律，并解释其原因。 （3）CCD输出与驱动频率的关系

● 将驱动频率设置为0档，积分时间设置为0档。

● 改变驱动频率，观察U0信号的变化的规律，并解释其原因。。 2、CCD输出信号的硬件二值化

（1）驱动频率设置为0档，积分时间设置为0档，将一定宽度的待测物体插入光路。

（2）用示波器CH1探头观察并测试U0，用CH2探头观察二值化输出信号U1，调节W1改变阈值电平，并用万用表测量，观察U1信号的变化。比较不同情况下阈值电平相对U0的大小。 3、CCD输出信号的软件二值化及线径测量

（1）驱动频率设置为0档，积分时间设置为0档，将实验箱通过USB接口与计算机连接。

（2）运行CCD应用软件， 如正常连接，计算机任务栏右下角会有图标显示，并有如下界面，点击“开始绘图”，则开始数据采集。主窗口下面为CCD输出信号波形，上面为经软件二值化处理的信号波形；右上角显示测得的线径宽度和此宽度所占据的像素点数。

25

（3）选择“阈值设定”，在对话框中将当前无效像元数设定为0。

（4）调节光强度，使CCD输出接近饱和状态，这时CCD输出信号波形如下图（a）所示， CCD线径测量栏中的点数为某一值X，以后的测量中要保持光强不变。

（5）选择“阈值设定”，在对话框中将当前无效像元数设定为X，则CCD线径测量栏中的点数为零。

（6）将一已知宽度H的标准物体插入光路，这时CCD输出信号波形如图（b）所示，中间部分为物体遮光使输出电压下降。

（7）选择“阈值设定” 设定阈值，设定数值范围为0～256，对应阈值电压为：0～4V（界面右上角显示对应阈值电压）。使CCD线径测量栏中的线径值为H。

（8）将待测物体代替标准物体插入光路，CCD线径测量栏中的线径值则为待测物体的宽度。 （8）改变阈值电压，观察对二值化结果的影响，分析其原因。

本软件还可以用鼠标双击波形指定位置，将放大显示双击位置的象素幅值大小，每个页面显示50

26

个象素，可以通过点击右上角分别指示左右的小三角符号显示相邻页面的象素。通过点击还原显示回到波形显示界面，点击保存可以保存波形图像到指定位置。

六、实验报告要求

综合测量结果，写出总结性报告，说明积分时间的含意，解释驱动频率和积分时间对CCD输出信号的影响。说明固定阈值电平法二值化的优缺点。

27

实验五 PSD位移传感器特性实验

一、实验目的 了解一维PSD光电位移传感器的原理及应用

二、实验仪器

1、ZY130Fsens12SB主工作台 2、 PSD传感器及位移装置 3、 PSD传感器实验模板

三、实验原理

PSD为一具有PIN三层结构的平板半导体硅片，其断面结构如下图所示。

在长条形P-N结之间加一本征层（I层），类似于PIN光电二极管结构，P层为感光面，与PIN光电二极管不同的是在P层的两端引出两个电极，可理解为两个PIN光电二极管并联，公共电极用来加反偏压。当有光照射时产生光电流I0，此电流分成I1和I2，总电流I0= I1＋I2。当入射光射在几何中心时，一定有I1?I2，当入射光如图所示偏离几何中心时，I2，增大，I1减小，但只要入射光强度不变，则总电流I0不变。电流差I2?I1一定与入射光偏离几何中心的距离成比例。

为说明PSD感知位置的原理，将PSD简化为下图所示的电位器模型，其中R1、R2为感光面P上入射光点位置到两个输出电极间的等效电阻，入射光点越靠近电极，电阻越小，则电流越大。假设PSD表面分流层的阻抗是均匀的，则R1、R2正比于入射光点位置到两个输出电极间的距离。RL为等效负载。设X为入射光点距PSD几何中心的距离。

28

因为

I1R2L?X ??I2R1L?XI0?I1?I2

所以可得

I1?(L?X)I0 2LI0 2LI2?(L?X)I2?I1?I0LX 或 X?(I2?I1) LI0 可见，只要入射光恒定，I0恒定，L是常数，则电流差I2－I1与入射光点距PSD几何中心的距离X成线性关系，与入射光强度无关。通过适当的处理电路，得到I2－I1的值，经过定标，就可以用来表示光点位置。

处理电路如下图所示：

由于I1、I2很小，需进行放大。U1A、U2A作为电流I1、I2的放大器，由PSDI1和PSDI2输入，

V01和V02输出。U1D为减法器，输出值为I2－I1，U1C为加法器，输出值为I2＋I1，U1A、U1B、U1C、U1D用四运放LM124。U2A为电流——电压变换器，将U1C或U1D输出的电流转换成电压，RP2调节输出幅度，U2B为电压放大器，RP1调节放大器零点，U2A、U2B用LF412。V07为输出端，接入主机箱上的电压表测量输出电压。

经过这样的处理电路，将电流差转换成电压U，用此电压表示位移X，只要转换电路是线性的，此电压与X也是线性关系，设为：

U?aX?b

测出一组实验数据U和X后，仿照实验十二，根据实验数据，计算a和b，则唯一确定了输出电压U与X的线性关系式。

四、仪器简介

1、 PSD传感器实验模板 板面布置如下图：

29

“PSDI1”、“PSDI2”为PSD输出电流I1、I2的输入端，“Vref”为PSD提供偏置电压，接PSD公共电极。“激光电源输出”为PSD传感器及位移装置中的激光器提供+5V电压，将主机箱上的±15V电源接入模板上的“+15V”、“－15V”和‘地“为模板提供电源，将“V07”和“地”接入主机箱上的电压表，以便测量输出电压，“RP2”用以调整输出电压幅度，“RP1”用以调整放大器零点。 2、PSD传感器及位移装置

它包括半导体激光器、螺旋测微头和PSD传感器三部分，装置及引线图如下

半导体激光器发射波长为650nm激光射向PSD，调节其前面的聚光透镜可调节射在PSD上光斑的大小。螺旋测微头精度为0.01mm，用来调节PSD上光斑的位置

五、实验内容及步骤

（一） 测量位移与输出信号的关系

30

1、 正确接线：将实验模板的“±15V”、“┷”与主机箱的±15V电源和“┷”相连，给半导体激光器供电，将PSD与实验模板相连，连接实验模板上各单元电路（V01接Vi1，V02接Vi2，V04接Vi5，V05接Vi6），将V07和“┷”接主机箱的电压表输入。

2、 初步调整PSD传感器及位移装置：调节聚光透镜，使光斑清晰且最小；调节激光器高低和方向，使光斑对准PSD受光面，且在螺旋测微头可调节范围内光斑能对准PSD的两端。

3、 PSD传感器几何中心的确定：根据光斑对准PSD受光面几何中心，既X=0时，输出信号应为零，光斑对准PSD受光面两端时，输出信号应最大且相等来确定几何中心。 调节螺旋测微头，使光斑移向PSD受光面一端A，直到电压表示值最大，调节电位器RP2，使电压表示值为某一值，比如4V（或－4V）；使光斑移向PSD受光面另一端B，直到电压表示值最大，比如－3V（或3V）；调节电位器RP1，使电压表示值为－3.5V（或3.5V），使光斑再移向PSD受光面A端，观察电压表示值是否一致，若不一致，再调节电位器RP1，使电压差值减小一半，使光斑再移向B端，这样反复调节，直到光斑在PSD受光面两侧时电压表示值基本一致为止。调节过程中若电压值较小，必要时可调节电位器RP2。切记！这样调好以后，不要再动RP1和RP2。

4、 进行测量：使光斑移向PSD受光面中间，直到电压表示值为零，这时认为光斑对准PSD受光面几何中心，既X=0。然后向一侧移动光斑，取△X=0.5㎜，直到光斑到端点，记录位移X和对应的输出电压值，填入下表。

位移X（㎜） 0 输出电压（V） 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 ? 6、用图示法表示输出电压与位移的关系，若为线性关系，仿照实验十二，根据实验数据，拟合输出电压U与X的关系式。

1、 根据确定的U与X的关系式，计算X为1㎜、3㎜、5㎜时的非线性误差。方法是将X值代入拟合出的关系式，计算出电压U，与实际测量值比较。 (一) 验证I0恒定

其它一切不变，只去掉V04接Vi5的线，将V03接Vi5，移动光斑位置，观察输出电压是否变化。

31

实验六 反射式光纤位移传感器原理及定标实验

一、 实验目的

1、了解光纤位移传感器的工原理及其性能。

2、掌握确定两个具有线性关系的物理量的关系式的方法。

二、实验内容

测量光纤位移传感器的输出电压与位移的关系。

三、实验仪器

1、ZY130Fsens12SB主机箱 一台 2、光纤位移传感器实验模板 一块 3、螺旋测微头 一套 4、反射式光纤 一根

四、实验原理

1、测量原理 如下图所示

光从光源耦合到入射光纤射向被测物体，再被反射回接收光纤，由光电探测器接收，转换成电信号。接收光纤接收的光强与光纤端面距被测物体的距离X成比例，从而探测器输出的电信号与位移X成比例，将此电信号定标测量位移。

2、光纤位移传感器的原理 这里只作定性的分析。光纤位移传感器由两根光纤构成，一根作为入射光纤，另一根作为接收光纤，设两光纤相距为d，光纤直径为2a，数值孔径为NA，则入射光纤发射光束最大半锥角?为

??sin?1NA

它是由光纤本身特性决定的。

假设光纤端面距被测物体反射面P的距离为X0，最外层光线的反射光A刚好能射入接收光纤，如下图a所示，则有

tg??D 2x0所以 X0?

D

2tg(sin?1NA)32

由几何关系可知，接收光纤刚好能接收到反射光时，D?d，因此上式可写成

X0?d2tg(sin?1NA)对于确定的光纤位移传感器，此式是实现光耦合的临界条件，当X＜X0时，两光纤的耦合为零，无反射光进入接收光纤；如图b所示；当X≥X0时，才能实现耦合，有反射光。X越大耦合越强，如图c所示，不但最外层光线的反射光A能射入接收光纤，内层光线的反射光B也能射入接收光纤。能接收到的反射光强度与位移关系的理论曲线如下图所示

在一定范围内，X越大，耦合越强，如ab段所示；当X大到一定值后，由于入射光减弱的影响大于耦合越强的影响，接收光纤接收到的光反而减小，如cd段所示。作为位移传感器，总是利用ab段，反射光强度与位移近似线性关系。

通常是用光电探测器将接收光纤接收到的光转换成电信号。

3、光纤位移传感器的定标

由测量原理已知，光纤位移传感器是用输出的电信号（实验中为电压）表示位移的，因此，必须找出输出电压与位移的关系。方法是测出一组位移及相应电压的数据

位移X： X1，X2，X3，?，XN

电压U： U1，U2，U3，?，UN

由这组数据绘出U—X图线，这就是用图线法定标，测量得出电压值时，通过查图线得出位移值。由于用一组数据绘U—X图线不是唯一的，所以得出的位移值也不是唯一的。最科学的方法是由这组数据

33

唯一确定出输出电压与位移的函数关系式U?f(X)。这里简单介绍两变量为线性关系时的方法。

（1） 最小二乘法原理

设x1，x2，x3，?为一待测量等精度测量的一组测量值，根据误差正态分布规律可以推导出，其最可信赖值是能使各测量值误差平方和最小的那个值。设最可信赖值是X0，则应有：

2(x?x)?i0?min i?1n这就是最小二乘法原理的数学描述。

（2） 确定线性方程的系数 设待拟合的线性方程为：

y?ax?b

只要求得a、b，则y和x的关系就确定了。这问题似乎很简单，只要测得两组x、y值，即可得一方程组，解此方程组就可得a和b的值。但由于测量误差的存在，若再测得两组x、y值，得到的a和b的值未必与上述相同，即不能从唯一的两组x、y值来定a和b的值，只能从大量的y和x的测量值中求得a和b的最佳值。

设a和b的最佳值是A、B，则最佳方程为

??Ax?B y?是因变量y的回归值，即给一个x就可由回归方程求得一个y?值。若测此方程称为回归方程，y?，即有 得N组x、y值，将N个x代入回归方程则有N个y?i?Axi?B (i?1,2,?,N) y?与测得值yi必然存在误差，即有 当然变量y的回归值y?i?yi?Axi?B (i?1,2,?,N) ?yi?yi?y?i?Axi?B是最佳方程的条件是 根据最小二乘法原理，y??y?min

i?1in2根据多元函数极值的必要条件，A与B应满足

????A????B将其化简为

yy2i??2?(yi?Axi?B)xi?0 (i?1,2,?,N) ??2?(yi?Axi?B)?0 (i?1,2,?,N)

2i34

?y

i?A?xi?NB

i?yxi?A?xi?B?xi

2yx?令yx?iiNx?，x?Niy?，y?Ni，x2?x?N2i，则有

y?Ax?B

yx?Ax2?Bx

解得 A?yx?yxx?x22

B?y?Ax

这就是由变量的测量值求线性方程y?ax?b的最佳待定系数A、B的公式。 （3） 非线性误差的确定

用上述方法得到的y?Ax?B称为拟合直线，它是由实验数据得到的最佳直线，或说是理论直线，实际响应直线与此必有偏离，偏离程度通常用非线性误差?来度量

???max

y2?y1式中，?max为实际响应直线与拟合直线之间的最大偏差，y1、y2为选定线性区中的最小和最大响应值。

四、实验仪器简介

1、光纤位移传感器实验模块电路

电路图如下，光源部分为LED发光二极管，此光耦合到入射光纤，接收光纤接收的反射光耦合到光电二极管，转换成电压信号经放大用主机箱的电压表测量。

图中W1为调零电位器，光电二极管未接收光时，调W1使输出电压为零。 电源部分提供±15V和+12V电源。

35

4、 光纤位移传感器 结构如下图

它由两束光纤混合组成，混合后的端部是工作端，亦称探头。两束光纤中哪一束作为入射光纤是任意的。

位移的改变用一螺旋测微头，如下图所示，旋转螺旋测微头可改变距离X，X的数值由螺旋测微头读数装置读取。

五、实验步骤及要求

36

1、 按电路图将主机箱上的±15V电源和电压表接入实验模板，发射管应亮。

2、 按上图将光纤位移传感器安装好，探头处应有光，检查探头面和反射面是否平行。

3、 旋转棘轮使反射面和探头接触，则接收管无反射光照射；调节模板上的“调零”电位器，使电压表指示为零。

4、 反向旋转测微头，使反射面离开传感器探头，开始每隔0.05mm读取一个电压值，直到1mm，以后每隔0.1mm读取一个电压值，直到3mm。

5、根据测量数据绘制光纤位移传感器输出电压与位移的关系曲线。

6、根据曲线，确定近似为线性的区段，在此区段内电压U与位移X的关系可认为是线性的，即：

U?aX?b

根据近似为线性区段的实验数据，计算a和b，则确定了输出电压U与位移X的线性关系式。 7、计算线性区段内实际响应直线的非线性误差。

37

实验七 光电报警系统设计

一、实验目的

1、练习自拟简单的光电报警系统设计实验；

2、对影响光电探测性能的各种参数进行探讨，以求最大限度地发挥系统的探测能力。

二、实验内容

自拟简单的红外光电报警系统。

三、实验仪器

1、红外发射二极管BT401 1只 2、光敏二极2CU2B 1只 3、光电报警系统设计模板 1套 4、直流稳压电源 1个

四、实验原理

光电报警系统是一种监视系统，目前种类繁多。本实验半自拟一个简单的主动报警系统，由下图所示的四个部分组成。

发射系统包括调制电源和红外发射二极管，发射红外调制光。在发射系统和接收系统之间有红外光束警戒线，当警戒线被阻挡时，接收系统发出指示信号，此信号经放大，驱动报警电路发出报警信号。

下面对各部分电路各举一个简单的例子，也可选用于系统中。

1、发射系统：用NE555定时器构成多谐振荡器作调制电源，BT401作为红外发射管

NE555内部结构原理如下图（a）所示：若不用5脚时，当2脚外加电压小于

1Vc（电源电压）时，3比较器2翻转，导致RS触发器翻转，管脚3输出高电平。同时晶体管Q截止，使脚7内部开路。当6脚外加电压高于

2Vc时，比较器1翻转，导致RS触发器翻回，管脚3输出低电平。同时晶体管Q导3通，使脚7内部近似接地。若管脚5外加比较电压，则NE555在外加比较电压下工作。比较器1或比较器2的翻转阈电平由管脚5外加比较电压在电阻R上的分压决定。

38

图（b）给出了由NE555构成占空比可调的多谐振荡器的参考电路。

(a)

(b)

电容器C1由电源电压Vcc通过R2、D充电，A点电压按指数规律上升，由于二极管D的作用，电流不经过R1，因此其充电时间常数为R2C1。

当A点电压低于1/3VCC时，3脚输出电压V0为高电平，7脚内部开路，直到当A点电压上升到2VCC3时，3脚输出电压V0为低电平，同时7脚近似接地，电容器C1通过R1至7脚放电，由于二极管D反向电阻很大，放电时间常数为R1C1。直到当A点电压下降到1/3VCC时，3脚输出电压V0又为高电平，同时7脚内部又开路，电容器C1又由电源电压Vcc通过R2、D充电。

调整R1或R2的电阻值可以调整占空比。当R1=R2=R时，输出为方波信号。其输出频率为：

f?1 2RC参考值：R1用100KΩ电位器， R2=2.2KΩ，C1=0.1μF，

f?1.44?2R1C1??1.3KHZ 。

用NE555组成振荡器来作红外发光管BT401的驱动时，由于红外发光管BT401的工作电流约30mA，NE555输出功率不够，因此需加一个三极管驱动电路。使输出电流大于或等于红外发光管的最小工作电流If。同时发光管必需串联一个限流电阻Rf，使输出电流小于或等于发光管的最大工作电流Im。

39

设发光管最大工作电流为Im, 最大工作电流时正向压降为Vm，则限流电阻Rf取值为

Rf?参考电路入下

Vcc?Vm Im

2、接收系统和放大电路

电路如下图所示，用2CU2B光敏二极管作为接收系统，LF353构成放大电路。光敏二极管是一种光伏探测器，当入射光强度发生变化时，通过二极管的电流随之变化，于是二极管的端电压也发生变化。从阻抗的角度看，当入射光强度发生变化时，二极管的阻抗发生变化，光强度越大阻抗越小。

1LF353构成主放大器，将光敏二极管接入同向输入端，将光敏二极管所产21生的电流变化信号放大。后一个LF353构成比较放大器，比较放

2放大器为两级，前一个

大器的反向输入端6脚加来自主放大器的信号电压。当光线未阻断时，从主放大器来的交流信号经二极管D1检波，再经R4、C1低通滤波器后得到直流电压，比较放大器的同向输入端5脚加某一固定偏置电压，其值要小于或接近反向输入端6脚电位。则放大器7脚输出电压近似为零，当红外光束被阻断时，主放大器没有信号输出。从而比较放大器只有同向输入端加的正电压，输出为高电位，则比较放大器输出电位的变化指示了光线是否阻断。当然可以如图所示，在比较放大器的输出端接报警电路（如LED和扬声器），当红外光束被阻断时，LED管亮,扬声器发声报警。

2、 抱警保持和消除电路

将报警电路直接接比较放大器的输出端有缺点：当光线又未阻断时，报警信号立即消失，报警不能维持。最好加一个报警保持和消除电路，即使光线被阻断很短时间，一但报警，则维持下去，当不需要报警时，人为消除。下面给出用双D触发器74HC74实现此功能的参考电路图

40

根据74HC74的功能表，CLK为低电位时，Q为低电位，只要CLK有个电位上升，则Q为高电位，即使CLK再为低电位，也能保持高电位。将CLK端通过电阻R9接入比较放大器的输出，将LED和扬声器接Q端，则可实现当红外光束被阻断时报警和维持。当不需要报警时，按一下K1使CLR为低电位，则Q又为低电位且保持，报警消除。 以上两电路的参考值为：

R1：1KΩ R2：1KΩ R3：120KΩ R4：68KΩ R5：5.6KΩ R6：2.2KΩ R7：1KΩ R8：5.6KΩ R9：1KΩ C1：0.1uF C2：10 uF

五、实验用设计模板介绍

光电报警系统设计模板示意图如下图：

光电报警系统设计模板备有+5V，-5V直流稳压电源，只要从外部插入+5V电源,则+5V和-5V孔就有电压,为光电报警系统设计提供电压，其中NE555、LF353、74HC74所需工作电压内部已接好。本实验模块还配有时钟集成电路NE555、双运算放大器LF353、触发器74HC74和三极管9013，供电路设计时使

41

用，它们的已接器件如图所示。还备有各类参数的电阻、电容，以及10k、100K的电位器和设计过程中可能用到的元器件放在面板上，供设计者选用。

六、实验步骤

（一）发射部分的设计与调试

1.用NE555设计一占空比可调的方波振荡器，作为红外发射二极管的调制电源，画出电路图，标明器件参数；

2.根据电路图从模板上选择器件，用导线组成电路，用示波器从NE555的3脚观测输出波形应为方波, 并测量输出电压峰—峰值；调节100K电位器使占空比为50%。

3.设计红外发射二极管的驱动电路，主要是根据给出的BT401的参数，计算限流电阻，由于BT401是工作在脉冲状态下，为提高输出功率，实际使用的限流电阻可以比由Rf?Vcc?Vm（Vm取1V）计Im算出的值小2～3倍。从模板上选择器件，用导线组成发射系统，用示波器测试红外发射二极管BT401两端的波形，其幅度若大于1V，说明发射电路正常。 （二）接收部分的设计与调试

可以根据上面给出的参考电路设计，也可用模板上给出的器件（可不全用）另行设计。若根据参考电路设计步骤如下：

1LF353设计主放大器，画出电路图，标明器件参数，根据电路图从模板上选择器件，用导21线组成放大电路，用示波器从LF353的1脚观测输出波形，当光敏管接收到信号时应有输出，且输出

21.用

随发射和接收管的距离而变，调整发射和接收管的距离（比如20cm）和方向，使输出最大。

2.用另外

1LF353设计比较放大器，画出电路图，选择器件参数，根据电路图从模板上选择器件，2R6用10K电位器，用导线组成放大电路。

3.当光敏管接收到信号时，用万用表测量6脚、5脚和7直流电压，6脚电压必须高于5脚（一般设定为0.5V～1V），否则调整R6，7脚电压应近似为零。当光敏管未接收到信号时，6脚电压低于5脚，7脚为高电位，说明电路正常。.

(三) 报警保持和消除电路设计与调试

用双D触发器74HC74设计, 画出电路图，标明器件参数，根据电路图从模板上选择器件，用导线组成电路；若根据参考电路，调试方法是：将图中“输入”接地，按一下KI，用万用表测5脚电位，应为低电位；将图中“输入”接+5V，用万用表测5脚电位，应为高电位；按一下KI，5脚应恢复低电位，说明电路正常。

（四）电路统调

1.将以上三部分连成完整电路，发光二极管和扬声器接到74HC74的5脚； 2.使发射和接收管之间的距离较小（比如20cm），即有警戒线，此时应不报警；阻断警戒线，则接收系统发出警报信号。恢复警戒线后，按一下KI，警报信号消除；

3.增大发射和接收管之间的距离，同时用示波器监测LF353的1脚输出信号，直到报警，这就是在给定器件的条件下作用的最大距离；

4.改变光源调制信号的占空比，观察对作用距离的影响。 5.改变LF353的5脚电压, 观察对作用距离的影响。

七、实验报告要求

42

1.画出完整的电路图，标明器件参数，简述工作原理；

2.简述为了提高作用距离，光源调制信号的占空比应如何取值；

3.简述当拦截光束的目标运动较快或较慢时，接收电路和电路参数应如何考虑才能保证正常报警。 4.分析影响作用距离的原因，提出提高作用距离的措施。

所用器件知识

1、 NE555定时器

电源电压： +5V～+15V 最大功耗： 600mW 开关上升时间： 100nS 内部结构及管脚图如前所述 2、 LF353双运算放大器

电源电压： ±5～±18V 电压增益： 100dB 输入阻抗： 1012Ω 共模抑制比： 100dB 增益带宽： 4MHZ 内部结构及管脚图如下

3 、 BT401发光二极管

最大正向工作电流： Im=30mA

正向压降： Vm≤1.5V(Im=30mA时) 发射光功率： 1.5～2mW 反向耐压: ≥5V 工作截止频率： 1MHZ 发光峰值波长： 940nm 发光二极管外型图如下

4、 双D型正沿触发器74HC74

43

5、2CU2D光敏二极管

最大工作电压： 暗电流： 电流响应度： 结电容： 响应时间：

44

Vmax=30V Id ≤0.1μA ≤ 0.5μA/μW ≤5pF

10-7S（负载RL=100Ω）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/a6dw.html