实验一.光电传感器实验

实验一光电传感器实验

1-1 PSD光电位置传感器——位移测量

一．实验目的：

１．了解PSD光电位置传感器的结构。

2.掌握PSD光电位置传感器的工作原理。

二.实验原理：

光电位置敏感器件（PSD）是基于光伏器件的横向效应的器件，是一种对入射到光敏面上的光电位置敏感的光电器件。因此，称其为光电位置敏感器件（Position Sensitive Detector，简称为PSD），如图1所示为PIN型PSD器件的结构示意图，它由三层构成，上面为P型层，中间位I型层，下面为N型层。在上面的P型层上设置有两个电极，两电极间的P型层除具有接受入射光的功能外还具有横向分布电阻的特性。即P型层不但为光敏层，而且还是一个均匀的电阻层。

当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点得距离为xA时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻P型层分别由电极1和2输出，设P

型层的电阻是均匀的，两电极间的距离为2L，流过两电极的电流分别为I1和I2，则流过N 型层上电极的电流I0为I1和I2之和，即I0=I1+I2。

若以PSD器件的几何中心点O为原点，光斑中心距原点O的距离为xA，则

利用上式即可测出光斑能量中心对于器件中心的位置xA，它只与电流I1和I2的和、差及其比值有关，而与总电流无关。

图1 图2

PSD器件已被广泛地应用于激光自准直、光点位移量和振动的测量、平板平行度的检测和二维位置测量等领域。目前，PSD器件已有一维和二维两种PSD器件。本仪器用的是一维PSD

器件，主要用来测量光斑在一维方向上的位置或移动量的装置，图2为一维PSD器件的原理图，其中①和②为信号电极，③为公共电极。它的光敏面为细长的矩形条。图3为其等效电路，它由电流源Ip、理想二极管VD、结电容Cj、横向分布电阻RD和并联电阻Rsh组成， PSD器件属于特种光伏器件，它的基本特性与一般硅光伏器件基本相同，如光谱响应、时间响应和温度响应等与前面讲述的PN结光伏器件相同。作为位置传感器PSD有其独特特性，即位置检测特性，PSD的位置检测特性近似于直线，图4所示为一维PSD位置检测误差特性曲线，由曲线可知，越接近中心位置测量误差越小，因此，利用PSD来检测光斑位置时，尽量使光点靠近器件中心。

图3 图4

三．实验所需器件：

PSD组件(器件已装在基座上)、固体激光器、反射体、PSD光电位置单元、数字电压表四．实验步骤：

１．通过PSD基座上端圆孔观察PSD器件及在基座上的安装位置,PSD光电位置传感器的“I1”

和“I2”两端对应接入PSD光电位置单元的“I1”和“I2”两输入端，输出端V o接数字电压表20V档。

２．确认接线无误后，开启仪器电源，此时因无光源照射，PSD器件前端的聚焦透镜也无光照射而形成的光点照射在PSD器件上，Vo输出的为环境光的噪声电压，试用一块遮光片将观察圆孔盖上，观察光噪声对输出电压的变化。

３．将激光器电源插头插入“激光电源”插口，激光器安装在基座圆孔中并固定。注意激光束照射到反射面上时的情况，光束应与反射面垂直。激光束照射到反射面后PSD组件上的透镜将漫反射的激光光线聚焦到PSD器件表面，旋转激光器角度，调节激光光点，（必要时也可旋转调节PSD前的透镜）使光点尽可能集中在PSD器件上。

４．从原点开始，位移平台分别向前和向后位移，因为PSD器件对光点位置的变化非常敏感，故每次螺旋测微仪旋转10格（1/10mm），并将位移值（mm）与输出电压值（U0）

记录列表，作出U/X曲线，求出灵敏度S，S＝△U/△X。根据曲线分析其线性。

五．注意事项：

１．实验中所用的固体激光器光点可调节，实验时请注意光束不要直接照射眼睛，否则有可能对视力造成不可恢复的损伤。

2．每一支激光器的光点和光强都略有差异，所以对同一PSD器件，光源不同时光生电流的大小也是不一样的。实验时背景光的影响也不可忽视，尤其是采用日光灯照明时，或是仪器周围有物体移动造成光线反射发生变化时，都会造成PSD光生电流改变，致使单元V0输出端电压产生跳变，这不是仪器的毛病。如实验时电压信号输出较小，则可调节一下激光器照射角度和光点在PSD器件上的上下位置，使输出达到最大。

1-2 PSD光电位置传感器——光电特性

一．实验目的：

１．了解PSD器件对入射光强度改变的反应及光点大小对光生电流的影响。

二．实验原理：

典型PSD器件的基本特性参数

所有PSD的光谱响应范围均为300～1100nm；峰值响应波长为900nm。

一维PSD位置传感器误差表示从中心到75%处的误差值。

三．实验所需器件：

激光器、射灯光源、PSD器件及放大变换电路、数字电压表、示波器

四．实验步骤

１．在实验十八的基础上调整位移平台前后位置，使光点在平台位移时均能照在PSD器件的光敏面上，如位移范围不够则可将激光器在激光器座中的位置前后作些调整。２．开启激光电源，记录下光点位移时V O端的最大输出值。

３．保持单元电路增益不变，将光源更换成射灯光源，记录下不同光源照射时输出端的最大V O值。

４．调节PSD入射光聚焦透镜（或激光器调焦透镜），使光斑放大，依次重复步骤1、2，观察输出电压的变化。

５．根据实验结果作出PSD器件光电特性的定性结论。

实验1-3光栅传感器——光栅距的测定

一．实验目的：

1．了解光栅的结构，学习光栅距的测量方法；

2．了解光栅传感器的实际应用。

二．实验原理：

根据栅式数字传感器的工作原理，可分为光栅和磁栅两种，光栅是由很多等节距的透光隙缝和不透光的刻线均匀相间排列构成的光电器件。按其原理和用途，它又可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅是利用光的衍射现象制造的，主要用于光谱分析和光波长等物理的测量。计量光栅主要利用莫尔（Ｍoire）现象，测量长度、角度、速度、加速度、振动等物理量。计量光栅按应用范围不同又分为投射光栅和反射光栅两种，具体制作时又可制作成线位移的长光栅和角位移的圆光栅。按光栅的表面结构，又可分为幅值光栅和相位光栅等。

如图1所示，设光栅透光狭缝的宽度为a，两缝间不透光部分的宽度为b，a+b=d定义为光栅常数，又称光栅距，是相邻狭缝相应点之间的距离，它表示光栅的空间周期性。本实验用的为每毫米50条线的物理光栅。

图2中的AB 表示一衍射光栅，光栅面与纸面垂直；BP 是平行单色光垂直入射时，从光栅狭缝发出的衍射光，其衍射角为θ；作线段AC 垂直于BP ，交BP 于C. BC 就是从相邻两缝A 与B 分别发出的衍射角为θ的衍射光的光程差。 因为∠BAC 等于θ，所以该光程差为

BC=d sin θ (1)

此处d 是光栅上两相邻狭缝中心间的距离，叫做光栅常数。当光程差等于波长的整数倍时，即

BC= ±n λ （2）

从各狭缝发出的衍射光都以相同的相位前进，因而互相加强。于是将（2）式代入（1）式，可得

d sin θn =±n λ （3）

上式称为光栅公式。式中n 取0，1，2……等值，叫做明条纹的级。取n = 0时，θn = 0，对应的是最亮的“零”级明条纹；n = 1时，对应的是第一级明条纹，其余依次类推。

在实验中，如果光栅常数d 已知，那么只要测出θ的值，光波波长λ就可以根据式（3）

推算出来。同样，若光波波长λ已知，也可通过测定的值得出光栅常数d .

根据光栅衍射规律，一级光斑对应衍射角θ，有式（3）得：sin θ=λ/d

光栅衍射如图3，有s i n θ=

得到光栅距d 与激光波长λ、衍射距离L 、中央光斑与一级光斑的间距S 存在下列的关系：

图1光栅片示意图

图3 光栅衍射光斑排列

图2 光程差

（式中单位：L 、S 为mm ，λ为nm, d 为μm ）

三．实验仪器：

CSY10G 型光电传感器系统实验仪、光栅传感器、激光器、直尺、投射屏（白纸一张）、移动平台。

四．实验步骤：

1．激光器放入光栅传感器正对面的激光器支座中，接通激光电源后调节上下左右位置使光

点对准光栅组中点后用紧定螺丝固定。

2．在光栅传感器后方安放好投射屏，观察到一组有序排列的衍射光斑，与激光器正对的光

斑为中央光斑，依次向两侧为一级、二级、三级…衍射光斑。如图3所示。请观察光斑的大小及光强的变化规律。

3．用直尺量得衍射距离L 、光斑距S ，。根据光栅衍射规律，光栅距d 与激光波长λ、衍射

距离L 、中央光斑与一级光斑的间距S 的关系式，即可求得实验所用的光栅的光栅距d 。 4．尝试用激光器照射用做莫尔条纹的光栅传感器，测定光栅距，了解光斑间距与光栅距的

关系。

五．实验数据记录表格 λ=?????????????? nm 1.

2.莫尔条纹用光栅传感器光栅距测定（可在完成实验1-4后再测）。

实验1-4 光栅莫尔条纹特性实验

一．实验目的：

１．了解产生光栅莫尔条纹的原理。 2 ．仔细观察光栅莫尔条纹的变化规律。 3 ．理解莫尔条纹微位移测量的原理和方法。

二．实验原理：

d S

λ

=

光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。它们是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相同的刻线，常用的光栅每毫米有10、25、50、100和250条线，本实验所用的为每毫米50条线的，主光栅的刻线一般比指示光栅（在位移平台上）长。若隙缝宽度为a,刻线宽度为b ，则d=a+b 为光栅节距或栅距，通常取a=b=d/2。

若将两块光栅（主光栅、指示光栅）叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度θ，如图1所示，由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的隙缝相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就成为莫尔条纹。

图1 莫尔条纹形成示意图

如果用W 表示光栅栅距,θ表示两光栅刻线夹角,B H 表示莫尔条纹间距（相邻亮带或暗带中心之间的距离）。近似有：

θ

θ

θ

W

W BC AB B H ≈

=

=

=2

sin

22sin

横向莫尔条纹的斜率 ：

2tan

tan θ

α= 当两块光栅沿着垂直于刻线方向相对移动时，莫尔条纹将沿着刻线方向移动，光栅移动一个节距d ，莫尔条纹也移动一个间距B H 。从上式可知θ越小，B H 越大，使得B H ?d，即莫尔条纹有使栅距放大的作用，因此，读出莫尔条纹的数目比读光栅刻线要方便的多。通过光栅栅距的位移和莫尔条纹的对应关系，就可以容易地测量莫尔条纹移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。

四．实验步骤：

1．安装好主光栅与指示光栅，使两光栅保持平行，光栅间间隙要尽量小，微调主光栅角度，使莫尔条纹清晰可见，用紧定螺丝固定好光栅的相对位置。

2．旋动移动平台螺旋测微仪，向前或向后，观察莫尔条纹上下移动与指示光栅位移方向

的关系。

3．人工微位移测量：当指示光栅位移一个光栅距时，莫尔条纹就移动一个条纹距。调节位移平台，仔细记数条纹移动数目，根据实验二十测得的光栅距，与位移条纹数相乘，此即为指示光栅的位移距离，实验时可与螺旋测微仪的转动刻度相对照。（事实上光栅莫尔条纹记数所测得的位移精度可以远高于螺旋测微仪的精度）

五．实验数据记录表格

1-5 CCD电荷耦合传感器——莫尔条纹计数

一．实验目的：

１．了解图像莫尔条纹的原理；

2．通过本实验进一步加深对CCD器件工作原理和具体应用的认识。

二．实验原理：

（一）传统的莫尔条纹计数原理：

传统的莫尔条纹计数是利用普通光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转化成脉冲信号，实现数字显示。主光栅和指示光栅做相对移动产生了莫尔条纹，莫尔条纹需要经过转换电路才能将光信号转换成电信号。光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成，当两块光栅做相对移动时，光敏元件上的光强随莫尔条纹移动而变化，当两光栅刻线重叠时，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大，当光被遮去一半时，光强减小；光全被遮去而成全黑时，光强为零，若光栅继续移动，投射到光敏元件上的光强又逐渐增大，光敏元件输出的波形可由如下公式描述：

U = U0 + U m sin 2π/W

式中：U0——输出信号的直流分量，U m——交流信号的幅值，x——光栅的相互位移量。有上式可知，利用光栅可以测量位移x的值。

为了辨别主光栅是向左还是向右移动，仅有一条明暗交替的莫尔条纹是无法辨别的，因此，在原来的莫尔条纹上再加上一条莫尔条纹，使两个莫尔条纹信号相差π/2相位。如果仅以光栅的栅距作其分辨单位，只能读到整条莫尔条纹，倘若要读出位移为0.1μm，势必

要求每毫米刻线1万条，这是目前工艺水平无法实现的，因此，只能在合适的光栅栅距的基础上，对栅距进一步细化，才可能获得更高的测量精度，常用的细分方法有倍频细分法、电桥细分法。本实验用的为四倍频细分法，在一个莫尔条纹宽度上并列放置4个光电元件，得到相位分别相差π/2的四个正弦周期信号。用适当电路处理这一列信号，使其合并脉冲信号，每个脉冲分别和四个周期信号的零点相对应，则电脉冲的周期为1/4个莫尔条纹宽度，用计数器对这一列脉冲信号计数，就可以读到1/4个莫尔条纹宽度的位移量。这样便得到光栅固有分辨率的4倍，若再增加光敏元件，同理可以进一步提高测量分辨率。

（二）本实验采用CCD接收莫尔条纹图像，并利用计算机实时显示和自动判断条纹移动情况。它与传统技术相比，信息量大，更为直观，可靠性和精度更高。

三．实验仪器：

CSY10G光电传感器系统实验仪中的实验部件——

图像采集卡、CCD摄像头（视频线和电源线）、光栅组、位移平台

四．实验内容：

（一）特别提醒的注意事项：

1. 不要用手触摸光栅组。

（二）实验步骤

１．安装好光栅组，调节位移平台，使两片光栅完全重合，调节主光栅角度，选择合适的条纹宽度，莫尔条纹要清晰可见。为提高后续计算机判读的精度，莫尔条纹方向应接近水平，且条纹数目在3条以上。

２．在光栅组前安装好CCD摄像头，接通电源，安装好实验软件“Count”,启动“CCD莫尔条纹记数”软件，进入程序，按“活动图像”键，屏幕上即出现条纹图象，调节CCD 光圈及镜头与光栅组的距离，使条纹图像尽量清晰。

３．按“冻结图像”键，用鼠标在屏幕上确定莫尔条纹间隔，然后开始记数。（本步实验中思考操作思考题1）

４．缓慢地转动螺旋测微仪，在屏幕上定一标记，用眼睛目测读取条纹移动数，并将目测数与软件自动记数结果对照，得出定性的结论。（本步实验中思考操作思考题2）

注意：通过转动螺旋测微仪使平台产生微位移时，必须控制条纹移动的速度，如果条纹移动过快，程序将无法正常读取信号，建议移动的速度控制在每2秒1个条纹左右。５．根据光栅衍射实验中测得的光栅组的光栅距，求出指示光栅（位移平台）的位移量。五、操作思考题

1．用鼠标确定莫尔条纹间隔的方法简单，但是由于仅靠手工操作，会造成一定的误差？可以采取什么方法来提高条纹间隔的精度？

2．本实验软件在手工确定了条纹间隔的基础之上实现了自动计数，试思考软件是如何实现此功能的？

六、数据记录与处理

本实验报告书写要求：

实验目的、仪器、原理（简述光栅距测定原理和莫尔条纹形成、测定微小位移原理）、步骤、数据处理、实验总结与讨论

附：

仪器说明

功能简介：

CSY10G型光电传感器系统实验仪是为了适应现代光电传感器实验教学课程所需而研制的实验仪器。其特点是将各种光电（光敏）传感器、被测体、信号源、仪表显示、信号采集、处理电路及实验所需的温度、位移、光源、旋转装置集中于一机，可以方便地对十种光电传感器进行光电特性、光照特性、温度特性等二十余种实验。并可根据实验原理自主开发出更多的实验内容。

仪器组成：

实验仪主要由实验工作台、光电器件、信号源及仪表显示、图象和数据采集、光电转换、处理电路组成。

位于实验仪顶部的工作台部分，分别布置有热释电红外传感器、温度源、慢速电机、衍射光栅、固体激光器、PSD光电位置传感器、CCD电荷图象传感器、位移平台、光电器件安装板（七种光电元件与金针插座）、莫尔条纹光栅位移传感器、光纤传感器、光电断续器、旋转电机等。（详见实验仪工作台布局图）

传感器：（十种）

1. 光敏二极管：由具有光敏特性的PN结制成，不同的光敏二极管光谱范围是不同的。

2. 光敏三极管：具有NPN或PNP结构的半导体光敏管，引出电极二个，较之光敏二极管具有更高的灵敏度。

3. 光敏电阻：CdS材料制成，其电阻值随光照强度而改变。

4. 光电池：根据光生伏特效应原理制成的半导体PN结，光谱响应范围在50~100μm波长之间。

5. 光断续器：透过型的红外发射-接收器件。

6. 光纤传感器：导光型近红外发射-接收传感器，可测位移、转速、振动等。

7. PSD光电位置传感器：一维半导体光点位置敏感传感器，测试范围≤25mm，灵敏度≥0.01mm，精度1%。

8. CCD电荷耦合图象传感器：物体轮廓与图象监测，光敏面尺寸4mm×3.5mm。

9. 热释电红外传感器：工作范围波长5~10μm红外光,探测距离≥5m。

10. 光栅传感器：光栅衍射及光栅距测试、光栅莫尔条纹精密位移测试。

实验辅助单元：

1.温度源：直流电加热器，温升≤100℃。

2.光源：12V安全电压，高亮度卤钨灯；各色高亮度LED发光管。

3.慢速电机：控速电机及遮温叶片组成。

4.位移装置：位移范围25mm,精度1μm。

5.旋转电机：转速0~2400转/分。

6.直流稳压电源：±12V、±2V~10V、激光电源、CCD电源。

7.数字电压/频率表：3 1/2位显示，精度1%。

8.微安表：0~100μA，精度2.5%。

9.试件插座：位于光电器件模板上，可供实验者插入随机所带附件中提供的光

电器件进行实验比较，试件插座上的传感器与仪器下部面板上的传感器接口处的接线端是相通的，实验时传感器接线可从下部面板端口引出。另外，“光敏电阻Ⅱ”、“光电池Ⅱ”、”光敏二极管Ⅱ“、“发光二极管Ⅲ”与备用插座相并接，实验时接入的其他试件可插入试件插座，也可插入相关传感器的备用插座。

10.实验选配单元：实验者可利用仪器提供的电源、电位器、三极管、部分光电

器件、仪表及实验连接线组成光电器件的光谱、照度、伏安特性等测试电路。

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，具体阻值在实验中应由万用表，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。