当前位置:首页 >> 兵器/核科学 >>

光电技术综合实验指导 - (下)


实验 2.5

光电二极管的特性参数及其测量

1. 实验目的:
硅光电二极管是最基本的光生伏特器件,掌握了光电二极管的基本特性参数及其测量方 法对学习其他光伏器件十分有利。通过该实验,要熟悉光电二极管的光电灵敏度、时间响应、 光谱响应等特性。

2. 实验仪器:
① GDS-Ⅲ型光电综合实验平台 1 台; ② LED 光源 1 个; ③ 光电二极管 1 只; ④ 通用光电器件实验装置 2 只; ⑤ 通用磁性表座 2 只; ⑥ 光电器件支杆 2 只; ⑦ 连接线 20 条; ⑧ 40MHz 示波器探头 2 条;

3. 基本原理:
光电二极管是典型的光生伏特器件,它只有一个 PN 结。参考“光电技术”第 3 章 3.1 节的内容,光电二极管的全电流方程为
qU ?q? (1 ? e ??d )Φe ,? I = I D ? e kT ?1? ? ? ? ? ? hc

(2.5-1)

式中前一项称为扩散电流,也称为暗电流,用 Id 表示;后一项为光生电流,常用 IP 表示。显 然,扩散电流 Id 与加在光电二极管上的偏置电压 U 有关,当 U=0 时,扩散电流为 0。扩散电 流 Id 与偏置电压 U 的关系为

? qU ? I d ? I D ? e kT ? 1? ? ?

(2.5-2)

式中,ID 为 PN 结的反向漏电流,与材料中的杂质浓度有关;q 为电子电荷量,k 为波尔兹曼 常数,T 为环境的绝对温度。显然,式(2.5-2)描述了光电二极管的扩散电流与普通二极管 没有什么区别。 而与入射辐射有关的电流 Ip 为

Ip ? ?

? q?
hc

(1 ? e ??d )Φe, λ

(2.5-3)

式中, h 为普朗克常数,α 为硅材料的吸收系数,d 为光电二极管在光行进方向上的厚度, λ 为入射光的波长。显然,对单色辐射来讲,当光电二极管确定后,上述参数均为常数。 因此, 结论为光电二极管的光电流随入射辐射通量Φ e,λ 线性变化, 式中的负号表明光生 电流的方向与扩散电流的方向相反。

4. 实验内容:
1、 光电二极管光照灵敏度的测量 2、 光电二极管伏安特性的测量
50

3、 光电二极管时间响应特性的测量

5. 实验步骤:
(1)搭建实验电路 ① 认识光电二极管 从外形看,光电二极管、光电三极管和φ 5“子弹头”式 LED 发光二极管的外形非常相 似,它们均有两个电极(管脚) ,且,一长一短,较长电极定义为正极,较短电极为负极。 但是,仔细从顶端看去,能够看出它们的差异,光电二极管的光敏面积(显深颜色部分)较 大,光电三极管较小,发光二极管没有。 ② 光电二极管实验装置 光电二极管实验装置即为半导体光电器件实验装置,只是将光电二极管插入它的插孔。 它的引出线通过φ 2.1 标准插座引出,其结构和接线如图 2.2-3 与图 2.2-4 所示。 ③ 搭建测量电路 测量电路如图 2.5-1 所示,搭建时应该首先将光电二极管实验装置与 LED 发光光源装置 相对安放在平台上,然后将光电二极管实验装置引线的红色插头插到负载电阻 RL(例如选 510kΩ )的插孔中,再将负载电阻的另一个插孔与数字电流表的正极(红色插孔)用连线相 连接,再将数字电流表的负极(黑色插孔)与平台左下角可调电源的负极(黑色插孔)相连, 再将光电二极管的负极(黑色插头)插入到可调电源的红色插孔中,最后将数字电压表并接 到光电二极管的两端,完成如图 2.5-1 所示测量电路的搭建。 LED 光源的供电电路的搭建与 2.2 节光敏电阻亮电阻测量实验一样的步骤搭建。 (2)光照灵敏度的测量 定义光电二极管的电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化(例如通量变化 dΦ )引 起电流变化 dI 与辐射量变化 dΦ 之比。通过对式(2.5-2)进行 微分可以得到

Si ?

dI ?q? ? (1 ? e ??d ) dΦ hc

(2.5-4)

显然,当某波长λ 的辐射作用于光电二极管时,其电流灵 敏度为与材料有关的常数,表征光电二极管的光电转换特性的 线性关系。 1)暗电流的测量 首先测量光电二极管的暗电流,测量电路如图 2.5-1 所示,当光电二极管处于暗室状态 时,用图 2.5-1 数字电流表所测量光电二极管的暗电流。 ① 将 LED 光源的一个引线插头拔出,使光电二极管处于暗室之中。 ② 接通平台电源,即可以直接从串联数字电流表读取光电二极管的电流读数时可以适 当选择量程。 ③ 调整可调稳压电源的电压,观测数字电流表与数字电压表数值的变化,并将电流与 电压表的示值记录下来,在直角坐标系中画出电流与电压的关系曲线即为被测光电二极管的 暗电流特性曲线。
51 图 2.5-1 光电二极管偏置电路

2)光照特性的测量 ① 标定光源 测量完暗电流以后,将拔出的插头再插入电路。然 后将平台提供的照度计与 LED 光源相对安装,通过改变 LED 供电电路的串联电阻(可串接电位器改变电阻)分 别测出 LED 的电流 Ip 值及与之对应的光源出口处的照度 值。便可以获得 LED 光源的光电流 Ip 与入射到被测光电 二极管光敏面处的光照度 Ev 间的光照特性曲线。 2.5-1 空格内,完成标定工作。
表 2.5-1 发光二极管的电流与发出的光照度 光照度 Ev(lx) 电流 ILED(mA) 10 20 30 40 50 60 70 图 2.5-2 光电二极管光照特性

标定过程中,把照度为表 2.5-1 的一些照度如 10、20、30lx 所对应的电流 ILED 记录到表

②光电二极管光照特性测量实验 标定完成后,将光电二极管实验装置与 LED 光源相对安装,然后根据表 2.5-1 的示值测 量出不同光照下光电二极管的输出电流,填入表 2.5-2。
表 2.5-2 光电二极管光照特性测量值 光照度 Ev(lx) 电流 ILED(mA) 电流 I(mA) p 10 20 30 40 50 60 70

由光照特性曲线很容易计算出光电二极管的光电灵敏度 Sv

Sv ?

?I p ?Ev

(2.5-5)

(2)光电二极管伏安特性的测量 光电二极管伏安特性的测量方法也分为两种。手工描点测量方法与利用实验仪器进行自 动测量的方法。 ① 描点测量方法 手工描点测量方法是利用图 2.5-1 所示的电路测量出光电二极管的伏安特性,并描绘出 特性曲线。在测量时,首先设定入射光的照度值,而后改变电源电压 Ubb,用数字电压表测 量光电二极管两端的电压 UD,用数字电流表测量光电流 Ip,将测量值填入表 2.5-3 中。
表 2.5-3 光电二极管伏安特性测量值 10(lx) 20(lx) 30(lx) 40 电压 UD(V) 电流 I(mA) p 电压 UD(V) 电流 I(mA) p 电压 UD (V) 电流 I(mA) p 电压 UD (V) 0 0.1 0.2 0.5 1 5 8 12 0 0.1 0.2 0.5 1 5 8 12 0 0.1 0.2 0.5 1 5 8 12 0 0.1 0.2 0.5 1 5 8 12

由图 2.5-1 可见,由于光电二极管两端所加的偏置电压均为负值。光电二极管在反向电
52

压作用下的伏安特性曲线可将表 2.5-2 中的数值在如图 2.5-3 所示的直角坐标系找到对应点, 再将这些点连成线便画出一族特性曲线。即为光电二极管的伏安特性曲线。 ②自动测量的方法 自动测量的方法是将发光二极管与被测光电二极管组装 成如图 2.5-4 所示的电路。将实验平台上提供的阶梯信号接 到发光二极管供电电路电路的输入端,使其发出阶梯光脉 冲; 而实验平台提供锯齿扫描波为被测光电二极管的偏置电 源,使光电二极管上加载的电源由低向高逐渐增强。由于平 台提供的“阶梯波”与“锯齿波”均具有严格的“同步” 关系,用实验平台的“示波器”探头将光电二极管输出 信号接入计算机系统。便完成自动测量光电二极管伏安
图 2.5-4 光电二极管特性实验电路

特性的准备工作。完成光电二极管电压由低到高变化(或扫描)一次,LED 提供一个阶梯的 亮度。 也可以说在 LED 提供一个阶梯亮度的情况下, 光电二极管的电源电压做一次由低到高 的扫描。以扫描电压为横轴,以反映流过光电二极管电流(Ip)强度的输出电压 Uo 为纵轴做 扫描图像便为光电二极管的伏安特性曲线。 实验时,用平台提供的基本电子元器件构成如图 2.5-4 所示的 LED 供电电路,开机检查 LED 是否发出了阶梯光脉冲?然后再关机,搭建光电二极管的接收电路。并将 LED 与光电 二极管安放在一起,尽量靠近,避免杂光干扰,将平台上的 2 只示波笔分别接到锯齿扫 描电压与光电二极管的输出端,并以锯齿波为 x 轴,以输出信号为 y 轴。 调出光电综合实验平台的执行软件界面如图 2.4-5 所示,在界面上先选中“伏安特性实

图 2.5-5 光电器件伏安特性实验软件界面

验” 选定扫描频率在 500KHz 以下, 100KHz, 如 然后点击界面上的 “示波器” 弹出如图 2.2-14 , 所示的示波显示界面,选择通道 1 为红色,通道 2 为蓝色,将示波笔(探头)接入相应的通

53

道,再点击“开始”菜单,屏幕上将显示出示波笔输入信号的波形。参考 2.2 节的内容。 观察示波器的波形,调整相应的电阻,使显示的特性曲线确实符合测量需要后,再点击 “停止”将在显示屏上出现用示波笔所采集的信号波形(如阶梯波与锯齿波) 。点击“返回” , 便回到如图 2.5-5 所示的软件主界面,再设置“伏安特性测量”的采样频率和阶梯波的级数。 设置方法是在主界面上直接用鼠标 点击选择。 与光敏电阻伏安特性测量方法 类似,搭建好实验电路后,先用示 波器探头 1 观测图 2.5-4 中左侧阶梯 波信号,再用示波器探头 2 观测右 部光电二极管输出信号,得到如图 2.5-6 所示阶梯波与输出信号波形, 如果输出信号波形的每个台阶的高 度均有一定的差异,高度尺寸不太 小或太大,说明光电二极管的变换电路调得比较合适,则可以点击停止按键,将其抓屏保存, 再点击“返回”按钮,回到主界面。然后在主界面上再点击“数据采集” ,便会在界面上显 示出如图 2.5-7 所示光电二极管的伏安特性曲线。它为典型光电二极管器件的伏安特性曲线 图。 从光电二极管伏安特性曲线可以找到光电二极管的饱和区、线性区,它的电流放大倍率 等参数。这些参数都是实际应用中很有价值的参数。

图 2.5-7 光电二极管伏安特性曲线

(3)光电二极管时间响应的测量 光电二极管时间响应的测量电路如图 2.5-8 所示。 图中左 半部分为 LED 脉冲光源的供电电路,由平台发出频率可由软 件选择的方波脉冲信号加于 LED 驱动三极管的基极使三极管 的集电极电流发出脉冲电流,使 LED 发出脉冲光。电路的右 侧为光电二极管的变换电路,它由 RO 为光电二极管 GD 提供 反向偏置,并使光电二极管能够接收到方波脉冲光辐射。
54 图 2.5-8 时间响应测量电路

用实验仪示波探头 CH1 接到发光脉冲信号输入端, 而用仪器的另一示波探头 CH2 接到光 电二极管输出端 Uo,打开计算机并执行光电二极管时间响应测量程序,观测 CH1 与 CH2 的 波形,根据 CH2 相对 CH1 的波形,测量出光电二极管的上升时间 tr 与下降时间 toff,比较 tr 与 toff 值,计算出光电二极管的时间响应τ ;最后,画出光电二极管的时间响应特性曲线。

6. 关机与结束:
1、 所测的数据及实验结果(包括实验曲线)保存好,分析实验结果的合理性,如不合 理,则要重新补作上述实验;若合理,可以进行关机; 2、 先将实验平台的电源关掉,再将所用的配件放回配件箱; 3、 将实验所用仪器收拾好后,请指导教师检查,批准后离开实验室。

55

实验 2.6

光电池的偏置电路与特性参数测量实验

1. 实验目的
硅光电池包含测量用的硅光电池、硒光电池与太阳能电池等,它们常有 3 种偏置方式, 即自偏置(作为电池应用) 、零伏偏置(测光用)与反向偏置(测光用) 。在不同偏置的情况 下硅光电池将表现出不同的特性( 《光电技术第 2 版》3.2.3 节对其进行了详细的叙述) ,适用 于不同的应用,因此,学习掌握硅光电池 3 种偏置电路的及在 3 种偏置下表现出特性,对正 确看待光电池,应用硅光电池进行清洁能源、光电测量与控制是非常重要的。本节通过典型 光电池的各种偏置电路实验,掌握它们的特性。

2. 实验内容
1. 2. 3. 硅光电池在不同偏置状态下的基本特性; 测试硅光电池在不同偏置状态下的典型特性参数; 测量硅光电池在反向偏置下的时间响应;

3. 实验仪器
① GDS-Ⅲ型光电综合实验平台 1 台; ② LED 光源 1 个; ③ 硅光电池 1 只; ④ 通用光电器件实验装置 2 只 ⑤ 通用磁性表座 2 只; ⑥ 光电器件支杆 2 只; ⑦ 连接线 20 条; ⑧ 40MHz 示波器探头 2 条;

4. 实验原理
硅光电池与光电二极管类似,具有光生伏特器件的特性,是典型的 P-N 结型光生伏特器 件。硅光电池与光电二极管的不同之处在于它的光敏面积较大,P、N 结型材料的参杂浓度 较高,内阻较小,便于向负载供电(参见“光电技术”的 3.2.3 节对硅光电池的讲述) 。 1)自偏置电路 硅光电池的自偏置电 路的实验电路如图 2.6-1(a) 所示,用数字电压表测量硅 光电池两端的电压,用微安 表测量流过硅光电池的电 流。显然,加在硅光电池两 端的偏置电压由光生电流 在负载电阻上产生的压降 提供。因此,称其为自偏置电路。
图 2.6-1 硅光电池自偏置电路与伏安特性曲线

在自偏置情况下,硅光电池的电流方程为

56

Ip ?

qU ?q Φe, λ ? I D (e kT ? 1) h?

(2.6-1)

式中,电压 U = IpRL,为自偏置电压。流过光电二极管的电流由两部分组成,一部分与入 射辐射有关,另一部分与偏置电压(或负载电阻 RL)成指数关系。 由此可以得到 Ip 与 RL 间的关系和如图 2.5-1(b)所示关系曲线,它应该位于第 4 象限,为 方便分析与计算将其旋转到第 1 象限。 当 RL=0 时,U=0 时,相当于硅光电池处于短路工作状态;短路状态下,流过硅光电池 的电流为短路电流 Isc,它与入射辐射通量φ
e,λ

的关系为

I p ? I sc ?

?q
hc

Φe, λ

(2.6-2)

短路状态下硅光电池的输出功率为零。为自偏置电路的特殊状态(RL=0) ,工作点位于直 角坐标的纵轴上。 另一个特殊状态为 RL→∞,即开路状态。此时,流过硅光电池的电流为零(Ip=0) ,可 以推导出开路电压为

U oc ?

kT ( I D ? I sc ) ln q ID

(2.6-3)

显然,它应该位于横轴上,是对数函数,与光电流及暗电流成对数关系。同样,开路状态 下的输出功率也为零。 但是,0<RL<∞时,输出功率 PL>0。RL 取何值使硅光电池的输出功率最大是利用硅 光电池做电源向负载供电的关键技术。通过实验找到获得最大输出功率的最佳负载电阻 Ropt 是硅光电池自偏置电路的关键问题。 2)反向偏置电路 硅光电池的反向偏置电路与光电二极管的反向偏置电路类似,PN 结所加的外电场方向 与内建电场方向相同,使 PN 结区加宽,更有利于漂移运动的光生电子与空穴的运动。只要 外加电场足够大,光电流 Ip 只与光度量有关而与外加电压的幅度无关(如图 2.5-1 所示) 。 显然,反向偏置下的硅光电池不会对负载输出功率,只能消耗供电电源的功率。 3)零伏偏置电路 硅光电池在零伏偏置状态下具有良好的光电响应 特性,它的暗电流为零。这是硅光电池零伏偏置的最大 特点。真正绝对零伏偏置的电路是不存在的,但是,可 以制作出近似的零伏偏置电路。如图 2.6-2 所示的电路 为典型的硅光电池零伏偏置电路。图中,用高增益的高 阻抗运算放大器构成闭环放大电路具有对硅光电池的 等效输入电阻 Ri 接近于零,使电路近似为硅光电池的 零伏偏置电路。
图 2.6-2 硅光电池零伏偏置电路

5. 实验步骤
(1)自偏置电路的输出特性与最佳负载电阻 ① 组装自偏置电路的输出特性 首先将硅光电池装置和 LED 光源装置牢靠地安装到光学台上,使 LED 光源发出的光能 够射入硅光电池上,构成如图 2.6-3 所示的结构。再按照图 2.6-1 所示的电路连接成自偏置电
57

路。 搭建电路的具体操作步骤如下: ① 将 LED 光源的红色插头插入+12 电源插 孔,将其黑色插头插入电流表的红色插座(+) ,将 电流表的黑色插孔(-)与 50Ω 电阻相连接,再将 50Ω 电阻的另一插孔与 1kΩ 电位器的一个插孔相 连,将电位器的插孔接 GND; ② 将 LED 光源与照度计探头相对放置, 测量 光源的照度; 标定完成后,记录下所需要照度下的电流 ILED 值; ④ 将光电池引出线的红色插头插入电流表的“+”插孔,电流表的“-”与“负载电 阻”的插孔相连接,再将光电池黑色插头插入“负载电阻”的另一端插孔中,最后将数字电 压表跨接到光电池的两端。完成光电池自偏置电路的搭建。 ⑤ 实验过程中,先调整 LED 灯到表 2.6-1 所需要的电流值 ILED,再读光电池输出的电 流 IP 值和电压 UP 值,计算输出功率 P;然后,改变负载电阻 RL,再读电流 IP 值和电压 UP 值,计算输出功率 P;记录不同负载电阻值情况下的 Ip 与 P 填入表 2.6-1; ⑥ 再改变硅光电池光敏面上的照度 Ev(调整电位器改变 ILED 值) ,再测一组流过硅光 电池的电流 Ip 和对应的输出功率 P,填入表 2.6-1。
表 2.6-1 硅光电池自偏置电路的测量数据 图 2.6-3 硅光电池实验装置

③ 将 LED 光源进行电流 ILED 与发光照度进行标定,确定所用照度下的电流 ILED 值;





次数 RL(kΩ ) Ip(μ A)

1 0

2 0.1

3 0.2

4 0.5

5 1.5

6 2.7

7 3.6

8 5.1

Ev=50lx

输出功率 P(W) 10(lx) RL(kΩ ) Ip(mA) 输出功率 P(W) 20(lx) RL(kΩ ) Ip(mA) 输出功率 P(W) 100(lx) RL(Ω ) Ip(mA) 输出功率 P(W)

填完表之后,可以将表 2.6-1 中的值在图 2.6-4 所示的直角坐标系上找到相应的点,并将 各点连接起来形成如图 2.6-1(b)所 示的特性曲线。 显然,上述为常规的测量方法。 现在, 我们已经具有了能够自动测量 硅光电池的基本条件, 如何实现呢? 作为一个问题写在这里, 光电二极管 伏安特性的自动测量方法可以供读 者作为参考,请自行设计硅光电池自
图 2.6-4 硅光电池伏安特性曲线坐标架

58

偏置状态下测量伏安特性曲线的方法和测量步骤。 ② 测量最佳负载电阻 从表 2.6-1 中可以看出, 硅光电池在某照度下输出的功率 P 随负载电阻 RL 的变化而变化; 而且,总存在这样的负载电阻 RL,它所对应的输出功率最大,该负载电阻被称为最佳负载电 阻,记作 Ropt。对应不同照度下的最佳负载电阻 Ropt 的阻值不同,通过实验可以找到最佳负 载电阻 Ropt 与入射辐射的关系。 将负载电阻 RL 用电位器代替, 改变电位器的阻值, 观察光电池输出电流的变化和输出功 率 P 的变化,直到找出最大输出功率时为止,用“万用表” (或将电位器与数字电流表串联 接入+12V 电源,即可测量出此时电位器的阻值)测量出电位器此刻的阻值即为该照度下的 最佳负载电阻。计算出的功率为该照度下的最大输出功率。 (2)硅光电池的零伏偏置电路 ① 零伏偏置电路的组成 在光电综合实验平台中找到任意一个放大器和反馈电阻 Rf,将其连接成如图 2.6-2 所示 的零伏偏置电路。将相应的测量仪表也连接好。自行检查,无误后,打开光电综合实验平台 的电源, LED 照明光源与硅光电池装成一对, 将 可将已知照度的光投射到硅光电池光敏面上。 用实验平台提供的数字电压表测量零伏偏置电路的输出电压 Uo, 用数字电流表测量光源 LED 的发光电流 ILED,通过改变 ILED 改变硅光电池光敏面上的照度,测出输出电压与入射照 度的关系。将所测得的输出电压 Uo 与入射照度(或 ILED)的关系画在如图 2.6-4 所示的直角 坐标系上。 ② 零伏偏置电路参数对光电转换特性的影响 硅光电池零伏偏置电路的主要参数是反馈电阻 Rf ,实验时用不同阻值的反馈电阻 Rf , 测量其光电灵敏度,观测硅光电池的光电灵敏度与电阻 Rf 的关系。 (3)硅光电池的反向偏置电路 从实验平台备件箱中取出装有硅光电池的探头,按如图 2.6-5 所示的电路连接,由于加 在硅光电池两端的电场与硅光电池 PN 结的内建 电场的方向相同,阻挡扩散电荷的运动而有利于 漂移运动,因此称其为反向偏置电路。将 LED 光 源与硅光电池探头按如图 2.6-3 所示的结构稳固 地安装在光学平台上。并用实验平台上的数字电 压表测量输出电压 Uo。 如果反向偏置电路如图 2.6-4(b)所示,输 出电压 Uo 应为电源电压 Ubb 与光生电流 IP 在负载 电阻 RL 两端产生的压降 IpRL 之差,即
(a)反偏 PN 结 (b)光电池反偏电路

图 2.6-5 光电池反向偏置电路

Uo ? Ubb ? I p RL ? Ubb ? RL SI?v,λ
式中 RL 为负载电阻;由式(2.6-4)可见,输出电压与入射辐射φ
e,λ

(2.6-4) 的变化方向相反。
v,

实验时,先打开光电实验平台的电源,然后调整光源的电流 ILED,使入射的光通量φ
λ

或照度 Ev,λ 为适当值, 测出此时的光电流 Ip 与输出电压 Uo 值, 填入表 2.6-2 中; 再改变 LED 最终测得 5 组数据,根据所测数据,可以在直角坐标系上画出不同的光照特性曲线。

光源的电流值,测得另一组数据,再填入表 2.6-2。

59

表 2.6-2 为在一定电源电压下确定光通量的伏安特性曲线 电 电 压 流 U1 U2 U3 U4 U5 U6



I1 I2 I3 I4 I5 将表中的数据用坐标表示,便画出如图 2.5-6 所示的特性曲线,曲线中,负载电阻值直

接影响输出电压的变化量,影响电路的电压灵敏度。 光电综合实验平台提供对硅光电池反向偏置电 路进行实验的相关软硬件, 使学生很方便地完成硅光 电池反偏特性曲线的测试。 测试时电源用锯齿波提供, 入射到光电池上的光 有 LED 光源提供阶梯光输入端,软件菜单上选定好 阶梯的步长,执行特性曲线测量软件,便可直接在计 算机显示屏幕上观测到硅光电池反向偏置下的特性 曲线。 由特性曲线可以方便地测出硅光电池的电流灵敏 度 SI,电压灵敏度 SV 等参数。 (4)测量硅光电池反向偏置状态下的时间响应 测量硅光电池反向偏置状态下的时间响应的测量电路如图 2.6-7 所示,用示波器探头 CH1 测量 LED 发光管的驱动脉冲,用探头 CH2 测量 光电池反向偏置电路的输出信号 Uo,在光电综合实 验平台软件主界面上选择“示波器”菜单,可以显示 出如图 2.2-15 所示的时间响应曲线。 要注意选择适当 的采样频率, 可选择频率为 100kHz, 即光源为 100kHz 的方波脉冲。在 100kHz 的方波光脉冲的作用下,硅 光电池的时间响应 。实验时,因所用硅光电池的面 积不同,时间响应的差距可能很大,应适当调整采样 频率,使观测效果最佳,能够读出它的上升时间 ton 与下降时间 toff。
图 2.6-7 光电池反偏时间响应测量电路 图 2.6-6 光电池反偏特性曲线

6. 关机与结束:
1、 所测的数据及实验结果 (包括实验曲线)保存好, 分析实验结果的合理性, 如不合理, 则要重新补作上述实验;若合理,可以进行关机; 2、将实验平台的电源关掉,再将所用的配件放回配件箱; 3、将实验所用仪器收拾好后,请指导教师检查,批准后离开实验室。

60

实验 2.7

测量光电三极管的特性参数实验

1. 实验目的:
硅光电三极管是一种最基本、最常用的光生伏特器件,掌握它的基本特性和性能参数的 测量方法是应用硅光电三极管实现光电检测与控制的重要手段。通过本节实验,要求学生能 熟悉光电三极管的光电灵敏度、时间响应、光谱响应等特性,掌握相关特性参数的测试方法。

2. 实验仪器:
① GDS-Ⅲ型光电综合实验平台 1 台; ② LED 光源 1 个; ③ 光电三极管 1 只; ④ 通用光电器件实验装置 2 只; ⑤ 通用磁性表座 2 只; ⑥ 光电器件支杆 2 只; ⑦ 连接线 20 条; ⑧ 40MHz 示波器探头 2 条;

3. 实验内容:
? ? ? ? 光电三极管光照灵敏度的测量; 光电三极管伏安特性的测量; 光电三极管时间响应的测量; 光电三极管光谱特性的测量;

4. 实验原理
为了提高光电二极管的电流灵敏度,提高内增益,采用具有电流放大功能的晶体三极管 制造出 NPN 或 PNP 型 Si(或 Ge 等半导体)光电三极管。其原理结构及等效电路如图 2.6-1 所示。

图 2.7-1 光电三极管原理结构图与电路符号

它是由两个 PN 结构成的半导体光电器件,在如图所示的偏置电压作用下,其集电结处 于反向偏置,发射结处于正向偏置。因此,集电结构成的光电二极管因本证吸收所产生电子 -空穴对中的空穴与处于正向偏置的发射结所发射的电子复合形成基极电流 Ib,显然

Ib ? Ip ?

?q?
hc

?e, λ

(2.7-1)

61

处于反向偏置的集电结收集基极电流 Ib 并放大β 倍。即

Ic ? ?

? q?
hc

?e, λ

(2.7-2)

显然,它是光电二极管灵敏度的β 倍。即它与光电二极管相比增益提高β 倍。 光电三极管光电灵敏度的提高带来了光电特性的变化,它的光电灵敏度的线性、伏安特 性与时间响应特性都与光电二极管有所差异。这些在“光电技术”“光电图像传感器应用技 、 术”等教材中都有详细的论述。通过实验可以进一步认识这些问题,以便在实际应用中能够 正确选择适当型号的器件,更为合理地应用光电三极管进行相关设计 。

5. 实验步骤
(1)光电三极管实验常识 先从光电综合实验平台备件箱中取出光电 二极管与光电三极管, 注意观察它们之间的共同 点与差异,注意观察图 2.7-2 所示的光电二极管 与光电三极管在一起的照片, 从照片上怎样分辨 是光电二极管还是光电三极管呢?分辨的方法 是看其内部光敏区的面积, 光电三极管的光敏面 积小于光电二极管的光敏面积。 因此顶端发黑色 的是光电二极管(左侧) ,而另一只是光电三极 管(右侧) 。 (2)光电三极管伏安特性
图 2.7-2 光电二极管与光电三极管外形图

① 常规测量方法 光电三极管在不同照度下的伏安特性就像一般晶体 三极管在不同的基极电流作用下的输出特性一样,光电 三极管可以将光信号变换成电信号。 如图 2.7-1 所示为光电三极管的原理结构图, 2.6-1 图 (a)所示为原理电路图。按图 2.7-1(a)所示电路将光 电三极管实验装置接入如图 2.7-3 所示的测量电路, 接入 方法与步骤与光电二极管实验相同,这里不再赘述。 将实验平台上的数字电压表跨接到光电三极管的两端(发射极接电压表的负极) ,电流 表串联入测量电路中(注意电表的极性应如图 2.7-3 所示) ,再用两棵带插头的引线将负载电 阻也串联入测量电路。电源电压可以选择+12V,也可以选择+5V(实验平台均能提供) 。通 过插线很容易构成测量电路。 测量用的光源可以选用光电实验平台提供的 LED 照明光源, 它 能够通过改变电流实现不改变光源光谱成分情况下改变光电三极管光敏面上的照度。 (可以 事先用平台上的照度计事先标定好所用光源装置的电流与照度间的对应关系,然后再通过测 量电流得知光源的照度)以便获得已知照度的光源进行伏安特性的测量。 在一定照度的光源作用下慢慢调节如图 2.7-3 所示的电源电压 Ubb (可以自行用平台提供 的电子元器件构成可调电源) ,使之 1~9V 变化,或按表 2.7-1~表 2.7-4 给出电源电压值变 化,测量光电三极管的输出电流 IL 和光电三极管两端的电压 U。填入表 2.7-1~表 2.7-4。
图 2.7-3 光电三极管参数测量电路

62

表 2.7—1 U (V) IL (mA) 表 2.7—2 U (V) IL (mA) 表 2.7—3 U (V) IL (mA) 表 2.7—4 U (V) IL (mA) 1.0 1.5 2.0 2.5 1.0 1.5 2.0 2.5 1.0 1.5 2.0 2.5 1.0 1.5 2.0 2.5

在 100Lx 照度下 3.5 在 500Lx 照度下 3.5 在 1000Lx 照度下 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 4.0 4.5 5.0 5.5 4.0 4.5 5.0 5.5

在 1500Lx 照度下 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

根据表 2.7-1~表 2.7-4 的数据画出光电三极管在一定照度下的伏安特性曲线如图 2.7-4 所示。
IL

UL

图 2.7-4 光电三极管伏安特性实验曲线

② 仪器扫描自动测量方法 仪器扫描自动测量法是通过仪器内部提供的扫描电路为光电三极管供给阶梯波光照和 锯齿波偏置电压实现在一个阶梯光照下电源做线性变化,从而获得光电三极管的伏安特性曲 线。 自动测量法的操作过程与实验步骤如实验 2.4“光电二极管伏安特性曲线的测量方法” 相似,这里不再赘述。 (3)光电三极管光照特性的测量 光电三极管的光照特性主要表现在它的暗电流特性与亮电流特性方面,通常采用如下方 法进行测量。 仍采用如图 2.7-3 所示的测量电路, 先设定加在光电三极管上的偏置电压 UD (或 电源电压 Ubb) ,然后改变入射到光电三极管上的光照度,测出对应不同照度下流过负载电阻 RL 的电流 IL,将 IL 填入表 2.7-5;改变偏置电压,在重复上述过程,可以获得与表 2.7-5 类似 的测量值,再根据这些测量值绘出如图 2.7-5 所示的光照特性曲线。 显然,照度为 0 时输出的电流为暗电流。
照度 Lx I(mA) 0 10 表 2.7-5 光电三极管的光照特性 30 20 40 50 60 70 80

63

IL/mA

EV/lx 图 2.7-5 光电三极管光照特性实验曲线

(4)光电三极管的时间响应 光电三极管的时间响应测量电路如图 2.7-6 所示,光电三极管时间响应测量系统的光源 由发光二极管提供。 由于发光二极管的时间响应远远小 于光电三极管,因此,对于光电三极管来说发光二极管 在方波脉冲电流作用下发出的光可以近似为方波辐射。 光电三极管在方波辐射作用下的响应标志着光电三极 管的时间响应特性。因此,用图 2.7-6 所示的时间响应 测量电路中光电三极管集电极输出信号 Uo 的波形能够 测量出它的时间响应特性。 输出信号 Uo 的波形存在着上升时间 tr 和下降时间 tf, 它们都滞后于输入脉冲的两个边沿。 因此,通过同步测量输入与输出脉冲的波形可以测量光电三极管的时间响应。测量时,将输 入给发光二极管的方波脉冲接到实验平台输入端口 CH1 端上, 既用它作数据采集的同步控制 又要将其波形显示出来, 输出信号 Uo 接到实验平台的另一个输入端 CH3 上, 作为被测信号。 接好后, 合上实验平台 电源和计算机的电源, 执行 “光电综合实验平 台软件” 再弹主菜单, , 在主菜单上选择适当 的工作频率,如选择 500KHz,执行“示波 器”功能键,在示波器 界面上点击“开始” , 则界面出现如图 2.7-7 所示两示波器探头所 测得的信号波形。 其中 下部方波为光源的驱 动波形,上部为光电器件的输出波形。显然输出波形因器件的惯性而产生延迟,用鼠标右键 可以测出波形任意点处的幅值与位置值 (纵、 横坐标值) 如图 2.7-7 中选择上升到幅值的 10% ; 的时间起点,如图 2.7-8 中选择上升到幅值的 90%的时间终点,由图 2.7-7 及图 2.7-8 可以方 便地测量出电路的上升时间与下降时间。
图 2.7-7 光电三极管变换电路的时间相应的测量 图 2.7-6 时间响应测量电路

64

从图 2.7-7 与 2.7-8 中可以看出,输出电压波形延迟于输入脉冲的波形,表明光电三极管 的反向偏置电路存在着时间延迟现象,利用软件提供的测量工具,可以找到它的上升时间 tr 和下降时间 tf 值。 实 验 过 程中应该具 体计算出光 电三极管的 两种变换电 路在不同工 作频率下的 上升时间与 下降时间,通 过实验,掌握 时间响应的 测量方法。 实验结束
图 2.7-8 光电三极管变换电路上升到位波形图

后,将光电三极管的时间响应特性曲线用计算机抓图的方法存入计算机,并填入实验报告。

6. 讨论:
1、你能否利用光电综合实验平台提供的软、硬件资源设计用“数据采集”方法画出光 电三极管在不颜色 LED 作用下的伏安特性曲线? 2、光电三极管、光电二极管的伏安特性曲线有何相同与不同之处?为什么? 3、光电三极管时间响应特性下降的原因是什么?加大负载电阻的阻值会使时间响应变 好还是变坏? 4、你在光电三极管时间响应特性测试实验中用过测量时间的“测试线”吗?感觉如何? 你能在此基础上设计出能够同时显示两条测试线的软件吗?

7. 关机与结束:
1、所测的数据及实验结果(包括实验曲线)保存好,分析实验结果的合理性,如不合 理,则要重新作上述实验;若合理,可以关机; 2、先将计算机关掉后再关掉实验平台的电源,再将所用的配件放回配件箱; 3、将实验所用仪器收拾好后,请指导教师检查,批准后离开实验室。

65

实验 2.8

光电倍增管特性参数测试实验

1.实验目的
光电倍增管是最灵敏的光电传感器件,其暗电流、信噪比、灵敏度和时间响应等特性都 具有独特的特点,是非常优秀的一类光电器件。掌握光电倍增管的主要特性与参数对微弱辐 射的探测具有非常重要的意义。

2.实验器材
① PMTS-II 或-Ⅲ型光电倍增管实验仪 1 台; ② 耐高压连接线 8 只; ③ 光点检流计(2.10-14A)1 台。

3.基础知识
1)光电倍增管工作原理 光电倍增管属于真空光电传感器件,它主要由光入射窗、光电阴极、电子聚焦系统、倍 增电极和阳极 5 部分构成,光电倍增管有多种结构类型,典型光电倍增管如 图 2.8-1 所示,为侧窗圆形鼠笼式光电倍增管。其工作原理见《光电技术》教 材第 4 章,分下面 5 部分: ① 光子透过入射窗口玻璃入射到玻璃内层光电阴极上,窗口玻璃的透 过率满足光电倍增管的光谱响应特性; ② 进入到光电阴极上的光子使光电阴极材料产生外光电效应, 激发出电 子,并飞离表面到真空中,称其为光电子; ③ 光电子通过电场加速,并在电子聚焦系统的作用下射入到第一倍增 极 D1 上,D1 发射出的光电子数目是入射光电子数目的δ 倍,这些二次光电 子又在电场作用下射入到下一增极; ④ 入射光电子经 N 级倍增后,电子数就被放大δ 级,即 N=8; ⑤ 经过电子倍增后的二次电子由阳极收集起来,形成阳极电流,在负载上产生压降, 输出电压信号 Uo。 2)光电倍增管的基本特性参数 光电倍增管的特性参数如下。 ① 光电灵敏度
N

图 2.8-1 侧 窗 鼠笼倍增管

倍,图 2.8-1 所示的倍增管共有 8

光电灵敏度是光电倍增管探测光信号能力的一个重要标志, 通常分为阴极灵敏度 Sk 与阳 极灵敏度 Sa。它们又可分为光谱灵敏度与积分灵敏度。关于灵敏度的定义问题请参考《光电 技术》教材的第 4 章。光电倍增管的阳极光谱灵敏度常用 Sa,λ 表示,阳极积分灵敏度常用 Sa 表示,其量纲为 A/lm。 ② 阴极光谱灵敏度 Sk,λ Sk,λ 表定义为阴极电流与入射光谱光通量之比,即

Sk ,λ ?

IK (μ A/lm) Φλ

(2.8-1)

66



阴极积分灵敏度 Sk

阴极积分灵敏度常用 Sk 表示,它为阴极电流与入射光通量(积分)之比,即

S k ,λ ?
④ 阴极灵敏度的测量

IK Φ

(μ A/lm)

(2.8-2)

光电倍增管阴极灵敏度的测量原理如图 2.8-2 所示。入射到阴极 K 的光照度为 Ev,光电 阴极的面积为 A,则光电倍增管所接收到的光通量φ v 为

?v ? Ev A

(2.8-3)

将式(2.8-3)代入式(2.8-2)便可通过测量入射到 PMT 光敏面上的照度得到入射光通量, 如果入射光为单色,则所测量出来的阴极灵敏度为光谱灵敏度;而入射光为白色,则所测量 出来的阴极灵敏度为积分灵敏度。 入射到光电阴极的光通量由 LED 发光 二极管提供,用 LED 发光二极管很容易提 供各种颜色的“单色光” ,可以近似地将其 看作光谱辐射量,在实验前先将 LED 光源 用照度计进行标定;测量时,用数字电流表
图 2.8-2 光电倍增管供电电路接线图

测出流过 LED 的电流 ILED(ILED 已被标定) ,它与照度相对应,当测出 LED 光源出光口的面 积时,便很容易计算出它发出的光通量。实验中常用的光通量为 2.10-5~2.10-2lm 范围。 ⑤ 阳极光照灵敏度 Sa Sa 定义为光电倍增管在一定的工作电压下阳级输出电流 Ia 与入射到光电阴极上光通量φ 之比,即

Sa ?
⑥ 电流放大倍数(增益)G

Ia (A/lm) Φ

(2.8-4)

G 定义为在一定的入射光通量和阳极电压下,阳极电流 Ia 与阴极电流 Ik 之比,即

G?

Ia Ik Sa Sk

(2.8-5)

由于阳级灵敏度为 PMT 增益与阴极电流之积,因此,增益又可表示为

G?

(2.8-6)

G 描述了光电倍增管系统的倍增能力,它是工作电压的函数。 ⑦ 暗电流 Id

当光电倍增管处于隔绝辐射的暗室中时,其阳极输出电流称为暗电流。暗电流与光电倍 增管的供电电压 Ubb 有关,因此必须首先确定 Ubb,才能测定它的暗电流 Id。引起暗电流的主 要因素有:欧姆漏电、热电子发射、场致发射、玻璃荧光与玻壳放电等。 3)光电倍增管的供电电路 光电倍增管的供电电路常采用如图 2.8-3 所示的电阻链分压结构。它由 N+1 个电阻串联 而成,其中 N 为光电倍增管的倍增极数。设流过串联电阻的电流为 IR,则每个电阻上的压降 为电流 IR 与电阻 Ri 的乘积,因此,加在光电倍增管倍增极上的电压为 Udi=IRRi+1。
67

为确保流过电阻链中每个电阻的 电流 IR 都近似相等,应满足关系 IR≥10Iam (2.8-7) 光电倍增管的输出电流 Ia,在负载 电阻 Ra 上产生的压降为输出电压信号 Uo,即 Uo=IaRa (2.8-8)
图 2.7-3 光电倍增管常规供电电路接线图

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、而电源负端接地)。采用正高压接法的特点是可使屏蔽光、磁、 电的屏蔽罩直接与光电倍增管的玻璃壳相连,使之成为一体,因而屏蔽效果好,暗电流小, 噪声低。但是,这时的阳极处于正高压,使后面的处理电路难于连接。交流输出信号时虽然 可以采用高压隔离电容进行隔离,但是会导致寄生电容增大;如果是直流输出,则不仅要求 传输电缆能承受高压, 而且后级的直流放大器也处于高电位状态工作, 会产生一系列的不便, 危险性也增大。 负高压接法的优点是 阳极电位低,便于与后面的 放大器连接,如图 2.8-4 所 示,直接与直流放大器相 连,又可以通过电容只输出 交流信号。使用操作安全又 方便。 负高压接法的缺点是玻壳的电位与阴极电位接近,为负高压,玻璃壳与屏蔽罩之间的电 场很高,为降低它们之间的电场,防止玻壳放电的发生,必须使它们分离 1~2cm。
图 2.8-4 光电倍增管供电电路与偏置电路

4.实验内容与步骤
1)实验内容 ① 光电倍增管阳极暗电流 Id 的测量; ② 光电倍增管阳极光照灵敏度 Sa 的测量; ③ 光电倍增管的灵敏度 Sa 与电源电压 Ubb 的关系; ④ 光电倍增管的电流增益 G 的测量。 2)实验步骤 (1) 熟悉光电倍增管实验仪 PMTS-II 光电倍增管实验仪的共同点是:① 仪器内部暗室里安装有 GDB221 型圆形鼠 笼式 8 倍增级的光电倍增管;② 实验光源为可切换发光颜色的 LED 灯,灯的亮度能够通过 电位器进行无级调整;③ 仪器面板上装有独立电源的数字电表可供实验应用,左起第一块 电压表的量程是 20V、200V、2000V,分 3 档进行切换;左起第二块电压表的量程是 2V、 20V、200V,分 3 档进行切换;④ 两块电流表也是 3 档可切换量程的,均为 0.2mA、2 mA、 20 mA, 基本满足实验过程所用。 仪器面板上还安装有高压电源的调压旋钮 ⑤ (左面第一个) , 能够调整光电倍增管实验所用的负高压电源的电压,旋钮上的标记标明电压的高低,逆时针 旋转电压最低,顺时针旋转电压增高。⑥ 面板上还安装了照明光源亮度的调整旋钮,同样,
68

顺时针旋转亮度增强。 PMTS-II 型光电倍增管实验 仪的外形图如图 2.8-5 所示, 它的 发光颜色切换开关安装在仪器面 板右侧,标有“光源切换”字样, 按动按键,旁边的“光源指示” 灯的颜色将发生变化,标志着光 电倍增管实验仪内部工作照明灯 的颜色在改变,内、外的颜色同 步。光电倍增管实验仪的下面安 装有 2 个开关,右侧是仪器的电 源总开关, 左面是实验光源的 “光 源开关” 为测量光电倍增管暗电 , 流时关灯用。面板上还安装有 8 个 插孔并分别在其上方标有字符, 注明其功能。 其中的 “LED+” 为内部照明灯供电电路的正极, 可用连线接入量程为 20mA 电流表的 “+” “LED-” 端, 是负极, 应该用连线接入量程为 20mA 电流表的“-”端,用电流表示值测量各色光源的发光亮度。 “-E”为负高压电源输出端,它与“GND”插孔之间的电压为负高压(可由“高压调 整”旋钮调整)“K”为光电倍增管的阴极引出插孔; ; “D1”为光电倍增管第 1 倍增极的引 出端, “DN”为光电倍增管最末一极倍增极(即为第 8 极)的引出端; “A”为光电倍增管的 阳极引出端。 上述插孔是光电倍增管特性参数测量过程中实现图 2.8-2 至 2.8-4 电路图的关键。 (2) 暗电流测量实验步骤 ① 先将光电倍增管实验仪取出,明确它的型号,查阅使用说明书,仔细观察仪器的外 接端口的定义。尤其注意其上的开关、调节旋钮、插座和配件的名称与意义;PMTS-Ⅱ光电 倍增管实验仪外形如图 2.8-5 所示,其主要电极有阴极 K,第一倍增极 D1,末极倍增极 DN (第 8 级) ,阳极 A,负高压电源-E 和电源地 GND 等外接端口; PMTS-Ⅱ型实验仪的最右侧机体上为入射窗,不用时应该将其封闭,使用时可将封闭盖 拧下用螺纹口将被测光导入。 ② 在连接电源,或打开电源开关前要检查光源开关是否处于关闭状态,高压调整旋钮 是否旋到最小值,然后再连接电源线; ③ 在实验面板上找到阴极 K、阳极 A、第一倍增极 D1 与地 GND 等接线插孔和高压光 源开关、高压电压调整旋钮、光源调整旋钮等重要部件; ④ 用专用连接线将阴极 K 与第一倍增极 D1 相连,在阳极 A 与地之间串入微安电流表 (光电平台上安装的数字电流表在按下 1 档位后其读数即为微安) ,用来读取阳极电流; ⑤ 再将高压电源的电压调整旋钮逆时针旋至最低位置,然后用连接线将“-E”插孔和 高压表(左面第 1 块表在 3 档有效时为高压表)的黑色插孔相连接,再用连线将“GND”与 高压表的红色插孔相连接; ⑥ 打开光电倍增管实验仪的电源开关,观察到数字电流表的示值应为零值(阳极电流 Ia 为 0) ,然后再调整“高压调整”旋钮,使高压表的电压逐渐增高,待增高到微安表有有效 读数时停止,读出此时的电压值与阳极电流值; ⑦ 然后,再缓慢调节高压电源,观测高压电表的示值,当它们分别为 100V、200V、
69 图 2.8-5 光电倍增管实验仪外形图

300V、400V、500V、600V 和 700V 时记录阳极电流,它即为光电倍增管在不同工作电压下 的暗电流 ID 值; ⑧ 将所测得的数据填入表 2.8-1;
表 2.8-1 光电倍增管暗电流测量值 倍增管电压 Ubb (V) 暗电流 Id(μ A) 100 200 300 400 500 600 700

⑨ 在直角坐标系中画出 Id~V 关系曲线; 分析光电倍增管阳极暗电流与供电电源电压之 间的关系; ⑩ 将高压调整旋钮调到最小后再关闭实验仪的总电源。 (3) 测量 PMT 的阳极电流灵敏度 Sa 的实验步骤 ① 先用连线将“LED+”与毫安表(按下Ⅱ档切换开关的数字电流表)的红色插孔连 接好,完成内部照明光源的测量; ② 再检查光电倍增管实验仪的接线端是否已经按测暗电流的接法接好;再检查高压电 源调整旋钮和光源调整旋钮是否已经都逆时针旋到底;打开高压电源,调整高压电源调压旋 钮使阴极电压为-200V。 ③ 然后轻轻顺时针旋光源亮度调整旋扭,使它接近“事先标定好的值” ,并使测出的 阳极电流 Ia 值便于观测,根据事先标定的电流 ILED 找出光敏面上的照度值,记录测出的倍增 管阳极电流 Ia,填入表 2.8-2,由式(2.8-4)可以计算出当前电源电压(-200V)下的阳极灵 敏度(这里要注意入射到光电阴极的光通量为照度与阴极面积之积) 。
表 2.8-2 光电倍增管阳极灵敏度的测量 1 2 3 4 5 电源电压 Ubb (V) 测量次数 2 3 4 5 -200 ILED(mA) 1 Ia(mA) 2 3 4 5 -300 ILED(mA) 1 Ia(mA) 1 1.5 2 2.5 -400 ILED(mA) 0.5 Ia(mA) 0.4 0.6 0.8 1.0 -500 ILED(mA) 0.2 Ia(mA) 6 6 6 3 1.2 7 7 7 2.5 1.4 8 8 8 4 1.6

表 2.8-2 中的 LED 光源的照度分别在仪器出厂前进行了标定,标定值如表 2.8-3 所示。 其中照度值为入射到光电倍增管阴极面上的照度。
表 2.8-3 LED 灯在阴极面上的照度 ILEDR(mA) Ek(mlx) ILEDG (mA) Ek(mlx) ILEDB(mA) Ek(mlx) ILEDW (mA) Ek(mlx) 1 11.5 1 38.7 1 32.0 1 30.6 2 23.3 2 73.7 2 66.0 2 58.3 3 31.6 3 105.9 3 100.3 3 81.7 4 41.7 4 135.6 4 132.0 4 92.0 5 52.8 5 167.1 5 166.4 5 127.5 6 63.7 6 196.8 6 199.4 6 152.8 7 73.0 7 222.1 7 227.3 7 175.0 8 84.0 8 250.9 8 260.0 8 196.1

70

根据表 2.8-3 就可以计算出光电倍增管在不同颜色光的照射下,在它的光照灵敏度。试 分别测出光电倍增管在电压为-400V、 -500V、 -600V 时的阳极电流与阳极电流灵敏度 Sa。 ④ 将所测的数据在直角坐标中找到对应点,将这些点连接起来构成光电倍增管阳极灵 敏度与电源电压的关系曲线,从中鲜明地看出它们之间的关系。 ⑤ 实验完成后,先将高压电源调整电位器逆时针选到底,再关闭总电源; (4)测量 PMT 的增益 G 根据增益的定义,可以用如图 2.8-6 所示的 测量电路对光电倍增管的增益 G 进行测量。具体 测量步骤如下: ① 确认电源已经关掉后, 将光电倍增管按图 2.8-6 所示连接好,分别将“-E”与“GND”接到 标有“2k”字样红、黑插座上,并按下Ⅲ档键,将阴极 图 插孔用连线接到右起第 2 块电流表 K 2.8-6 光电倍增管增益测量电路 的 “+”插孔相连接,再将电流表的“-”插孔与“-E”相连接,并将电流表的Ⅰ档按键按下 (量程为 200μ A)用来测量阴极电流 Ik;将阳极“A”与另一电流表的“-”插孔相连,电 流表的“+”插孔与 GND 相连接,电流用Ⅱ档(2m A 量程) ,用来测量阳极电流 Ia; ② 先将光源亮度调整旋扭逆时针旋转到底,用一颗连接线将实验仪上的“LED+”和 “LED ”短路,然后将总电源开关闭合,合上实验平台的光源开关,检测光源的发光情况 (查看三种颜色的按键是否正常) ; ③ 将高压电源电压调节旋钮顺时针旋转,边旋边看数字电压表,待增高到表 2.8-4 希望 电压值时,停止旋转,测量高压电源电压 Ubb 与 Ik、Ia 值;调节光源的照度,使 Ik、Ia 的读数 值适合观测;然后,再改变电源电压值,再重复测量 Ik、Ia 的值,并将测得的值填入表 2.8-4; ④ 将表 2.8-4 中的数据填在直角坐标中,并画出曲线,分析光电倍增管的增益 G 与电 源电压 Ubb 的关系;
表 2.8-4 光电倍增管增益与电源电压的关系 电 源 测 量 值 Ik(μ A) Ia(mA) 电 压 -200 -300 -400 -500 -600 -700


G ⑤ 用光电倍增管测量微弱辐射的强度利用如图 2.8-4 所示的电路测量微弱辐射强度实 验时应该先将被测辐射通过仪器右侧如图 2.8-7 所示 的“接入装置”接入到仪器(可以利用接入装置的 M8×1 螺纹将外接被测辐射接入) ,然后再开机进行 实验。实验时内部光源应该处于关断状态。若使用如 图 2.8-4 所示电路的放大器,要注意放大倍率的调整 与标定, 既要使输出电压的幅度便于观察又要满足动 态范围的要求。
图 2.8-7 实验仪光辐射接入装置

71

实验 2.9

光电耦合器特性参数的测量

1. 实验目的:
光电耦合器包括光电开关是一种非常有用的功能器件,它在工业控制、计算机接口、不 同电平间的信号传输等领域发挥着非常重要作用。掌握它的基本特性、特性参数、特性参数 的测量方法和它的基本应用是非常重要的。通过本节实验,要熟悉掌握光电耦合器关于电流 传输比、光电隔离特性、输入输出时间响应与抗干扰等主要特性,掌握光电耦合器的典型应 用与基本应用。

2. 实验仪器:
① GDS-Ⅲ型光电综合实验平台主机 1 台; ② 兆欧表 1 台; ③ 连接线 6 条;

3. 实验内容:
① 光电耦合器电流传输比的测量; ② 光电耦合器件伏安特性的测量; ③ 光电耦合器时间响应的测量; ④ 光电开关的应用实验; ⑤ 光电耦合器隔离特性的测量;

4. 光电耦合器的基本原理
光电耦合器与光电开关的外形结构如图 2.9-1 所示,它通常由 LED 发光二极管与半导体

光电器件(如光电二极管、光电三极管、达林顿光电三极管等)封装在一起构成。有时 将发光器件与光电器件分开封装的器件(如图 2.9-1 中的 a、b、c 等器件)均称为光电开关, 而发光器件与光电器件同封装在一个器件内的器件常称为光电耦合器件。每种器件又因参数 的不同而衍生出很多种类型或型号不同的光电开关与光电耦合器件,由于外形、特性的不同 而应用于不同的领域,但是,它们同属于一类器件,有着共同的特性。下面分别讲述它们共 有的特性。

图 2.9-1 几种光电耦合器与光电开关外形图

72

(1)电流传输比β 在直流工作状态下, 光电耦合器件的集电极电流 Ic 与发光二极管的注入电流 IF 之比定义 为光电耦合器件的电流传输比,用β 表示。如图 2.9-2 所示为光电耦合器件的输出特性曲线, 在其中部取一工作点 Q, 它所对应的发光电流为 IFQ, 对 应的集电极电流为 ICQ,因此该点的电流传输比为 β Q=ICQ/IFQ╳100% (2.9-1) 如果工作点选在靠近截止区的 Q1 点时, 虽然发光电 流 IF 变化了Δ IF,但相应的Δ IC1,变化量却很小。这样, β 值很明显地要变小。同理,当工作点选在接近饱和区 Q3 点时,β 值也要变小。这说明工作点选择在输出特性 的不同位置时,就具有不同的β 值。因此,在传送小信
~

号时,用直流传输比是不恰当的,而应当用所选工作点 Q 处的小信号电流传输比来计算。这 种以微小变量定义的传输比称为交流电流传输比。它用 β 来表示。即

图 2.9-2 电流传输特性

β =Δ Ic/Δ IF╳100%
~

~

(2.9-2)

对于输出特性线性度做得比较好的光电耦合器件,β 值很接近 β 值。在一般的线性状态 使用中,都尽可能地把工作点设计在线性工作区;对于开关使用状态,由于不关心交流与直 流电流传输比的差别,而且在实际使用中直流传输比又便于测量,因此通常都采用直流电流 传输比β 。 需要指出,光电耦合器件的电流传输比与三极管的电流放大倍数都是输出与输入电流之 比值,从表面上看是一样的,但它们却有本质的差别。在三极管中,集电极电流 IC 总是比基 极电流 Ib 大几十甚至几百倍。因此,把三极管的输出与输入电流之比值称为电流放大倍数。 而光电耦合器件内的输入电流使发光二极管发光,光电耦合器件的输出电流是光电接收器件 (光电二极管或光电三极管)接收到的光产生的光电流,可用α IF 表示,其中α 与发光二极 管的发光效率、 光敏三极管的增益及二者之间距离等参数有关的系数, 通常称为光激发效率。 而激发效率一般比较低, 所以 IF 一般要大于 IC。 所以光电耦合器件在不加复合放大三极管时, 其电流传输比总小于 1,通常用百分数来表示。 (2)光电耦合器件的时间响应 光电耦合器在脉冲电压信号作用下的时间响应特性用输出端的上升时间 tr 和下降时间 tf 描 述。如图 8-3 所示为典型光电耦合器件的脉冲响应特性曲线,从输入端输入矩形脉冲,采

图 2.9-3 典型光电耦合器件时间响应特性

用频率特性较高的脉冲示波器观测输出信号波形,可以看出,输出信号的波形产生延迟现 象。 通常将脉冲前沿的输出电压上升到满幅度的 90%所需要的时间称为上升时间, tr 表示; 用 而脉冲下降沿过程中,输出电压的幅度由满幅度下降到 10%所需要的时间称为下降时间,用
73

tf 表示。 最高工作频率 fm、 脉冲上升时间 tr 和下降时间 tf 都是衡量光电耦合器件动态特性的参数。 当用光电耦合器件传送小的正弦信号或非正弦信号时,用最高工作频率 fM 来衡量较为方便, 而当传送脉冲信号时,则用 tr 和 tf 来衡量较为直观。 tr、tf 与 fm 一样,也与负载电阻的阻值有关,减小负载电阻可以使光电耦合器获得更高的 时间响应特性。 (3)光电耦合器件的伏安特性 光电耦合器件的伏安特性通常指光电耦合器件的输出 特性,是光电器件(光电二极管、三极管等)的输出特性, 它与光电二极管、 三极管的伏安特性相同。 如图 2.8-4 所示 为典型光电耦合器的伏安特性。 (4)光电耦合器件的隔离特性 光电耦合器件的隔离特性常用输入与输出间的隔离电 压和输入与输出间的绝缘电阻来描述。 ① 输入与输出间隔离电压 BVCFO
图 2.9-4 光电耦合器的伏安特 性

光电耦合器的输入(发光器件)与输出(光电接收器件)的隔离特性可用它们之间的隔 离电压 BVCFO 来描素。一般低压使用时隔离特性都能满足要求,在高压使用时,隔离电压成 为重要的参数。绝缘耐压与电流传输比都与发光二极管和光敏三极管之间的距离有关,当二 者距离增大时,绝缘耐压提高了,但电流传输比却降低了;反之,当两者距离减小时,虽增 大了β ,但 BVCFO 却降低了。这是一对矛盾,可以根据实际使用要求来挑选不同种类的光电 耦合器件。如果制造工艺得到改善,可以得到既具有很高的β 值又具有很高耐压的光电耦合 器件。目前,北京光电器件厂生产的光电耦合器件的 BVCFO=500V,采用特殊的组装方式, 可制造出用于高压隔离应用的耐压高达几千伏或上万伏的光电耦合器件。 ② 输入与输出间的绝缘电阻 RFC 光电耦合器隔离特性另一种描述方式是绝缘电阻。光电耦合器的隔离电阻一般在 10 ~1013Ω 之间。它与耐压密切相关,它与β 的关系和耐压与β 的关系一样。 RFC 的大小意味着光电耦合器件的隔离性能的好坏。光电耦合器件的 RFC 一般比变压器 原付边绕组之间的绝缘电阻大几个数量级。因此,它的隔离性能要比变压器好得多。北京光 电器件厂生产的光电耦合器件绝缘电阻 RFC 值一般可以达到 1011Ω ,可耐 1kV 以上的高压。 (5) 光电耦合器件抗干扰强特性 光电耦合器件之所以具有很高的抗干扰能力,主要有下面几个原因。 ① 光电耦合器件的输入阻抗很低,一般为 10Ω ~1kΩ ;面干扰源的内阻都很大,一般为 10 ~106Ω 。按一般分压比的原理来计算,能够馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声就变得 很小了。 ② 由于一般干扰噪声源的内阻都很大,虽然也能供给较大的干扰电压,但可供出的能 量却很小,只能形成很微弱的电流。而光电耦合器件输入端的发光二极管只有在通过一定的 电流时才能发光。因此,即使是电压幅值很高的干扰,由于没有足够的能量,不能使发光二 极管发光,从而被它抑制掉了。
74
3 9

③ 光电耦合器件的输入—输出边是用光耦合的,且这种耦合又是在一个密封管壳内进 行的,因而不会受到外界光的干扰。 ④ 光电耦合器件的输入—输出间的寄生电容很小(一般为 0.5—2pF), 绝缘电阻又非常大 (一般为 1011~1013Ω ),因而输出系统内的各种干扰很难通过光电耦合器件反馈到输入系统。

5. 实验步骤:
(1)电流传输比的测量 首先在光电实验平台上找到光电耦合器件的引出 端插孔,并将它按图 2.9-5 所示的电路连接,并用数字 电流表分别测量流过发光管的电流 ILED 和流过光电器 件的电流 Ip。 电路接好后合上实验平台电源开关, 用外接电阻的 方式改变电阻 RF,记录不同电流 ILED 下的 Ip 值,并将 其填入表 2.9-1。由式(2.9-1)计算出被测光电耦合器 的电流传输比β ,也将其填入表 2.9-1。
表 2.9-1 光电耦合器电流传输比测量值 ILED IP β mA mA 图 2.9-5 电流传输比测量电路

表 2.9-1 填满后, 将表 2.9-1 的数值在 图 2.9-6 中找到相应 的点,将这些点连起 来便是光电耦合器的 电流传输比β 曲线。 由曲线可以看出光电 耦合器的电流传输比 并非为常数,它与发 (2)测量光电耦合器件的伏安特性 测量光电耦合器件的伏安特性时,将图 2.9-5 中的电源用阶梯波电源,即将发光二极管 的阳极接到实验平台左边画有阶梯波形的插座上。光电耦合器的输出部分电源用锯齿波扫描 电压,并以测量电压 Uo 的方式测量输出电流 Ip,改动后的电路如图 2.9-7 所示。 按图 2.9-7 电路接好,将光电耦合器的输出信号 U 接到实验平台的输入端 CH1 上。合上实验平台的 电源,执行光电耦合器伏安特性测量软件,在界面上 选定测量条件后,即可进行测量工作(具体测量步骤 可参考实验四光电二极管伏安特性的测量) 。计算机 显示屏幕上将显示出与图 2.9-4 所示图形类似的曲线, 为被测光电耦合器件的输出伏安特性曲线。将光电耦 合器的伏安特性曲线用抓图的方法存入计算机,并填
图 2.9-7 光电耦合器伏安特性实验电路 图 2.9-6 光电耦合器电流传输比特性曲线

光电流有关,也与光电三极管的工作状态有关。

75

入实验报告。 (3)光电耦合器时间响应的测量 光电耦合器时间响应的测量电路如图 2.8-8 所示,光电耦 合器的发光二极管由如图 2.8-8 所示的脉冲信号源提供,由于 发光管的时间响应远远高于光电二极管、三极管,因此,发光 二极管发出近似的方波辐射光脉冲, 光电三极管在方波辐射作 用下的输出信号由于它具有上升时间 tr 和下降时间 tf, 其输出 信号 Uo 将产生延迟。将输入给发光二极管的方波脉冲接到实 验平台输入端口 CH1 端上,用作同步数据采集的同步控制, 输出信号 Uo 接到实验平台的输入端 CH2 上,作为被测信号。 接好后,合上实验平台电源,执行光电耦合器时间响应的软件,计算机显示器上将显示出输 入脉冲与输出脉冲之间的时间关系,即光电耦合器的时间响应。从曲线可以找到上升时间 tr 和下降时间 tf。将光电耦合器的时间响应特性曲线用抓图的方法存入计算机,并填入到实验 报告。 (4)光电开关的应用实验 将发光二极管和光电三极管组装在一起构成分离型的光电耦合器件常被称为光开关器 件或简称为光电开关。利用光电开关可以制造出各种功能的部件如“限位、定位” 、等。应 用范围非常广泛,利用它还可以测量物体的旋转速度,物体的运行速度,测量物体的位置, 限定工件运动的行程,限定运动机件往复运动的转向点,自动开启门、窗及窗帘等等。 光电耦合器用于“声光调制”“模拟与脉冲信息传输”和“没有共地关系的信号与电平 、 的传递”等,这些应用实验内容丰富,方法简单,可以让学生自行设计。 实验平台为学生提供进行光电开关实验提供了很多机械结构与电子元器件等硬件,让学 生根据上述应用自行设计应用课题,并自行搭建实验系统,对学生的动脑、动手能力的培养 大有益处。 在设计实验课题时, 注意应用平台提供的 CPLD 开发系统与 CPLD 器件, 它的 I/O 端口均为自由端口可以设置为输入端,也可以将其设置为输出端口,非常灵活,非常好用, 为学生自行设计逻辑电路带来极大方便。 (5)光电隔离特性实验 光电隔离特性实验并非所有学校都要做的实验。在有条件的学校可以做这个实验,测量 光电耦合器隔离特性时要注意将发光管的两个电极短路,将光电器件的两个电极也短路,整 个光电耦合器成为二端器件,用兆欧表即可测量出输入与输出之间的绝缘电阻值。
图 2.9-8 时间响应测量电路

6. 关机与结束:
① 将所测的数据及实验结果(包括实验曲线)保存好,分析实验结果的合理性,如不 合理,则要重新作上述实验;若合理,可以关机; ⑥ 先将计算机关掉后,再关掉实验平台的电源; ⑦ 将所用的配件放回配件箱,将实验所用的仪器收拾好后,请指导教师检查,批准后再 离开实验室。

76

实验 2.10

LED 角度特性参数测量实验

1. 实验目的:
LED(发光二极管)是非常有发展前景的半导体发光器件,是将来取代钨丝灯、日光灯、 照明灯、高压汞灯与其他系列灯具的节能替代产品。LED 灯的特性直接关系到它的应用,尤 其是它的发光强度的空间分布特性是人们普遍关心的重要特性,安排这个实验有助于我们深 入掌握它的特性,更合理地应用它为人类照明与视觉效应服务。

2. 实验仪器:
① GDS-Ⅲ型光电综合实验平台 1 台; ② LED 发光特性测试仪 1 台;

3. 实验内容:
1)发光强度空间分布特性与偏差角θ
根据中国光学光电子行业学会 2002 年制定的“发光二极管测试方法” LED 发光强度 , 的空间分布特性是指器件发射出的光强 IV 或 Ie 参数与空间方向角θ 的函数关系 I V= f (θ)。 显然,θ 角度一般取为 LED 器 件的“机械角” ,机械角的定义为器 件几何尺寸的中心线或法线为其零 度角。 由于 LED 封装工艺问题使 LED 器件存在发出光强度最大的方向(称 为主光线)与机械轴并不重合,产生 如图 2.10-1 所示的偏差Δ θ , 称其为 偏差角或偏向角。测量偏向角对于正 确使用 LED 为光源,尤其是使用 LED
图 2.10-1 LED 发光的空间分布特性

群构成面光源或彩色图像显示中具有非常重要意义。

2)半发光强度角θ

1/2

如图 2.10-1 所示,LED 的另一个重要参数是“半发光强度角θ

, 1/2”

半发光强度角θ

1/2

是描述 LED 发光范围的参数。为获得更宽,更均匀的面光源,总希望 LED 半发光强度角θ
1/2

更大些,而有些应用场合希望 LED 能够将光投射到更远的地方,或在更远处获得更强的
1/2

照度,则又要求 LED 的半发光强度角θ 发光强度角θ

尽量小,使光能量不至于太分散而损耗过大。为

满足不同应用的要求,生产出多种不同封装形式的 LED 器件,以便满足不同应用对 LED 半
1/2 的需求,获得理想的效果。

4. 实验步骤:
(1)熟悉 LED 发光角度特性测试仪 如图 2.10-2 所示为 YHLA-Ⅱ型 LED 发光角度特性测试仪的外形图, 它由 LED 安装夹具 (右侧)、 标准立体角光电接收装置 (接收筒) 角度读出度盘、 、 光电探测器输出数字电压表 (左 面第 1 块数字电压表) 、跨接在 LED 两端的数字电压表、串联 LED 中的数字电流表、控制 LED 工作电流大小的调整旋钮、控制 LED 工作电压的调整旋钮、控制 LED 的工作电压极性
77

的转换开关(正、反向切换按键)和电源开关等部件构成。 LED 安装夹具主要用来安装被测 LED 发光管,使 LED 管芯发光部位恰好在读数度盘的 回转中心上。度盘的刻度位于回转度盘前方窗口的下方(读数窗) ,便于操作者随时读取转 角的刻度。LED 安装夹具的上方有一个锁紧顶丝,松开顶丝后 LED 灯可以前后调动和转动, 使 LED 灯前端点能够置于机械回转中心上。 光电接收装置(接收筒)中安 放一只直径 17mm 的硅光电池, 它对 LED 发 光 中 心 所 成 的 立 体 角 为 0.001sr,符合“中国光学光电子行业 学会光电器件专业分会”对 LED 发光角度特性测试方法的基本要求。 转动度盘, 从度盘前端的角度显示窗 口中直接读出 LED 的转角,为各种 角度测试提供准确的数据。 三块数字标的下方分别有三位切
图 2.10-2 LED 发光角度特性测试仪结构图

换开关,对数字电压表或数字电流表的量程进行切换。其中Ⅰ档量程最小,Ⅲ档量程最大。 由于测量硅光电池输出的数字电压表在实验过程中很难出现高于 200mV 的电压,因此可以 只使用Ⅰ档量程,其示值(读数为 mV) 。 (2)LED 的安装与校准 先将 LED 的两只管脚插入夹具上的两个小孔中(注意标有黑点的小孔为负极,应插入 较短的管脚) 插入后将便可开机。 , 开机后 LED 被点亮 (如果不亮, 请检查是否差错了管脚) , 读电流表的示值,注意不要超过管子的最大允许电流(应该控制在 20mA 之内) 。可以通过 电流调节旋钮进行调节,调好后,不再改变。 松开顶丝,转动 LED 及其夹具,使左侧电压表的读数最大,轻轻地拧顶丝,然后将如 图 2.10-3 所示的定位标具插入中心孔,再旋松顶丝,使 LED 轻轻地顶到标准具的孔,然后 旋紧顶丝,撤去标准具。 (1) 测量 LED 的发光强度分布 ① 测量机械轴与光轴的偏差角 如图 2.10-4 所示为测量 LED 发光角度特性的实验原理图,图中的三道光栏与硅光电池 构成一个空间立体角,空间角的轴线是 固定的,记为 PD 轴。LED 发光管的机 械轴由其外形尺寸决定,YHLA-Ⅱ实验 仪的 LED 夹持器具将其机械轴与 PD 轴 共轴 (用 LED 装置前的定位销钉定位) , 定位后,度盘的刻度值为 0°。LED 发 出的光只有进入到标准立体角内的部分 才能被硅光电池 PD 所接收。当安装在 夹具上的 LED 灯发出的光沿 Z 轴最大
图 2.10-4 LED 发光角度特性测量原理图

时表明它的光轴与机械轴重合,转动旋转度盘使度盘刻度为 0,观察并读出输出电压值。然 后再转动度盘,边转动边读输出电压,当数字输出电压的示值达到极值 Um 时,停止,记录
78

此时度盘的角度α m,α

m 既为

LED 的光轴与机械轴的偏差角。

测量时要注意 LED 发光角的轴线是空间分布的, 如何找到 LED 的光轴是很重要的问题, 需要旋转 LED,使你所测量的光轴是真正的光轴。 ② 测量 LED 半发光强度角θ 半发光强度角θ
1/2

1/2 的测量方法与偏差角Δ

θ 的测量方法极为相似,找到光轴后,记录度

盘的角度α m,然后,先顺时针转动手轮,使 LED 绕发光中心顺时针转动,当数字电压表的 示值为极值 Um 的一半时,记录此时度盘的角度值α R;再逆时针转动手轮使 LED 绕发光中 心逆时针转动,再使数字电压表的示值为极值 Um 的一半,记录此时的度盘的角度值α L,则 LED 的半发光强度角θ
1/2 应为

θ 测量 LED 半发光强度角θ 能找到真正的光轴。

(α R-α L) 1/2=

(2.10-1)

1/2 时也要注意

LED 发光角的轴线是空间分布的, 找不准 LED

的光轴就不能测出真实的发光半角,实验过程中应该旋转 LED,使接收器的输出为最大值才

5. 思考题:
1、分析上述实验过程中为什么要旋转被测 LED?如何能找到 LED 的真正光轴? 2、 如果大屏幕用的 LED 光源要求具有宽范围的视角, 应如何选用 LED 的半发光强度角 θ 1/2? 3、如果要用 LED 光源作为尺寸测量系统的远心照明光源,你应如何选用其办发光角?

6. 关机与结束:
1、将所测的数据及实验结果(包括实验曲线)保存好,分析实验结果的合理性,如不 合理,则要重新作上述实验;若合理,可以关机; 2、先退出计算机软件,关掉计算机电源,再将实验平台的电源关掉; 3、最后,将所用的配件放回配件箱;将实验所用仪器收拾好后,请指导教师检查,批 准后离开实验室。

79

实验 2.11

LED 光谱特性的测量与光栅光谱仪

1. 实验目的:
LED 灯的特性直接关系到它的应用, 尤其是它的发光强度分布特性与光谱特性是人们普 遍关心的重要特性,也是难于测量的特性。光源的光谱内含有丰富的信息,为此人们研制出 各种光谱探测器进行物质化学成分的分析。 安排这个实验有助于学生了解 LED 发出的光谱成 分,并深入掌握光谱探测器的特性,更合理地运用它于分析不同光源的光谱。

2. 实验仪器:
1)光电综合实验平台主机; 2)发光光谱测试仪; 3)发出不同颜色光的被测 LED 器件;

3. 实验内容:
LED 发光光谱特性既有别于 LD(半导体激光器)又有别于钨丝灯等热辐射体的发光, 它的单色性远不如 LD,但是光谱范围是有限宽度的,具有较好的单色性,当然通过二次光 致发光获得的“白光”LED 的光谱较为丰富,但是仍然无法与钨丝灯等热辐射体的发光光谱 相比。 描述 LED 发光光谱特性的方法是测量它的光谱辐射带宽与功率分布。 不同颜色与种类 的 LED 发出的光谱辐射带宽与功率分布差异很大。在用 LED 构成大屏幕显示器应用领域为 获得不同颜色的显示效果, 必须对所用的 LED 器件进行光谱特性的测量, 以便正确地配制出 各种颜色的图案。

4. 实验步骤:
(1)熟悉测量仪器 LED 光源光谱分布测量的实验要用到 LED 光谱分布测试仪,它的外形图如图 2.11-1 所 示,其原理结构如图 2.11-2 所示。被测 LED 安装到 LED 光谱分布测量仪右侧的暗室内,它 发出的光经过狭缝入射到反射光栅上,经反射分光后发出多色光带光谱,再经凹面反射镜汇 聚到线阵 CCD 的像敏面上。CCD 采集并输出载有 LED 光谱信息的信号电压,再经数据采集 卡将其转换成数字信号送入计算机,在计算机软件的支持下形成的谱图显现在显示器上,其 中的横坐标为以 nm 为计量单位的波长(λ ) ,纵轴为 16 位二进制数(0~65535) 。

图 2.11-1 LED 光谱分布测试仪

图 2.11-2 LED 光谱仪原理框图

光谱分布测试仪的右端是 LED 发光管的安装机构,由如图 2.11-3 所示它由 LED 灯座、 固定套与外圈等三部分构成, LED 的两个电极插入 2 个插孔 将 (注意标有白色标记的插孔插
80

较长的正极) 先将定位套套住 LED, 后, 然后再将外套拧在 LED 灯座上, 旋紧顶 丝。 再将 LED 灯拧到右边的可调狭缝 上的螺纹口上。 (2)构成测量系统 实验时,先将 LED 光谱分布测试仪
图 2.11-3 LED 灯安装结构图

用 USB 连接线与计算机的 USB 端口(光电综合实验平台的 USB 接入端口)相连接,再将电 源线插到 AC220V 电源板上,如果只测量 LED 的光谱,则先将仪器右侧的 LED 安装装置拧 下,将被测的 LED 插入管座,再将其拧在一起,将直流电源连接线接入仪器右侧的电源插口 中便完成了测量系统的安装。 (3)开机与测量 开机时,先开光谱仪的电源,然后再启动计算机,查看是否安装了测量软件?若没有安 装,请按光谱仪软件安装说明书提示的步骤安装软件,软件安装后,可以直接执行光谱采集 软件, 弹出光谱分布测量程序界面, 界面的上层菜单为基本操作控制主菜单, 它与通用 “word” 文档内容相同,而最下边一行的菜单为操作菜单,其中“打开”与“保存”菜单是对文档进 行打开与保存的操作, “打开”已经保存的文档与“保存”现在正在执行的结果文档; “曲线” 菜单是将 CCD 采集到的光谱信号以波形曲线方式显示在界面上; “数据”菜单是将 CCD 采 集到的数据按一定的数据格式显示在界面上; “连续”菜单是执行菜单,点击“连续”菜单, 在计算机显示屏上将显示出如图 2.11-4 所示的黄色 LED 发出光谱的分布曲线。 “停止”菜单 是执行停止采集的操作, 点击 “停止” 菜单后, CCD 的采集工作将停止, 界面上显示点击 “停 止”菜单后的结果曲线; “单次”菜单也是执行菜单,点击它以后,线阵 CCD 只采集一行信 号,并将这一行信号以波形曲线的方式显示在界面上; “0ms”菜单是控制所采集到的光谱在

图 2.11-4 黄色 LED 的光谱分布

界面上停留的时间,点击这个菜单,可以弹出不同的时间选择,改变光谱曲线在界面上停留 的时间。 “积分 3 档”是控制线阵 CCD 积分时间参数的功能菜单,当前选择的为积分时间是 “第 3 档” 。点击它可以弹出多种积分时间的选择菜单,实现对不同强度光谱的观测; “关于” 菜单是注释菜单,对光谱测量没有关系。
81

测量光谱分布曲线时,在设定好显示时间与积分时间后,可执行“连续”菜单,界面出 现便于观察的光谱特性曲线后,可执行“停止”菜单,使界面上的光谱曲线不再变化,通过 “数据”菜单可以读到每个像元的光谱强度值。另外,也可以将“鼠标”标记放到所选波形 的特征点(所需要测量的点)位置,再点击鼠标右键,弹出测量标线如图 2.11-4 所示的白色 标线,在标线的上方分别显示 x 与 y 坐标值,其中 x 值为横坐标(光谱的波长) 为其强度 ,y (16 进制数值)的数值。利用这一功能可以测量光谱的峰值波长与光谱带宽等参数。 (4)LED 发光光谱半宽度的测量 LED 发光光谱半宽度的定义为光谱分布曲线的幅度衰减到 1/2 所对应的谱线宽度。测量 时,先将整个光谱曲线计算机界面上显示出来,然后,找出光谱分布曲线的幅度(垂直坐标) 衰减到 1/2 所对应的位置上点击鼠标右键,弹出如图 2.11-4 所示的白色测量线和相应的 x,y 坐标,LED 光谱辐射半宽度的带宽Δ λ 既为 Δ λ =x2-x1 (2.11-1) 如图 2.11-4 所示的半波带宽Δ λ 为(597.15-576.51)=20.64nm。由于光谱仪在出厂之前已 经用汞灯的标准谱图进行了严格的标定。如果用户没有标准汞灯谱图,则不能再自行进行标 定。如果用户有条件进行标定,也可以自行进行标定。但是,自己进行标定应当承担由此带 来的误差责任。 (5)文件的存储与打开 通过执行“保存”菜单,能够将计算机界面上显示的光谱分布曲线以文本方式或图像方 式保存到文件夹内,它即为 LED 的光谱辐射分布曲线图。通过执行“打开”菜单,能够将以 前存储在某个文件夹内的光谱分布曲线打开并显示在界面上。 (6)其它 LED 光谱分布的测量 从 2.11-4 所示的黄色 LED 发光光谱分布图中不难找出它的峰值与其发出的半宽度,同 时还能够测出背景光。 再将黄色 LED 取下,换上蓝色 LED,按照上述步骤运行,获得如图 2.11-5 所示的光谱 分布曲线,测量它的中心波长和光谱半宽度值。显然,它为具有一定带宽的单色光源。

图 2.11-5 蓝光 LED 的光谱 还可以用上述仪器与测试方法测量其他颜色的 LED 或其他类型光源的光谱分布。 例如汞

灯、氘灯、氙灯或光纤导入的其他光源光谱。由于仪器的光谱输入接口是采用螺纹连接的方 式,很容易将其拧下,更换和接入其他光源相连接的机构,将其变成应用更为广泛的光谱探 测仪器。

分布

82

5. 关机与结束:
1、将所测的数据及实验结果(包括实验曲线)保存好,分析实验结果的合理性,如不 合理,则要重新作上述实验;若合理,可以关机; 2、先退出计算机软件,关掉计算机电源,再将实验平台的电源关掉; 3、最后,将所用的配件放回配件箱;将实验所用仪器收拾好后,请指导教师检查,批 准后离开实验室。 4、分析上述实验过程中为什么要旋转被测 LED?如何能找到 LED 的真正光轴? 5、LED 发光强度的改变是否影响它的光谱分布?为什么?

83

F1
1、平台主机的结构

光电综合实验平台使用说明

光电综合实验平台主机的基本结构如图 F1-1 所示,它的外部由光学实验台(图中 2) 、 数字仪表台(图中 3)电子元器件连接插孔(图中 4) 、波形信号输出插口(图中 5) 、USB 总线接口(图中 6) 、示波输入端口(图中 9) 、数字照度计输入端口(图中 11)和计算机显 示器(图中 1)等部分构成;内部有数字照度计等仪表的数摸转换和量程转换等电路(图中 7) 、功能板(图中 8)和计算机系统(图中 10)等部件。

光学实验台是导磁不锈钢材料制成的平台,其上按矩阵方式分布着 M6 的螺纹孔便于安 装、固定各种光学夹持器件,固定各种实验机构,进行各种科技开发机构的安装,利用光学 实验台能够组合成多种光学系统,进行多种光学或光电系统的实验; 数字仪表台上安装有两块量程分 3 档可变的数字电压表,两块量程也分 3 档可变的数字 电流表和自动切换量程的数字照度计,附图 F1-1 中的 11 即为数字照度计的探头输入端口。 数字仪表平台所提供的数字测量仪表能够满足所有光电变换实验所需要的电气测量环节。它 的电压测量范围覆盖(10-3~103)V 量级,电流测量范围覆盖(10-6~100)A 量级,照度测量 范围为(0.01~103)lx 量级。 电子元器件选用台附图 F1-1 中的 4 上, 有几十种不同阻值电阻和不同容值的电容, 分别 用接入插孔为学生提供实验,多个阻值不同的电位器及其连接接入插孔,方便各种设计,还 提供各种数量不等的二极管、三极管、集成放大器和各种光电传感器等元器件,它们也都有 对应的接入插孔,便于各种电路的设计。利用这些电子元器件和各类光电器件的接入插孔可 以方便地构造成若干种类的光电变换、模拟放大器等电路。另外,平台上还安装有 CPLD 现 场可编程逻辑器件和它们的对应 I/O 端口,通过硬件描述语言(Quartus II)编程设计,可以 完成各种功能的逻辑电路设计,学习基于 auterl 公司芯片为基础的 CPLD 逻辑电路设计与调 试的工作,真正实现一台仪器能够进行多方位的开发与研究类型的实验。 光电综合实验平台上还设有易损、易换件安装窗口。它里面能够安装多种二极管、三极 管、放大器和 CPLD 器件,这些电子器件均以直插方式安装在电路板上,容易更换和接入电 路。但是,它又被透明有机玻璃封盖住,由 4 个固定螺丝封盖,既不会被污染又不能轻易被 取走。若指导教师想要用其他器件代做试验,便可更换。 光电综合实验平台上安装有 4 个同步示波端子的输入插口(如附图 F1-1 中的 9 所示) , 用来观测由此输入的信号之间的幅度与相位关系。 光电综合实验平台内部安装有完整的计算机系统,其主板、硬盘、内存和 CPU 等关键部
84

件随时升级与发展,计算机软件在不断地更新与升级,它很容易与各种数据采集、控制系统、 数据输入/输出系统、打印与网络传输系统相连接。 平台正面设有 2 个 USB 端口,方便师生将做过的实验结果拷入 U 盘等外设,以便保存 与转移到其他机器上去。 光电综合实验平台的电源开关与电源接入线均为独立的,这样用户可以在不开平台时也 能单独使用计算机系统,或不开计算机电源就能单独开平台进行电路与光电系统的调试。

2、平台主机的主要性能参数
光电综合实验平台主机的性能参数由它主要部分的参数决定: (1)内部计算机系统 光电综合实验平台主机的计算机系统配置分为几种由用户自选: ① 内存:1.0GB;② CPU 速度高于 2.4GHz;③ 硬盘:160G; ④ USB2.0 接口; ⑤ 防水耐用键盘及光电鼠标; (2)数字电压表 其中 2 块 3 位半数字电压表的量程为 2V,20V,200V 等 3 档; (3)数字电流表 共 2 块,均为 3 位半数字电流表,量程为 2mA,20 mA,200 mA 等 3 档; (4)数字照度计 自动切换量程,测量范围为 0.1~1.999×103lx; (5)示波与伏安特性测试功能 具有 4 路同步输入端子,有同步采集与显示 4 路信号波形的能力,称其为“示波功能” , “示波功能”下的扫描频率为 20MHz、10MHz、5MHz、500kHz、100kHz、20 kHz,可以在 软件上通过界面进行选择; 还具有采集与显示各种光电器件“伏安特性”的能力,称其为“伏安特性功能” ,在“伏 安特性功能”下的扫描频率为 20MHz、10MHz、5MHz、500kHz、100kHz,可以在软件上通 过界面进行选择; 以上两大功能下被测输入信号的幅度均应在 5V 以内。

3、光电综合实验平台独具的特色
① 有利于对学生动手能力的培养 光电综合实验平台提供的数字电表、阻、容器件和有源电子器件均需要学生自己用便于 插接的导线连接才能构成各种光电变换电路,各种光学系统或光电系统也需要自己去构建, 选配合适阻、容值的电子器件,构成不同的实验电路,测量出各实验步骤需要测量的参数才 能确保实验内容的完成。上述等等都需要实验者动手与动脑,结果是使学生(实验者)动手 能力大幅度提高。 ② 有利于综合性、全面知识的发挥与应用 光电综合实验平台的结构特点是“光”“机”“电”与“算”的有机结合。光学平台上 、 、 能够利用各种光学元件及其夹持、调整与固定器具搭建出很多适用的光学系统与光电接收系 统;数字仪表平台提供的数字仪表为电路参数的测量提供手段;电子元器件平台上通过平台 提供的连接线能够构成各种光电变换电路,将光电接收系统所获得的信息变成电量;再通过 示波器输入端口接入计算机系统,送入计算机内存的光学信息在计算机软件的支持下将光学
85

信息解析出来,形成结果显示于屏幕上或打印输出结果或用来控制其他执行机构,完成内容 更为丰富的操作与控制系统实验。 因此,光电综合实验平台有利于学生在“光”“机”“电”与“算”等诸多方面知识综 、 、 合性锻炼与提高,充分运用各种书本知识于实际应用的实验中,提高整体素质。 ③ 有利于开发、开放性的实验教学 光电综合实验平台提供的所有硬件设备均属于各种开发、开放性实验教学内容必备的硬 件,十分有利于各种开发、开放性的实验的构建,省去很多器件、调整、安装器材和测量仪 表的准备精力与时间。可以很快地搭建出特色实验,完成各种类型的实验教学内容,如课程 设计与毕业设计。 ④ 有利于培养学生独立思考与提高学生的创新思维 光电综合实验平台上的所有实验均需要学生自己构建,可以由简到烦,由易到难逐渐进 行,把认识性的实验与应用性的实验在同一台仪器上完成,不仅能够完成实验指导书上介绍 的内容,还能完成自己所想到的实验内容,显然对充分发挥学生想象力有利,对提高学生的 学习兴趣和独立思考、创新思维有利。 ⑤ 仪器发展提升能力强 光电综合实验平台具有极强的发展空间和技术提升空间。随着科技的进步与技术水平的 发展, 人们认识客观事物的能力在不断地提高, 反映新技术水平的产品更新换代频率在加大。 但是,目前阶段“光”“机”“电”与“算”有机结合仍要有一个很长的时间。本仪器配套 、 、 性强,真正具有“平台”性质,因此它的发展与提升空间很强。 ⑥ 配套性强 光电综合实验平台的组成中含有计算机系统,众所周知,计算机系统应用广泛,配套性 能很强,可以和很多仪器联合完成各种开发性、创新实验。例如与 USB 接口方式的线、面 阵 CCD 相机,与光电倍增管实验箱,与 CCD 光谱仪及线阵 CCD 应用开发实验仪配套完成 各种功能实验。 ⑦ 能够完成的实验门类多 在它的光学平台上搭建的各种光学系统能够进行各种几何光学的实验;配上适当的光电 传感器和适当的电路便能完成光电系统方面的实验;配上适当的光电检测装置如光栅尺、光 栅付与光学杠杆等部件便能够完成光电检测方面的实验;配上适当的光纤、光纤放大器、光 纤传感器等便可以进行光纤方面的教学实验;配备氦氖激光器、半导体激光器及相应的光学 系统便可以完成激光技术方面的教学实验;由此可见光电综合实验平台不仅能够完成单一方 向的实验教学而且能够进行多学科的综合实验教学。

86

F2 光电综合实验平台软件资料
1、计算机功能软件的安装
利用光电综合实验平台内部计算机或外接计算机进行光电实验前都需要安装功能软件。 可以采用 U 盘或光盘作为软件的载体,通过一定方式将其安装到所用计算机内,安装时必须 将光电综合实验平台的总电源开关打开,使光电综合实验平台处于工作状态。然后将软件载 体插入相关计算机,在开机情况下进入载体目录,运行“Setup.exe” ,出现如图 Ft1-1 所示的 界面:

图 Ft2-1 光电平台软件的安装界面

图 Ft2-2 显示将被安装的程序

单击“Browse”菜单可将文件夹内的光电综合实验平台软件安装到您指定的目录下,确 定文件后,单击“next” ,则自动进入如图 Ft2-2 所示的界面,程序文件夹显示出所要安装的 程序。然后,再单击“next” ,自动进入如图 Ft2-3 所示的复制文件的界面,将界面显示的文 件内容复制到计算机内存后,弹出如图 Ft2-4 所示的安装结束界面,表明软件已经安装到计 算机指导文件夹内。

图 Ft2-3 复制文件的界面

图 Ft2-4 安装结束

2、采集卡驱动程序的安装
前面所安装的光电综合实验平台系列软件内容只是它的基本功能软件,如伏安特性、时间 响应特性与示波功能软件等, 不包含线阵CCD相机与面阵CCD相机的数据采集系统软件, 而光 电综合实验平台属于多功能的实验平台, 能够进行含线阵CCD相机与面阵CCD相机所能完成的 实验,因此,也必须将其软件及相关硬件的驱动程序安装到位 当软件载体插入计算机后,界面若弹出如图Ft2-5的提示提示界面,就单击界面上的“下 一步”菜单,将弹出如图Ft2-6所示的指定安装文件路径的菜单,确认浏览框内确实是要安装的 程序后单击“下一步” ;弹出如图Ft2-7所示的界面,给出需要安装的硬件驱动程序,选定后单 击“下一步” ;弹出如图Ft2-8所示的界面,确认或修改界面所示路径后单击“确定” ,弹出完成 界面。完成了驱动程序的安装。最后在如图Ft2-10所示的界面计算机管理程序库中能够找到所
87

安装文件。

图 Ft2-5 提示新硬件信息

图 Ft2-6 指定 INF 文件路径

图 Ft1-8 指定驱动程序路径 图 Ft2-7 选择 INF 文件 图 Ft2-8 指定驱动程序路径

图 Ft2-9 安装结束

图 Ft2-10 查看设备管理器

3、平台 SDK 开发软件简介
GDS-III 光电综合实验平台线阵 CCD USB AD(8 位精度)数据采集卡 SDK(以下简称 SDK) ,是配合线阵 CCD USB AD 数据采集卡(以下简称采集卡)推出的软件开发包。SDK 为用户进行二次开发提供了丰富的功能,并且使用简单,调用方便。 ① SDK 组成 SDK 主要包括如下文件: dllkxusb.dll 接口动态库 dllkxusb.lib dllkxusb.dll 的 Visual C++(以下简称 VC)用静态输入库 dllkxusb.h 库函数的 VC 头文件,包括宏定义、结构体定义、函数声明。
88

② 如何使用 SDK 用户进行软件开发所需要调用的函数都被封装在 dllkxusb.dll 中,用户只需要调用这个 动态库即可。 VC 隐示调用动态库的方法: 在 VC 工程中直接链接输入库 dllkxusb.lib,然后即可像调用其它源文件中的函数一样 调用 API 函数接口了。 VC 调用动态库的方法请参考 VC 示例(位于 SDK\VCDemo 目录下) 。

4、SDK-API 函数
SDK API 函数快速索引列表 功能 函数名称 lcDeviceFind lcOpenBoard 基本功能 lcCloseBoard lcSetCCDParam 参数设置 lcDataAcquisition 数据采集 lcSdkVersion 版本信息 lcDriverVersion SDK API 函数详细介绍 lcOpenBoard 声明: HANDLE WINAPI lcOpenBoard( int DevIndex ); 描述: 打开采集卡; 参数: DevIndex 采集卡索引值此参数写 0 即可; 返回值: 返回采集卡的设备句柄;如返回为 NULL 则未发现采集卡或出现错误。 说明: 进行采集卡相关操作前必须使用此函数打开采集卡; 示例代码: //打开采集卡 m_hCcdDevice = lcOpenBoard(0); if(m_hCcdDevice == NULL) { MessageBox("打开USB数据采集卡失败!","错误",MB_OK); }
89

函数描述 查询采集卡信息 打开采集卡 关闭采集卡 采集卡参数设置 采集卡数据采集函数 获得采集卡 SDK 版本信息 获得采集卡驱动版本信息

lcCloseBoard 声明: void WINAPI lcCloseBoard( HANDLE hBoard ); 描述: 关闭指定的采集卡; 参数: hBoard 采集卡的设备句柄; 返回值:无 示例代码: //关闭采集卡 lcCloseBoard(m_hCcdDevice); lcSetCCDParam 声明: BOOL WINAPI lcSetCCDParam( HANDLE hBoard, WORD wParam, long lParam ); 描述: 采集卡参数设置; 参数: hBoard 采集卡的设备句柄; wParam 指定设置的项目,所支持的项目如下(可参见 dllkxusb.h 中的宏定义) CCD_INIT CCD 采集初始化 CCD_INTEGRAL CCD 积分时间(0-15 积分时间档) CCD_FREQUENCY CCD 驱动频率(0-3 驱动频率档) CCD_PIXELS CCD 像元个数 lParam 对应 wParam 的参数值; 返回值: 代码 TURE FALSE 函数返回成功 无效的参数项目 描述

说明: 进行数据采集前需要根据不同的 CCD 型号使用此函数设定 CCD 像元个数;进行数据采
90

集时可以根据信号的变化使用此函数选取不同积分时间和驱动频率。 示例代码: UINT nIntegralTime = 0; //积分时间为0档 UINT nDriverFrequency = 0; //驱动频率为0档 UINT nCCDPixelSum = 2048; //CCD像元数为2048 BOOL rc; //采集初始化 rc = lcSetCCDParam(m_hCcdDevice, CCD_INIT, 0); if(!rc) { MessageBox("初始化CCD失败","参数设置失败"); } //设置积分时间 rc = lcSetCCDParam(m_hCcdDevice, CCD_INTEGRAL, nIntegralTime); if(!rc) { MessageBox("积分时间设置失败","参数设置失败"); } //设置驱动频率 rc = lcSetCCDParam(m_hCcdDevice, CCD_FREQUENCY, nDriverFrequency); if(!rc) { MessageBox("驱动频率设置失败","参数设置失败"); } //设置像元数 rc = lcSetCCDParam(m_hCcdDevice, CCD_PIXELS, nCCDPixelSum); if(!rc) { MessageBox("像元数设置失败","参数设置失败"); } lcDataAcquisition 声明: DWORD WINAPI lcDataAcquisition( HANDLE hBoard, PVOID pData, ); 描述: 8 位数据采集卡数据采集函数。 参数: hBoard 采集卡的设备句柄;
91

pData 存储采集数据的指针变量,数据格式请参考“数据存储格式”; 返回值: 0 成功 其他 返回错误代码。 说明: 采集前请为存储采集数据的指针变量开辟足够大的内存空间,否则会发生数据溢出错 误。 示例代码: //8位数据采集卡演示代码 DWORD rc; BYTE byDaqData[2048]; //数据采集,采集一个通道的数据到byDaqData数据中 rc = lcDataAcquisition(m_hCcdDevice, byDaqData); if(rc != 0) { CString str; str.Format("错误代码:0x%08X",rc); MessageBox(str,"采集数据失败"); } lcSdkVersion 声明: void WINAPI lcSdkVersion ( BYTE *VersionMajor, BYTE *VersionMinor ); 描述: 获得采集卡 SDK 版本信息; 参数: VersionMajor 主版本号; VersionMinor 次版本号; 返回值:无 示例代码: CString strVer,strVer1,strVer2; BYTE VersionMajor,VersionMinor; //SDK版本 lcSdkVersion(&VersionMajor, &VersionMinor); strVer1.Format("SDK 版本:%d.%d", VersionMajor, VersionMinor); //驱动版本
92

lcDriverVersion(m_hCcdDevice, &VersionMajor, &VersionMinor); strVer2.Format("驱动版本:%d.%d", VersionMajor, VersionMinor); strVer = strVer1 + "\n" + strVer2; MessageBox(strVer,"版本信息"); lcDriverVersion 声明: void WINAPI lcDriverVersion ( HANDLE hBoard, BYTE *VersionMajor, BYTE *VersionMinor ); 描述: 获得采集卡驱动程序版本信息; 参数: hBoard 采集卡的设备句柄; VersionMajor 主版本号; VersionMinor 次版本号; 返回值:无 参数设置宏定义 #define CCD_INTEGRAL #define CCD_PIXELS #define CCD_FREQUENCY #define CCD_INIT 1 2 3 4 //CCD积分时间 //CCD像素数 //CCD驱动频率 //CCD 采集初始化

描述: 这些定义代表参数设置的项目,在函数 lcSetCCDParam 中被使用;

5、数据存储格式
数据采集函数 lcDataAcquisition 调用成功后将采集到的数据存放到指定的内存空间 中,具体数据存储格式如下: 0 1 2 3 4 5 6 7 偏移地址 …… 数据区 像元 1 像元 2 像元 3 像元 4 像元 5 像元 6 像元 7 BYTE BYTE BYTE BYTE BYTE BYTE 数据类型 BYTE BYTE

6、SDK 版本信息
SDK Version 1.8: 增加采集卡自动识别功能。

93

F3、光电倍增管实验装置使用说明
光电倍增管实验装置是光电综合实验平台的重要组成部分,是光电倍增管实验的主要部 件。光电倍增管实验较为复杂,内部装有高于 1000V 的负电压电源、典型的光电倍增管、箱 体要求具有良好的屏蔽光与磁的特性、必须将学生在实验过程中所要用到的电极和光信号输 出端口等引出系统,为此,将它独立出来成为如图 F3-1 所示的实验装置。 在光电倍增管实验装置里安装有被实验 的光电倍增管插接管座,管座上的光电倍增 管各工作电极已经与供电电路连接,但是, 为使学生能够测量有关参数而将部分电极引 出到仪器面板上,如阴极 K、阳极 A、第一 倍增极 D1、 末倍增极 DN 和电源公共极 GND 接到相应的插座上,以便在仪器外面可以改 变连接方式进行参数测量。光电倍增管直接
图 F3-1 光电倍增管实验装置示意图

插在底座上,它的光敏面直接接收经过小孔径光阑(图 F3-1 实验装置上方为光阑的提拔器) 射入的光线,仪器提供 3 种不同直径的小孔光阑,形成 3 档位光通量的变化;光线的亮度与 颜色均能够在外部进行调整,灰色旋钮能够调节光的强度,红色按键可以切换光的颜色并通 过“光源指示”灯显示给操作者。 数字高压电压表、光源的颜色、实验测量用的端子和电源开关等部分均安装在实验箱面 板上,方便进行光电倍增管特性的各种实验操作。 光电倍增管实验装置所用倍增管的型号为 GDB221,是 8 级倍增极的侧窗式圆形鼠笼光 电倍增管,其管脚定义如图 F3-2 所示,供电电路如图 F3-3 所示。

图 F3-2 光电倍增管结构图

图 F3-3 光电倍增管实验电路原理接线图

将阴极 K 与第 1 倍增级电阻引出端 D1 与负高压电源-Ubb 连接, 阳极电阻输出端 GNDA 与地 GND 相连接组成光电倍增管的基本供电电路。 改变电路的接法能够测量阴极电流 Ik,阳极电流 Ia,偏置电流 I 等电流。 1.阴极电流 Ik 的测量 将阴极 K 与负高压电源之间串联测量毫微安级的电流表,并将 D1 也与负高压电源相连 接,将 GNDA 与 GND 相连接便构成测量阴极电流的电路; 2.阳极电流 Ia 的测量 在阳极电阻引出端 GNDA 与 GND 之间串联微安级的电流表便可以测量阳极电流 Ia; 3. 偏置电流 I 的测量 在第一倍增级的接点(D1)与负高压电源之间串联测量微安级的电流表就可以测量出光 电倍增管的偏置电流。
94

光电倍增管的极限工作条件如表 F3-1 所示:
表 F3-1 光电倍增管的极限工作条件 序号 1 2 3 4 5 序号 1 2 3 阴极灵敏度 阳极灵敏度 阳极灵敏度 工作条件 工作电压 阳极输出直流电流 环境温度 光谱响应范围 承受 50Hz 震动的最大加速度 参数 104.7μ A/lm 10A/lm 1A/lm 工作电压(V) 740 520 0.6nA 单位 V μ A ℃ nm g -40 300 最小值 最大值 1100 100 +55 700 4 暗电流

光电倍增管阳极与阴极灵敏度等参数如表 F3-2 所示:

实验注意事项: 1、 因光电倍增管对光的响应特别大,因此,在没有隔绝外界辐射干扰的情况下绝不能 对光电倍增管施加工作电压,否则,将损坏管子的倍增级; 2、 即便管子处于非工作状态,也要尽量减少光电阴极与倍增极的不必要曝光,以免造 成光电子发射降低灵敏度; 3、 使用时,必须使光电倍增管在避光的暗室中存放一段时间,且要确保倍增管各极管 脚的清洁,要用丙酮、乙醚、乙醇等溶剂清洗,洗后烘干再用(出厂时已做清洗) ; 4、 管座导电片与管针接触要良好,插上、拔下以及固定管子时要十分小心,用力要柔 和杜绝用力过猛; 5、 必须进行屏磁屏电场的处理(实验仪已做了相应处理) ; 6、 实验仪对光电倍增管采用均匀分压方式供电,对于每只具体管子的最佳供电电压及 相应的分压电阻可能不同,用户可以自行设计更为合理的供电电路与相应参数,确保管子工 作在最佳状态。 7、 光电倍增管的阴极常常是负几百伏特以上的高压电源,因此做光电倍增管实验时必 须格外小心,避免触摸任何带电部位,尤其是电源开关闭合时更要注意安全。

95

F4、YHLA-Ⅱ 发光角特性测试仪使用说明
一、基本结构
如图 F4-1 所示, YHLA-Ⅱ发光角特性测试仪由以下几部分组成,其功能分述如下: 1. 电源开关:切断与接通电源; 2. 数字电压表(V) : 安装在仪器最左侧的数字电压表为测量 LED 发光强度的传感器输出电压的指示电表, 三 挡可变量程,最大量程为±19.99V;

图 F4-1 YHLA-Ⅱ发光角特性测试仪结构图

3. LED 数字电压表(V) : 用来测量加在被测 LED 两端的电压,为三挡可变量程的数字电压表,最大量程为± 199.9V; 4. LED 电流表(mA) : 测量流过 LED 电流的数值,它为三挡可变量程的数字电流表,最大量程为±199.9mA; 5. 正向、反向切换按键: 当按下“正向”键时 LED 在正向偏置电压作用下,LED 数字电压表测出其正向电压,而 LED 电流表测出的是正向电流;当按下“反向”键时,LED 上加的是反向电压,数字表分别 测出的是反向电压与反向电流; 6. 电压调节旋钮: 在按下“反向”时,通过调节该旋钮改变加在 LED 上的电压值,测量其反向特性; 7. 电流调节旋钮: 在按下“正向”时,通过电流调节旋钮来调整流过 LED 的电流值,用来为 LED 提供适 当的工作电流,确保角度特性的测量易于观测,但是调整时一定要注意不能使工作电流超过 LED 的极限电流; 8. 接收筒: 它是 LED 发光角度测量的核心部件,内部的光电池与两个光阑对 LED 发光中心成 0.001sr,因此,实际上数字电压表测量出来的读数值是与 LED 发光强度相关的数值; 9. 度盘与读数窗口: 度盘安装在机箱内转盘的底部, 能够显示 0~360°, 分度为 1°。 从视窗很容易读出 LED
96

绕心旋转的角度; 10. LED 的夹持器具: 用来安装 LED 并能够围绕 LED 机械轴旋转; 11. 电源接口与电源线: 电源接口在仪器的后面,用专用电源线与 AC220V 市电相连接。所供电源功率不大于 20W。 12. 量程转换开关: 每块数字电表的下部都安装有扩大量程的按键开关,分为 3 档,每档位是上一档位的 10 倍,左侧量程最低。

二、基本配件
1. 定位块 1 个,用来确保 LED 的安装位置,安装 LED 时将定位块置于转盘上,然后使 LED 灯顶于定位块上即可保障灯的发光中心处于旋转中心; 2. 定位销 1 个,用来确定 LED 转盘的机械零点; 3. 220V 电源线 1 根。

三、注意事项
1、YHLA-Ⅱ发光角特性测试仪的旋转度盘不能旋转角度大于 360°,否则有扭断 LED 供电电源线的可能,造成设备损坏。 2、在调整 LED 工作电流时一定要注意不能使仪器提供的工作电流大于所测试 LED 的 工作电流极限值,否则可能造成被测器件的损坏。 3、由于旋转度盘转动非常灵活,测量时应耐心细致,不能粗心大意。

97

F5、LED 发光光谱特性实验仪
LED 发光光谱特性实验仪实际上是一台 CCD 光谱探测器,它由狭缝、分光光栅、凹面 镜和线阵 CCD 光谱探测器等部件构成。 其外形如图 F5-1 所示, 被测 LED 发光二极管安装在 右侧圆柱形暗室中,它是一个用螺纹口连接的装置,最右端是它的供电电源接插件,拔下接 线即可将其旋下,安装待测 LED,旋下 LED 安装装置后即可看到狭缝(固定缝宽的狭缝) , LED 光通过狭缝入射到反射光栅上,经反射分光成发散的光谱入射到凹面反光镜上,再经反 光镜聚集到线阵 CCD 光敏面上,线阵 CCD 将光谱能量转换成电压输出形成光谱信号,再经 数字转换与 USB 传输系统传入计算机内存,最后由计算机软件完成光谱的标定与显示。

图 F5-1 LED 发光光谱特性实验仪便成为能够探测任意光源的光谱 当然,旋下 LED 安装装置,LED光谱特性实验仪外形图

特性实验仪,能够分析与探测任何从狭缝入射光源的光谱。图 F5-2 为其原理方框图。
被测 LED 狭缝 光栅

A/D 转换器

线阵 CCD

凹面镜

USB 总线接口

计算机软件 图 F5-2 LED 光谱实验仪原理图

显示谱图

LED 光谱特性实验仪是一款能够探测可见谱区的快速光谱仪,它既能探测 LED 发出的 各种光谱,也能探测其他光源在可见谱区的光谱。 光谱分辨率为:0.123nm; 光谱探测范围为:386.85~652.63nm,265.78nm; 光谱幅度分辨精度为:16 位(65535) ; 接口方式:USB2.0 总线接口; 配备的软件:DEMO 软件与 SDK 开发软件包;

98


相关文章:
光电传感器实验指导书
光电传感器技术实验指导 太原理工大学物理与光电工程学院 太原理工大学测控技术研究...实验过程可以采用如下步骤:下面利用光电综合实验平台提供的硬件资源,模拟示波、...
光电技术实验指导书
光电技术实验指导书_理学_高等教育_教育专区。《光电技术实验指导书 哈尔滨理工...给出在STC实验箱4的工作环境下的,NEC红外编码发送和接收程序的编制及 下载调试...
光电技术实验指导书
-4- 光电技术实验指导书 实验二一、 实验目的: 光敏电阻实验 了解光敏电阻的光照特性、光谱特性和伏安特性等基本特性。 二、 基本原理: 在光线的作用下,电子吸收...
光电技术创新实训平台实验指导书-2
光电技术创新实训平台实验指导书-2 - GCGDCX-B型光电技术创新实训平台针对光电器件应用设计而开发,提供多种(可选)光电器件的应用模块、设计模块、以及设计中所需要...
光电检测技术实验指导书(2013新)
2、装有 VC++软件及相关实验软件的PC 计算机或GDS-Ⅱ型光电综合实验平台一台...(7) 在软件界面的提示下进行操作,将用卡尺或千分尺测量的标准被测物尺寸值输入...
光电传感器应用技术实验指导书
光电传感器应用技术实验指导书_电子/电路_工程科技_专业资料。光电传感器技术实验指导...实验过程可以采用如下步骤:下面利用光电综合实验平台提供的硬件资源,模拟示波、...
光电技术创新实训平台实验指导书V1[1].0
光电技术创新实训平台实验指导书V1[1].0_物理_自然...七、设计性实验光控开关原理图如下,IN1 和 CON1...本该实验作为一个综合设计性的实验, 联系科技开发...
光电技术创新实训平台GCGDCX-B实验指导书V2.0
光电技术创新实训平台GCGDCX-B实验指导书V2.0_工学...七、设计性实验光控开关原理图如下,IN1 和 CON1...光电综合实验平台的设计 62页 免费 《光电检测技术...
光电技术创新实训平台GCGDCX-B实验指导书V2.0资料
光电技术创新实训平台GCGDCX-B实验指导书V2.0资料_其它_职业教育_教育专区。实验...七、设计性实验 光控开关原理图如下,IN1 和 CON1 为光敏电阻 ...
光电技术实验指导书09_图文
光电技术及应用》 实验指导书 适用专业: 电气、测控等 电气、 课程代码: 总...2. 将原装电涡流线圈支架上的电涡流线圈取下, 装上光纤探头, 探头对准镀铬...
更多相关标签: