北航_仪器光电综合实验报告_彩色线阵CCD传感器系列实验

2012/4/29

彩色线阵CCD传感器系列实验

实验时间：2012年4月27日星期五

（一）实验目的：

1．了解并学习CCD的使用、驱动原理和功能特性等。

（二）实验内容：

1．本实验共分为以下四个实验部分，主要内容为:

1）线阵原理及驱动

2）特性测量实验

3）输出信号二值化

4）线阵CCD的AD数据采集

（三）实验仪器：

1．双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台，

2．彩色线阵CCD多功能实验仪YHCCD－IV一台

3．实验用PC计算机及A/D数据采集基本软件

（四）实验结果及数据分析：

一、线阵原理及驱动

1）驱动频率与周期

表格 1 驱动频率与周期实验结果

由于对不同驱动频率示值，对应不同驱动频率，当显示数值为0时，f=1Mhz；为1时，f=500Khz；为2时，f=250Khz；为3时，f=125Khz；

对应F1，F2频率始终是驱动信号的8分之一，而RS则为F1，F2频率的2倍；

现象及数据分析：由上图可知，在同一频率档位上，随着积分时间档位的增长，FC周期逐渐增加；对于同一积分档位，考虑到驱动频率间的关系，FC周期恰好成倍数关系；

2）积分时间测量

表格 2 积分时间测量结果

现象及数据分析：由上图可知，在同一频率档位上，随着积分时间档位的增长，FC周期逐渐增加；对于同一积分档位，考虑到驱动频率间的关系，FC周期恰好成倍数关系；

二、特性测量实验

表格 3 输出信号幅度与积分时间的关系0档

对应曲线：

图表 1 输出信号幅度与积分时间的关系0档

表格 4

输出信号幅度与积分时间的关系

1档

图表 2 输出信号幅度与积分时间的关系1档

表格 5 输出信号幅度与积分时间的关系2档

表格 6 输出信号幅度与积分时间的关系3档

现象及数据分析：通过表格3、4、5、6及其对应的图表1、2、3、4可以看出，随着积分时间档位和驱动频率档位的改变，积分时间不断改变；随着积分时间的增长，输出电压的幅值和峰值不断增大，输出曲线表现为一条上升的直线，如图表1、2（部分）；当积分时间到达某值后，输出电压幅值和峰值达到最大，在这之后，即使积分时间继续增大，输出电压也不能够再增大，如图表2（部分）、3、4所示。

三、输出信号二值化

UG及BO信号变化情况如下两图所示：

在BO接线柱，可以观察到二值化TTL信号；且随着阈值电平的增大，BO输出端实测图像呈现由上面上图变为下图的情况，对比UG，发现BO和UG始终呈现互补情况。

二值化输出波形曲线:

Figure 1 二值化输出波形曲线

现象及数据分析：在二值化波形输出数据采集中，使用到的测量片夹为B片，黑色条纹直径为5mm，此时在实验仪上示值为309，表示二值化后低电平示值点个数为309，利用相邻像素中心距估算放大率：

309*8um=2.472mm，2.472mm/5mm=0.4944

故放大率约为0.4944；

四、线阵CCD的AD数据采集

测量片夹A输出波形曲线：

Figure 2 测量输出波形曲线

现象及数据分析：

利用初始化获得的数据可得：调整好后的系统垂直率为98.8%，放大率为0.449；

对应图像Figure 2中一次从左到右五条条缝宽（点数）为：

A1=71，A2=301，A3=183，A4=593，A5=32；

由此可求得CCD上宽度为（8um/点）：

D1=0.568mm，D2=2.408mm，D3=1.464mm，D4=4.744mm，D5=0.256mm；

利用放大倍率计算实际缝宽：

d1=1.265mm，d2=5.363mm，d3=3.261mm，d4=10.566mm，d5=0.570mm；

（五）实验后思考题：

一、线阵原理及驱动

1．说明TCD2252D的基本工作原理。

答：在光敏区，由光电二极管构成阵列将入射在上面的光能转化为电能，形成电荷进行储存，电荷量的多少就反映了原图像的信息；在驱动电路时许信号的作用下，CCD将光敏区形成的电荷转移到模拟移位寄存器，光敏区开始新一轮的光电转换，而模拟移位寄存器则通过一位一位的移动，将由电荷形成的电压信号向外输出，并通过AD转换形成数字信号输入计算机进行运算处理。

2．说明SH，SP，RS，CP四个脉冲的作用，输出信号与F1、F2周期的关系。

答：SH高电平表示每一次光敏区信号采集完成后，光敏区和模拟寄存器区均形成深势阱，两深势阱沟通，进而将信号从光敏区转移到模拟移位寄存器，从而进行下一步处理；

SP：与像元同步，像敏单元采样脉冲，用作AD转换的采样控制信号；

RS：当转移栅把信号电荷转移到移位寄存器中后，移位寄存器要一位一位输出电荷，为了不使得输出混乱，RS电极需要外加适当的复位脉冲，每当前一个电荷包输出完毕，下一个电荷包尚未输出之前，RS电极上应出现复位脉冲，它把前一电荷包抽走，以准备接受下一电荷包到来

CP：缓冲控制脉冲；

3．解释为何在同样的光源亮度下会出现UR、UG、UB信号的幅度差异。

答：在同样光源亮度下，由于组成光颜色成分可能有所差异，会使得传感器测得的信号幅度有所差异；对R、G、B传感像元，即使输入光强相同，不同颜色像元见光强特性也会有所差别，由此也会带来量化结果的不同；

4．通过Multisim软件对CCD驱动电路进行仿真验证，并试着自行设计CCD驱动电路。答：详见CCD驱动电路实验报告

二、特性测量实验

1．解释为什么驱动频率对积分时间会有影响？

答：积分时间在宏观上表现即为SH信号的周期（如补充阅读材料图2.4），该功能通过转移栅完成，而转移栅需要依靠外界驱动电路波形进行控制，驱动电路的控制则依赖时钟信号及时序逻辑，因为随驱动频率（时钟信号）的改变，SH信号的周期也会改变，进而直接造成积分时间的变化

2．解释为什么在入射光不变的情况下积分时间的变化会对输出信号有影响？这对CCD 的应用有何指导意义？进一步增加积分时间以后，输出信号的宽度会变宽吗？为什

么？这对CCD的应用又有何指导意义？

答：CCD光敏区将光能转化为电能，转化的电荷量的多少是和入射在相应的光电二极管上的

光强和积分时间有关系；

对CCD的应用，在相同入射光强的前提下，通过改变积分时间，可以改变转化电荷量的多少，进而直接影响输出电压的幅值，因此，可以通过改变积分时间，调节CCD的灵明度和饱和值，即调节CCD的工作状态；

输出信号的宽度（横轴）不会变宽，只会影响输出信号的幅度（纵轴）；

可以通过改变积分时间，调节CCD的灵明度和饱和值，即调节CCD的工作状态；

三、输出信号二值化

1．为何两种阈值下测量结果有差异，造成这种差异的原因有几点。

答：阈值电平作为二值化判断的区分点，直接影响最终信号计数结果，不同的二值化阈值，对不同的点测得的电压值判断结果不同，故阈值的改变会直接影响测量结果；

2．说明固定阈值二值化测量的优缺点和适用领域。

答：优点：测量计数电路简单，不需要复杂的处理电路甚至计算机，由此构成的系统结构简单，处理快捷，成本低廉；

缺点：使用范围小，精度较低（受使用环境影响较大），不能完全发挥CCD的功能；

使用领域：测量颜色种类较少、色彩相对单一的目标，成本限制较多，对测量结果要求一般的系统；

3．积分时间的变化是否对测量值有影响？在什么时候会有影响？为什么进行尺寸测量时必须使CCD脱离饱和区？

答：积分时间对测量结果有影响；当积分时间逐渐增大时，会造成会造成各个位置（象素点）测量电压逐渐增大，当一些点到达阈值时，其它点与这些点的电压差逐渐减小，并最终全部达到饱和状态，对测量的灵明度及最终测量结果都回造成很大影响；

如某几个位置测得结果到达饱和区，则会对这几个信号的峰值造成限制，使之产生失真，同时使得测得电压差小于不同位置间实际电压差；

四、线阵CCD的AD数据采集

1．总结CCD输出信号的幅度与积分时间及光照灵敏度之间的关系，能否验证在同样的光照下输出信号的幅度随积分时间的增长而幅度增大。

答：光照灵敏度越大，输出幅度越大；能够验证输出幅度随时间的增长而增大；

2．能否用这个实验检测CCD光敏单元的不均匀性？如果能，该如何设计这个实验？答：能。利用F片上的斜条纹，由于F片其中有一条条文是倾斜的，故考虑到CCD像元表面R，G，B三色的结构，可以对F片进行数据采集，分析在倾斜部分象素点与幅度的变化规律，特别是横纵轴变化的曲率，对比斜条纹，即可初步分析光敏单元分布的不均匀性；

3．用线阵CCD的A/D数据采集实验能否进行物体尺寸的测量工作？若能，该如何设计这个实验？

答：能。实验主要步骤同实验4，主要需要注意以下方面问题：在初始化及调整阶段，CCD 三色输出电平应具有一定幅度，但应与饱和值存在一定距离；系统初始化完成后，对焦距和光圈都不能再做调整；在对黑白片进行初始化时，应调焦，使转折线斜率尽可能大，最好能够完全垂直状态；实际测量中，应根据颜色区分特性，设定判断值，判断尺寸点数；

4．试将片夹“F”插入片夹夹具中，线阵CCD输出的波形会怎样？片夹“F”为对比度很好的黑白条，经成像物镜、线阵CCD光电变换后再经A/D数据采集，计算机所获得

的波形会出现“变形”的现象，怎样解释“变形”的现象？“变形”产生的主要原

因是什么？能否利用“变形”的输出波形进行黑白条尺寸的测量？黑白条图像的真

实边界的数值有什么特点？

答：CCD波形主要有两个“凹陷”，其中第一个凹陷边缘的三色线基本重合，垂直度较好，但劣于第一个凹陷；第二个凹陷三色线在接近边缘处不重合，且呈递增状，从上到下依次为：R，G，B；同时，边缘处垂直度较好。

“变形”现象主要源于F片的一条缝呈倾斜状态，同时CCD上R，G，B三色分布为三条平行直线；

可以利用输出波形进行尺寸测量，但测量时应考虑因为实际图形倾斜造成波形变形所带来的斜率；

Figure 3 F片变形

右侧第二个“凹陷”，RGB三色呈现台阶状分布，从上到下依次为R，G，B；该顺序分布恰好符合CCD线阵上RGB三色排列。

5．怎样利用本实验进行像敏单元不均匀性的测量？

答：结果同第2问，需要注意实际条纹倾斜及波形曲线“变形”问题；

6．你能例举出利用本实验进行其它目的的实验吗？

答：倾斜缝黑白屏的斜率测量；

照度实验报告

照度实验报告 一、背景 作业场所的合理采光与照明，对生产中的效率、卫生和安全都有重要的意义。它是工作 场所设计中的重要项目，无论是天然采光还是人工照明，其主要目的都是给人们的生活和生 产提供必需的视觉条件。 适当的照度设计应遵循工效学的原则，使照度设置达到保证物体的轮廓立体视觉，有利 于辨认物体的高低，深浅，前后远近及相对位置，有利于眼睛的辨色能力，有利于大视野， 降低疲劳、减少错误和工伤事故的发生。提高照度值可以提高识别速度和主体视觉，从而提 高工作效率和准确度。但照度值提高到使人产生眩光时，会降低工作效率。此外，利用照明 设计对人的情绪的影响，根据场所功能的需求，可使光环境对人产生兴奋或抑制的作用。在 绿色照明理念的指导下，人工照明应考虑节能和环保的要求。 二、实验目的 正确熟悉和使用照度计，采集光环境数据，并通过分析数据来判断光环境的照度是否合 理，假如不合理则提出合理的改善措施。 三、实验场所 上海海洋大学图书馆二楼大厅自习室（室外） 四、实验要求 1、照度采集 2、对自习室的照度情况进行分析 3、分析光照度合理性，并提出改善措施 五、分析 1、主观分析 （1）、主观评价调查数据 （2）、主观评价结果分析 a、计算每个项目的评分s(n): s(n)= 式中，s（n）为第n个项目的评分 p（m）为第m个状态的分值，其中，p（1）=0，p（2）=10，p（3）=50，p（4）=100， v （n,m）为第n个评价项目的第m个状态所得的票数。所以： s(1)= s(2)= s(3)= s(4)= s(5)= s(6)= =16.4 =10.8 =12.4 =12.6 =12.4 =12.6 s(7)= s(8)= s(9)= s(10)= b、计算总的光环境指数 s s= =9.2 =8.2 =9.4 =10 式中，w（n）为第n个评价项目权值，设其权值均为1 所以: s=11.4 为了便于分析和确定评价结果,本方法将光环境质量按光环境的指数范围分为四个质量 等级,其质量等级的划分及其含意如下表所示: 因为10<11.4<=50所以根据上表的结论，本实验的光环境质量等级为3，含义是： 问题较大 2、客观分析（照度数据采集及分析）（1）、照度采集现场 在进行照度值测量的时间点上我们选择了一个晴朗的下午2点~3点之间，光照十分充足， 因为时间和条件的限制就没有对阴天和晚上进行测量和分析。 图书馆二楼自习室现场

传感器测试实验报告

实验一 直流激励时霍尔传感器位移特性实验 一、 实验目的： 了解霍尔式传感器原理与应用。 二、基本原理： 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于磁场和电流的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。具有这种效应的元件成为霍尔元件，根据霍尔效应，霍尔电势U H ＝K H IB ，当保持霍尔元件的控制电流恒定，而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿水平方向移动，则输出的霍尔电动势为kx U H ，式中k —位移传感器的灵敏度。这样它就可以用来测量位移。霍尔电动势的极性表示了元件的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。 三、需用器件与单元： 霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、±15V 直流电源、测微头、数显单元。 四、实验步骤： 1、将霍尔传感器安装在霍尔传感器实验模块上，将传感器引线插头插入实验模板的插座中，实验板的连接线按图9-1进行。1、3为电源±5V ， 2、4为输出。 2、开启电源，调节测微头使霍尔片大致在磁铁中间位置，再调节Rw1使数显表指示为零。 图9-1 直流激励时霍尔传感器位移实验接线图 3、测微头往轴向方向推进，每转动0.2mm 记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表9-1。 表9－1 X （mm ） V(mv)

作出V-X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。 五、实验注意事项： 1、对传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。 2、不要将霍尔传感器的激励电压错接成±15V，否则将可能烧毁霍尔元件。 六、思考题： 本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的时什么量的变化？ 七、实验报告要求： 1、整理实验数据，根据所得得实验数据做出传感器的特性曲线。 2、归纳总结霍尔元件的误差主要有哪几种，各自的产生原因是什么，应怎样进行补偿。

北航电子电路设计数字部分实验报告

电子电路设计数字部分实验报告 学院： 姓名：

实验一简单组合逻辑设计 实验内容 描述一个可综合的数据比较器，比较数据a 、b的大小，若相同，则给出结果1，否则给出结果0。 实验仿真结果 实验代码 主程序 module compare(equal,a,b); input[7:0] a,b; output equal; assign equal=(a>b)1:0; endmodule 测试程序

module t; reg[7:0] a,b; reg clock,k; wire equal; initial begin a=0; b=0; clock=0; k=0; end always #50 clock = ~clock; always @ (posedge clock) begin a[0]={$random}%2; a[1]={$random}%2; a[2]={$random}%2; a[3]={$random}%2; a[4]={$random}%2; a[5]={$random}%2; a[6]={$random}%2; a[7]={$random}%2; b[0]={$random}%2; b[1]={$random}%2; b[2]={$random}%2; b[3]={$random}%2; b[4]={$random}%2;

b[5]={$random}%2; b[6]={$random}%2; b[7]={$random}%2; end initial begin #100000 $stop;end compare m(.equal(equal),.a(a),.b(b)); endmodule 实验二简单分频时序逻辑电路的设计 实验内容 用always块和@(posedge clk)或@(negedge clk)的结构表述一个1/2分频器的可综合模型，观察时序仿真结果。 实验仿真结果

虚拟仪器技术实验报告

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1 正弦信号的发生及频率、相位的测量实验内容： ●设计一个双路正弦波发生器，其相位差可调。 ●设计一个频率计 ●设计一个相位计 分两种情况测量频率和相位： ●不经过数据采集的仿真 ●经过数据采集〔数据采集卡为PCI9112〕 频率和相位的测量至少有两种方法 ●FFT及其他信号处理方法 ●直接方法 实验过程： 1、正弦波发生器，相位差可调 双路正弦波发生器设计程序：

相位差的设计方法：可以令正弦2的相位为0，正弦1的相位可调，这样调节正弦1的相位，即为两正弦波的相位差。 2设计频率计、相位计 方法一：直接读取 从调节旋钮处直接读取数值，再显示出来。 方法二：直接测量 使用单频测量模块进行频率、相位的测量。方法为将模块直接接到输出信号的端子，即可读取测量值。 方法三：利用FFT进行频率和相位的测量 在频率谱和相位谱上可以直接读取正弦信号的主频和相位。 也可通过FFT求得两正弦波的相位差。即对信号进行频谱分析，获得信号的想频特性，两信号的相位差即主频率处的相位差值，所以这一方法是针对单一频率信号的相位差。 前面板如下：

程序框图： 2幅频特性的扫频测量 一、实验目的 1、掌握BT3 D扫频仪的使用方法。 2、学会用扫频法测量放大电路的幅频特性、增益及带宽。 二、工作原理 放大电路的幅频特性，一般在中频段Ｋ中最大，而且基本上不随频率而变化。在中频段以外随着频率的升高或降低，放大倍数都将随之下降。一般规定放大电路的频率响应指标为3dB，即放大倍数下降到中频放大倍数的70.7%，相应的频率分别叫作下限频率和上限频率。上下限频率之间的频率范围称为放大电路的通频带，它是表征放大电路频率特性的主要指标之一。如果放大电路的性能很差，在放大电路工作频带内的放大倍数变化很大，则会产生严重的频率失真，相应的

光电计数器实验报告

光电计数器实验报告 学生姓名李志 学号081244115 专业名称光信息科学与技术 指导教师易煦农 时间日期2011-10-19 摘要 21世纪是信息时代，是获取信息，处理信息，运用信息的时代。传感与检测技术的重要性在于它是获得信息并对信息进行必要处理 的基础技术，是获取信 息和处理加工信息的手段，无法获取信息则无法运用信息。 光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应。这类效应大致可分为三类。第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近，包括红外波长和紫外波长。数字式电子计数器有直观和计数精确的优点，目前已在各种行业中普遍使用。数字式电子计

数器有多种计数触发方式，它是由实际使用条件和环境决定的。有采用机械方式的接触式触发的，有采用电子传感器的非接触式触发的，光电式传感器是其中之一，它是一种非接触式电子传感器。采用光电传感器制作的光电式电子计数器。这种计数器在工厂的生产流水线上作产品统计，有着其他计数器不可取代的优点。 【关键词】光电效应光电传感器光电计数器 ABSTRACT The 21st century is the age of information, it is the access to information, treatment information, use of the information age. Sensing and detection technology is important because it is the access to information and the information necessary to deal with the underlying technology, is access to information and means of processing information, unable to get information you won't be able to use information. Photoelectric sensor is a light signal into an electric signal of the sensor. It is the theoretical basis of the photoelectric effect. These effects can be broadly divided into three categories. The first type is outside of the photoelectric effect, namely, in daylight, can make the tungsten surface. Use this effect caused by device with vacuum photocell, photomultiplier tubes, etc. The second category is the photoelectric effect, i.e., in the light, can make the electrical resistivity of the material change. Such devices include various types of photosensitive semiconductor. The third category is photo voltaic effect, in the light, the objects within the EMF EMF, this is called light-induced electromotive force. This class of

传感器实验报告

金属箔式应变片——半桥性能实验 一． 实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。 二． 基本原理：不同受力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，电桥输出 三． 灵敏度提高，非线性得到改善。当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电 压U02=EK/ε2。 四． 需用器件和单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、+15V 电源、+-4V 电源、万用表 五． 实验步骤： ① 按要求将应变式传感器装与传感器模板上。 ② 按要求进行电路接线，将两个应变片接入桥路。 ③ 进行测量，将数据记录到表格中。 六．实验数据 所以可知灵敏度δ=0.3639，非线性误差为δf1=Δm/Y F.s =1.112/65=1.71% 七、思考题： 1、半桥侧量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在： (1)对边 (2)邻边。 2、桥路(差动电桥)测量时存在非线性误差，是因为：(1)电桥测量原理上存在非线性 (2)应变片应变效应是非线性的 (3)调零值不是真正为零。 答：都是。但是调零值可以通过记录最初的非零值来消除此误差

金直流全桥的应用——电子秤实验 一． 实验目的：了解应变片直流全桥的应用电路的标定。 二． 基本原理：电子秤实验原理为实验三全桥测量原理，通过对电路调节 三． 使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲(V)改为重量量纲(g)即成为一台原始 电子秤。 四． 需用器件和单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、±15V 电源、± 4V 电源 五． 实验步骤： 1、按实验一中2的步骤将差动放大器调零：参考图1-2将四个应变片按正确的接法接成全桥形式，合上主控箱电源开关调节电桥平衡电位器Rw1，使数显表显示0.00V 。 2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw3(增益即满量程调节)，使数显表显示为0.200V(2V 档测显)或-0.200V 。 3、拿去托盘上的所有法码，调节电器Rw4（零位调节），使数显表显示为0。000V 或—0。000V 。 4、重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V 改为重量量纲g ，就可秤重，成为一台原始的电子秤。 6、根据上表计算误差与非线性误差。 所以可知灵敏度δ=1，非线性误差为δ f1=Δm/Y F.s =0

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实验一：共射放大器分析与设计 1.目的： （1）进一步了解Multisim的各项功能，熟练掌握其使用方法，为后续课程打好基础。 （2）通过使用Multisim来仿真电路，测试如图1所示的单管共射放大电路的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻，并观察 静态工作点的变化对输出波形的影响。 （3）加深对放大电路工作原理的理解和参数变化对输出波形的影响。 （4）观察失真现象，了解其产生的原因。 图 1 实验一电路图 2.步骤： （1）请对该电路进行直流工作点分析,进而判断管子的工作状态。 （2）请利用软件提供的各种测量仪表测出该电路的输入电阻。 （3）请利用软件提供的各种测量仪表测出该电路的输出电阻。 （4）请利用软件提供的各种测量仪表测出该电路的幅频、相频特性曲线。 （5）请利用交流分析功能给出该电路的幅频、相频特性曲线。 （6）请分别在30Hz、1KHz、100KHz、4MHz和100MHz这5个频点利用示波器测出输入和输出的关系，并仔细观察放大倍数和相位差。 （提示：在上述实验步骤中，建议使用普通的2N2222A三极管，并请注 意信号源幅度和频率的选取，否则将得不到正确的结果。） 3.实验结果及分析： （1）根据直流工作点分析的结果，说明该电路的工作状态。 由simulate->analyses->DC operating point,可测得该电路的静态工作点为：

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光电传感器的设计-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

光电传感器的设计 题目：光电传感器的设计 院（系）：信息工程学院 专业：光电信息科学与工程 姓名：褚飞亚 学号： 20 指导教师：张洋洋 2016年6月27号

摘要 随着信息技术的迅猛发展，传感器的应用技术也在飞速发展，新的应用技术呈现出爆炸式的发展。传感器作为作为测控系统中对象信息的入口，作为捕获信息的主要工具，在现代化事业中的重要性已被人们所认识。光电传感器的应用技术为信息科学的一个分支，俗称“电眼”。它是将传统光学技术与现代微电子技术以及计算机技术机密结合的纽带，是获取光信息或借助光提取其他信息的重要手段。现如今汽车成为大多数人必不可少的东西。经常开车的朋友们，应该都有过这样的苦恼每次开车到了单位或者小区大门口都要等门卫来开门或者等其按动电动门的开关,既费时间又费人力,如果巧妙地利用光电传感器就可以实现光控大门。所以借此次课程设计来设计一个光控大门，即把光敏电阻装在大门上并且在汽车灯光能照到的地方,把带动大门的电动机接在干簧管的电路中,那么夜间汽车开到大门前,灯光照射到光敏电阻时,干簧继电器就可以自动接通电动机电路,电动机就能带动大门打开。这样就解决了上述的问题。

目录 1、设计要求...............................................错误!未定义书签。 功能与用途 ............................................................................................. 错误!未定义书签。 指标要求 ................................................................................................. 错误!未定义书签。 2、光电传感器介绍及工作原理 ...............错误!未定义书签。 、光电传感器 ......................................................................................... 错误!未定义书签。 工作原理 ................................................................................................. 错误!未定义书签。 3、方案设计...............................................错误!未定义书签。 4、元件选择和电路设计 ...........................错误!未定义书签。 元件选择 ................................................................................................. 错误!未定义书签。 电路设计 ................................................................................................. 错误!未定义书签。 5、总结.......................................................错误!未定义书签。参考文献.....................................................错误!未定义书签。

光电探测技术实验报告

光电探测技术实验报告 班级：08050341X 学号：28 姓名：宫鑫

实验一光敏电阻特性实验 实验原理: 光敏电阻又称为光导管,是一种均质的半导体光电器件,其结构如图(1)所示。由于半导体在光照的作用下,电导率的变化只限于表面薄层,因此将掺杂的半导体薄膜沉积在绝缘体表面就制成了光敏电阻，不同材料制成的光敏电阻具有不同的光谱特性。光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积,提高灵敏度。 实验所需部件: 稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元）、电压表、 各种光源、遮光罩、激光器、光照度计（由用户选配） 实验步骤: 1、测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻 观察光敏电阻的结构,用遮光罩将光敏电阻完全掩 盖,用万用表测得的电阻值为暗电阻 R暗,移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的 阻值为亮电阻，暗电阻与亮电阻之差为光电阻，光 电阻越大，则灵敏度越高。 在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻， 试作性能比较分析。 2、光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流 按照图(3)接线，电源可从+2~+8V间选用，分别在暗光和正常环境光照下测出输出电压V暗和V亮则暗电流L暗=V暗/R L,亮电流L亮=V亮/R L，亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。 分别测出两种光敏电阻的亮电流，并做性能比较。 图（2）几种光敏电阻的光谱特性 3、伏安特性: 光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系。 按照图(3)分别测得偏压为2V、4V、6V、8V、10V、12V时的光电流，并尝试高照射光源的光强，测得给定偏压时光强度的提高与光电流增大的情况。将所测得的结果填入表格并作出V/I曲线。 注意事项: 实验时请注意不要超过光电阻的最大耗散功率P MAX, P MAX=LV。光源照射时灯胆及灯杯温度均很高，请勿用手触摸，以免烫伤。实验时各种不同波长的光源的获取也可以采用在仪器上的光源灯泡前加装各色滤色片的办法，同时也须考虑到环境光照的影响。

传感器实验报告

传感器实验报告（二） 自动化1204班蔡华轩 U2 吴昊 U5 实验七： 一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。 二、基本原理：利用平板电容C=εA/d 和其它结构的关系式通过相应的结 构和测量电路可以选择ε、A、d 中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度(ε变)测微小位移(变d)和测量液位(变A)等多种电容传感器。 三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏 检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。 四、实验步骤： 1、按图6-4 安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上。 2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图7-1。图 7-1 电容传感器位移实验接线图 3、将电容传感器实验模板的输出端V01 与数显表单元Vi 相接(插入主控 箱Vi 孔)，Rw 调节到中间位置。 4、接入±15V 电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每间隔 记下位移X 与输出电压值，填入表7-1。

5、根据表7-1 数据计算电容传感器的系统灵敏度S 和非线性误差δf。 图（7-1） 五、思考题： 试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构，并叙述一 下在此设计中应考虑哪些因素 答：原理：通过湿度对介电常数的影响从而影响电容的大小通过电压表现出来，建立起电压变化与湿度的关系从而起到湿度传感器的作用；结构：与电容传感器的结构答大体相同不同之处在于电容面板的面积应适当增大使测量灵敏度更好；设计时应考虑的因素还应包括测量误差，温度对测量的影响等

六：实验数据处理 由excle处理后得图线可知：系统灵敏度S= 非线性误差δf=353=% 实验八直流激励时霍尔式传感器位移特性实验 一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。 二、基本原理：霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。 它将被测量的磁场变化（或以磁场为媒体）转换成电动势输出。 根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中 运动时，它就可以进行位移测量。图8-1 霍尔效应原理

传感器测速实验报告(第一组)

传感器测速实验报告 院系： 班级： 、 小组： 组员： 日期：2013年4月20日

实验二十霍尔转速传感器测速实验 一、实验目的 了解霍尔转速传感器的应用。 二、基本原理 利用霍尔效应表达式：U H=K H IB，当被测圆盘上装有N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。 本实验采用3144E开关型霍尔传感器，当转盘上的磁钢转到传感器正下方时，传感器输出低电平，反之输出高电平 三、需用器件与单元 霍尔转速传感器、直流电源+5V，转动源2~24V、转动源电源、转速测量部分。 四、实验步骤 1、根据下图所示，将霍尔转速传感器装于转动源的传感器调节支架上，调节探头对准转盘内的磁钢。 图9-1 霍尔转速传感器安装示意图 2、将+15V直流电源加于霍尔转速器的电源输入端，红（+）、黑（ ），不能接错。 3、将霍尔传感器的输出端插入数显单元F，用来测它的转速。 4、将转速调解中的转速电源引到转动源的电源插孔。 5、将数显表上的转速/频率表波段开关拨到转速档，此时数显表指示电机的转速。 6、调节电压使转速变化，观察数显表转速显示的变化，并记录此刻的转速值。

五、实验结果分析与处理 1、记录频率计输出频率数值如下表所示： 电压（V) 4 5 8 10 15 20 转速（转/分）0 544 930 1245 1810 2264 由以上数据可得：电压的值越大，电机的转速就越快。 六、思考题 1、利用霍尔元件测转速，在测量上是否有所限制？ 答：有，测量速度不能过慢，因为磁感应强度发生变化的周期过长，大于读取脉冲信号的电路的工作周期，就会导致计数错误。 2、本实验装置上用了十二只磁钢，能否只用一只磁钢？ 答：如果霍尔是单极的，可以只用一只磁钢，但可靠性和精度会差一些；如果霍尔 是双极的，那么必须要有一组分别为n/s极的磁钢去开启关断它，那么至少要两只磁钢。

北航_仪器光电综合实验报告_彩色线阵CCD传感器系列实验

2012/4/29

彩色线阵CCD传感器系列实验 实验时间：2012年4月27日星期五 （一）实验目的： 1．了解并学习CCD的使用、驱动原理和功能特性等。 （二）实验内容： 1．本实验共分为以下四个实验部分，主要内容为: 1）线阵原理及驱动 2）特性测量实验 3）输出信号二值化 4）线阵CCD的AD数据采集 （三）实验仪器： 1．双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台， 2．彩色线阵CCD多功能实验仪YHCCD－IV一台 3．实验用PC计算机及A/D数据采集基本软件 （四）实验结果及数据分析： 一、线阵原理及驱动 1）驱动频率与周期 表格 1 驱动频率与周期实验结果

由于对不同驱动频率示值，对应不同驱动频率，当显示数值为0时，f=1Mhz；为1时，f=500Khz；为2时，f=250Khz；为3时，f=125Khz； 对应F1，F2频率始终是驱动信号的8分之一，而RS则为F1，F2频率的2倍； 现象及数据分析：由上图可知，在同一频率档位上，随着积分时间档位的增长，FC周期逐渐增加；对于同一积分档位，考虑到驱动频率间的关系，FC周期恰好成倍数关系； 2）积分时间测量 表格 2 积分时间测量结果 现象及数据分析：由上图可知，在同一频率档位上，随着积分时间档位的增长，FC周期逐渐增加；对于同一积分档位，考虑到驱动频率间的关系，FC周期恰好成倍数关系； 二、特性测量实验 表格 3 输出信号幅度与积分时间的关系0档

对应曲线： 图表 1 输出信号幅度与积分时间的关系0档 表格 4 输出信号幅度与积分时间的关系 1档

图表 2 输出信号幅度与积分时间的关系1档 表格 5 输出信号幅度与积分时间的关系2档

北航自动控制原理实验报告(完整版)

自动控制原理实验报告 一、实验名称：一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试 二、实验目的 1、了解一、二阶系统阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系 2、学习在电子模拟机上建立典型环节系统模型的方法 3、学习阶跃响应的测试方法 三、实验内容 1、建立一阶系统的电子模型，观测并记录在不同时间常数T时的响应曲线，测定过渡过程时间T s 2、建立二阶系统电子模型，观测并记录不同阻尼比的响应曲线，并测定超调量及过渡过程时间T s 四、实验原理及实验数据 一阶系统 系统传递函数： 由电路图可得，取则K=1，T分别取：0.25, 0.5, 1 T 0.25 0.50 1.00 R2 0.25MΩ0.5M Ω1MΩ C 1μ1μ1μ T S 实测0.7930 1.5160 3.1050 T S 理论0.7473 1.4962 2.9927 阶跃响应曲线图1.1 图1.2 图1.3 误差计算与分析 （1）当T=0.25时，误差==6.12%； （2）当T=0.5时，误差==1.32%； （3）当T=1时，误差==3.58% 误差分析：由于T决定响应参数，而,在实验中R、C的取值上可能存在一定误差，另外，导线的连接上也存在一些误差以及干扰，使实验结果与理论值之间存在一定误差。但是本实验误差在较小范围内，响应曲线也反映了预期要求，所以本实验基本得到了预期结果。 实验结果说明 由本实验结果可看出，一阶系统阶跃响应是单调上升的指数曲线，特征有T确定，T越小，过度过程进行得越快，系统的快速性越好。 二阶系统 图1.1 图1.2 图1.3

系统传递函数： 令 二阶系统模拟线路 0.25 0.50 1.00 R4 210.5 C2 111 实测45.8% 16.9% 0.6% 理论44.5% 16.3% 0% T S实测13.9860 5.4895 4.8480 T S理论14.0065 5.3066 4.8243 阶跃响应曲线图2.1 图2.2 图2.3 注：T s理论根据matlab命令[os,ts,tr]=stepspecs(time,output,output(end),5)得出，否则误差较大。 误差计算及分析 1）当ξ=0.25时，超调量的相对误差= 调节时间的相对误差= 2）当ξ=0.5时，超调量的相对误差==3.7% 调节时间的相对误差==3.4% 4）当ξ=1时，超调量的绝对误差= 调节时间的相对误差==3.46% 误差分析：由于本试验中，用的参量比较多，有R1,R2,R3,R4;C1,C2;在它们的取值的实际调节中不免出现一些误差，误差再累加，导致最终结果出现了比较大的误差，另外，此实验用的导线要多一点，干扰和导线的传到误差也给实验结果造成了一定误差。但是在观察响应曲线方面，这些误差并不影响，这些曲线仍旧体现了它们本身应具有的特点，通过比较它们完全能够了解阶跃响应及其性能指标与系统参数之间的关系，不影响预期的效果。 实验结果说明 由本实验可以看出，当ωn一定时，超调量随着ξ的增加而减小，直到ξ达到某个值时没有了超调；而调节时间随ξ的增大，先减小，直到ξ达到某个值后又增大了。 经理论计算可知，当ξ=0.707时，调节时间最短，而此时的超调量也小于5%，此时的ξ为最佳阻尼比。此实验的ξ分布在0.707两侧，体现了超调量和调节时间随ξ的变化而变化的过程，达到了预期的效果。 图2.2 图2.1 图2.3

光电传感器介绍

光电式传感器 1.概述 光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。 2.物理特性 2.1外光电效应 2.1.1光子假设 1887年，赫兹发现光电效应，爱因斯坦第一个成功解释光电效应。爱因斯坦根据普朗克量子假说而进一步提出的光量子，即光子概念，对光电效应研究做出了决定性的贡献。爱因斯坦光子假说的核心思想是：表面上看起来连续的光波是量子化的。单色光由大量不连续的光子组成。若单色光频率为n，那么每个 光子的能量为E＝hv, 动量为。 由爱因斯坦光子假说发展成现代光子论(photon theory)的两个基本点是：

(1) 光是由一颗一颗的光子组成的光子流。每个光子的能量为E = hv，动量 为。由N个光子组成的光子流，能量为N hv。 (2) 光与物质相互作用，即是每个光子与物质中的微观粒子相互作用。 根据能量守恒定律，约束得最不紧的电子在离开金属面时具有最大的初动 能，所以对于电子应有： 2.2 内光电效应 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。 光电效应：当具有一定能量E的光子投射到某些物质的表面时，具有辐射能量的微粒将透过受光的表面层，赋予这些物质的电子以附加能量，或者改变物质的电阻大小，或者使其产生电动势，导致与其相连接的闭合回路中电流的变化，从而实现了光—电转换过程。在光线作用下能使物体电阻率改变的称为内光电效应。属于内光电效应的光电转换元件有光敏电阻以及由光敏电阻制成的光导管等。 2.2.1光电导效应 光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应（又称为光电效应、光敏效应），即光电导效应是光照射到某些物体上后，引起其电性能变化的一类光致电改变现象的总称。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。

自动化传感器实验报告十三 光电转速传感器测速实验

广东技术师范学院实验报告 学院：自动化专业：自动化班级： 08自动化 成绩： 姓名：学号： 组 别： 组员： 实验地点：实验日期：指导教师签名： 实验十二项目名称：光电转速传感器测速实验 一、实验目的 了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。 二、基本原理 光电式转速转速传感器有反射型和透射型两种，本实验装置是透射型的，传感器端部有发光管和光电管，发光管发出的光源通过转盘上开的孔透射后由光电二极管接受转换成电 信号，由于转盘上有相间的6个孔，转动时将获得与转速及孔数有关的脉冲，将电脉冲计数 处理即可得到转速值。 三、需用器件与单元 光电转速传感器、直流电源5V、转动源及2~24V直流电源、智能转速表。 四、实验步骤 1．光电转速传感器已经安装在传感器实验箱（二）上。 2．将+5V直流源加于光电转速传感器的电源端。 3．将光电转速传感器的输出接到面板上的智能转速表。 4．将面板上的0~30V稳压电源调节到5 V，接入传感器实验箱（二）上的转动电源处。 5．调节转动源的输入电压，使转盘的速度发生变化，观察转速表上转速的变化。 电压(V) 5 6 7 8 9 10 11 12 频率 （HZ) 45 60 78 95 113 130 150 169 6．调节转动源的输入电压，使转盘的转速发生变化，把界面切换到示波器状态，观察传感器输出波形的变化。 电压越大，波形越窄。 五、注意事项 1．转动源的正负输入端不能接反，否则可能击穿电机里面的晶体管。 2．转动源的输入电压不可超过24V，否则容易烧毁电机。 3．转动源的输入电压不可低于2V，否则由于电机转矩不够大，不能带动转盘，长时间

北航电涡流传感器实验报告

电涡流传感器实验报告 38030414蔡达 一、实验目的 1.了解电涡流传感器原理; 2.了解不同被测材料对电涡流传感器的影响。 二、实验仪器 电涡流传感器实验模块，示波器:DS5062CE，微机电源:WD990型，士12V，万用表:VC9804A型，电源连接电缆，螺旋测微仪 三、实验原理 电涡流传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，在与其平行的金属片上会感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关，当平面线圈、被测体(涡流片)、激励源确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与距离X有关，将阻抗变化转为电压信号V输出，则输出电压是距离X的单值函数。

四． 实验数据及处理 1.铁片 0.5 1 1.52 2.5 3 3.5 电涡流传感器电压位移曲线—铁片 电压/V 位移/mm

0.5 1 1.5 2 2.53 3.5 电涡流传感器电压位移拟合曲线—铁片 电压/V 位移/mm 其线性工作区为0.6——3.4，对该段利用polyfit 进行函数拟合，可得V=-1.0488X-1.2465 2.铜片

电涡流传感器电压位移曲线—铜片 电压/V 位移/mm 2.2 2.4 2.6 2.83 3.2 3.4 3.6 -6-5.95-5.9-5.85 -5.8-5.75-5.7 -5.65-5.6-5.55-5.5电涡流传感器电压位移拟合曲线—铜片 电压/V 位移/mm 其线性工作区为2.4——3.4，对该段利用polyfit 进行函数拟合，可得V= -0.4500X -4.4667

FPGA实验报告北航电气技术实验

FPGA电气技术实践 实验报告 院（系）名称宇航学院 专业名称飞行器设计与工程（航天）学生学号XXXXXXXX 学生姓名XXXXXX 指导教师XXXX 2017年11月XX日

实验一四位二进制加法计数器与一位半加器的设计实验时间：2017.11.08（周三）晚实验编号20 一、实验目的 1、熟悉QuartusII的VHDL的文本编程及图形编程流程全过程。 2、掌握简单逻辑电路的设计方法与功能仿真技巧。 3、学习并掌握VHDL语言、语法规则。 4、参照指导书实例实现四位二进制加法计数器及一位半加器的设计。 二、实验原理 .略 三、实验设备 1可编程逻辑实验箱EP3C55F484C8 一台（包含若干LED指示灯，拨码开关等）2计算机及开发软件QuartusII 一台套 四、调试步骤 1四位二进制加法计数器 (1)参照指导书实例1进行工程建立与命名。 (2)VHDL源文件编辑 由于实验箱上LED指示灯的显示性质为“高电平灭，低电平亮”，为实现预期显示效果应将原参考程序改写为减法器，且”q1<= q1+1”对应改为”q1<= q1-1”，以实现每输入一个脉冲“亮为1，灭为0”。 由于参考程序中的rst清零输入作用并未实现，所以应将程序主体部分的最外部嵌套关于rst输入是否为1的判断，且当rst为1时，给四位指示灯置数”1111”实现全灭，当rst为0时，运行原计数部分。 (3)参照指导书进行波形仿真与管脚绑定等操作，链接实验箱并生成下载文件 (4)将文件下载至实验箱运行，观察计数器工作现象，调试拨动开关查看是否清零。 可以通过改变与PIN_P20（工程中绑定为clk输入的I/O接口）相连导线的另一端所选择的实验箱频率时钟的输出口位置，改变LED灯显示变化频率。 并且对照指导书上对实验箱自带时钟频率的介绍，可以通过改变导线接口转换输入快慢，排查由于clk输入管脚损坏而可能引起的故障。

传感器设计实验―光电测转速

光电式传感器测转速实验报告 ——传感器与检测技术 班级：1321202 专业：测控技术与仪器学号：201320120209 姓名：林建宇

1.实验目的： 1）掌握利用光电传感器进行非接触式转速测量的方法； 2）掌握测量和显示电路的设计方法； 3）了解光电式传感器以及示波器的使用方法。 2.实验基本原理： 光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的(光电断续器也称光耦)，传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的6个孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，脉冲经处理由频率表显示ｆ，即可得到转速ｎ=10f。实验原理框图如下图所示。 光耦测转速实验原理框图 3.需用器件与单元： 主机箱中的直流稳压电源、示波器、电压表、频率\转速表；转动源、光电转速传感器—光电断续器(已装在转动源上)。 4.实验步骤： （1）、按图1所示接线，并且接上示波器，将直流稳压电源调到10V档。

图1、光电传感器测速实验接线示意图 （2）、检查接线无误后，合上主机箱电源开关，调节电机控制旋钮，F/V表以及示波器就会显示相应的频率f，计算转速为n=10f。实验完毕，关闭主、副电源。 5、实验结论与总结 组数 1 2 3 4 5 6 仪器频率108 133 166 186 232 373 示波器频率106.083 134.913 167.949 188.170 232.125 373.892 转速1080 1330 1660 1860 2320 3730 （注：转速单位为转/分钟） 平均误差?△=∑△i/6 (i=6) ?△≈0.855 σ≈1.070 总结：通过计算可知标准差较小，仪器准确率较高。由仪器和示波器所测的两种频率，其中示波器所显示的为标准值。根据上面实验观察到的波形，由于孔所占比例小，所以方波的高电平比低电平要宽。光电式传感器测转速方法简单，易于实现。

北航17系光电子实验报告实验5讲解

光电子技术实验报告

实验五光电池特性实验 一．实验目的： 1．学习掌握硅光电池的工作原理。 2．学习掌握硅光电池的基本特性。 3．掌握硅光电池基本特性测试方法。 二．实验原理： 光电池是一种不需要加偏置电压就能把光能直接转换成电能的ＰＮ结光电器件，按光电池的功用可将其分为两大类：即太阳能光电池和测量光电池，本仪器用的是测量用的硅光电池，其主要功能是作为光电探测，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号。 图（20）图（21）如图（20）所示为2DR型硅光电池的结构，它是以P型硅为衬底（即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镓等），然后在衬底上扩散磷而形成N型层并将其作为受光面。如图（21）所示当光作用于PN结时，耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向N区和P区运动，在闭合电路中将产生输出电流IL,且负载电阻RL上产生电压降为U。显然，PN结获得的偏置电压U与光电池输出电流IL与负载电阻RL有关，即U=IL?RL，当以输出电流的IL为电流和电压的正方向时，可以得到如图（22）所示的伏安特性曲线。

图（22）图（23）光电池在不同的光强照射下可以产生不同的光电流和光生电动势，硅光电池的光照特性曲线如图（23）所示，短路电流在很大范围内与光强成线性关系，开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和，因此，把光电池作为测量元件时，应把它当作电流源来使用，不宜用作电压源。 硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线如图（25）所示，不同的光电池其光谱峰值的位置不同，硅光电池的在800nm附近，硒光电池的在540nm附近，硅光电池的光谱范围很广，在450～1100nm之间，硒光电池的光谱范围为340～750nm。 图（24）图（25）光电池的温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况，由于它关系到应用光电池设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等主要指标，光电池的温度特性如图（24）所示。开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加，因此，当使用光电池作为测量元件时，在系统设计中应考虑到温度的漂移，并采取相应的措施进行补偿。 三．实验所需部件： 两种光电池、各类光源、实验选配单元、数字电压表(4 1/2位)自备、微安表（毫安表）、激光器、照度计（用户选配）。