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2PSD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 Sλ=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：θθθWW BC AB B H ≈===2sin22sin横向莫尔条纹的斜率 ：2tantan θα= 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。