第一篇 基础理论与技术实验

本篇包括第1～8章，介绍各种光电传感器（分立与集成）、光学系统、光源、光纤与光纤传感器等的实验，可充分调动学生的主观能动性，提倡动脑思索，动手操作，独立自主地完成各种实验。每个实验几乎都安排了一定数量的思考题或讨论题，目的是让学生做实验之前能够充分认识实验，掌握通过实验应该解决的问题和完成实验后能否联想出更有价值的知识。

本篇内容丰富，其中很多实验具有重要的应用价值，作者有意将其实验过程与调试中遇到的问题进行详细的介绍，目的是使读者能够通过实验掌握其中的精华，扩展应用面。希望读者能够通过这些实验充分认识光电信息所涵盖的内容和它的影响力。

第0章 光电信息实验的预备知识

0.1 光电信息方向的实验室

1．实验室的基本要求

光电信息实验涉及光学内容，应该在具有暗室条件的实验室内进行；光电系统处理的光信息常常比较微弱，在明亮的实验室很难观测与调试，需要在暗室里观测与调节系统；为排除背景辐射与人员晃动等扰动对光电系统的影响，也应该配备暗室条件。

暗室还要配备便于控制的照明光源（如LED照明灯等），以便在调试过程中，观看与记录数据。当然，照明光源又应该以不影响相邻实验设备为最佳。

光电实验室的供电电源（室内用电）必须可靠接地，确保仪器设备与实验人员的安全。绝对不能用双线供电的不安全电源，它不能保证仪器设备的安全运转，尤其是微电子设备比较脆弱，容易受突变电磁场的冲击，良好的接地能够确保设备与操作人员的安全。

光学器件与精密设备的保存环境要求很高，受潮后容易“发霉”或“生锈”，都将降低它们的性能或受到损毁。因此，光电实验室要对湿度有一定的要求，应将长期不用的光学元器件放入密闭的“干燥皿”内。当然，安装除湿控温设备更好。

2．实验仪器与设备

光电信息技术的实验涉及很多学科，内容极其丰富。例如，光电检测与控制技术方向、光电子方向、光通信方向、机器视觉技术方向、光谱分析和太阳能光电技术方向等。一些学校将光电信息专业分成若干个专门化，为适应各个不同专业与专门化，设置很多实验室，开出的实验项目更多，本书用9章篇幅都不能将其全部介绍出来。光电信息技术方面的实验仪器与设备更多，而且正在迅速发展，教学的需要是实验设备生产厂商为之奋斗的动力。这些仪器设备丰富了光电信息实验教学内容，有利于教学工作的展开。但是，仪器设备的设计思路不同，设备差异很大，现存两种截然不同的设计思路。

一种是以厂家工程技术人员为主导，把整个实验系统拆分成若干个“模块”或“组件”，规定了用户的装配程序和步骤，并以实验指导方式向学生介绍接线或“用法”，学生通过简单的连接便能组装成各种实验系统，这种实验设备的特点是各组实验结果数据一致性很好，操作简便，易于管理。本可由学生通过实验得到的动手锻炼的工作被厂家技术人员做了，使学生失去了锻炼与思索机会，造成他们动手、动脑能力不强，他们只能观看到实验现象而不能体会搭建过程遇到的各种困难，没有动脑思索的空间和利用书本知识分析问题产生的原因与探索解决困难的方法，更不能体会通过各种努力最终完成实验的乐趣。用这样实验设备培养出来的学生动手、动脑能力低下，对理论知识认识浅薄，不受企业欢迎。

另一种是在“自设实验题目，自搭实验系统”的新实验室建设理念指导下产生的实验教学仪器设备，本书介绍的“光电综合实验平台”就是这种新理念的代表作品。

0.2 光电综合实验平台简介

光电综合实验平台的设计思想是以如何提高学生的动手、动脑能力，学到扎实的基础知识与基本技能为前提，以综合各种基本光电技术实验的一机多能为出发点设计的专利产品。它为光电信息方向各类专业的学生提供了动手搭建各种实验系统的基本器材与条件，使学生能在各种实验教学指导书所提供的原理、步骤与方法指导下自主完成各种实验系统的搭建、调试与数据采集工作，使学生动手、动脑能力得到充分的提高。

目前，由天津市耀辉光电技术有限公司研发并生产的专利产品主要有GDS-Ⅱ、GDS-Ⅲ与GDS-Ⅳ等三种型号的光电综合实验平台，其外形分别如图0.1-1、图0.1-2和图0.1-3所示。

这三款光电综合实验平台的外形结构有很大差异，但是它们具有很多共同的特点（共性），也存在着许多不同的功能与特色（个性）。

1．共性

①它们都是光、机、电和算有机结合的教学实验仪器。只是GDS-Ⅳ型平台内部没有计算机系统，它必须外接计算机才能完成各种实验。它们内部都具有高速A/D数据采集系统。

②它们都配有光学平台（组装光学系统的部分），在其上能够通过磁性表座或其他类型的夹持装置将各种光学元器件、光电传感器及其他固定与调整装置组装成实验系统。

③平台上安装有独立电源的数字电压表、电流表和照度计等数字仪表。这些数字仪表的量程都能够通过按键开关进行切换、扩展量程，用来测量电路任意部位的电气参数（电压或电流）与光度参数，提高学生电子测量技术水平。

④具有电子元器件组装平台，其上安装有相当数量的有源与无源电子器件，为组装、调试各种光电变换电路提供便利条件，提高学生搭建电路的能力。

⑤具有阶梯波、锯齿波与方波发生信号的输出端口，供光电信息技术实验所用。还有+12V、+5V（仪器上标注VCC）等搭建电路常用的电源和0～+200V连续可调的稳压电源，以便满足特种光电传感器（如雪崩光电二极管）特性测量与应用实验的需要。

⑥具有虚拟示波功能与伏安特性图示的功能，便于在光电技术实验过程中观察各部分电路的工作波形，检测电气参数，观察各种光电传感器件的伏安特性曲线与时间响应特性曲线。

⑦仪器内部安装有高速A/D数据采集系统，能够方便地与各种具有USB接口的计算机构成各种功能的数据采集系统，完成单元光电传感器以及集成图像传感器（如线阵与面阵CCD传感器）的原理、应用方面的数据采集工作。

⑧仪器内部提供 DEMO 演示软件与SDK 开发软件包，便于学生与教师利用该平台完成各种自设实验题目的设计、科技开发和创新研究课题所需要的软件支持。DEMO演示软件为学生与教师利用该平台开发设计提供示例，SDK 开发软件包将为他们提供利用系统采集的数据进行后续开发设计工作。

⑨具有易损易换电子元器件盒，盒内安装有各种有源易损与易换器件，它既为光电变换实验电路提供所用的三极管、二极管与集成放电器等有源器件，又为更换其他任意类似器件提供方便，因为它们被安装在容易插拔的管座中。还为测试与扩充所用器件的种类提供便利条件。例如，生产厂商无法提供给用户市场所有的器件，灵活的接插件为用户提供了所有的需要，只要将需要测试的器件替换上就能够利用平台的其他资源进行测试与实验工作。

⑩ 易损易换盒内还装有现场可编程逻辑电路（EPM7064）及其开发系统，并且将有用的I/O 口连接到平台工作面上的插孔中，可以利用专用配件（开发接口板及连接线）与QuaterⅡ或maxplusⅡ软件对I/O 口进行编程、设计与开发，再利用示波器等仪器对所设计的I/O 口进行观测与分析，检查所编逻辑电路的正确性，或为后续电路提供信号源。

⑪ 正因为它们具有⑤、⑥、⑦、⑧、⑨和⑩六种功能，才使它不仅是实验、实训教学的设备，还能够用来做课程设计、毕业设计和其他光电信息方面创新设计的“样机”或做科技开发设计的“母机”。

⑫实验平台上还安装有很多无源电子器件，如各种阻值的电阻、电位器（或可变电阻）与电容，为实验过程中调试电路参数提供便利条件。

⑬ 仪器提供几十条长短不一的易插连接导线、弹性插头与插座等级联结构，利用它们能够完成各种电路的搭建、调试与参数测试工作。

2．个性

①GDS-Ⅱ型光电综合实验平台的光学平台面积较大，能够组装更为复杂的光电系统，完成更多功能的实验，是最为理想的实验教学平台。

②GDS-Ⅲ型光电综合实验平台的光学平台面积较Ⅱ型小，在其上所能组装（或搭建）的光电系统种类也比Ⅱ型稍微少一些，但是，基本够学生搭建光电信息实验和设计系统所用。

③GDS-Ⅳ型光电综合实验平台的光学平台是导轨方式的，因此，它只能搭建简单的沿直线分布的光电系统，而不能像Ⅱ、Ⅲ型平台那样搭建出平面分布的复杂光电系统。它是为那些偏向于电学知识要求较多专业（如测控专业）而设计的简易型。

④电子元器件的配置数量也不相同，Ⅱ型最多，Ⅳ型最少，当然它所能完成的实验内容也与型号有关。

⑤Ⅱ、Ⅲ型平台内部均装有相关应用软件与SDK开发软件的计算机系统，不必再配备其他计算机系统等外设，而Ⅳ型平台内部没有计算机，它只能通过USB接口与外部计算机相连接。如图0.1-3所示为Ⅳ型平台与笔记本计算机共同完成光电传感器伏安特性测量实验的情况。在使用外部计算机之前必须首先安装实验软件。

3．相关配件

为了能够帮助学生利用光电综合实验平台搭建出更多的实验系统，完成更多的实验内容，平台配备有很多相关配件。配件种类很多，这里分类介绍重点配件。

（1）光源类

光源类配件内容很多，如各种颜色的LED光源、远心照明光源和激光光源（气体与半导体）等。

①LED光源具有一定的单色性，而且，它的亮度与工作电流有较好的线性关系，利用该特性可以做成近似的“线性”光源完成相关光电实验。

②远心照明光源是几何量测量的重要光源，很多光电检测系统都有它的参与。

③激光更是重要光源之一，它具有很多优良特性。激光的种类、名称与它的工作物质、输出光的方式和形状等相关，将在本书中有关章节详细介绍。

（2）光学元器件

光学元器件包含各种焦距的正、负透镜，反光镜，分光镜，棱镜，显微目镜，牛顿环和保罗棱镜等光学元器件，这些光学元器件为完成现代光学实验提供基本器材。

（3）各种夹持器

所有的光学元器件都需要夹持器夹持，光电器件也需要夹持器才能将其构建成系统，这些夹持器在搭建光电实验系统中起到重要的作用。夹持器的种类也很多，将分别在有关实验中详细说明。

（4）安装、固定与调整机构

利用安装、固定与调整机构完成实验系统的搭建、固定位置与调整参数，使学生搭建出的系统满足实验指导书的要求。

（5）实验装置

在搭建实验系统过程中，可能会遇到很难搭建的复杂系统，花费的时间和精力是实验学时所不允许的，为此企业将这些内容设计成相应的“实验装置”或专用的实验仪器，通过这些装置或仪器的配合才能完成以动脑、动手为目的的实验。实验装置或仪器的种类和内容都很多，分别安排在各个实验内容中介绍。

4．设备结构及功能

利用平台或在其上能够搭建出多种类型的实验，表现出它的平台特性。熟悉它的结构为利用它搭建各种实验系统提供方便。

如图0.1-4所示为光电综合实验平台的结构图，各部分功能介绍如下。

①计算机系统。它是一台完整的计算机，主机装于仪器内部，显示器与鼠标、键盘等置于仪器外部，构成整体性强的仪器系统。它能够独立完成所有微型计算机的功能。

②光学平台。由导磁不锈材料构成，其上以矩阵方式分布着很多M6螺孔（为安装各种光学部件所用），通过这些螺纹孔与磁性表座等器材能够搭建出各种实验系统。

③数字仪表平台。数字仪表包括数字电压表、数字电流表和数字照度计，它们都具有独立电源的特性，可以对电路中的任何部位进行测量，不会影响被测电路。数字照度计可以自动切换量程，其探头较小易于测量实验过程中的各种光度量。

④电子元器件平台。包括无源器件电阻、电容与可变电阻等，有源器件二极管、三极管和集成放大器等都通过Φ 2插座引出到电子元器件平台上，供搭建电路所用，其容值与阻值均标注在插孔处，方便选用。有源器件均插在“易损易换盒”内的插座中，既便于将损坏的器件换掉又方便采用更多其他功能的元器件进行实验。

⑤计算机数据采集板。计算机数据采集板含有波形发生器、多路并行数据采集系统、线阵CCD和面阵CCD图像采集卡等。它能够与计算机软件系统构成多种功能的“虚拟仪器”，例如，各种传感器的伏安特性图示仪、图像采集与图像分析仪等。因为有了它才使仪器具有综合实验平台之称。

⑥现场可编程逻辑电路。将CPLD安装于平台易损易换盒内，并通过编程专用工具和QuaterⅡ软件写出设计电路，利用引出到面板上的I/O插孔引出，再利用电子元器件平台上提供的有源、无源器件与电源搭建后续电路将其放大到负载所需要的程度，完成各种功能。

0.3 光电信息实验基本规则

为确保光电信息技术实验的顺利进行，保障人身安全，避免损坏设备，要求实验人员必须严格遵守下述实验规则与注意事项，在教师的指导下有秩序、按步骤地进行。

①在实验之前，实验人员必须阅读实验指导书所要求的实验基础知识，并阅读必要的参考资料。明确实验目的，了解实验内容及步骤，有条件者最好带着习题与思考题中的问题进行实验。

②必须严格按照指导教师制定的步骤进行实验，不得自行更改实验系统或实验电路，如果确实需要变更，应该及时请教指导教师，征得同意后方可实施。否则，可能会损坏实验仪器或配件，由此造成的损失自负。

③要爱护实验仪器、示波器和计算机等实验设备，不允许将其他不相关的仪器在未经指导教师许可的情况下与实验仪器进行连接。

④所有与实验仪器相关的线缆，如电源线、示波器的地线、计算机与实验仪器的USB数据线等，应该在断电情况下进行连接，严禁带电插拔连接线缆。

⑤应集中精力，认真按实验指导教师规定的内容与操作步骤进行实验，不要随心所欲无计划无目的地进行实验。

⑥在实验过程中如果遇到突发事故（跳闸断电等）或者出现异常现象时应立即切断实验设备的电源，并及时报告指导教师，征询解决办法，不允许自做主张、自行处置。否则，应承担由此引起的相关责任。

⑦所有实验设备都应当有良好的接地线，并在确保接地线连接良好的情况下方能开机上电。

⑧做每个实验之前都应该认真预习实验指导书的提示内容，特别注意实验所需设备、配件、实验原理、实验步骤和讨论等内容，尤其在需要临时进行拆装、改造实验装置时更应该按照实验指导书中规定的步骤与方法进行。

⑨应该仔细阅读实验指导书后面的附录，附录内容包括“实验设备使用说明书”、“部件说明书”、“软件使用说明书”等，它是完成实验并使之达到实验目的的重要参考资料，必须事前阅读有关部分。

⑩ 每节实验课结束时都要将实验仪器设备回复到初始状态，关掉电源（简称关机）。在关机时一定要注意观察实验设备中是否含有计算机系统，凡是有计算机系统的实验设备都要首先将“执行的软件”退出后再执行“关机”操作，待计算机系统确实关掉后再关掉其他电源及总电源，以免造成因其他设备的关断而产生“技术死机”，耽误时间。

⑪ 认真完成实验报告，写实验报告的过程是帮助消化吸收的过程，是掌握真知的重要步骤。实验报告除记录实验内容、步骤、现象、数据与结论外，还应该总结自己在搭建实验系统中遇到的问题和解决问题所采用的方法。养成每做完一项实验就要认真做好实验总结与报告的习惯，实验报告中除老师规定的内容外还应该有自己的心得体会和所取得的进步。

上述实验规则与注意事项，是通过实验提高动脑、动手能力的保证，希望每个有志青年努力学好光电信息技术，为我国光电事业的发展，为人类文明程度的提高做出贡献。