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实验1 LED 光源I —P 特性曲线测试发光二极管简称LED （Lifght Emitting Diode ），是目前比较常用的半导体光源。
它的输出光功率（P ）随驱动电流（I ）的变化而变化。
因此测量LED 光源的I —P 特性曲线具有非常重要的理论意义和工程应用意义。
一、实验原理1、LED 光源的结构及发光机理LED 光源是一种固态P —N 结器件，属冷光源，其发光机理是电致发光。
在电场作用下，半导体材料发光是基于电子能级跃迁的原理。
当发光二极管的P —N 结上加有正向电压时，外加电场削弱内建电场，使空间电荷区变窄，裁流子扩散运动加强。
由能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级向低能级跃迁，同时电子将多余的能量以光子的形式释放出来，产生电致发光现象。
光子能量大小取决于半导体材料的禁带宽度E g (E g ＝E 1－E 0)，能量越大，发出光波的波长就越短，即gE hc =λ （1-1）其中c 为光速，h 为普朗克常数。
另外，LED 光源发出的光谱有一定的宽度。
这是因为：第一、两个能带都有一定宽度，所以跃迁的起点、终点都有一定范围，导致了光谱具有一定宽度；第二、实际上半导体内的复合是复杂的，除了本征复合（电子直接从导带跃迁到价带，与电子复合，同时发射出光子）之外，还存在导带与杂质能级、价带与杂质能级及杂质能级之间的跃迁。
本实验仪采用的LED 光源中心波长为0.89μm 。
2、PIN 型光电二极管的结构和工作原理光电二极管通常是在反向偏压下工作的光效应探测器。
光电二极管的基本结构是PN 结。
外加反偏电压方向与PN 结内电场方向一致，当PN 结及其附近被光照射时就产生光生载流子，光生载流子在热垒区电场作用下漂移过结，参与导电。
当入射光强变化时，光生载流子浓度及通过外电路的光电流也随之变化，这种变化特性在入射光强很大的范围内保持线性关系，从而保证了光功率在很大范围内与电压有如下线性关系p ＝kU （1-2）其中P 为光功率，U 为PN 结端电压，k 为比例系数。
实验四光纤传感器————位移测量实验目的1、光纤位移传感器的结构与工作原理。
2、光纤传感器的输出特性曲线。
实验原理反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。
其原理如图1所示：光纤采用Ｙ型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。
光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。
当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。
显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。
随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。
图2所示就是反射式光纤位移传感器的输出特性曲线，利用这条特性曲线可以通过对光强的检测得到位移量。
反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。
图1 反射式位移传感器原理图2 反射式光纤位移传感器的输出特性实验所需部件：光纤（光电转换器）、光电传感器模块、{光纤光电传感器实验模块}、支架、电压表示波器、螺旋测微仪、反射镜片实验步骤：1、观察光纤结构：本实验仪所配的光纤探头为半圆型结构，由数百根导光纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。
2、连接主机与实验模块电源线及光纤变换器探头接口，光纤探头装上通用支架（原装电涡流探头），{探头支架}，探头垂直对准反射片中央（镀铬圆铁片），螺旋测微仪装上支架，以带动反射镜片位移。
端接电压表，首先旋动测微仪使探头紧贴反射镜片（如3、开启主机电源，光电变换器V输出≈0，然后旋动测微仪，两表面不平行可稍许扳动光纤探头角度使两平面吻合），此时V使反射镜片离开探头，每隔0.2mm记录一数值并记入下表：位移距离如再加大，就可观察到光纤传感器输出特性曲线的前坡与后坡波形，作出V-X 曲线，通常测量用的是线性较好的前坡范围。
光纤传感器位移特性实验报告一、实验目的：了解反射式光纤位移传感器的原理与应用。
二、实验仪器：光纤位移传感器模块、Y型光纤传感器、测微头、反射面、直流电源、数显电压表。
三、实验原理：反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。
其原理如图36-1所示：光纤采用Ｙ型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。
光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射面，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接收到的光源与反射体表面的性质及反射体到光纤探头距离有关。
当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。
显然，当光纤探头紧贴反射面时，接收器接收到的光强为零。
随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。
反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。
图36-1 反射式光纤位移传感器原理图36-2 光纤位移传感器安装示意图四、实验内容与步骤1．光纤传感器的安装如图36-2所示，将Y型光纤安装在光纤位移传感器实验模块上。
探头对准镀铬反射板，调节光纤探头端面与反射面平行，距离适中；固定测微头。
接通电源预热数分钟。
2．将测微头起始位置调到14cm处，手动使反射面与光纤探头端面紧密接触，固定测微头。
3．实验模块从主控台接入±15V电源，打开实验台电源。
4．将模块输出“Uo”接到直流电压表（20V档），仔细调节电位器Rw使电压表显示为零。
5．旋动测微器，使反射面与光纤探头端面距离增大，每隔０.1ｍｍ读出一次输出电压Ｕ值，并记录。
五、数据记录与分析1、数据记录表格X（mm）0.10.20.30.40.50.60.70.80.9 1.0Uo(V)0.080.180.280.400.520.640.750.870.97 1.06光纤传感器位移特性曲线X/mmU o /VX /mmU o /V光线位移传感器特性曲线2、用matlab 绘制的X -Uo 曲线图3、由上图知光纤传感器大致的线性范围为：0.3mm -0.9mm4、灵敏度和非线性误差的计算拟合直线y = p1*x + p2 p1 = 1.1194 p2 = -0.040667 由图读出Δm=0.0376 故 灵敏度S ＝ΔU/ΔX =p1=1.1194v/mm非线性误差δf =(0.0376/1.06) ×100％=3.54%六、实验报告1．根据所得的实验数据，确定光纤位移传感器大致的线性范围，并给出其灵敏度和非线性误差。
实验一 金属箔式应变片——全桥性能实验一、实验目的了解全桥测量电路的优点二、基本原理全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。
当应变片初始阻值R1=R2=R3=R4、其变化值1234R R R R ∆=∆=∆=∆时，其桥路输出电压3o U EK ε=。
其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差都得到了改善。
三、实验器材主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。
四、实验步骤1.根据接线示意图安装接线。
2.放大器输出调零。
3.电桥调零。
4.应变片全桥实验数据记录如下表所示： 重量（g ） 0 20 40 60 80 100 120 140 电压（mv ）20.140.160.480.8100.8121.1141.2实验曲线如下所示：分析：从图中可见，数据点基本在拟合曲线上，线性性比半桥进一步提高。
5.计算灵敏度S=U/W ，非线性误差δ。
U=141.2mv ， W=140g ； 所以 S=141.2/140=1.0086 mv/g;m∆=0.1786g，y F S=140g，δ=⨯=0.1786/140100%06.利用虚拟仪器进行测量测量数据如下表所示：重量（g）0 20 40 60 80 100 120 140电压（mv）-1.1 19.6 40.4 61.1 81.7 102.4 122.0 142.0 实验曲线如下所示：五、思考题1.测量中，当两组对边电阻值R相同时，即R1=R3，R2=R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以；（2）不可以。
答：（2）不可以。
2.某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，能否及如何利用四组应变片组成电桥，是否需要外加电阻。
答：能够利用它们组成电桥。
对于左边一副图，可以任意选取两个电阻接入电桥的对边，则输出为两倍的横向应变，如果已知泊松比则可知纵向应变。
对于右边的一幅图，可以选取R3、R4接入电桥对边，则输出为两倍的纵向应变。
光纤传感基础实验数据光纤传感是一种利用光纤作为传感元件的技术，在现代通信和传感领域具有广泛的应用。
光纤传感基础实验是学习光纤传感原理和技术的重要环节，通过实验可以获取光纤传感的基础数据，进一步理解光纤传感的工作原理和性能特点。
一、实验目的光纤传感基础实验的主要目的是通过测量和分析，获取光纤传感的关键性能指标，包括传感器的灵敏度、分辨率、线性度、动态范围等。
通过实验数据的获取和分析，可以评估光纤传感器的性能，为后续的应用和研究提供依据。
二、实验装置本次实验使用的光纤传感装置主要包括光源、光纤传感器、光纤连接线和光功率计。
光源产生光信号，经过光纤传输到光纤传感器，传感器将光信号转换为电信号并输出，光功率计用于测量光信号的功率。
三、实验步骤1. 连接光源和光纤传感器：将光源的输出端口与光纤连接线相连，再将光纤连接线的另一端连接到光纤传感器的输入端口。
确保连接牢固，避免光信号损失。
2. 连接光纤传感器和光功率计：将光纤传感器的输出端口与光纤连接线相连，再将光纤连接线的另一端连接到光功率计的输入端口。
确保连接牢固，避免光信号损失。
3. 设置光源功率：调节光源的功率，使其输出符合实验要求。
根据具体实验需求，可以调节光源的功率大小，观察其对光纤传感器输出的影响。
4. 测量光纤传感器输出：使用光功率计对光纤传感器输出的光信号进行测量，记录测量值。
通过改变光源功率或其他实验参数，可以获得不同的光纤传感器输出数据。
5. 分析实验数据：根据测量数据，计算光纤传感器的灵敏度、分辨率、线性度等关键性能指标。
通过对数据的分析，评估光纤传感器的性能。
四、实验结果与讨论根据实验数据的分析，可以得出光纤传感器的性能评估结果。
比如，灵敏度是指光纤传感器输出的电信号对光信号变化的响应程度，可以通过测量光纤传感器输出电信号的变化幅度来评估。
分辨率是指光纤传感器能够分辨的最小光信号变化量，可以通过测量光纤传感器输出电信号的噪声水平来评估。
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数光纤传感器使用非常简单，仅仅需要执行以下四个步骤：（1) 插入感温光缆必须正确插入感温光缆的连接头到设备中。
感温光缆连接头类型为FC/APC。
插入光缆插头时，请注意将插头上的突起对准插孔的凹坑，然后再拎紧螺纹，如下图所示：当连接器从适配器上取下时，请将保护帽盖上，避免灰尘进入，影响系统性能。
（2) 设备上电上电前，先连接好键盘、鼠标、VGA显示器。
电源要求：交流220V, 50Hz连接电源线到电源插座。
.连接电源后，系统自动开机并运行程序。
（3) 等待系统自检完成设备上电后，软件自动加载并运行。
软件运行后自动开始检测，检测过程中在状态栏中显示：系统自检…，自检完毕后显示：正常采集（4) 查看光缆温度和光谱切换到温度曲线图，查看光缆的实时温度。
切换到光谱曲线图，查看光缆的光谱信号。
1 软件操作3.1 软件主界面3.2 启动采集点击菜单“系统|开始采集”，或点击工具栏中的“开始采集”按钮。
可以通过设置“应用参数”，设置成软件启动后自动进行采集。
3.3 停止采集点击菜单“系统|停止采集”，或点击工具栏中的“停止采集”按钮。
3.4 状态栏信息第1栏：显示系统的当前工作状态。
系统自检时显示：系统自检…正常工作是显示：正常采集第2栏：显示当前正在采集的通道号和采集时间第3栏：调试信息3.5 光谱曲线在通道下拉框中选择通道号，在曲线类型下拉框中选择“光谱曲线”：光谱曲线图中有三条曲线：红色曲线：斯托克斯信号曲线；蓝色曲线：反斯托克斯信号曲线；绿色曲线：反斯托克斯/斯托克斯的比值曲线；纵坐标为信号强度，电压值；横坐标为测量位置点。
前面250点左右为设备内部光纤的信号，后面的为测量光纤的信号。
© 吉首大学实践教学系列SERIES OF PRACTICAL TEACHING OF JISHOU UNIVERSITY学生实验报告实验预习一、实验目的1熟悉反射式强度处调制光纤位移传感器的工作原理；2、掌握光纤位移传感器测量位移的方法。
二、实验设备光纤（光电转换器〉、光纤光电传感器实验模块、电压表、示波器、螺旋微仪、反射镜片三、实验原理图反射式光纤传感器工作原理如图所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤合并于一端组成光纤探头，一束作为接收，另一束为光源发射，近红外二级管发出近红外光经光源光纤照射至被测物，由被测物反射的光信号经接收光纤传输至光电转换器件转换为电信号，反射光的强弱与反射物与光纤探头的距离成一定的比例关系，通过对光强的检测就可得知位置量的变化。
反射式光纤位移传感器原理图及输出特性曲线四、主要实验步骤1观察光纤结构：本实验仪所配的光纤探头为半圆型结构，由数百根导光纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。
2、连接主机与实验模块电源线及光纤变换器探头接口，光纤探头装上探头支架，探头垂直对准反射片中央（镀铬圆铁片），螺旋测微仪装上支架，以带动反射镜片位移。
3、开启主机电源，光电变换器Vo端接电压表，首先旋动测微仪使探头紧贴反射镜片（如两表面不平行可稍许扳动光纤探头角度使两平面吻合），此时Vo输出~ 0。
然后旋动测微仪，使反射镜片离开探头，每隔.0.2mm记录一数值并记入表格。
指导老师签字!■------- L _ i L 」一J位移0 12 3 4 5 6 7mm接收光纤光淹光纤六、结果分析及问题讨论（分析实验结果与理论值之间误差产生的原因，及改善办法）光纤传感器位移/输出电压（信号）曲线的形状取决于光纤探头的结构特性，但是输出信号的绝对值却是被测表面反射率的函数，为了使传感器的位移灵敏度与被测表面反射率无关，可采取归一化过程，即将光纤探头调整到位移/输出曲线的波峰位置上，调整输人光使输出信号达到满量程，这样就可对被测量表面的颜色、灰度进行补偿。
少年易学老?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谱特性、光电特性、温度特性等二十余种实验。
并可根据实验原理自主开发岀更多的实验内容。
实验仪主要由实验工作台、信号控制及仪表显示、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光电位宜传感器、CCD电荷图象传感器、位移平台、光电器件安装板、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，不同的二极管光谱范用是不同的。
2、光敏三极管：具有NPN或PNP结构的半导体光敏管，引岀电极二个，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，英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，光谱响应范困在50-100u m光波长之间。
5、光断续器：透过型的红外发射-接收器件。
6、光纤传感器：导光型红外发射-接收传感器，可测位移、转速、振动等。
7、PSD光电位垃传感器:一维半导体光点位置敏感传感器,测试范围W 10mm, 灵敏度M 0.0 lmm.8、CCD电荷耦合图象传感器：物体轮娜与图象监测，光敏而尺寸4mmx3・5mm。
9、热释电红外传感器：工作范郦皮长5〜10叫红外光，探测距离N5m。
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。
温度源：电加热器，温升W100C。
光源：12V安全电压，高亮度卤铸灯：各色髙亮度LED发光管。
慢速电机：控速电机及遮温叶片组成。
位移装置：位移范围25mm,精度lpm。
旋转电机：转速0-2400转/分。
光纤传感器在位移测量中的应用一、实验目的：了解光纤传感器在位移测量中的应用。
二、实验内容：光纤传感器是利用光纤对光的传播作用，即由光纤信息传输回路与光检测元件组成测量系统的CSY系列传感器系统综合实验仪，该仪器光纤采用Y型结构，如图4所示。
图4 光纤位移传感器工作原理图5 光纤位移传感器X-V关系曲线通过光源光纤的传输，光射到被测物体时，由于入射光的散射作用被反射体反射进入接收光纤的光强减弱了，输出的光强与反射体(即被测物体)与光纤探头的距离ΔX有关，光电转换器将接收到的光能转换为电压信号在一定范围内，其输出电压与位移是线性关系，曲线如图5所示（ΔX<2时）。
这种传感器已被用于非接触式微小位移量和表面粗糙度测量等方面。
三、实验要求：1．光纤传感器接线要牢靠。
2．光纤勿折成锐角曲折。
3．光纤不可互换，光纤传感器与综合试验仪相互对号配合使用。
四、实验装置：同实验一。
五、实验步骤：1．取下原来安装在传感器支架上的电涡流激励线圈，在该支架上装好光纤探头，探头对准镀铬反射片(即电涡流传感器试验中使用过的圆形金属片)。
2．建立振动台与测微头的磁性联结，光电变换器Vo与电压表IN相接，开启电源。
转动测微头，使光纤探头端面紧贴反射镜面，此时Vo输出为最小(由于仪器精度问题不一定为零)。
然后旋动测微头，使光纤探头向离开反射镜面的方向移动，每移动0.25mm读取光电变换器的输出Vo电压值填入表内。
六、实验数据及处理：1．使用实验仪实时采集实验数据并绘制光纤位移传感器的X-V关系曲线2．分析光纤位移测量系统的X—V曲线，选择该曲线的适宜区域作为位移检测的工作曲线，并计算出本光纤位移测量系统的灵敏度解：在区间（0，1）内线性度较好，适合作为位移检测工作曲线在区间（0，1）内，灵敏度S=0.630V/mmV=0.63X+2.2873．给出本光纤位移测量系统的推荐量程解：因为曲线在区间（0，1）内线性度较好，且灵敏度高所以推荐量成为（0，1）单位：mm七、思考题：该位移测量系统中使用的光纤传感器属于功能型光纤传感器吗？为什么？答：不是，因为功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出被测信号。
光纤传感器在转速测量中的应用1引言生活生产中很多放方面都要求对速度进行精确测量, 尤其是在转速方面, 对于所有旋转机械而言, 都需要监测旋转机械轴的转速, 转速是衡量机器正常运转的一个重要指标。
例如, 人们日常生活所用的电大都是通过发电机进行发电, 而这时就要知道发电机的转速, 以便对其进行控制, 输出稳定电压, 否则将会给我们的生活和生产带来很多不方便。
因而准确测量转速对生成生活有重要意义。
利用光纤传感器的高灵敏度在较少的对测量系统进行处理并能准确的测到转速值。
2测量原理当反射面与光纤探头相对时, 光纤探头的红外光被反射, 收光器接收到反射光, 放大器输出高电平。
当电机表面其他部位与光纤探头相对时, 光纤探头的红光被阻断, 收光器接收不到反射光, 放大器输出低电平。
产生的一系列高低电平, 将输出的波形使用DATAQ采集并保存。
由于输出的信号为周期信号, 因此对采集的信号进行频谱分析通过频谱分析电机的转速。
图1 测量框图实验装置共分为如图2所示:图2 测量装置图3 整形电路3实验器材光纤传感器、光纤位移传感器模块、DA TAQ、整形电路、电压表及导线若干。
4实验步骤1)按照图2所示, 连接装置, 传感器距离测量面约1mm ；2)调节滑动变阻器使在反射光最小时, 输出为0V 左右；3)检测无误后, 开启电源, 调节输入电压使电机刚好转动时开始；4)改变输入电压, 分别记录波形, 电压从小到大之后再依次减小；5)波形FFT 变换及分析。
5实验记录实验测得的输出波形如下, 对输出信号进行FFT 变换分析, 幅频曲线中存在有转速相关的两个特征频率 幅值较高, 通过验证时域波形发现 为转速的6倍, 据此可通过分析特征频率来计算转速值。
-10123Signaltime (seconds)00.51Single-Sided Amplitude Spectrum of y(t)Frequency (Hz)|Y (f )|图4 低速输出波形及FFT 变换00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.10.511.52Signaltime (seconds)0100200300400500600700800900100000.51Single-Sided Amplitude Spectrum of y(t)Frequency (Hz)|Y (f )|图5 高转速输出波形图6 整形后波形 测量序号1.02.03.04.05.06.07.08.0 输入电压(V) 5.0 7.09.0 11.0 13.0 15.0 17.0 19.0 转速/转/s8.3 16.1 23.1 29.9 36.5 44.1 50.8 57.5 测量序号9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 输入电压(V) 17.0 15.0 13.0 11.0 10.0 7.0 5.0 转速/转/s 52.1 45.6 39.4 32.2 24.0 17.1 9.4V/v 转速/转/s 电机转速测量图7 电压—转速拟合直线6结果分析输出曲线具有如下特点:周期性, 输出的波形是周期信号, 在一个周期中有两至三个波峰及一个波谷, 主要是由于转盘上存在三种不同的反射介质。
