工程光学实验指导书 实验八 光电报警系统设计
图8.4 报警用参考电路
五、实验用设计模块介绍
光电报警系统设计模块备有+5V，-5V直流稳压电源，为光电报警系统设计提供电压。本实验模块还配有各类参数的电阻、电容，以及100K的电位器和设计过程中可能用到的元器件放在面板上，供设计者选用，可供学生配合其它元件自己动手搭建实验之用，提高学生动手动脑能力。
光电报警系统设计模块操作示意图如下图：
六、实验步骤
1、用NE555设计一占空比可调的方波振荡器，作为红外发射二极管的调制电源，画出电路图，标明器件参数。
2、根据电路图从模块上选择器件，用导线组成电路，用示波器从NE555的3脚观测输出波形为方波，并测量输出电压峰值－峰值；调节100K电位器使占空比为50％。
3、将实验中的3部分电路连接成一个完整的系统电路。
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工程光学实验指导书 实验八 光电报警系统设计 4、用红外发射二极管组成发射系统，在发射和接收系统之间有红光束警戒线。当警戒线被阻断时，接收系统发出警报信号。要求系统在给定器件的条件下作用距离尽可能远。
5、恢复警戒线后，按一下K1，则报警信号消除。
七、思考题
1、为了提高作用距离，光源调制频率和占空比如何取值？
2、当拦截光束的目标运动较快或较慢，接收电路和电路参数应如何考虑能保证正常报警。
实验九 光电定向实验
一、实验目的
1、了解单脉冲定向原理。 2、了解四象限探测器的性能。
3、通过该系统直接、间接地测定目标的方向，观测红外可见光辐射到四象限探 测器上的位置和强度变化。
二、实验内容
1、测量激光器脉冲驱动信号。
2、测量以四象限探测器做接收器，脉冲光信号的放大信号。
3、通过上位机显示每个象限的光强以及光斑的光心坐标，通过观察光斑在四个象限的显示情况验证四象限探测器原理。
三、实验仪器
1、光电定向实验系统实验箱 1台 2、20M双踪示波器 1台 3、PC机 1台
四、实验原理
光电定向是指用光学系统来测定目标的方位，在实际应用中具有精度高、价格低、便于自动控制和操作方便的特点，因此光电准直、光电自动跟踪、光电制导和光电测距等各个技术领域得到了广泛的应用。采用激光器作为光源，四象限探测器作为光电探测接收器，根据电子和差式原理，实现可以直观、快速观测定位跟踪目标方位的光电定向装置，是目前应用最广泛的一种光电定向方式。
该系统主要由发射部分，光电探测器，信号处理电路，A/D转换和单片机，最后通过计
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工程光学实验指导书 实验九 光电定向实验 算机显示输出。该系统结果框图如图9.1
发射部分接收部分信号处理电路A/D转换单片机计算机显示 图9.1 系统结构图
1、激光器发射部分
光发射电路主要由光源驱动器、光源（主要是半导体光源，包括LED、LD等）、光功率自动控制电路（APC）等部分组成。我们用NE555组成的脉冲发生电路来驱动650nm的激光器。
2、接收部分
接收部分主要由四象限探测器组成。四象限光电探测器是把四个性能完全相同的光电二极管按照直角坐标要求排列而成的光电探测器件，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像，如图9.2。一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位）。
图9.2 目标在四象限光探测器上成像
四象限探测器是通过测量来自激光束的光斑质心的位置变化，并借助某种算法来同时确定光斑的两个方向的偏移量。如图9.3所示，光斑被四个象限分成A、B、C、D四个部分，其面积分别为s1，s2，s3和s4，对应的四个象限产生的阻抗电流为i1，i2，i3，i4。由i1＋i4和i2＋i3 的比例可以确定横向偏移量；由i1＋i2和i3＋i4的比例可以确定纵向偏移量。
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工程光学实验指导书 实验九 光电定向实验
i2i1BAΔxCDi3Δyi4
图9.3 四象限探测器原理图 采用的算法是：
i1＋i4?－?i2＋i3???x＝ki1＋i2＋i3＋i4i1＋i2?－?i3＋i4???y＝k
式中的k为比例系数，是一常量。当光斑中心与四象限探测器中心一致时，四象限阴极产生的阻抗电流i1，i2，i3，i4都相等，两个方向的直线度误差为零；当两者中心不重合时。两个方向的偏移量可以由上式求出。
3、信号处理电路
（1）四象限探测器的偏置与放大电路
单脉冲定向系统中，光脉冲通常由激光产生，其脉冲宽度一般为几十纳秒级，也可作得更窄。而重复频率比较低，一般为几十赫兹。这种信号要用来指示与控制需要放大与展宽。
使用光电二极管接收快速光脉冲时，为了得到好的线性响应，尽管减小结电容和分布电容对响应速度的影响，通常偏置电路的负载电阻RL不能取得太大。
光电二极管输出信号幅值通常比较小，必须经过高倍率放大后才能进行显示和控制。要使窄脉冲放大而不失真，放大器需要有很宽范围的频率响应，即需要采用宽带放大器。
（2）展宽电路
窄脉冲展宽实质是峰值保持的一个特例。由于脉冲宽度极窄要求电路响应快而又要保持相对较长的时间，而且还需要有较高的线性输出，所以展宽电路实质是用于将目标脉冲信号在显示时有一个持续时间，以便观察。
4、数字显示
实现模拟信号的数字显示必须对模拟信号进行模/数转换。在模/数转换时需要考虑到转换的精度和速度。模\\数转换器的转换位数决定了转换的精度，时钟频率决定了模数转换的转换速度。通过A/D转换后的信号再送入单片机，然后通过RS232连接线与计算机相连。在计算机显示数字输出。
i1＋i2＋i3＋i4五、注意事项
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工程光学实验指导书 实验九 光电定向实验 1、探测器象限定义
四象限探测器如上图所示有一三角形标示的为第一象限，依次按逆时针排列为第二、第三、第四象限。
2、激光器操作
激光器前自带有准直透镜，可以调节光斑的大小。当需要调节准值透镜时，调节准直透镜螺纹，使光斑达到满意大小即可。
3、拔RS232接口前，必须切断电源开关。
4、除测试环外，勿随意触摸，改动PCB上的器件。 5、不要用眼睛直接看激光，以免损伤眼睛。
6、四象限Si PIN光电探测器在使用中防止剧烈震动、冲击，以免光窗损坏。 7、在贮运、使用过程中必须采取静电防护措施，以免器件失效。
六、实验步骤
1、将软件安装在电脑上。软件安装说明见后。 2、先将滑动块套筒安装好在导轨的滑动块上面。 然后通过激光器固定螺钉将激光器固定在两维手动平移台上.然后用两个支杆分别将激光器发射部分和探测器接收部分安装在套筒上面。为了便于实验,激光器发射部分安装在右边,探测器接收部分安装在左边。
安装时要轻拿轻放。避免结构件弯曲变形，影响实验精度。安装好的示意图如下：
接收镜筒发射镜筒滑块电路板滑块结构件结构件配件
3、激光器发射部分用三芯连接线与电路板右边的三芯航空插座相连，接收部分用七芯连接线与电路板上的七芯航空插座相连，在实验箱后面连好电源线。
4、打开实验箱右边的电源开关。激光器驱动部分指示灯亮，证明电源接通。
5、将激光器发射部分和探测器接收部分在水平方向对准，调节发射部分前端的旋，使激光器的光斑到满意程度后，对准接收部分的四象限探测器的光敏面中心，指示四个象限光强最强的指示灯亮，证明电路正常工作。
6、用示波器观测激光器的驱动信号MC点是不是脉冲，记录下脉冲的频率，幅度，脉宽，波形。
7、根据指示灯测量对应象限的脉冲信号的放大信号和展宽信号，记录下频率、脉冲和幅度，粗略描绘出波形。
FD1 ZK1 FD
实验箱频率 幅度 45
波形