光电子专业实验讲义(20150323) - 图文

光电子专业实验

指导书

五 邑 大 学

应用物理与材料学院

2012年5月

光电子专业实验

目录

实验1 LED封装之手动固晶实验 ................................................................................................... 1 实验2 LED封装之焊线实验 ........................................................................................................... 4 实验3 LED封装之灌胶实验 ......................................................................................................... 7 实验4 LED外观质量检测 ............................................................................................................. 13 实验5 LED热电性能测试实验 ..................................................................................................... 17 实验6 LED光色测试系统 ............................................................................................................. 22 实验7 LED光强分布测试实验 ..................................................................................................... 31 实验8 LED灯具配光曲线 ............................................................................................................. 37 实验9-1 应变传感器和单臂桥性能实验 .................................................................................... 40 实验9-2 应变传感器半桥、全桥性能实验与校准 ..................................................................... 44 实验10 紫外可见吸收光谱测试 .................................................................................................. 49 实验11 PSD位置传感器实验...................................................................................................... 51 实验12 He-Ne激光器模式分析 .................................................................................................. 54 实验13 半导体激光器实验 .......................................................................................................... 63 实验14 CCD特性综合实验 ........................................................................................................ 71 实验15 荧光分光光度计实验 ...................................................................................................... 80 实验16 霍尔效应测量系统 .......................................................................................................... 85 实验17 LED电路设计实验一-三人表决器设计实验 ................................................................ 89 实验18 LED电路设计实验二-数码管动态显示原理 .............................................................. 106 实验19 激光器原理及使用 ........................................................................................................ 109 实验20 灯具综合测试实验 ........................................................................................................ 123 实验21 光化学反应实验 ............................................................................................................ 134 实验22 磁控溅射实验 ................................................................................................................ 137 实验23 真空蒸发镀膜实验 ...................................................................................................... 140 实验24光电综合实验 ................................................................................................................. 142 实验25 四探针测试实验 ............................................................................................................ 152

实验1 LED封装之手动固晶实验 1

实验1 LED封装之手动固晶实验

LED封装是指安装LED芯片用的外壳，起着保护芯片正常工作、输出可见光和增强导热性能的作用，也是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁。

【实验目的】

1. 了解LED封装技术中的固晶的原理和作用。

2. 掌握手动固晶流程的扩晶、刷银胶、固晶、烘烤等工序。

【实验仪器】

扩晶机、4寸扩晶环、显微镜、红光芯片、0.5寸电路板、备胶机、台灯、刷子、银胶、剪刀、搅拌玻璃棒、玻璃容器、固晶笔、固晶座、固晶拖板、翻晶膜、负离子风扇、装料钢盘、烤箱、点胶机

【实验原理】

本实验流程为：扩晶—刷银胶—固晶—烘烤（以LED数码管为例）；对于单颗引脚式LED的实验流程为扩晶—点银胶—固晶—烘烤。 1. 扩晶工序

通过热胀冷缩原理扩开芯片之间的距离并使晶片膜绷紧在扩晶环上，方便固晶。其扩晶工序流程如下：

(1) 接入220v电源，打开气管电源，打开扩晶机电源开关和温控开关，将调温器调至50°C左右（冬天调至70°左右）。

(2) 过10分钟待扩晶机升温到预设温度时，轻轻点动红色按钮将加热盘（下汽缸）缓慢升到合适的高度（调节下汽缸定位螺母调整发热盘最大升起的高度并保证高度一样，不同的高度扩开的芯片的距离不一样）将子环套在发热盘上。

(3) 将晶片膜放在发热盘正中央，注意芯片朝上；将母环套于子环上。

(4) 用压晶模（上汽缸）将母环压到加热盘底，将扩好的芯片取出，再按下绿色按钮使发热盘回复原位。

(5) 用剪刀将露出子母环外胶纸割掉，再在膜上注明具体芯片规格及数量等。 扩晶注意事项：

(1) 注意安全，扩晶时候一个人操作，谨防夹伤手指。

(2) 检查芯片晶圆（WAFER）直径，若超过加热盘规定范围不能扩晶。

(3) 扩晶前，应放在显微镜下检查芯片是否有异常，如芯片反向、电极方向排列错误、电极损坏等等。

(4) 胶纸切免放反，以免将芯片压坏（芯片朝上、胶纸朝下）。 (5) 套子环时须弧形光滑的一边朝上，以防刮破胶膜。 (6) 注意胶带置于加热盘上时需超出压环。

实验1 LED封装之手动固晶实验 2

(7) 母环需均匀平行向下使其压到加热盘底。

(8) 如生产蓝光、蓝绿光等高档芯片，扩晶机确实接地，且需吹负离子风。 (9) 芯片扩张间距要适中，不能有过宽或过密现象，两芯片间间距约为1到2个芯片的距离。

2. 银胶解冻、搅拌

银胶成分为树脂、银粉、硬化剂；其中银粉含量为65%~70%，其作用是导电、散热和固定芯片。

银胶解冻：使用前一天，由冷冻柜改放冷藏室保存。从冷冻冰箱内取出银胶，置于室温下进行解冻（常温25°C，湿度85%以下），小罐解冻时间在90分钟以上。

注意事项：

(1) 如为大罐银胶，需回温3小时以上，回温完成后，需分装成小罐装后冷藏，冷藏条件-10°C以上保存三个月，-40°C以下保存一年。

(2) 分装容器要洁净，每瓶分装之银胶建议3到5次用完。常温使用寿命不超过48小时。

(3) 回温达到规定时间后，先用布擦干瓶罐表层，并查看瓶罐表层是否沾有水汽，如沾有水汽，必须继续回温，应由其自由挥发完全方可。

(4) 因银胶内硬化剂及银粉，其厚度约为0.1~0.2mm，需充分搅拌与树脂混合。

(5) 因银胶为悬浮物，如置久不使用会使银粉与树脂分离（银粉在底层，树脂在上层），故分装的银胶最好配合产量一天使用完毕为最佳。

银胶搅拌：银胶回温后开罐，再用玻璃棒或不锈钢棒进行搅拌；搅拌方式自下而上全方位搅拌，时间10分钟以上，搅拌速度不宜过快，以免空气混入。

注意事项：搅拌棒需用丙酮等溶液清洗干净方可使用；未使用完的银胶，需将残留在罐内侧或罐盖的银胶清理干净，以防久置而凝固，从而造成银胶出现较大颗粒。

3. 涂银胶

将搅拌好的银胶均匀涂在备胶机工作槽上；然后将扩晶膜（芯片朝下）小心置于刷胶机夹具上，轻轻提起工作槽并用刷子同一方向刷扩晶膜，使银胶涂于芯片上。注意银胶高度为芯片高度的1//4~1/3。

4. 固晶

(1) 将涂好银胶扩晶好的芯片膜放在固晶的框架上，并用手将其按到底且保持水平。 (2) 将待固晶的电路板平整固定在拖板支架上。

(3) 通过固晶座的四个螺钉调节好电路板与芯片间的距离。 (4) 调节显微镜观察到清晰的芯片像和电路板。 (5) 左手抓住拖板，右手持点晶笔，在显微镜下将芯片轻轻的固定在电路板相应的位置上。

5. 烘烤

(1) 开启烤箱电源总开关、加热开关、计时开关、风机开关。 (2) 设定温度表至所需温度（LED标准设定温度为150°C）。

(3) 当升温完成后再将烤箱超温保护调至所需温度（LED超温设定温度为152°C左右）。

(4) 烤箱先进行空箱烘烤10分钟除湿。

实验1 LED封装之手动固晶实验 3

(5) 将固晶好的电路板整齐粘在装料钢盘（钢盘贴有双面胶），烘烤时间为90分钟（烤箱具有计时功能），其中前30分钟银胶基本硬化，后60分钟保证结合度。必须一次性烤干，若有软化、松动现象，为前一次未烤干，取出材料后空气进入银胶再次加温膨胀导致结合度变差。烘干硬化后不能立即从烤箱中取出，应待其自然冷却后再取出。

(6) 材料进出烤箱时需正确填写生产型号、数量、进出烤箱时间等。 注意事项：

(1) 需定时量测烤箱内（全方位）的温度是否在标准误差范围内。 (2) 烤箱需定时清洁保养（每月需大保养一次）。 (3) 严禁烘烤易燃、易爆、有剧毒化学物品。

(4) 烘拷箱是高温作业设备，在使用时手及身体部分不要直接接触烘拷箱内任何物体，以免烫伤。

(5) 烤箱设备配电箱内电源为380V，如电源控制出现故障需维修时，需切断电源再维修，不得随意打开控制箱，以免发生危险。

(6) 注意接地线必须可靠接地，黑色为零线，黄色为地线。

【实验内容及要求】

1. 扩晶练习：在掌握用翻晶膜替代芯片膜进行扩晶，理解扩晶的原理、掌握扩晶要领。 2. 固晶练习：成功固晶2个八位数码管（16颗芯片）。

3.

烘烤练习：将固晶好的数码管放进烤箱进行烘烤，烘烤完毕用推力计对芯片进行推力测试（推力应过100g以上）。

【思考问题】

1. 固晶应该注意什么？

2. 实验中银浆所起的作用是什么？

实验2 LED封装之焊线实验 4

实验2 LED封装之焊线实验

超声波焊线机主要应用于大功率器件：发光二极管（LED）、激光管（激光）、中小型功率三极管、集成电路和一些特殊半导体器件的内引线焊接。

【实验目的】

1. 了解超声波焊线机的基本原理与结构。

2. 掌握正确使用超声波焊接机的方法，以及对数码管芯片进行焊接。 3. 掌握检查焊接质量及结构的观察。

【仪器用具】

超声波铝丝焊线机（包括显微镜、铝丝）、环氧树脂工作台、镊子、数码管芯片。

图2-1超声波焊线机图

【实验原理】

超声波金属焊接原理是利用超声频率（超过16KHz ）的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的一种特殊方法．金属在进行超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源，只是在静压力之下，将框框振动能量转变为工作间的摩擦功、形变能及有限的温升．接头间的冶金结合是母材不发生熔化的情况下实现的一种固态焊接。因此它有效地克服了电阻焊接时所产生的飞溅和氧化等现象。超声金属焊机能对铜、银、铝、镍等有色金属的细丝或薄片材料进行单点焊接、多点焊接和短条状焊接。

具体过程：首先金丝的首端必须经过处理形成球形(采用负电子高压成球)，并且对焊接的金属表面先进行预热处理；接着金丝球在时间和压力的共同作用下，在金属焊接表面产生塑性变形，使两种介质达到可靠的接触，并通过超声波摩擦振动，两种金属原子之间在原子亲和力的作用下形成金属键，实现了金丝引线的焊接。

超声焊线机包括金线机、铝线机，其中金线机由于黄金的高电导性，高塑性，比

实验2 LED封装之焊线实验 5

铝丝要细得多，主要用于焊接各种照明用的LED灯，包括高亮的LED灯。铝线机主要用于焊接数码管等。

【仪器介绍】

本机的焊头架采用垂直导轨上下运动方式（Z向运动），二焊移动（跨距）通过焊头架水平导轨运动来实现（Y向运动），两种运动均采用进口步进电机驱动，因此本机的一焊和二焊的瞄准高度、拱丝高度、跳线距离均可真正数字控制，从而保证了焊接质量稳定、焊点控制精确，焊线重复率高，拱丝高度一致性好的优点：该机的二焊点可设定为自动焊接，操作者只需要按一下操纵盒上的焊接按钮即可按照操作员设定的参数完成整个焊接过程，使焊接速度更快，可以大幅度地提高单班产量。

本机有定量记忆铝丝参数（如线距，检查高度，拱丝高度）的特殊功能，所以如将记忆功能设置为“保持”位置，可进行数码管，点阵板或背光源的绑定作业。 主要技术参数：

铝丝直径：18 um～50 um。

对应劈刀：外径1.6 mm，长21 mm。 焊接角度：30度，45度。 焊线跨度：0-10 mm。 焊线弧度：0-6 mm。 超声波（2通道）：焊接功率为0-5 w， 焊接时间为5-200 ms 。 焊接压力调节范围: 10-60 g (2 通道)，电磁调整）。 工作台半径：160 mm。 焊线范围：20*20 mm。

显微镜放大倍数：两档变倍15，30倍两种。

【实验内容与要求】

1. 超声波焊线机的调整 （1）、开机，包括电源、控制器和小灯。 （2）、把样品粘好塑料小座表面，放在工作台劈刀下。 （3）、调节显微镜，本机的显微镜有三个方向可以调节，对准样品台上的样品包括劈刀，使得样品和劈刀的刀尖都看清楚。 （4）、在操作面板上，把焊接方式打到“分步焊”，调节方式“调节”处。 （5）、在进行第一次焊接的时候，机器进行自动定位。然后进行一焊，按住焊接按钮（不要放），通过显微镜观察焊接的高度是否合适，在操作面板上旋动 “调节”按钮，进行焊接的高度调节，针头离样品表面有一个针尖的距离为佳。 （6）、松手，完成一焊后，可调节“拱距”和“跨距”，分别对后面焊线的高度和跨度的调节，使的焊线在合理的范围内。 （7）、然后进行二焊。观察焊线是否在两个焊点处，和检查焊接质量。如果不佳，可用镊子给予剔除，重新回到步骤6进行定位和调节。 （8）、当焊接调节到相当熟悉后，可进行“连续焊”，一次性可以把两个焊点焊好。

实验2 LED封装之焊线实验 6

2. 焊接芯片的步骤

（1）熟悉实验仪器，对显微镜的合理使用，理解超声焊接的原理，熟悉操控面板的各个按钮的意义。

（2）先在没有芯片的电路板上进行焊接练习，能在相应的焊接处，使用“分步焊”焊出高度和跨度合理的焊线。

（3）对以固晶的芯片进行焊接。可使用“自动焊”来完成。

（4）焊接过程中很容易出现断线，练习对焊线重新穿线，能独立完成穿线，合理维护仪器。

【注意事项】

1、控制面板上的“复位”是指劈刀回到开机前的初始状态的高度。在遇到劈刀过低时，可调节“复位”来进行重新操作。

2、控制面板上的一焊、二焊的功率、焊接时间、焊接压力都处于2-3之间。

3、如果焊接过程中焊到塑料表面，容易造成断线，要用镊子进行穿线，线与针孔成30-45度方向穿进去。

【思考问题】

1、 焊接过程中造成断线的原因是什么？如果焊线堵住了劈刀的针孔，该如何处理？ 2、 对比现在市场上常见的自动焊接机，其优缺点是什么？

3、 进行课外调查，了解先进的自动焊线机的如何维护，以及如何编程管理等问题。

实验3 LED封装之灌胶实验 7

实验3 LED封装之灌胶实验

LED灌胶是LED封装工艺中在固晶焊线工序之后的一个关键工序，对固好晶和焊好线的PCB电路板起保护作用，涉及配胶、注胶和脱泡处理等工艺，灌胶结果的好坏直接影响着成品率，技术的难点在于解决好封胶中的气泡问题。

【实验目的】

1. 掌握数码管LED手动灌胶的工艺过程。 2. 培养学生的实验动手能力和专业技能。 3. 深刻理解LED灌胶封装的意义和目的。

【仪器用具】

天平，烘烤箱，真空烘烤箱，手动灌胶机，机械搅拌机，环氧树脂A胶，固化剂B胶，扩散剂DF-090以及铁盘，烧杯，贴膜等若干。

【实验原理】

在LED封装工艺中，固好芯片和焊好线的电路板，需要通过封胶工艺把它保护起来。LED封胶的目的是为了维护LED本身的气密性，并保护不受周围环境中湿度与温度的影响，以及防止组件受到机械振动、冲击产生破损而造成组件特性的变化。一般直插式LED-Lamp和LED数码管采用的都是传统的灌胶封装工艺。

1. 原材料介绍

数码管封胶站使用的的原物料：环氧树脂(EPOXY)、硬化剂、色剂、扩散剂(DP)、模条。 封胶站使用的辅料： 丙酮、甲苯、乙醇。 封胶站最重要的物料：环氧树脂、模具。

LED外封装胶是由环氧树脂A胶和硬化剂B胶组成。

环氧树脂A胶是LED外封装胶的重要组成部分， 它是一种双酚A型的环氧树脂结构，是具有刺激性气味的粘稠液体，常为淡蓝色，具有高信赖性，高透光性，透光率都在

实验3 LED封装之灌胶实验 8

90%以上。为了降低粘度和便于脱泡，在使用前需要进行预热，预热温度一般设为65 ℃， 时间为1小时，预热时间如果过长，会降低其使用时间及性能，常温阴凉储存，使用期限一般为6个月。

硬化剂B胶也是LED外封装胶的重要组成部分，它是酸酐类（酸无水物）或胺类物质，具有良好的透光性和流动性，使用前不需要预热，必须与A胶配套使用，呈酸性，应远离碱性环境；含酸酐，易吸收空气中的水分形成沉淀物，因此使用后应立即盖紧，以免变质。

色剂（Colour Pastern）：通过加入色剂的方法来改变封装胶体的颜色。 色剂主要是由环氧树脂和各类热稳定性的有机染料调配而成。色剂如长期放置在低温下，会因饱和而由沉淀析出， 因此使用前须预热溶解，并搅拌均匀后才可使用。使用时需注意：不小心沾到皮肤上要用肥皂水清洗，沾到眼睛要以大量清水冲洗并请医生治疗。

扩散剂( Diffuseness Pastern): 它是由颗粒度分布极为均匀的具有高光散射性的填充材料SiO2和环氧树脂组成，是一种白色粘稠状的液体。使用扩散剂的目的是使芯片发出的光在树脂内均匀扩散，使Lamp发出的光柔和和均匀，具有散光的功能，使得出射光线的角度变大，同时也会导致Lamp的亮度下降。

图3-1 灌胶工艺过程示意图

2. 灌胶工艺介绍

数码管LED封胶是采用一个模具作为外壳，如图3-1所示，先在模具的背面贴上贴膜，形成一个容器，然后把环氧树脂A和固化剂B胶按照质量1:1的比例配好，把配好的胶注

实验3 LED封装之灌胶实验 9

入模具里面，接着通过脱泡处理，去除胶里面的气泡。脱泡处理时通过把注好胶水的模具放入在真空烘烤箱中，把箱内的空气通过机械泵抽走，当腔体内的压强达到小于10 Pa，胶体内的气体，由于内外压强差的原因，脱泡到真空腔体中，被机械泵带走，起到去除胶体内的气泡的作用。

最后，把固晶和焊线好的PCB电路板压入到经过脱泡处理后模具之中，PCB板的引脚朝上，固晶焊线的那面朝下压入胶水内，再通过工具把PCB板压实，接下来放入烘烤箱内在一定的温度条件烘烤固化，完成封胶工艺。灌胶工艺的技术难点是解决好气泡问题，如果封胶后的产品出现气泡，该数码管基本就变成次品，不可经过返工修复，因此封胶工艺需要严格按照灌胶工艺流程来封胶。

【仪器介绍】

1. MD一门式530A型光电烘烤机

本实验实验的光电烤箱是深圳摩典精机厂出产的MD一门式530A型光电烘烤箱。温控制功能采用电子PID智能温控制器，温度控制准确，电器配件选用进口或名牌产品，0-999时/分/秒任意定时控制，控制电路设有超温报警断电保护，合理的箱体结构采用可调式运风装置，充分利用空间做到节能、环保、高效，表面采用静电喷涂，内腔使用不锈钢制造，经久耐用，永不生锈，外形设计美现，易于维护。适用于工作温度在200℃以下的各种五金，电子产品烘烤。尤其对LED发光二极管，数码管，背光源等烘烤、有烘干快、不裂胶、支架不变色的优势。 操作说明

（1）、在设备附近安装一个隔离开关，提供设备使用电源。 （2）、根据设备电气使用数据，检查电源电压是否相符。 （3）、按要求连接好电源，把隔离开关按到NO位置。 （4）、检查风轮是否反转。

（5）、把总电源旋扭开至NO位置，电源指示灯亮。

（6）、把计时器旋扭开至NO位置，计时指示灯亮，计时器开始计时，当第一次设定烘烤时间为30分钟时，计时器正常计时，当时间达到30分钟时，停止发热，如需再次计时，按下时间器确认键。

（7）、把风机旋扭开至NO位置，鼓风机电源指示灯亮，鼓风机工作。

实验3 LED封装之灌胶实验 10

（8）、把加热旋扭开至NO位置，加热指示灯亮，温控表显示温度。电流表显示工作电流，当温度达到设定温度，电流表进行恒温动作。 （9）、温度设定：

a) 按功能键使温控表进入待设定状态。 b) 按上升键温键温度升高，SP显示设定值。 c) 按下降键温键温度下降，SP显示设定值。

d) 设定完毕按功能键确定，烘拷箱进入正常工作状态。

（10）、设定超温报警器，因超温报警器传感位在靠近发热管，建议高于温控表温度2℃。

当温度超过设定温度时，蜂鸣器响，停止发热。

2. 摩典真空脱泡箱

真空脱泡机，真空脱泡箱主要为一些易分解、易氧化的产品干燥、保存而设计的，。适用于电子、电池、五金、塑胶、通讯、化工涂料、汽摩配件、环氧树脂、化妆品原料脱泡、磁性材料、运动器材等行业。外观设成多层次箱体结构，表面采用静电喷涂，

内胆用不锈钢焊制，表面经电镀处理，光滑且密封。 主要技术参数 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 内 容 额定电压 频率 电热功率 抽气机功率 抽气时间设定 控温范围 超温 使用空间 净重 参 数 380V 50Hz 1.5KW 2.2KW 0-60分钟 室温—100℃±5℃ 由温控器控制超温 250*200*250 mm(可选) 50KG （不含泵） 操作说明

（1）．打开总电源开关； （2）．接通380V电源；

-1- （3）．先按下启动按钮，试机看有没有接反电源，如反了要立刻停机调换；

（4）．打开真空门，放入你所要抽真空的产品及胶桶； （5）．设定抽胶或抽气泡延时，调整温度55℃-70℃；

（6）．关紧真空门，打开抽气阀门，关闭放气阀门，按下启动开关；正常工作； （7）．抽胶时间到时，慢慢打开放气阀门，等气体完全排出箱体时才能打开真空

实验3 LED封装之灌胶实验 11

门，取出产品。

【实验内容和要求】

1. 实验内容和步骤

（1）. 将WL-7002A-6树脂，WL-7002B-6固化剂，DF-090扩散剂，预先在50℃烘箱中放

置5-10分钟。

（2）. 在模具背面贴好贴膜，用圆珠笔管刮其表面，去除贴膜中的气泡，然后加热至70℃，

保温0.5小时，目的是为了贴膜与模具粘贴得更加牢固，避免发生漏胶。

（3）. 配胶：将WL-7002A-6树脂，WL-7002B-6固化剂，DF-090扩散剂按重量比1: 1:

（0.08-0.10）比例混合，搅拌5分钟左右。

（4）. 胶水脱泡处理：配合的胶放入真空烘箱中，在75 ℃的条件下抽真空10 分钟，目的

是去除配胶时由搅拌而引起的胶水含有大量的气泡。

（5）. 注胶：将脱泡后的胶水注入到模具中(采用尖嘴塑料瓶注胶)，注意注胶的速度尽量的

慢（避免胶水流入太快，大量空气被封住在模具中，后续脱泡处理时会发生溅射溢出导致漏胶），注胶量控制在模具的九成满为合适。

（6）. 第二次脱泡处理： 将注好胶的模具放入真空烘烤箱中，先在75℃下加热5分钟，然

后在75℃抽真空15分钟，去除封在模具中的气泡。

（7）. 将模具取出，检查无孔洞以及缺胶情况，先补注胶水后，将电路板轻轻放入到模具

上，然后放入烘箱在75℃加热5分钟，再电路板压实(采用螺丝批压实)。 （8）. 压实后的模具在80℃固化5小时。

2.实验报告要求

（1）严格按照讲义模式书写实验报告；

（2）对课后思考题及实验中遇到的问题进行分析和讨论。

【注意事项】

（1）A，B胶混合后即慢慢起化学反应，造成粘度变高，因此须在规定的时间内用完，以免

因粘度过高无法灌注或产生气泡。灌注后须立即进烤箱，以免表面吸附水分造成产品不良。

（2）配合的胶水暂时不用或倒入胶桶有剩余，要用朔料瓶或者朔料袋封紧，切记不可用玻

实验3 LED封装之灌胶实验 12

璃瓶器来装配合的胶水，以免由于胶硬化过程体积膨胀发生炸裂事故。

（3）A胶和B胶的配比一般是1:1.比例不当时，容易出现下列问题：A胶过多胶体会偏黄，

导致烘烤不干，Tg点升高；B胶过多会使胶体变脆，易于破损，抗振性能下降，Tg点则下降。

（4）胶沾到皮肤上，要用肥皂水清洗，沾到眼睛要以大量清水冲洗并请医生治疗。 （5）做完实验后，有剩胶必须倒掉，并把容器清洗干净，不可留有教授在容器中，避免胶

固化后清洗不了。

（6）保持配胶台的清洁，胶水不可直接倒入下水口，以免堵塞下水管，需要清除掉的胶水，

倒入准备好的垃圾袋中，做完实验后带走。

【思考问题】

1. 在数码管模板的表面贴胶膜有什么作用？需注意哪些事项？

2. 在配胶时， A、B胶和DF-090扩散剂的作用分别是什么？如果不添加扩散剂，对封装效果有什么影响？

3. 通过加热抽真空来去除配好胶水的气泡，其原理是怎样的？

4. 为什么将电路板放入到模板后，还需要在75℃烘烤数分钟才能压实电路板，如果不烘烤直接压实后会有什么样的现象？

实验4 LED外观质量检测 13

实验4 LED外观质量检测

电致发光器件（LED）的质量检测是LED制造过程中一个不可缺少的环节，焊线后金线或者铝线的焊接牢固程度、正负极能否导通（即俗称点亮）、灌胶以后气泡的有无及多少、环氧树脂表面的裂纹与开裂程度都直接决定了LED的寿命、发光效率与发光质量。因此学习和掌握一些基本的LED外观与质量检测技术，为进一步学习和应用LED封装技术打下基础，是十分必要的。

【实验目的】

1. 2. 3. 4.

学习掌握基本的LED外观与质量检测技术和工作原理。 熟练掌握体视显微镜的观测技巧。 掌握推拉力计的使用。

掌握AN102型数码管检测仪的原理和使用。

【实验仪器】

XTL-2体视显微镜；DTB-30推拉力计；AN102型数码管检测仪

【实验原理】

光学显微镜（见图4-1）是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学仪器。表面为曲面的玻璃或其他透明材料制成的光学透镜可以使物体放大成像，光学显微镜就是利用这一原理把微小物体放大到人眼足以观察的尺寸。近代的光学显微镜通常采用两级放大，分别由物镜和目镜完成。被观察物体位于物镜的前方，被物镜作第一级放大后成一倒立的实象，然后此实像再被目镜作第二级放大，成一虚象，人眼看到的就是虚像。

光学显微镜有多种分类方法：按使用目镜的数目可分为双目和单目显微镜。常用的显微镜有双目体视显微镜、金相显微镜、偏光显微镜、紫外荧光显微镜等。

本实验中使用的体视显微镜，在将微小物体放大到人眼能分辨的尺寸时，其主要是增大近处微小物体对眼睛的张角（视角大的物体在视网膜上成像大），用角放大率M表示它们的放大本领。而显微镜的总放大倍率就是物镜放大倍率和目镜放大倍率的乘积。放大倍率是指直线尺寸的放大比，而不是面积比。因同一件物体对眼睛的张角与物体离眼睛的距离有关，所以一般规定像离眼睛距离为25厘米（明视距离）处的放大率为仪器的放大率。体视显微镜观察物体时通常视角甚小，因此视角之比可用其正切之比代替。体视显微镜由两个会聚透镜组成，光路图如图4-2所示，在工业中经常用于微小零件和集成电路的观测、装配、检查等工作。本实验中，使用体视显微镜来检测LED的焊线质量和灌胶后的封装质量。

实验4 LED外观质量检测 14

图4-1 XTL-2体视显微镜的技术参数

图4-2 显微镜放大原理光路图

推拉力计，是一种用于推力及拉力测试的力学测量仪器。推拉力计适用于电子电器、轻工纺织、消防器材、动力机械、科研机构等行业作拉压负荷、插拔力测试、破坏性试验等。如用于纤维断裂力的测试，在包装行业中也用于测量胶带、薄膜等包装材料的强度等。推拉力计可对各种材料进行拉伸、压缩、弯曲、穿刺、剪切弹性模量等多项性能试验。

DTB系列的东京精机DESIK GROUP手持式推压力计产品，专用于测铝线、金线的拉力或其他样品的瞬时拉力和压力，测量范围大、精度等级高，最小分辨率达到0.5 g。测量范围有0-10、0-30g、0-50g、0-100g、0-150g、0-300g、0-500g多种可供选择（见表4-1）。

该指针式推拉力计是一种高精度小型便携式拉力、压力测试仪器，峰值（Peak）的测量只要通过设定好限位指针的位置即可，操作容易，迅速准确。见图3。本实验中，考虑到LED行业的特殊性，本实验专用于测量铝线、金线的拉断力，所以我们选用DTB-30指针式推拉力计来进行焊线质量的破坏性试验。

图4-3 DTB-30推拉力计

实验4 LED外观质量检测 15

表4-1 DTB系列指针式推拉力计的测量范围和分辨率

测力计型号 DTB-10 DTB-30 DTB-50 DTB-100 DTB-150 DTB-300 DTB-500 最大量程（g） 10 30 50 100 150 300 500 测量范围（g） 10-1-10 30-2-30 50-4-50 100-10-100 150-20-150 300-20-300 500-40-500 最小刻度值（g） 0.5 0.5 2 5 5 10 20 AN102型点阵板、数码管检测仪数据适用于点阵，数码管，时钟板等各种模块的电性参数测试（见图4）。其采集板采用12位ADC＆DAC芯片及高精度恒流与恒压电路，能高速、精确地控制和检测0.001V和0.1uA的微小电压和电流变化。其测试座上的40个PIN脚全部独立编程，真正兼容40 PIN脚内的所有材料。AN102型点阵板、数码管检测仪适用于单色／双色／叁色的点阵板、数码管、米字管、DVD／VCD屏、时钟板等等所有40 PIN脚内的材料检测，可进行小电流压降、大电流压降、漏电流、光强分档等项目的检测，还可做亮度可控的全点亮目测外观、漏光检测、反向电压冲击试验。本实验中，使用AN102数码管检测仪来进行数码管的全点亮目测。

图4-4 AN102型数码管检测仪

【实验内容】

一、观察LED的外观质量情况：

先把镜筒用粗调节器升到一定高度，取LED样本放在镜台上，有器件的一面朝上，标本应摆在载物台中间位置上，也就是正对物镜，然后转动粗调节器，使物镜下降到最低限度。然后把左眼或者右眼放在接目镜上方观察，左手使粗调节器慢慢地升起镜筒，直至见到清晰物像为止。观察过程要注意放大的物像是否是倒像？把片子向左和向右移动，物像移动的方向是否和标本移动的方向一致？

观察目镜中的视野，慢慢转动细调节器1～2转，使镜筒逐渐下降，直到观察到清楚的

实验4 LED外观质量检测 16

物像。如果1～2转还不能看清，即有两个可能：物像不在视野中或者物像低于聚焦水平。根据分析再作调整。

将目测到的情况，如焊线的位置是否合理、焊点大小等情况判定等级，封装后的环氧树脂中气泡和裂纹的有无、多少等信息，填写在下表中。 LED样品编号 焊线质量 封装质量 1 2 3 4 5 二、LED焊线的拉断力测试

将DTB-30指针式推拉力计的下端超细钨丝的勾子勾住LED或者数码管的所焊金线或铝线，观察试样上的应力变化，直到试样破坏为止。测量其拉断所需要的力。在测量时，要先观察一下限位指针是否在较低的数值上，若不在低位上要调节到低位且与拉（压）力指针运动的方向为同一侧。

测量时，眼睛要平视指针，不要斜视，尽量减少读数误差。测力计的数值标注是g，每一个小格的读数是0.5g。将测量到的数值填写在下表中。 数码管样品编号 拉断力 1 2 3 4 5 三、使用AN102检测仪来进行数码管的全点亮目测。

打开电脑，待程序自动调出，运行正常后，将数码管放置在夹具上，目测其每个LED的点亮情况，将信息填写在下表中。 数码管样品编号 点亮数目 1 2 3 4 5 【注意事项】

使用体视显微镜时，凡是显微镜的光学部分，只能用特殊的擦镜头纸与溶液一同擦拭，不能乱用他物擦拭，更不能用手指触摸透镜，以免汗液玷污透镜；切勿随意转动调焦手轮。使用微动调焦旋钮时，用力要轻，转动要慢，转不动时不要硬转；另外用毕将光源调到最小，这样对灯泡的使用寿命将很有帮助。

使用推拉力计时，不要将仪器经常用于测量超过最大测试负荷的负载，否则负荷检出机构的弹性力将会逐渐劣化，导致检出的负荷值无法达到要求的准确度等级，且会造成测力计传感器损坏。而且不要在该仪器上做推、拉两种方向以外的负荷试验。另外测量值低于测力计量程的2.0g以下时，精度会发生较大偏差，所以没有标出数值。

使用AN102型数码管检测仪时，要注意夹具的正确使用方法，测试过程中出现异常情况，请点击“刷新”键，或者关闭此测试软件，后重新打开它，即可恢复正常。

【思考问题】

1. 灌胶后的LED样品能否用于拉断力测试？

2. 使用指针式推拉力计进行破坏力实验时，推力和拉力数值能否相互替代？

实验5 LED热电性能测试实验 17

实验5 LED热电性能测试实验

LED 被认为是21 世纪最有发展前景的新型光源，目前已被广泛应用于交通灯和显示屏等，并已进入普通照明领域，且发展迅猛。LED的热电性能是LED相关器件和产品开发中的重要考虑因素。

LED 耗散功率的增加和环境温度的变化会引起LED 芯片PN 结温的显著变化，而LED的结温变化则会影响其光通量、颜色、主波长以及正向电压等光度、色度和电气参数。此外，若结温超过一定温度，LED 芯片和封装材料的相互作用进一步加剧，也有可能使封装材料发生质变，从而导致器件较快失效。因此，对LED的结温、热阻等热特性参数进行准确快速的测试十分必要，它可为LED 的封装和热沉设计提供参数和失效检验，对LED 进行有效的热管理。

【实验目的】

1. 测量LED在各种环境温度下的热阻、结温和电压随时间的变化趋势； 2. 测量LED 的电压电流I-V特性曲线；

3. 测量LED 在某电流（IM）下的热阻K系数。

【仪器用具】

LED热电性能分析仪(LED310)

【实验原理】

1. 热特性测量

LED作为一种半导体器件，主要以热阻（R?JX）表征其本身的热学特性。

R?JX?TJ?TX （5-1） PH 式中R?JX是待测器件PN结到指定环境之间的热阻[℃/W]；TJ是测试条件稳定时的待测期间的结温[℃]；TX是指定环境的参考温度[℃]；PH是待测器件的耗散功率[W]。

因此，为了测定LED 的热阻须确定式（1）右边的三个参数，而其中参数之一的结温（TJ）则是测量中的重点，结温的测量可通过下式表示的方法进行： TJ=TJ0+ΔTJ

ΔTJ=K3ΔTSP （5-2） 式中TJ0是待测器件未施加加热功率前的初始结温[℃]；ΔTJ是因施加加热功率引起的结温变化量[℃]；K 是定义ΔTJ和ΔTSP 之间关系的常量[℃/V]；ΔTSP 是温度敏感参数值的变化量[mV]。

实验5 LED热电性能测试实验 18

为了简化评价方法，规定（5-1）式另一个参数PH为输入到LED的总电功率而不考虑光辐射功率及其他耗散功率。即上式中PH为输入到LED 的总电功率，且仅考察当LED 外壳（或主要散热部分）与夹具热沉良好接触时，结点与外壳（或主要散热部分）之间的结壳

'热阻，为了便于与完整概念下的热阻相区别，此时的热阻称为“参考热阻”，用R?JX 表示，

即下位机所测得的是参考热阻。通过在上位机软件中输入光辐射功率或连接光辐射功率计测量光辐射功率，并估算或忽略其他耗散功率，可得到完整概念下的热阻。“参考热阻”由于测量方便，复现性好，越来越多地得到了应用。

结温的测量采用的是动态电学测量方法，该方法利用发光二极管PN 结正向压降与PN 结的温度成线性关系的特性，通过测量其在不同温度下的正向压降差来得到发光二极管的 结温。在测量中PN 结既是被测对象，同时也是温度传感器，PN 结温度的变化通过温度敏 感参数即PN结正向压降的变化输出。如下图所示：

VF IM IH

图5-1 测量原理图

IF VF VH IH tH VFi VF I MVFf t t 0 0 图5-2 测量信号时序图（电流电压波形图）

①将测量电流IM正偏置加到待测LED两端，测得正向结电压（VFI）。

②加热电流IH取代IM加到待测LED 两端，加热一定时间（tH）待LED 趋于稳定状态时，测得正向结压降（VH），并得到耗散功率（PH）；

③IM迅速取代IH加到待测LED两端，并测得正向结压降（VFF）。

④关闭电流，根据公式ΔVF=|VFI-VFF|，TJ=TJI+ΔTJ，可得到待测LED的结温和热阻。

为便于描述，我们把根据以上步骤实现热阻的测量方法称为单脉冲测量模式，通过这种模式，可以得到一个LED经过确定加热时间后的热阻、结温等参数；而把在加热过程中，按照一定的周期，不断地重复单脉冲测量的方法称为连续模式，通过这种模式，可以得到LED的加热过程中热阻、结温的变化过程等参数。 2. 一般电学性能测量 正向电性能测量：采用恒流源供电，根据设定的电流自动调节输出稳定不变的正向工作电流，并测出LED两端的正向压降和流过LED的正向电流值。

反向电性能测量：采用恒压源供电，给被测LED 施加反向电压, 根据设定的反向电压调节恒压源，测出反向电压和流过LED的反向漏电流值。

实验10 紫外可见吸收光谱测试 44

实验9-2 应变传感器半桥、全桥性能实验与

校准

传感器是能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

【实验目的】

1、学习半桥、全桥工作原理和性能。 2、学习放大电路连接与系统校准。

【仪器用具】

CSY-2000型传感器与检测技术实验台、数字万用表、应变式传感器实验模板、应变式传感器－电子秤、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源。

【实验原理】

电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：

?R?K? （9-1） R式中?RR为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数, ???ll为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化 、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。

对单臂电桥输出电压：Uo1?EK?/4。

半桥，不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电：Uo2?EK?/2。

全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1

＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压为Uo3?EK?。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均得到改善。

实验10 紫外可见吸收光谱测试 45

【仪器介绍】

一、实验台的组成

CSY-2000型传感器与检测技术实验台由主机箱、传感器、实验电路（实验模板）、转动源、振动源、温度源、数据采集卡及处理软件、实验桌等组成。

主机箱：提供高稳定的士15V、士5V、+5V、士2V～士10V（步进可调）、+2V～+24V （连续可调）直流稳压电源，音频信号源（音频振荡器）1KHz～10KHz（连续可调），低频信号源(低频振荡器)1Hz～30Hz（连续可调），传感器信号调理电路，智能调节仪，计算机通信接口，主机箱上装有电压、气压等相关数显表。其中，直流稳压电源、音频振荡器、低频振荡器都具有过载保护功能，在排除接线错误后重新开机恢复正常工作。主机箱右侧面装有供电电源插板及漏电保护开关。

调理电路（实验模板）：基本型有电桥及调平衡网络、差动放大器、电压放大器、电荷放大器、电容变换器、电涡流变换器、光电变换器、温度变换器、移相器、相敏检波器、低通滤波器。增强型增加相应的配套实验模板。 二、使用方法

1、开机前将电压表显示选择旋钮打到2V档;电流表显示选择旋钮打到200mA档;步进可调直流稳压电源旋钮打到上2V档;其余旋钮都打到中间位置。

2、将AC220V电源线插头插入市电插座中，合上电源开关，数显表显示.000，表示实验台已接通电源。

3、做每个实验前应先阅读实验指南，每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线（实验中用到可调直流电源时，应在该电源调到实验值后再接到实验线路中），检查无误后方可接通电源。

4、合上调节仪（器）电源开关，设置调节仪（器）参数;调节仪（器）的PV窗显示测量值；SV窗显示设定值。 三、仪器维护及故障排除 1、维护：

（1）防止硬物撞击、划伤实验台面；防止传感器跌落地面。 （2）实验完毕要将传感器、配件及连线全部整理放置好。 2、故障排除

（1）开机后数显表都无显示，应查AC220V电源有否接通；主机箱侧面AC220V插座中的保险丝是否烧断。如都正常，则更换主机箱中主机电源。

（2）转动源不工作，则手动输入+12V电压，如不工作，更换转动源；如工作正常，应查调节仪设置是否准确；控制输出Vo有无电压，如无电压，更换主机箱中的转速控制板。 （3）振动源不工作，检查主机箱面板上的低频振荡器有无输出，如无输出，更换信号板；如有输出，更换振动源的振荡线圈。

（4）温度源不工作，检查温度源电源开关有否打开；温度源的保险丝是否烧断；调节仪设置是否准确。如都正常，则更换温度源。

【实验内容与要求】

1、半桥实验

根据图9-3接线。R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入

实验10 紫外可见吸收光谱测试 46

桥路电源±4V，调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零，按步骤1的（4）、（5）的步骤实验，将实验数据记入表9-2，计算灵敏度S2＝U／W，非线性误差δf2。若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。

图9-3应变式传感器半桥实验接线图 表9-2半桥的输出电压与加负载重量值的关系 质量(g) 电压(mv) 2、全桥实验 根据图9-4接线。按步骤1的（4）、（5）的步骤实验，将实验数据记入表9-3，进行灵敏度和非线性误差计算。

实验10 紫外可见吸收光谱测试 47

图9-4全桥性能实验接线图

表9-3全桥的输出电压与加负载重量值的关系 质量(g) 电压(mv) 【注意事项】

1、在实验前务必详细阅读用户手。

2、严禁用酒精、有机溶剂或其它具有腐蚀性溶液擦洗主机箱及面板。

3、请勿将主机箱的电源、信号源输出端与地(土)短接，因短接时间长易造成电路故障。 4、请勿将主机箱的士电源引入实验电路时接错。

5、在更换接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。 6、实验完毕后，请将传感器及附件放回原处。

7、如果实验台长期未通电使用，在实验前先通电十分钟预热，再检查按一次漏电保护按钮是否有效。

【思考问题】

1、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）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。 2、全桥有什么优点？

3、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，见图9-5，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。

实验10 紫外可见吸收光谱测试 48

图9-5 应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图

实验5 LED热电性能测试实验 19

V VF V VR A IF 图5-3 LED正反向电性能测量原理 A IR 【仪器介绍】

1. LED310功能模块

Led310既可以独立工作，测试结果直接数字显示。也可以与其它设备相连，组成综合测量系统。LED独立使用时，包括LED310主机和温控夹具两个部件，也可以与上位机配合使用，其功能模块如图5-4所示：

图5-4 LED310功能框图

当LED310与光度计、光谱仪等组成光色热电综合测量系统时，其功能大大增强，不仅能实现LED的电流-电压曲线、电压-温度曲线、瞬态升温曲线、瞬态降温曲线，还能够实现包括光度、色度、色温在内的多种光学参数的测量，形成对LED参数的完整测量。 2. LED310主要功能 ① 测量正向电流IF，正向电压VF，反向电压VR，反向漏电流IR； ② 测量结温电压K系数、参考热阻、热阻和结温TJ； ③ 绘制不同环境温度T下的电流-电压特性曲线、电压/结温/时间曲线、瞬态升温、降温曲

线等。 ④ 配光度计和光谱仪可实现有关光度、辐射度和颜色参数的综合测量。

实验5 LED热电性能测试实验 20

3. LED310仪表面板

图5-5 LED310仪表面板

① 系统工作状态指示区域： 指示灯：

“采样/SAMPLE”：该指示灯闪烁时，表示仪表处于采样状态。 “通讯/COM”：该指示灯闪烁时，表示仪表处于远程测试状态。 开关：

“电源/POWER”：仪表电源的开、关。 ② 测量数据显示区域：

“电压/VOLTAGE”窗口：显示正向电压/反向电压/温度变化引起的△V的测量值。 “电流/CURRENT”窗口：显示正向电流/反向电流的测量值。

“mA”指示灯：该指示灯亮时，表示仪表处于正向测试状态，单位为“mA”。 “μA”指示灯：该指示灯亮时，表示仪表处于方向测试状态，单位为“μA”。 “测量腔温度/CELL TEMP”窗口：显示当前恒温夹具测量腔的温度测量值。 “热特性/THERMAL”窗口：显示当前结温/热阻/K系数的值。 “℃/W”指示灯：表示此时热特性窗口上显示数据为热阻。

“K系数”指示灯：表示此时热特性窗口上显示数据为K系数，单位为℃/V。 ③ 键盘操作区域

“温控”指示灯：该指示灯亮时，表示仪表对测量腔的温度处于恒温控制状态，反之表示仪表的温度控制处于关闭状态。当“输出”指示灯亮时按此键无效。

“输出”指示灯：该指示灯亮时，表示仪表的LED驱动电流处于输出状态，反之则表示此时无LED驱动电流输出。

【实验内容与要求】

1. 热阻连续测试模式

测量LED在各种环境温度下的热阻、结温和电压随时间的变化趋势，可将LED的环境温度恒定在温度控制范围内的任意温度点。

①设置：输入K 系数及测量电流值IM，输入加热电流、取样间隔、测试时间、升温降温时间，可选择是否需要恒温控制。

②点击“开始”仪器自动测量。温度控制的判断有手动判断和自动判断。 ④ 测量时间到自动停止测量完成测试。 ⑤

实验5 LED热电性能测试实验 21

2. 热阻单脉冲测试模式

根据标准要求测量LED在各种环境温度下的热阻、结温，可将LED的环境温度 恒定在温度控制范围内的任意温度点。

①设置：输入K系数及测量电流值IM，输入加热电流IH、加热时间TH，可选择是否需要恒温控制。

②点击“开始”仪器自动测量。温度控制的判断有手动判断和自动判断。 ③加热时间到自动停止测量完成一次测试。 3. I-V 特性曲线

测量LED 的电压电流I-V特性曲线，分析最佳热阻测量电流值IM。可选择是否需要恒温控制。

①设置：设置起始电流、结束电流、间隔电流、测试延时。

②点击“开始”仪器自动测量。温度控制的判断有手动判断和自动判断。 ③当电流达到结束电流后自动停止测量。 4. 热阻K系数测试

测量LED 在某电流（IM）下的热阻K 系数，最多可同时测量4个不同电流值的K系数。 ①设置：设置起点温度T1、终点温度T2、测量电流（IF1、IF2,、IF3、IF4）、正向电压。 注意：起点温度T1应该要小于终点温度T2，且T2-T1一般要求大于50℃。 ②点击“开始”仪器自动测量。

③当温度达到终点温度T2后自动停止测量。 5. 电参数测试

快速测量LED 的电参数。

①设置：输入工作电流值，输入最大允许电压、反向电压、反向电流，可选择是否测量反向漏电流。 ②点击“测试”仪器自动测量一次。点击“触发测试”仪器输出一次脉冲，并同时点亮LED，测量得到LED电参数数据。

【思考问题】

如何降低LED的结温？请谈谈结温的升高对LED发光性能的影响。

实验6 LED光色测试系统 22

实验6 LED光色测试系统

LED光色测试系统主要涉及光辐射测量中的光度学和色度学两大领域，是光、色测量的仪器，所依据原理为CIE1931 XYZ标准色度系统和色度计量学，所以物理上可以实验的颜色都可以在色坐标图上找出颜色位置，根据测试对象的光谱功率分布计算出其色坐标、显色指数、色温等，并利用积分球设备测试光源光通量及光效。

【实验目的】

1. 2. 3. 4. 5.

了解CIE色度学基本知识以及LED光色测试原理。 掌握LED光电系统的定标方法。 学习LED芯片光谱测试分析技术。

学习用积分球测试LED灯色坐标、光谱、光效等参数的测量方法。 学习LED荧光粉的光谱、色坐标的测试方法。

【仪器用具】

积分球、PMS-50紫外-可见光-近红外光谱分析系统、电脑、LED芯片电光测试台、直插式LED灯若干个、LED芯片若干个、荧光粉、硫酸钡等。

【实验原理】

1. 色度学理论基础：

1802年英国物理学家杨格提出：在人的视网膜中可能存在3种分别对红、绿、蓝色光敏感的感光细胞，由它们感受的混合光刺激产生各种颜色的感觉。赫姆霍兹在此基础上创立了三基色理论：

（1）将适当选择的3种基色（如红、绿、蓝）按不同比例合成，可以引起不同的彩色感觉；

（2）合成的彩色光的亮度取决于三基色亮度之和，色度取决于三基色成分的比例； （3）3种基色彼此独立，任一种基色不能由其他两种基色配出。

为客观、统一地评价光源或物体的颜色，CIE 在大量心理学和物理学实验基础上推荐了“CIE 1931 XYZ 标准色度系统”，其三刺激函数如图6-1 所示。

对于一发光物体假设其发射光谱为P(λ)，则人眼的刺激值响应为：

?X?k780p(?)?x(?)d??380?780??Y?k?380p(?)?y(?)d? （6-1） ?780?Z?k?380p(?)?z(?)d??

实验6 LED光色测试系统 23

图6-1 CIE 1931 XYZ 系统三刺激值函数

则其色品坐标为：

X?x???X?Y?Z （6-2） ?Y?y??X?Y?Z?由此，国际照明委员会(Commission International de l’Eclairage,CIE)1931制定了CIE标

准色度学系统，即三基色系统XYZ，绘制出据CIE 1931-XYZ系统的色度图。色度图由一封闭舌形曲线组成，横坐标x相当于红原色比例，纵坐标y相当于绿原色比例。舌形曲线的坐标点表示纯单色光的光谱轨迹，波长从400-700 nm的连线是光谱上所没有的从紫到红的颜色。在这条连线和弧线所围成的舌形内，包括了一切物理上可以实现的颜色，白光的色坐标落在色度图的中心位置，标准白光的色坐标在x = 0.333, y = 0.333，白色区域内的弧线为黑体不同温度下的辐射光谱色坐标所组成，成为普朗克轨迹线，如图6-2 所示。从色度图上可以获得样品色坐标，发光率，显色指数，相关色温等重要色参数。并，且色度图在发光材料及期间研究中对表征光色特性很有意义。譬如，研究色坐标并在此基础上选择补色波长，或光源确定后确定色温，在色坐标数据基础上调节色纯度选择补色波长时以及提高显色指数等具体应用时十分有用。 2. 光度学理论基础：

光辐射特性的物理度量单位对整个电磁波谱都有意义。但对于照明光源，必须引入衡量人眼对照明光源的亮度感觉的物理量，称为光度学。图6-3为CIE标准观察者的人眼的光谱光视效率和效能。假定某一辐射体发出的光线是单一波长λ，该辐射体单位时间内所辐射的单位波长范围内的能量就是辐射通量或辐射功率Pλ，由该辐射通量对人眼所引起感觉的量为光通量Fλ，它表示单位时间内流出光能的大小，单位是流明。则

F??K?P??Km??P? （6-3）

其中，Kλ：与视觉有关的比例系数，也称可见度，Km：光功当量，Φλ：相对可见度(通常称视见函数)。所以，辐射通量相同，但波长不同的光，光通量是不同的。如555nm的黄绿光和650 nm的红光辐射通量相同时，前者的光通量是后者的10倍。实际上辐射体辐射不是一种波长，于是对应于各波长发出的总辐射通量的总光通量F为：

F?Km???P?d? （6-4）

0?流明效率是发射的光通量F(以流明为单位)与激发时输入的电功率或被吸收的其它形式能量总功率Px之比，即

实验6 LED光色测试系统 24

?l?F （6-5） Px图6-2 CIE 1931 XYZ 系统色品图

图6-3 CIE标准观察者的人眼的光谱光视效率和效能

3. PMS系统测试原理：

根据光度色度学理论，只要测得被测体的光谱功率分布P(λ)（即在每一光谱下测其能量值）后，就不难计算出被测光源的颜色参数：色品坐标（x，y）和（u，v），相关色温TC，显色指数Ra、Ri（1-15），峰值波长及半宽度等。因此测出P(λ)是PMS-50/80紫外-可见-近红外光谱分析系统的根本任务，图6-4是PMS-50/80紫外-可见-近红外光谱分析系统原理框图。

实验6 LED光色测试系统 25

图6-4 PMS系统原理框图

如图6-4所示，LED芯片的正负极被接通电源后发出的光线，经光纤，被汇聚在单色仪的入射狭缝上，经单色仪分光后的单色光由单色仪出射狭缝射出，并由光电倍增管(PMT)转换成电信号，经电路放大处理，A/D 转换，将数字信号送入计算机。另外，计算机发出波长控制信号，驱动光栅扫描，实现从200nm～800nm 或380nm～800nm 或400～1100nm 的光谱测量。设光源光谱功率分布为P(λ)，积分球的光谱反射比为ρ(λ)，光纤、光学系统及滤色片的光谱透射比为τ(λ)，单色仪的衍射效率为T(λ)，PMT的光谱灵敏度为S(λ)，那么光电流信号Iph(λ)为：

Iph(?)?P(?)??(?)??(?)?T(?)?S(?)?P(?)?K(?) （6-6）

定义K(λ)为测试系统的光谱响应常数，Iph(λ)由信号放大、处理电路和计算机组成的系统测试获得。K(λ)通常用已知光谱功率分布的标准辐射体（如2856K标准A光源）对测量系统定标得到。假设用标准光源S定标，定标时测得的光电流为Iphs(λ)：

Iphs(?)?Ps(?)??(?)??(?)?T(?)?S(?)?Ps(?)?K(?) （6-7）

那么测量系统的光谱响应常数：

K(?)?Iphs(?)/Ps(?) （6-8）

代入式(6-6)，得到被测光源光谱功率分布P(λ)：

P(?)?Iph(?)K(?)?Iph(?)Iphs(?)?Ps(?) （6-9）

本仪器除实现一般光谱辐射计的光谱辐射和颜色参数的测量以外，其更优异的特性在于它有机结合了积分法光度测试和分光法光度测试的优点，实现了宽动态范围的光度线性，同时消除了由于标准光源与被测光源强弱差异而引起的误差和异谱误差。 4. 积分球原理图

积分球又称光通球，是一个中空的完整球壳。内壁涂有白色漫反射层，且球内壁各点漫反射均匀。如图6-5，用已知色温的白炽标准灯对取代二极管位置的MgO槽照射，漫反射光经光纤对整个系统进行光谱校正。并且光源在球壁上任意一点上产生的光照度是由多次反射光产生的光照度叠加而成的，球壁上任意位置的光照度E（挡去直接光照后）与灯的光通量Φ成正比，通过测量球壁窗口上的光照度E，以及光谱功率分布曲线就可求出光源的光通量Φ。

近年来，由于在发射单色仪的输出光路中采用了光纤耦合系统，利用荧光光度计也可

实验6 LED光色测试系统 26

完成一些关于光色参数的测量。早期采用“万能光电色度计”测量色坐标，而更早期，色坐标是通过发射光谱计算得到的。关于白光LED（WLED）光色参数的测量，可参照《发光学与发光材料》一书提供的方法：“置于积分球（直径100～150mm）底部，发光面竖直向上（二极管的供电系统全面积分球外），积分球壁沿水平中心轴的一端开适当小窗作为1入缝。这就构成了发光二极管光色参数测量系统。如图8-5所设的一小挡板，其大小能只以挡住WLED的直射光不进入光纤入端”。上述测量方法，需有三只已知总光通量的LED作为总光通量标准。其次，在积分球顶部开一小窗，用已知色温的白炽标准灯对取代二极管位置的MgO槽照射，漫反射光经光纤对整个系统进行光谱校正。测得发光二极管的光谱功率分布（SPD）和总光通量，依据SPD，按有关计算方法求出色坐标x、y、色温Tc和显色指数Ra等。

图6-5积分球原理图

【仪器介绍】

1. 基本系统的组成

PMS-50/80紫外-可见-近红外光谱分析系统的基本组成较为简单，主要包括PMS-50/80 主机一台、光度探头（既可测光通量又可监视被测对象的稳定度）、温度探头一个、专用串行通讯电缆及专用软件等五部分。为保证仪器正常工作，用户还应配置PIV 以上计算机(可由用户自行配置,要求配彩色显示器、鼠标、RS232 串行口、Win98 以上操作平台及光驱，要求内存至少在512M 以上)一台及一根传能光纤（将被测光耦合仪器内部）。

图6-6 (a) PMS-50 主机正面图

实验6 LED光色测试系统 27

图6-6(b) PMS-50 背面图

图6-6(c) PMS-50 俯视图

图6-6(d) PMS-50 去盖板的俯视图

图6-6所示为PMS-50 主机的外形示意图，其中, 图6-6(a)为PMS-50 主机的正面图；图6-6(b)为PMS-50主机的背面图, ①为电源开关,②为1.5A保险管,③为电源插座,④为接地端子，⑤为光通量通道信号输入端,⑥为温度通道信号输入端,⑦为专用通讯电缆接口插座图；6-6(c)为PMS-50 主机的整体俯视图；图6-6(d)为PMS-50主机去掉盖板的俯视图①为狭缝调节旋钮,②为导光纤维接口.

实验6 LED光色测试系统 28

2. 荧光粉测试系统的组成

测试荧光粉(如灯用稀土三基色粉或卤粉)时,必须使用一个荧光粉激发装置, 荧光粉激发装置通常的激发光为253.7nm 汞线或者蓝光LED芯片,图6-7为其结构原理图。荧光粉测试系统=基本系统＋荧光粉激发装置。

图6-7 结构原理图

3. 电光源测试系统的组成

电光源测试系统=基本系统＋积分球＋稳定电源＋智能电量测量仪。光通量测试时，积分球是必备的，根据被测光源的大小，可选择直径1 米到2米的积分球，积分球内必须涂以中性的漫反射，积分球内的遮挡物必须减到最低程度,而且被测灯的光谱类型、形状，在可能的条件下，最好与光通量标准灯一致。 4. 系统硬件的安装

（1）将通讯线的阴插接计算机的串行口1 或2 上，将通讯线的阳插接PMS-50的RS-232/RS-485的串行口上，即（图6-6（b）中⑦），并拧紧固定螺钉；

（2）将光通量探头的一头接于PMS-50 主机光度输入端（图6-6（b）中⑤）；

（3）接好电源线（注意电源线必须有良好接地，接地必须是真正的大地，切莫与零线混为一谈）；

（4）将光纤的一端（出光口为矩形端）插入PMS-50 主机的导光纤维接口（图6-6（d）中②），另一端插入荧光粉激发装置接口或积分球接口，并用螺钉拧紧，要注意光纤不能弯曲过大，以免断丝；

（5）测电光源时，将光通量探头置于积分球接口上，用于监视被测光源的稳定性；

（6）将温度探头的一头接于PMS-50 主机的温度信号输入接口（图6-6（d）中⑥），另一头接积分球温度接口。

实验6 LED光色测试系统 29

【实验内容与要求】

1. LED芯片光谱分析实验：

（1）开机：打开稳压源和主机；打开电脑；将主机上的光纤探头连接到芯片操作台；打开显微镜背面的照明灯。

（2）放置芯片：将芯片台上的正负电线连接到稳压源的正负输出电极（注意：稳压源只能给芯片台，积分球或者灯具之一供应电，其它接线需全部断开）；调节显微镜平台，使得正负电极与芯片上的正负极形成良好的接触；打开电脑桌面上的PMS lab 光谱分析测试软件； （3）稳压源参数的设定：在如下的主窗口中选择“工具”下拉列表中的“WX 系列直流程控电流”，在弹出的对话框中选择 稳流模式。稳流和稳压分别初设为0.02 A和3.0 V，然后按“设定”，“读取”。这时获得的电流和电压值为通过芯片的真实的电流和电压值，记录下来，最后按“退出”。

（4）开始测试： 在主窗口中选择“测试”中的电光源测试，弹出的对话框中，系统设置参数不需要改变，直接按“确定”，然后出现了测试设置窗口，选择“自动选择灵敏度”，扫描步长只可以选择“5 nm“或者“1 nm”，但不能选择0.1 nm。扫描范围一般使用 380-800 nm扫描范围。设置好在这些参数后，按“开始测试”。

（5）记录结果：测试完毕后，出现光谱功率P（λ）曲线；并导出实验数据： 在主窗口中选择“文件”菜单下的导出光谱数据和选择“文件”菜单下的导出列表数据，分别获得光谱曲线数据和光谱分析的报告数据（包括色品坐标（x, y），（u, v），色温，中心主波长和峰值波长等数据）。测试结束换芯片时，一定要注意使稳压源复位：在主窗口中选择“工具”，然后选择“复位”。这时输入电压复位到零电压。 2. LED灯测试：

（1）光谱定标：a) 点开工具菜单，选择“WY系列直流电源控制”， 选择“恒流”，输入标准灯电参数，将灯点亮稳定5min；b)选择“测试”菜单，打开“光谱测试”，弹出对话框；c) 输入标准灯色温值和光通量值，选择测试类型为“电光源”以及扫描步长为“5nm”，单击“开始”按钮，系统自动采用，定标完后，选择存盘退出。

（2）光通量定标： a) 在标准灯点亮之前，将积分球关闭。然后选择“测试”菜单，打开“光通量测试”，弹出对话框，点击“校零”按钮，仪器自动进行光通量的校零；b) 打开电流源，将电流调到标定值，预热二十分钟，千万不能将电流值超过标准光源标定电流值的5%，否则标准光源有可能被毁坏或数据不准；c) 输入标准灯光通量数值，点击“光通量标定”，然后开始检测，结果相符合，保存定标，退出即可；d) 进行测试，检验数据与标准数据色温相差在±5K以内，光通量在±0.5 lm以内即可完成定标；e) 把标准灯的电源慢慢调为零，然后关掉电源，定标结束。 （3）电光源测试

选择“测试”菜单，点击“电光源测试”，然后单击“5nm”，会出现电参数和测试信息对话框，点击“确定”进入测试采用对话框；调节好灵敏度，然后点击“开始”，仪器自动扫描；扫描完毕，自动消隐“测试对话框”，程序主画面上显示电光源测试分析结果,包括灯具光谱功率分布，光效，色坐标，色温，显色指数等。

(4) 将此结果存盘，并对结果进行分析，写出实验报告。 3. 荧光粉测试：

装置换成荧光粉激发测试装置，定标、测试过程与LED灯类似。 4. 分析和讨论实验结果。

（1）严格按照讲义模式书写实验报告；

实验6 LED光色测试系统 30

（2）测试的数据要有截图，并且利用导出的原始数据和相关数据处理软件，重新画出光谱分布的坐标图，标出其峰值波长，半高宽，并将测试参数列表记录。 （3）对课后思考题及实验中遇到的问题进行讨论。

【注意事项】

1、工作环境清洁、工作台稳定；环境温度：10℃-30℃；相对湿度：小于80%； 2 、标准灯不能用手直接接触，以免污染；定标时需点亮15-30分钟稳定，并且定标完成后，需冷却10分钟后，再取出放置；

3、由于设备只有一台，每组同学轮流测试，其他人可在旁边观摩，但要保持安静，不能随意走动，影响测试结果；

4、台面上的接线比较多，一定要确保接线无误后才能进行测试，测试完毕后，记得复位； 5、拷贝数据时，一定确保所使用的U盘无病毒和木马。一个完整的时间段统一使用一个U盘。

【思考问题】

1、简述积分球的工作原理。

2、如何系统评价LED灯性能好坏？

3、在光谱分析实验中，如果LED芯片的正负电极不是在同一平面上，而是在分别在芯片的上下两个面上，如何利用现有的显微镜台来测量这种类型芯片的光谱分布曲线？

4、本综合测试系统，除了可以测试LED灯、荧光粉、LED芯片等样品之外，还能测试哪些其它的样品？请举例说明。

实验7 LED光强分布测试实验 31

实验7 LED光强分布测试实验

LED光强分布测试属于LED灯常规性能测试的一种，主要是表征LED灯发出的光在立体空间上的光强分布情况，通过LED光强分布测试仪可以获得LED灯的配光曲线（极坐标曲线），直角坐标光强曲线、三维立体光强分布图等信息。

【实验目的】

1. 了解和掌握LED光强分布的测试原理；

2. 掌握LED光强分布测试基本操作和数据处理方法； 3. 学会设计符合某种要求的配光曲线。

【仪器用具】

LED520 LED光强分布测试仪，电脑，直插式LED灯若干个

【实验原理】

基于LED各个应用领域的实际需求，LED的测试需要包含多方面的内容，包括：电特性、光特性、开关特性、颜色特性、热学特性、可靠性等。类似于其它光源，LED光特性的测试主要包括光通量和发光效率、辐射通量和辐射效率、光强和光强分布特性和光谱参数等。

图7-1 LED光强测试中的问题

光强的定义为：单位立体角光源辐射出去的光通量。在测量LED灯的光强分布时如果简单套用点光源的测试方法则会遇到问题。如图7-1所示，点光源光强在空间各方向均匀分布，在不同距离处用不同接收孔径的探测器接收得到的测试结果都不会改变，但是LED由于其光强分布的不一致使得测试结果随测试距离和探测器孔径变化。因此，CIE-127（CIE国际照

实验7 LED光强分布测试实验 32

明协会）提出了两种推荐测试条件使得各个LED在同一条件下进行光强测试与评价，目前CIE-127条件已经被各LED制造商和检测机构引用。

图7-2 CIE-127推荐LED光强测试条件

如图7-2所示，CIE除了规定了两种测量条件，分别是远处测试（探头到灯的距离为316mm）和近场测试（探头到灯的距离为100mm）之外，而且还规定了光电探头的的面积大小

2

为100 mm。因此，LED灯在行内的光强测试才具有统一的标准。

在光强测试系统中，测量是通过转动LED的垂直转轴并且探头保持不动来实现的。因为垂直转轴通过LED的光学中心，所以这就相对于探头绕着LED在离LED一定距离的球面上作圆周运动（图7-3）。

图7-3 LED光强分布测试原理图

根据光度学相关知识可以知道，照度和光强的关系可以由下式来表示：

E?Icos? （7-1） 2r式中：E为照度，I为光强，r为光源到光接收面的距离，θ为光束中心与光接收面法线的夹角。在本系统中，θ始终为0，所以cosθ始终为1，公式简化为：

E?因此，

I （7-2） r2I?E?r2 （7-3）

照度值E由仪器测出，光源到探头的距离r由用户按规定条件设定，那么光强值也就得到了。

本系统测试的另一个参数等效光通量Ф是在假设LED的发光特性在同一环带上是各向同性的前提下通过光强对立体角的积分来得到的，即将测试平面内（X平面）两个与光轴夹

实验7 LED光强分布测试实验 33

角相等的测试点光强值作算术平均后得到一条X平面内的光强分布曲线（关于光轴对称），见图7-4。然后将这条曲线绕光轴旋转180°得到LED在整个空间的光强分布。计算公式如下式所示：

???Ii?d?i （7-4）

式中，Ii为两个与光轴夹角相等的测试点光强的算术平均值，Ωi为同纬度环带立体角。即，假想一个以LED光学中心为球心、LED光轴为极轴、测试距离为r半径的球面，把光强分布曲线测试点的光强等效成球面上同纬度环带的平均值。

图7-4 X平面内光强分布及等角度环带图

【仪器介绍】

LED520LED光强自动分布测试仪

LED520LED光强自动分布测试仪专用于LED光强和光强分布曲线（配光曲线）（极坐标或直角坐标）的快速配光测量。LED绕水平轴自动旋转和竖直轴手动旋转，绘制三维空间光强分布曲线、自动测定光束角及正反向电性能参数，内置恒流源（如图7-5所示）。

图7-5 LED光强分布测试仪

实验7 LED光强分布测试实验 34

仪器采用国家一级（CIE Class B）光度探头及精密LED机械定位装置，精密一体化设计中心对准系统，完全符合CIE pub.No.127条件A或B。可选配不同辐射强度测量探头实现红外LED、紫外LED的辐射强度随角度分布曲线。 (1) 国家一级光度探头，f1’<5%；

(2) 精密LED机械定位装置，精密一体化设计中心对准系统； (3) 满足CIE pub.No.127标准A条件和B条件； (4) 预热时间：0 ms ~9999ms； (5) 光强范围：10mcd~200cd；

(6) LED沿水平轴自动旋转角度：±90°；

(7) LED沿竖直轴手动旋转角度：0°~360°；

(8) 正反向直流电流IF的测量范围：0mA~1000mA； (9) 正向直流电压VF的测量范围：0V~10V； (10) 反向漏电流Ir的测量范围：0~50μA； (11) 电性能测试精度：0.5%F.S

【实验内容和要求】

1. 光强分布测试步骤和内容：

（1）判断直插式LED灯是正负引脚（长脚为正极，短脚为负极）。

（2）将LED灯安装到灯座上。安装时，一边扶住灯座，一边将LED引脚插入灯座的引脚插入孔内，请注意LED极性（灯座台的左插口为正极，右插口为负极）。

（3）探头位置的调整：本系统能实现CIE pub.No.127 条件A或条件B的标准测试，用户只需简单地调整探头的位置就可以了。将探测器安装在消光筒上时，测试条件为CIE pub.No.127 条件A（31.6cm远场）；将消光筒旋下，把探测器装到遮光筒上，则测试条件为CIE pub.No.127 条件B（10.0cm近场）。调整完后将滚花螺钉拧紧即可。在本实验中，统一采用远场测试。

（4）打开电脑桌面快捷方式的 “ LEDitesv1.00700”软件。进入软件窗口，如图7-6所示。

图7-6 软件窗口

（5）初步测试 (灯座的罩壳不盖上)

实验7 LED光强分布测试实验 35

操作方法：

（a）选择“文件”菜单，单击“新建”，在弹出如下的对话框中，选择光强分布测试，按确定。

图7-7 新建窗口

在弹出如下的对话框中，选择按CIE条件A （远场），其它参数系统设定，不需要改变。

图7-8 选项卡

（b）选择“操作”菜单中的“点亮”选项，把LED灯点亮起来，然后选择“操作”菜单中“测试” 这时候，软件会自动关闭（系统安装出现的问题，可以不必理会）。

（6）正式测试 操作方法：

(a) 盖上LED灯座的罩壳，重新打开软件； (b) 按照上面初步测试的步骤，重新测试一次

(c) 测试完毕后会出现图7-9的界面；此界面由四个窗口组成，分别为极坐标图、直角

坐标图、三维光强分布图和光强分布数据表。其中三维图有点、线、面三种表示方式，可按此窗口左侧工具条上的按钮进行切换。 (d) 导出实验数据。

实验7 LED光强分布测试实验 36

图7-9 光强测试界面

（7）换下另一种类型的LED灯，重复步骤（1）-（6）。

2. 实验要求

（1）测试和分析至少三种不同形状LED灯的光强分布特点，总结出规律。

（2）利用导出的原始数据和相关数据处理软件，重新画出LED光强分布的极坐标图。 （3）实验报告严格按照标准实验报告的格式完成。

【注意事项】

1. 由于设备只有一台，每组同学轮流测试，其他人可在旁边观摩，但要保持安静，不能随意走动，避免影响测试结果。

2. 台面上的接线比较多，一定要确保接线无误后才能进行测试，测试完毕后，记得复位。 3. 拷贝数据时，一定确保所使用的U盘无病毒和木马。一个完整的时间段统一使用一个U盘。

【思考问题】

1. 在光强分布测试中，如何通过导出的数据画出三维光强分布图？ 2. 在相同的LED灯的光强分布测试中，选择远场或者近场测试，其测试结果有什么区别？

在什么情况下该采用哪种测试模式比较合适？

3. 如何利用已测量的三种不同LED灯的配光曲线来组装一个符合路灯设计的小型路灯？

实验8 LED灯具配光曲线 37

实验8 LED灯具配光曲线

【实验目的】

1、理解配光曲线测试仪的基本原理。

2、掌握正确运用灯具配光曲线测试仪对LED灯具进行测试。 3、掌握理解和分析配光曲线的测试报告的方法。

【仪器用具】

GO1900L灯具配光测试系统，各种灯，夹具，米尺，灯具接头。

【实验原理】

1、测量系统构造和原理

在本系统中，测量是通过转动灯具的垂直转轴并且探头保持不动来实现的。因为垂直转轴通过灯具的光学中心，所以这就相当于探头绕着灯具在离灯具一定距离的球面上作圆周运动。

根据光度学相关知识可以知道，照度和光强的关系可以由下式来表示

E?Icos? （8-1） 2r式中：E为照度，I为光强，r为光源到光接收面的距离，θ为光束中心与光接收面法线的夹角。在本系统中，θ始终为0，所以cosθ始终为1，公式简化为：

E?因此，

I （8-2） r2I?E?r2 （8-3）

照度值E由仪器测出，光源到探头的距离r由用户按规定条件设定，那么光强值也就得到了。

本系统测试的另一个参数等效光通量Ф是在假设LED灯具的发光特性在同一环带上是各向同性的前提下通过光强对立体角的积分来得到的，即将测试平面内（X平面）两个与光轴夹角相等的测试点光强值作算术平均后得到一条X平面内的光强分布曲线（关于光轴对称），见图8-2。然后将这条曲线绕光轴旋转180°得到LED在整个空间的光强分布。计算公式如下式所示：

???Ii?d?i （8-4）

式中，Ii为两个与光轴夹角相等的测试点光强的算术平均值，Ωi为同纬度环带立体角。假想一个以灯具光学中心为球心、灯具光轴为极轴、测试距离为半径的球面，把光强分布曲线测试点的光强等效成球面上同纬度环带的平均值。

实验8 LED灯具配光曲线 38

测试基准面测试环境为暗室手动测试距离R探头刻线探头前后可调左右、俯仰可调计算机自动转台RS232C探头支架图8-1 基本系统构造及原理

图8-2 X平面内光强分布及等角度环带图

2、仪器的基本功能

GO1900L灯具配光测试系统主要测量对象为具有杯形灯罩的灯具，测量参数为经过灯具光学中心且垂直于灯具口面的水平平面内的光强分布曲线，可以分别用极坐标图和直角坐标图表示，以及各个测试点的光强数据。

整个测试过程由程序自动控制完成，用户只需在测试前输入必要的测量参数（如测试距离等）即可。同时，用户也可以手动使灯具绕水平轴转动，观察垂直于灯具口面的不同平面内的光强分布曲线。

【实验内容要求】

GO1900L灯具配光曲线测试系统除灯具和探头的相对位置需要手动精确调整之外，其余均可通过软件的操作（鼠标或键盘）自动完成。

实验8 LED灯具配光曲线 39

1、自动转台的放置

将自动转台放在距地面60-80厘米的水平且稳固的桌面上，若不水平，可以调节自动转台的四个底脚至转台水平为止。 2、灯具的夹装

本系统提供了夹持器用于用户灯具的夹装，根据灯具口面的大小调节夹紧螺母，将夹条松开，然后向前推灯具，旋动夹紧螺母使夹条互相靠拢。在快接触到灯具时，再次推一下灯具使灯具口面贴紧夹条的限位处，旋紧夹紧螺母，再旋紧灯具固定螺母（共6个），最后旋紧锁紧螺母（共2个）。 3、探头的安装及定位

(1)在GO1900L灯具夹具上装上所配的C型激光对准器，打开自动转台后面板上的电源开关，转台会自动复位并保持在该位置上。打开激光器电源，调节灯具夹具的水平调节螺母，使光束朝前水平射出。

(2)水平方向定位。

1)待转台停止转动后，将探头移至离灯具一定距离。此距离应满足照度的距离平方反比定律。一般来说，测试距离应至少为灯具口面最大直径的10倍，且不小于0.5米；

2)调节探头高度，使激光光斑落在探头中心处，调整探头的位置，使探头的中心对准灯具光学中心并使探头轴线与光束平行，观察探头上方的水平珠气泡是否在圆中心位置，若不在圆中心处，微调云台（三个转动方向）使之移动到圆中心处，此时代表探头已水平；

注意：只要测试距离满足照度的距离平方反比定律，探头的位置最好不要经常移动，以免去经常调整探头水平度的麻烦。

3)探头到测量基准面距离的测量。用卷尺量出从测量基准面到探头后部刻线处的垂直距离(建议精确到毫米),在测试过程中需将测量值输入到软件中。 4、软件使用说明（略）

【注意事项】

1、工作环境应为清洁的暗室，工作台应稳定、可靠；室内不能有较强的空气流动，以免影响测量精度。

2、环境温度：5℃～30℃。

3、相对湿度：≤80%（无结露）。

4、电源必须是单相三线的，应有良好的接地，用户应配备交流稳压电源（最好是净化电源或参数稳压电源）；为了防止外来干扰，电源进线最好配套EMI滤波器，滤波器应良好接地，千万要注意的是：用户必须要设有真正的通大地的地线，地线决不能同零线混为一谈。 5、仪器所配探头属精密器件需防尘、防摔。不用时应用所配的探头盖将探头盖好。

【思考问题】

1、配光曲线测试仪不能测量灯具发光的三维分布？怎样测量才能调高精度？ 2、如何使用灯具配光曲线测试仪测量路灯等大的灯具，需要哪些条件。

3、对比家居照明和户外照明对测量配光曲线的参数有什么要求？并说明能否在同一条配光曲线上推导出不同测量距离的光强分布。

实验10 紫外可见吸收光谱测试 40

实验9-1 应变传感器和单臂桥性能实验

传感器是能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

【实验目的】

1、了解金属箔式应变片的应变效应。 2、学习单臂桥工作原理和性能。

【仪器用具】

CSY-2000型传感器与检测技术实验台、数字万用表、应变式传感器实验模板、应变式传感器－电子秤、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源。

【实验原理】

电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：

?R?K? （9-1） R式中?RR为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数, ???ll为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化 、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。

对单臂电桥输出电压：Uo1?EK?/4。

半桥，不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电：Uo2?EK?/2。

全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1

＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压为Uo3?EK?。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均得到改善。

实验10 紫外可见吸收光谱测试 41

【仪器介绍】

一、实验台的组成

CSY-2000型传感器与检测技术实验台由主机箱、传感器、实验电路（实验模板）、转动源、振动源、温度源、数据采集卡及处理软件、实验桌等组成。

主机箱：提供高稳定的士15V、士5V、+5V、士2V～士10V（步进可调）、+2V～+24V （连续可调）直流稳压电源，音频信号源（音频振荡器）1KHz～10KHz（连续可调），低频信号源(低频振荡器)1Hz～30Hz（连续可调），传感器信号调理电路，智能调节仪，计算机通信接口，主机箱上装有电压、气压等相关数显表。其中，直流稳压电源、音频振荡器、低频振荡器都具有过载保护功能，在排除接线错误后重新开机恢复正常工作。主机箱右侧面装有供电电源插板及漏电保护开关。

调理电路（实验模板）：基本型有电桥及调平衡网络、差动放大器、电压放大器、电荷放大器、电容变换器、电涡流变换器、光电变换器、温度变换器、移相器、相敏检波器、低通滤波器。增强型增加相应的配套实验模板。 二、使用方法

1、开机前将电压表显示选择旋钮打到2V档;电流表显示选择旋钮打到200mA档;步进可调直流稳压电源旋钮打到上2V档;其余旋钮都打到中间位置。

2、将AC220V电源线插头插入市电插座中，合上电源开关，数显表显示.000，表示实验台已接通电源。

3、做每个实验前应先阅读实验指南，每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线（实验中用到可调直流电源时，应在该电源调到实验值后再接到实验线路中），检查无误后方可接通电源。

4、合上调节仪（器）电源开关，设置调节仪（器）参数;调节仪（器）的PV窗显示测量值；SV窗显示设定值。 三、仪器维护及故障排除 1、维护：

（1）防止硬物撞击、划伤实验台面；防止传感器跌落地面。 （2）实验完毕要将传感器、配件及连线全部整理放置好。 2、故障排除

（1）开机后数显表都无显示，应查AC220V电源有否接通；主机箱侧面AC220V插座中的保险丝是否烧断。如都正常，则更换主机箱中主机电源。

（2）转动源不工作，则手动输入+12V电压，如不工作，更换转动源；如工作正常，应查调节仪设置是否准确；控制输出Vo有无电压，如无电压，更换主机箱中的转速控制板。 （3）振动源不工作，检查主机箱面板上的低频振荡器有无输出，如无输出，更换信号板；如有输出，更换振动源的振荡线圈。

（4）温度源不工作，检查温度源电源开关有否打开；温度源的保险丝是否烧断；调节仪设置是否准确。如都正常，则更换温度源。

【实验内容与要求】

1、单臂电桥实验

（1）根据图9-1应变式传感器（电子秤）已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，

实验10 紫外可见吸收光谱测试 42

R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。

图9-1应变式传感器安装示意图

（2）接入模板电源±15V（从主控台引入），检查无误后，合上主控台电源开关，将实验模板调节增益电位器RW3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正负输入端与地短接，输出端与主控台面板上数显表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源（注意：当Rw3、Rw4的位置一旦确定，就不能改变）。

（3）将应变式传感器的其中一个电阻应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器RW1，接上桥路电源±4V（从主控台引入）如图9-2所示。检查接线无误后，合上主控台电源开关。调节RW1，使数显表显示为零。

图9-2应变式传感器单臂电桥实验接线图

实验10 紫外可见吸收光谱测试 43

（4）在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表9-1，关闭电源。

表9-1单臂电桥的输出电压与加负载重量值的关系 质量(g) 电压(mv) （5）根据表9-1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yF..S 3100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yF2S满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。

【注意事项】

1、在实验前务必详细阅读用户手。

2、严禁用酒精、有机溶剂或其它具有腐蚀性溶液擦洗主机箱及面板。

3、请勿将主机箱的电源、信号源输出端与地(土)短接，因短接时间长易造成电路故障。 4、请勿将主机箱的士电源引入实验电路时接错。

5、在更换接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。 6、实验完毕后，请将传感器及附件放回原处。

7、如果实验台长期未通电使用，在实验前先通电十分钟预热，再检查按一次漏电保护按钮是否有效。

【思考问题】

1、传感器输入电压如何确定？对传感器性能有何影响？

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