材料科学基础实验指导书 本文关键词：指导书，材料科学，实验，基础
材料科学基础实验指导书 本文简介：材工专业材料科学基础实验指导书材工《材料科学基础》实验指导书湖北工业大学材料科学与工程学院2013.3实验1淬冷法研究相平衡目的意义在实际生产过程中，材料的烧成温度范围、升降温制度，材料的热处理等工艺参数的确定经常要用到专业相图。相图的制作是一项十分严谨且非常耗时的工作。淬冷法是静态条件下研究系统状
材料科学基础实验指导书 本文内容：
材工专业材料科学基础实验指导书
材工《材料科学基础》实验指导书
湖北工业大学材料科学与工程学院
2013.3
实验1
淬冷法研究相平衡
目的意义
在实际生产过程中，材料的烧成温度范围、升降温制度，材料的热处理等工艺参数的确定经常要用到专业相图。相图的制作是一项十分严谨且非常耗时的工作。淬冷法是静态条件下研究系统状态图（相图）最常用且最准确的方法之一。掌握该方法对材料工艺过程的管理及新材料的开发非常有用。
本实验的目的：
1.
从热力学角度建立系统状态（物系中相的数目，相的组成及相的含量）和热力学条件（温度，压力，时间等）以及动力学条件（冷却速率等）之间的关系。
2.
掌握静态法研究相平衡的实验方法之一
──
淬冷法研究相平衡的实验方法及其优缺点。
3.
掌握浸油试片的制作方法及显微镜的使用，验证Na2O
—
SiO2系统相图。
基本原理
从热力学角度来看，任何物系都有其稳定存在的热力学条件，当外界条件发生变化时，物系的状态也随之发生变化。这种变化能否发生以及能否达到对应条件下的平衡结构状态，取决于物系的结构调整速率和加热或冷却速率以及保温时间的长短。
淬冷法的主要原理是将选定的不同组成的试样长时间地在一系列预定的温度下加热保温，使它们达到对应温度下的平衡结构状态，然后迅速冷却试样，由于相变来不及进行，冷却后的试样保持了高温下的平衡结构状态。用显微镜或X-射线物相分析，就可以确定物系相的数目、组成及含量随淬冷温度而改变的关系。将测试结果记入相图中相应点的位置，就可绘制出相图。
由于绝大多数硅酸盐熔融物粘度高，结晶慢，系统很难达到平衡。采用动态方法误差较大，因此，常采用淬冷法来研究高粘度系统的相平衡。
淬冷法是用同一组成的试样在不同温度下进行试验。样品的均匀性对试验结果的准确性影响较大。将试样装入铂金装料斗中，在淬火炉内保持恒定的温度，当达到平衡后把试样以尽可能快的速度投入低温液体中（水浴，油浴或汞浴），以保持高温时的平衡结构状态，再在室温下用显微镜进行观察。若淬冷样品中全为各向同性的玻璃相，则可以断定物系原来所处的温度（T1）在液相线以上。若在温度（T2）时，淬冷样品中既有玻璃相又有晶相，则液相线温度就处于T1和T2之间。若淬冷样品全为晶相，则物系原来所处的温度（T3）在固相线以下。改变温度与组成，就可以准确地作出相图。
淬冷法测定相变温度的准确度相当高，但必须经过一系列的试验，先由温度间隔范围较宽作起，然后逐渐缩小温度间隔，从而得到精确的结果。除了同一组成的物质在不同温度下的试验外，还要以不同组成的物质在不同温度下反复进行试验，因此，测试工作量相当大。
实验器材
1．
相平衡测试仪
实验设备包括高温炉、温度控制器、铂装料斗及其熔断装置等，如图1-1所示。
熔断装置为把铂装料斗挂在一细铜丝上，铜丝接在连着电插头的个两铁钩之间，欲淬冷时，将电插头接触电源，使发生短路的铜丝熔断，样品掉入水浴中淬冷。
2．偏光显微镜一套，如图1-2所示。
图1—1
仪器装置示意图
1-
高温炉电炉丝
2-
铬铝电偶
3-
熔断装置
4-
电插销5-
铂装料斗6-
电流表
7-温度控制器
8-
电炉底盖
9-
水浴杯
10-
高温炉
11-高温炉保温层
图1-2
偏光显微镜
放大倍数：40×～630×
可做单偏光观察、正交偏光观察、锥光观察及显微摄影
测试步骤
1.
试样制备
按Na2O
：2SiO2摩尔组成计算Na2O和SiO2的的重量百分数，以Na2CO3和SiO2进行配料，混合均匀，将该原料制成玻璃以得到组成均匀的样品。
2.
测试步骤
（1）
先将高温炉升温至750℃，恒温。
（2）
用细铜丝把两个铂金装料斗挂在熔断装置上（注意两挂钩不能相碰）。再把少量试样（0.01
~
0.02
g）装入铂金装料斗内，然后把样品放入高温炉中，盖好高温炉上下盖子。
（3）
在750℃保温30
min。将水浴杯放至炉底，打开高温炉下盖，把熔断装置的电插头接触电源（注意，稍一接触即可）使铜丝熔断，让样品掉入水中淬冷。
（4）
盖上电炉盖，升温至900℃，保温30
min，重复上述步骤淬冷样品。
（5）
取出铂金坩埚，放在高温炉的盖上，利用炉体温度烘干样品。
（6）
取下试样，在捣碎器内砸成粉末（注意，不能研磨），作成浸油试片。
（7）
在偏光显微镜下观察有无晶体析出，并与相图（见图1-3）相比较。
（8）
记录观察结果，写出实验报告。
图1-3
Na2O-SiO2系统相图
思
考
题
1.
用淬冷法研究相平衡有什么优缺点
？
2.
用淬冷法如何确定相图中的液相线和固相线
？
主要参考文献
[1]
孙庆凌、沈淑兰编，《硅酸盐物理化学》实验指导书，武汉工业大学，1992年。
[2]
浙江大学等编，《硅酸盐物理化学》，中国建筑工业出版社，1981年。
[3]
大连轻工业学院，《硅物化实验讲义》。
4
实验2
固相反应
目的意义
固相反应是材料制备中一个重要的高温动力学过程，固体之间能否进行反应、反应完成的程度、反应过程的控制等直接影响材料的显微结构，并最终决定材料的性质，因此，研究固体之间反应的机理及动力学规律，对传统和新型无机非金属材料的生产有重要的意义。
本实验的目的：
1.
掌握TG法的原理，熟悉采用TG法研究固相反应的方法。
2.
通过Na2CO3
－
SiO2系统的反应验证固相反应的动力学规律
─
杨德方程。
3.
通过作图计算出反应的速度常数和反应的表观活化能。
基本原理
固体材料在高温下加热时，因其中的某些组分分解逸出或固体与周围介质中的某些物质作用使固体物系的重量发生变化，如盐类的分解、含水矿物的脱水、有机质的燃烧等会使物系重量减轻，高温氧化、反应烧结等则会使物系重量增加。热重分析法（thermogravimetry，简称TG法）及微商热重法（derivative
thermogravimetry，简称DTG法）就是在程序控制温度下测量物质的重量（质量）与温度关系的一种分析技术。所得到的曲线称为TG曲线（即热重曲线），TG曲线以质量为纵坐标，以温度或时间为横坐标。微商热重法所记录的是TG曲线对温度或时间的一阶导数，所得的曲线称为DTG曲线。现在的热重分析仪常与微分装置联用，可同时得到TG
-
DTG曲线。通过测量物系质量随温度或时间的变化来揭示或间接揭示固体物系反应的机理和/或反应动力学规律。
固体物质中的质点，在高于绝对零度的温度下总是在其平衡位置附近作谐振动。温度升高时，振幅增大。当温度足够高时，晶格中的质点就会脱离晶格平衡位置，与周围其它质点产生换位作用，在单元系统中表现为烧结，在二元或多元系统则可能有新的化合物出现。这种没有液相或气相参与，由固体物质之间直接作用所发生的反应称为纯固相反应。实际生产过程中所发生的固相反应，往往有液相和/或气相参与，这就是所谓的广义固相反应，即由固体反应物出发，在高温下经过一系列物理化学变化而生成固体产物的过程。
固相反应属于非均相反应，描述其动力学规律的方程通常采用转化率G（已反应的反应物量与反应物原始重量的比值）与反应时间t之间的积分或微分关系来表示。
测量固相反应速率，可以通过TG法（适应于反应中有重量变化的系统）、量气法（适应于有气体产物逸出的系统）等方法来实现。本实验通过失重法来考察Na2CO3
－
SiO2系统的固相反应，并对其动力学规律进行验证。
Na2CO3
－
SiO2系统固相反应按下式进行：
Na2CO3
＋
SiO2
?
Na2SiO3
＋
CO2
↑
恒温下通过测量不同时间t时失去的CO2的重量，可计算出Na2CO3的反应量，进而计算出其对应的转化率G，来验证杨德方程：
[
1－（1－G）1
/
3
]
2
=
Kj
t
的正确性。式中，Kj
=
Aexp（-Q
/
RT）为杨德方程的速度常数，Q为反应的表观活化能。改变反应温度，则可通过杨德方程计算出不同温度下的Kj和Q。
实验器材
1.
设备仪器
[1]
普通热天平（PRT-1型热天平）
普通热天平由四个单元构成，即天平单元，加热单元，气路单元，温度控制单元。
[2]微量热天平（WRT-2型热天平）
图3-1
热天平原理图
1-
机械减码
2-
吊丝系统
3-
密封管
4-
进气口
5-
加热丝
6-
样品盘
7-
热电偶
8-
光学读数
9-
出气口
10-
样品
11-
管状电阻炉
12-
温度控制与显示单元
微量热天平由五个单元构成，即天平单元，加热单元，气路单元，温度控制单元，自动记录单元。
2.
材料
铂金坩埚一只，不锈钢镊子两把，实验原料（化学纯NaCO3一瓶，SiO2一瓶）。
测试步骤
1.样品制备
1
将NaCO3（化学纯）和SiO2（含量99.9
%）分别在玛瑙研钵中研细，过250目筛。
2
SiO2的筛下料在空气中加热至800℃，保温5
h，NaCO3筛下料在200℃烘箱中保温4
h。
3
把上述处理好的原料按NaCO3
：SiO2
=
1
：1摩尔比配料，混合均匀，烘干，放入干燥器内备用。
3.
测试步骤
4.
开冷却水龙头，水量应适中。
5.
接通电炉电源，按预定的升温速率升温，大约10～20℃/min，达到700℃时保温5
min后待测。（温度控制器操作方法参考淬冷法研究相平衡实验中的附注）
6.
称量样品，记录天平零点读数；铂金坩埚放入PRT-1型天平左盘，记录读数；取出坩埚，装入大约0.5
g的样品，再记录天平读数。
7.
将装有样品的坩埚挂在热天平的挂钩上，提升电炉至限位点后固定住电炉。
8.
坩埚置入炉内的同时记录时间，以后每隔3～5
min记录一次时间和重量，记录5～7次数据。
9.
取出坩埚，倒去废样，重新装样，进行750℃的测试。
10.
实验完毕，取出坩埚，将实验工作台物品复原。
数据处理
以下表方式记录实验数据，做
[
1－（1－G）1
/
3
]
2
~
t
图，通过直线斜率求出反应的速度常数Kj
。通过Kj求出反应的表观活化能Q
。
表3-1
实验数据记录
反应时间
t（min）
坩埚与样品重量W1（g）
CO2累计失重量W2（g）
Na2CO3转化率G
[1－（1－G）1/3
]2
Kj
思
考
题
1
温度对固相反应速率有何影响？其它影响因素有哪些
？
2本实验中失重规律怎样
？请给予解释
。
3
影响本实验准确性的因素有哪些
？
主要参考文献
[1]
[日]
日本化学协会编，董万堂，董绍俊
译．《无机固态反应》．科学出版社．1985年。
[2]
浙江大学等编．《硅酸盐物理化学》．中国建筑工业出版社．1981年。
[3]
孙庆凌，沈淑兰编．《硅酸盐物理化学》实验指导书．武汉工业大学．1992年。
126
实验4
组温特性测定
导电材料，尤其是半导体陶瓷材料其导电率温度之间有很强的依赖关系，我们常常可以利用这种变化关系，把这类材料应用在不同的领域。因此，弄清材料导电率随温度的变化规律，可为材料的实际应用提供理论基础。
实验目的：
1、
弄清材料导电率岁温度变化的机理。
2、
掌握材料组温曲线的测绘方法。
基本原理
电阻-温度特性常简称为阻温曲线，指在规定的电压下，电阻器的零功率电阻值与电阻体温度之间的关系。
零功率电阻值是在某一规定的温度下测量电阻器的电阻值，测量时应保证该电阻的功耗引起的电阻值的变化达到可以忽略的程度。
实验器材：
电阻温度特性测定仪
测试步骤
。。。。。。。。。。。。。。。
1、
将被测材料放到测试棒上，并盖上炉盖，
2、
打开电源开关
3、
根据被测的电阻值选择合适的电阻值乘和升温速率，仪表显示温度值和电阻值
4、
打开工作开关，加热炉开始升温，
5、
记录温度和电阻的对应值
6、
温度升至需要的试样温度，关闭工作开关和电源开关。
实验完毕
数据处理
1、
数据记录
这组实验数据有108对，限于篇幅，这里只列几对数据表示：
温度℃
27
32
37
42
47
52
57
62
67
72
…
电阻R
16.6
16.7
17
17.3
17.1
18.2
18.8
19.5
20.4
21.5
…
Log
R
1.2201
1.2227
1.2380
1.2380
1.2601
1.2742
1.2900
1.3096
1.2380
1.2601
…
2、
绘制阻-温曲线
用实验数据在直角毫米坐标纸上做图，得“温度~log
R”关系曲线。用Excel作图结果如下所示。
3、
确定材料的电阻器的最大电阻值，最小电阻值。
在Excel中进行查询，最大电阻为1.61E+07,最小电阻为16.6
4、
电阻温度系数的计算
对室温~100℃的数据，用Excel作图，如下图，并进行线性拟合得温度t时电阻变化的百分率：
温度t时电阻变化的平均百分率按下式计算：
影响因素
1、
试样加工时不仅要表面平整，还要注意使两表面平行，否则试样装在电极上时，会因接触不良而影响测定结果。
2、
在电极上时装试样，要注意试样夹持的力度。为了使实验结果有重复性和可比性，装每快试样的夹持粒度应大致相同。
3、
有的试样经加热后，电阻值有突变点，在电阻值突变点附近，应增加记录密度，以便画出圆滑的曲线。
篇2：《材料指导书》
《材料指导书》word版 本文关键词：指导书，材料，word
《材料指导书》word版 本文简介：文件号版次第A版文件类型技术文件修订状态第１次修订文件名称原、辅材料检验指导书页码第１页，共13页检验对象判定原则依据检测器具检验方法抽样数量与方法检验濒次备注名称编号铝锭杂质含量Si《重熔用铝锭》GB/T1196-2008光谱仪《光谱仪分析操作规程》铝锭必须保证AL99.70铝锭杂质含量Fe《重熔
《材料指导书》word版 本文内容：
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术
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第１次修订
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原、辅材料检验指导书
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检验对象
判定原则依据
检测器具
检验方法
抽样数量与方法
检验濒次
备注
名
称
编
号
铝锭杂质含量Si
《重熔用铝锭》
GB/T1196-2008
光谱仪
《光谱仪分析操作规程》
铝锭必须保证AL99.70
铝锭
杂质含量Fe
《重熔用铝锭》
GB/T1196-2008
光谱仪
《光谱仪分析操作规程》
抽取3个样品作分析,与供方提供的《质量证明书》比较
每进一批由化验室执行检验一次.
铝锭杂质含量Cu
《重熔用铝锭》
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光谱仪
《光谱仪分析操作规程》
抽取3个样品作分析,与供方提供的《质量证明书》比较
每进一批由化验室检验一次。
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以供方提供的《质量证明书》为依据。
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杂质含量Mg
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检验对象
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检测器具
检验方法
抽样数量与方法
检验频次
备注
名
称
编
号
镁锭的外观、外形、标志、包装
《原生镁锭》
GB/T3499-2003
按GB/T3499-2003的规定执行。
全检
每进一批化验室检验一次。
镁锭的内在质量由质检员根据使用情况判定。
镁锭的化学成份
《镁及镁合金化学分析方法》
GB/T13748-2005
按GB/T13748-2005执行
供方质保书质量证明
因本公司没有分析器具，每年由质检科委外检验一次或在供方处检验。
篇3：光信息传输技术》实验指导书
光信息传输技术》实验指导书 本文关键词：指导书，传输，实验，技术，信息
光信息传输技术》实验指导书 本文简介：《光信息传输技术》实验指导书何宁编信息与通信学院2011年7月1实验一实验一光纤及光纤及LD特性测量特性测量一．实验目的一．实验目的1．掌握光纤的基本结构和传输特性。2．了解光纤通信光源的类型及发光机理。3．掌握光纤及LD有关特性测量。二．实验内容及要求二．实验内容及要求1.光纤损耗特性及连接技术测
光信息传输技术》实验指导书 本文内容：
《光信息传输技术》
实验指导书
何
宁
编
信息与通信学院
2011
年
7
月
1
实验一实验一
光纤及光纤及
LD
特性测量特性测量
一．实验目的一．实验目的
1．掌握光纤的基本结构和传输特性。
2．了解光纤通信光源的类型及发光机理。
3．掌握光纤及
LD
有关特性测量。
二．实验内容及要求二．实验内容及要求
1.
光纤损耗特性及连接技术测试。
2．LD
伏安特性测试。
3．LD
电光转换特性测试。
4．LD
调制特性测试。
三．实验原理三．实验原理
光纤制造过程是比较复杂的过程，生产光纤的主要材料为石英（SiO2）
，其制造流程如图
1
所示：
图
1
光纤光缆制造流程图
光纤的制作过程一般可分为三个主要步骤：熔炼、拉丝、套塑。
光纤按制作材料不同可分为石英光纤，塑料光纤和氧化物光纤。按工作波长分为短波光纤
（0.85um）
，长波长光纤（1.31um，1.55um）和超长波长光纤（2um
以上）
。按传输模式分为单模光纤
和多模光纤。
光纤接续有固定连接和活动连接两种，固定连接一般用于光缆工程上；活动连接一般用于机与
线或机与机之间的连接，是可以拆卸的。光纤接续损耗主要受以下几个因素的影响，被焊接光纤折
射率失配，纤蕊失配，端面的平整度和干净程度等。
光纤传输特性主要有损耗特性和频带特性，光纤损耗特性通常用
dB/km
表示，引起光能量衰减
的原因有吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。要降低光纤衰减，可采用纯度极高的石英玻璃。光纤频
带特性通常用兆赫千米来表示，说明
1Km
光纤所具有的带宽能力，光纤频带特性主要受传光时色散
性的影响。
光纤的损耗是决定光纤通信系统传输距离的一个很重要的参数，光纤内的吸收、散射和弯曲、
微弯以及护套等因素均可引起光纤传输中光功率的衰减，由于精确地计算光纤损耗极为困难，光纤
的损耗通常用实验确定，因此，掌握测量光纤损耗的方法十分重要。光纤中光信号的传输可用下式
表示：
（1）
L
eIPLP
1
)()(
??
?
式中是光纤输入功率，是光纤长处的光功率，是功率损耗系数，单位是
1/)(IP)(LPL
1
?
材料提纯
预制棒熔炼
拉丝套塑成缆
材料分析检验
预制棒检验光纤测试
2
米。
在光纤传输系统中，常用分贝/公里（）表示损耗，即损耗系数为：kmdB/
（）
（2）
)(
)(
lg
10
LP
IP
L
?
??kmdB/
与的关系为：
（3）?
1
?
1
34
.
4
???
光纤的弯曲损耗都是由于光不满足全反射条件而造成的，现代光纤最大的优点之一就是它的易
弯曲性，如果光纤的弯曲曲率半径太小，将引起光传播途径的改变，使光从纤芯渗透到包层，甚至
可能穿过包层向外渗漏。在正常情况下，光在纤芯内沿轴向传播的常数应满足，?
0102
knkn???
光强分布为中心轴线最强，随着半径的增大而逐渐减弱，到达纤芯的边缘光强等于零，呈高斯分布。
光在弯曲部分中传输，要想保持同相位的电场和磁场在一个平面里，则越靠近外侧，其速度就会越
大（即越小）
。当传到某一位置时，其相速度就会超过光速，即当时，这意味着传导模?
02k
n??
要变成辐射模，所以，光信号的一部分会损失掉，传输损耗将会增加。图
2
和图
3
是光纤特性图。
12345678
x
10
-3
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
x
10
4
值
值
值
值
R(m)
值
值
值
值?(dB/m)
?=1310nm值
值
值
值
?=1550nm值
值
值
值
?=1310nm值
值
值
?=1550nm值
值
值
图
2
光纤损耗特性
图
3
光纤弯曲振荡特性
光纤通信系统采用的光源主要有半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）,根据制作的材料不
同，发光二极管的峰值发射波长有
0.85um、1.3um
和
1.55um
三种。LED
是非相干光源，是一种直接
注入电流的光发射器件，它的发射过程主要对应光的自发辐射过程，是半导体晶体内部受激电子从
高能级回复到低能级时，发射出光子的结果。在发光二极管的结构中，不存在谐振腔，当注入正向
电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中复合发光。因此，发光二极管不是阈值器件，它的输出
功率基本上与注入电流成正比。发光二极管的结构可分为表面发光型
LED
和边发光型
LED，光纤通
信中多采用边发光型
LED。发光二极管的特性主要有光谱特性、伏安特性、电光转换特性和调制特
性。
光谱曲线上发光强度最大时所对应的波长为发光峰值波长，光谱曲线上两个半光强点所对应的
波长差称为
LED
的谱线宽度，其值为
30～40nm
左右,光谱极易受温度的影响。
伏安特性是指
LED
通过正向电流时，发光二极管两端所产生的正向压降，由于正向电阻比较小，
故正向压降较低。图
4
给出示意图。
（a）伏安特性曲线
（b）伏安特性测试电路
3
图
4
伏安特性示意图
光谱曲线上发光强度最大时所对应的波长为发光峰值波长，光谱曲线上两个半光强点所对应的
波长差称为
LD
的谱线宽度，其值为
30～40nm
左右,光谱极易受温度的影响。与普通光源相比，激
光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等特点，激光的出现使原有的光谱技术在灵
敏度和分辨率方面得到很大的改善。
激光器根据谱线宽度不同可分为单纵模和多纵模激光器，
其光谱如图
5、图
6
和图
7
所示。
图
5
LED
光谱特性
图
6
LD
光谱特性
图
7
LED
多纵模光谱
电光转换特性是指
LED
的光输出功率与注入电流的关系，它是
LED
的重要参数之一，分为直
流输出功率和脉冲输出功率。直流输出光功率是指在规定正向直流工作电流下，LED
所发出的光功
率；而脉冲输出光功率是指在规定幅度、频率和占空比的矩形脉冲电流作用下，LED
发光面所发射
出的光功率。出光特性曲线如图
8
所示。
图
8
P－I
特性曲线
4
LED
调制特性是指在规定的直流正向工作电流下，用数字或模拟信号对
LED
进行调制，从而改
变光功率。光通信中传输速率的大小受调制频率或调制带宽的限制。图
9
给出其调制原理图。
（a）模拟调制
（b）数字调制
图
9
调制特性曲线
四．实验线路四．实验线路
图
10
和图
11
给出光纤弯曲损耗和弯曲振荡的测试图，测试中使光纤在不同直径大小的圆柱上
弯曲，在光功率计和光谱仪上进行测量。
图
12
给出了伏安特性、出光特性的具体测试电路，调节电位器可改变流过二极管的电流，从而
改变
LED
的出光功率。图
13
给出了光调制电路，a）图为模拟调制电路，为了保证
LED
工作在线
性范围，在无信号输入时，必须给
LED
加一定的直流偏置；b）图为数字调制电路，三极管
VT
处于
零偏置，且在开关状态下工作，当输入信号为高电平时，三极管导通，LED
有光信号输出，当输入
信号为低电平时，三极管截止通，LED
无光信号输出。
图
10
光纤损耗测试图
图
11
光纤弯曲振荡测试图
图
12
伏安特性与
P－I
特性测试电路
图
13
调制电路
五．实验步骤五．实验步骤
光
源
光功率计
测试圆柱
光
源
光
谱
仪
5
（一）（一）
光纤特性测量及连接技术光纤特性测量及连接技术
测量光纤衰减特性、光谱特性，
测量光纤物理尺寸，光纤熔接练习。
（二）（二）LED
伏安特性测试伏安特性测试
1．将电流表串接入
LED
测试电路，开启稳压电源（直流
5V）
。
2．调整电位器，使流过
LED
的电流为
100mA，测量
LED
两端对应的电压值。
3．减小电源电压，按表
1
中电流值调整，用万用表测量并记录
LED
两端对应电压值。
4．根据测试数据作出
LED
的正向伏安特性曲线。
表
1
电
流
123456789102030405060708090100
电
压
（三）（三）LED
出光特性测试出光特性测试
1．电源电压为
5
伏，调整电位器改变流过
LED
的电流。
2．在
LED
的尾纤接入光功率计，读出与流过
LED
电流对应的光功率值，记入表
2
中。
3．根据测试数据作出
LED
的出光特性曲线。
表
2
电
流
5
10
20
30
40
50
60
70
8090100
功
率
（四）（四）LED
调制特性测试（模拟调制）调制特性测试（模拟调制）
1．将信号源频率设置为
1KHz、幅度为
100mv
的正弦信号，并加入电路输入端。
2．用示波器测试三极管的输出调制波形。
3．用光功率计测试此时
LED
的光功率值。
六．实验设备六．实验设备
稳压电源
信号源
光功率计
光谱仪
万用表
双踪示波器
七．实验报告七．实验报告
1
处理实验数据，并画出相关特性曲线。
2
说明模拟调制和数字调制对线性的要求。
3
实验体会。
6
实验二实验二
光通信系统模拟仿真光通信系统模拟仿真
OptiSystemOptiSystem
一、一、
实验目的实验目的
1.熟悉
OptiSystem
仿真软件的功能及应用。
2.掌握基本光纤通信系统的构成与参数仿真。
二二
、实验内容、实验内容
1.OptiSystem
软件菜单元件库操作
2.基本光纤传输系统仿真
三、三、
软件功能介绍软件功能介绍
OptiSystem
能在时域和频域上对光通信系统中物理层进行模拟仿真。
用途：
光发射机、信道、放大器、接收机设计
WDM、DWDM、CATV、PON/FTTx、ROF
网络设计、
SONET/SDH
设计
功能：
图形化界面
可导入其它设计软件和
Matlab
文件。
四、四、
元件库介绍元件库介绍
发送器件库
（Transmitters
Library)
波分复用器件库
（WDM
Multiplexers
Library)
光纤介质库
（Optical
Fibers
Library)
放大器件库
（Amplifiers
Library)
滤波器元件库
（Filters
Library)
无源元件库
（Passives
Library)
网络元件库
（Network
Library)
接收元件库
（Receivers
Library)
信号逻辑元件库
（Signal
Processing
Library)
接插件元件库
（Tools
Library)
信道处理库
（Cable
Access
Library)
MATLAB
元件库
（MATLAB
Library)
测量仪器库
（Visualizer
Library)
信道调制解调元件库
（Cable
Access
Library)
EDA
仿真库
（EDA
Cosimulation
Library)）
8
光光电电探探测测器器（（PIN、、APD））
连连续续光光、、脉脉冲冲光光、、多多波波长长光光源源
双双击击各各元元件件可可进进行行参参数数设设置置
普通光纤
非线性色散光纤
耦耦合合器器X型型耦耦合合器器泵泵浦浦耦耦合合器器
分分路路器器1分分2
1分分4
1分分8
1分分任任意意
合合路路器器2合合1
4合合1
8合合1
任任意意合合1
偏偏振振器器线线偏偏园园偏偏偏偏振振控控制制分分偏偏合合偏偏
偏偏振振衰衰减减器器（（Polarization
Attenuator)
偏偏振振旋旋转转器器（（Ratator)
PMD仿仿真真
隔隔离离器器普普通通隔隔离离器器理理想想隔隔离离器器
环环形形器器普普通通环环形形器器理理想想环环形形器器
解解复复用用
复复用用
电电信信号号发发生生器器波波形形种种类类
9
光光信信号号源源
光光调调制制器器（（外外部部））
其其它它附附件件
光谱仪、光时域分析仪、光功率计
波分复用分析仪、双通道WDM分析仪
示波器、频谱仪、眼图分析仪、
误码仪、功率计、图示仪、
五、实验仿真报告及要求五、实验仿真报告及要求
1、光源光谱测试系统
改变光源谱宽（1KHz~200MHz）
，观察光谱、光功率、光信噪比，作出光信噪比随光源谱宽变化曲
线。
2、建立一模拟光纤传输系统
系统包括光源（功率为-20dBm）
、模拟调制器、光纤介质、光电探测器（PIN）
、滤波器，信号源
（频率为
200MHz、幅度为
100mV）
，要求光接收灵敏度为-53dBm
左右时（接收系统输出信噪比约等于
1
时）
，模拟系统传输的最大距离。
10
实验三：实验三：
数字光纤传输测试系统设计数字光纤传输测试系统设计
一、一、实验目的实验目的
1、理解利用光承载电信号的原理，设计数字光纤通信传输测试系统。
2、掌握光纤通信系统接收的灵敏度测量及通信距离概算。
二、二、实验任务和原理实验任务和原理
实验任务：实验任务：按给定设备和器件，设计构建一数字光纤传输光接收灵敏度测试系统，并模拟信道
衰减计算系统传输距离。
实验原理：实验原理：光纤通信系统主要由光发信机、光纤传输介质（光信道）和光收信机组成，光发信
机是完成电信号与光信号的转换，即调制，光波是承载电信号的载波，目前光纤通信中常用的电光
转换器件有
LD
和
LED，调制方式主要是直接光强度调制。
光纤是作为光信号的传输通道，完成收发两端设备的连接。
光电探测器是将接收到的光功率转换成信号电流送到后级进行处理，光纤通信中最常用的光电
探测器主要有
PIN
光电二极管和
APD
雪崩二极管两种。
光信号经过长距离传输会产生衰减，它将影响信号的接收质量，这就需提高接收机的灵敏度。
接收机的灵敏度是在保证接收机的对信号的正常接收情况下，接收机所需的最小光功率，常采用分
贝毫瓦（dBm）表示。
光纤传输系统中继距离的长短，除了发射机的发射光功率和接收机的灵敏度外，还与光纤传输
介质的损耗有关，光纤传输系统传输信道衰减组成及表达式如下：
TX
RXMcMe
活动接头固定接头
光纤传输系统信道组成
C
f
S
f
eCRT
M
L
A
A
MnAPP
L
??
???
?
max
式中：
为发射平均功率，单位
dBm;
接收光功率，单位
dBm;
T
P
R
P
一个活动接头损耗，单位
dB;
设备富余度，单位
dB
C
A
e
M
光纤每公里损耗，单位
dB/Km;
每个固定接头衰减，单位
dB/个；
f
A
f
f
L
A
光纤线路富余度，dB/Km.
C
M
三、三、系统设计及技术要求系统设计及技术要求
1
1、、光接收机灵敏度测试光接收机灵敏度测试
⑴用调制光源连续光（CW）状态测试活动接头的衰减量；
11
⑵调制光源工作频率在
1KHz、功率为
0.5mW
的内部脉冲调制状态；
⑶搭建测试系统，测量给定光接收机的灵敏度。
要求：要求：画出测试系统框图及测试波形，按“正切灵敏度”测试法和“替代法”测出接收的最小光功
率，并计算出光接收机的灵敏度（dBm）
。
2
2、、光纤数字传输系统距离概算光纤数字传输系统距离概算
⑴根据上面测试的模拟信道衰减量计算出最大的传输距离；（注意活动接头的个数）
⑵如果在灵敏度保持一定时，光发射机功率再增加
0.1mW，计算此时光纤信道传输距离可增加
多少公里。(给定设备富余度＝3dB，光纤衰减为
0.2dB/Km)。
e
M
四、实验仪器及使用四、实验仪器及使用
调制光源
一台
稳压电源
一台
光纤衰减器
一台
双踪示波器
一台
光功率计
一台
光接收电路
一块
?调制光源是光纤通信完成电光转换的一个重要部分，它可使用内部电信号和外部电信号调制，
可输出连续光和脉冲光，输出光功率可进行调整，通过调整
INT
按键可改变其工作状态，CW
为
连续光输出，270Hz、1KHz
和
2KHz
为内部电脉冲调制，UR
为外加
TTL
电脉冲信号调制，可完成
dBm
和
mW、uW、nW
功率读数显示。
?光纤衰减器是完成对光信号的衰减控制，用它可实现对传输信道长度的模拟，具有
dB
功率衰减
显示。
?光功率计是完成对光功率的测试，具有测试波长选择，采用
dBm
和
mW、uW、nW
功率读数显示。
?光接收电路完成经传输后光信号的接收和转换，使光信号恢复为电信号。
五、设计报告要求设计报告要求
1、
画出每个参数的测试框图，注明所用设备和器件（包括活动接头位置和个数）
。
2、
写出每个参数的测试步骤（操作过程）
。
3、
报告测试数据及相关信号波形。
4、
计算系统接收灵敏度和传输距离,分析测量误差。
5、说明光纤通信系统的传输距离主要受那些因素影响。