（通信与信息系统专业论文）高精度照度计的设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在建筑、影视和医疗卫生等行业中，照度的测量是很常见的，而且要求测量的精度 很高。本文设计了一种具有自动量程转换功能、测量精度高、成本低的数显照度计。 本系统是以单片机a t 8 9 c 5 1 为核心部件的测量系统，它包括信号采集、信号放大、 a d 转换、液晶显示、键盘和r s 一2 3 2 通信接口部分。 首先，本文选用了光谱响应范围宽，响应时间短，光电转换效率高、p n 结面积大的 的硅光电池作为照度计的光电转换的探头，并把它做成一个单独的光探头，并加了矿以) 滤光器和余弦修正器，与机身分离，更加适应余弦定律，提高了测量的精度和范围。其 次，本文重点做了以下工作：( 1 ) 光电转换前置放大电路的设计：为了提高照度计的测 量准确度，确保光电问的线性关系，本设计把运算放大器接成电流电压变换器的形式， 一方面可得到零负载效应；另一方面，短路电流通过反馈电阻变成电压量，实际效果相 当于流过一个负载电阻形成的压降。( 2 ) 自动量程转换电路的设计：由于可见光照射硅 光电池时产生的光电流范围太大，为了保证a d 转换的精度。本设计选用通道电阻很小 的m a x i m 公司生产的4 6 0 2 模拟开关来实现量程之间的切换，量程切换由单片机控制。 ( 3 ) 显示电路的设计：本系统选用t c l 6 0 2 a 液晶显示模块，液显不影响照度值的测量而 l e d 显示时本身要发光对照度的测量有很大的影响。( 4 ) 标度变换方式的选择：本系统采 用了软件控制，克服了硬件控制费用高、占用线路板面积大，被标度变换的信号不很准 确，阻值受温度、湿度等环境的变化而漂移的缺点。最后，提出了影响照度计性能的抗 干扰的具体方法和措施。 通过实验测试，本系统设计合理，其测量范围、分辨率、光谱响应误差基本上达到 了设计的要求。 关键词：硅光电池；量程转换； d 转换；单片机 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g no fh i g h a c c u r a c yl u m i n o m e t e r a b s t r a c t i nt h e = c h i t c c t u r e ，h e a l t h ，f i l ma n dt e l c v i s i o ni n d u s t r i e s ，l u m i n a n c em e a s u r e m e n t sa r e v e r yc o m m o n , a l lo ft h e s ed e m a n dm e a s u r e m e n to fh i g hp r e c i s i o n c o n s e q u e n t l y , t h i sp a p e r d e s i g n sal o w - c o s td i g i t a ll u m i n o m e t e rw i t hh i g h - p r e c i s i o na n da u t o m a t i cc o n v e r s i o nr a n g e t h es y s t e mr e g a r d sa t 8 9 c 5 1a st h ek e yp a r to ft h em e a s u r e m e ms y s t e m ，w h i c hi n c l u d e s s i g n a lg a t h e r , s i g n a la m p l i f i c a t i o n , a dc o n v e r s i o n , n q u i dc r y s t a ld i s p l a y , k e yb o a r da n d r s 2 3 2c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ep a r t s i nt h i sp a p e r , s i l i c o np h o t o c e l li sc h o s e na sl u m i n o m e t c rp h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o np r o b e w i t haw i d es p e c t r a lr a n g er e s p o n s e , s h o r tr e s p o n s et i m e ，p h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o nw i t hh i g h e f f i c i e n c y , a n dl a r g ea r e ao fp nj u n c t i o no fs i l i c o ns o l a rc e l l sa sl u m i n o m e t e rp h o t o e l e c t r i c c o n v e r s i o np r o b ea n d i tc r e a t e sas e p a r a t eo p t i c a lp r o b e ，a n di n t r o d u c e dav ( ) f i l t e ra n d c o s i n ea m e n d m e n tt os e p a r a t ei ff t o mt h ef u s e l a g e ，i tc a nb eb e t t e ra d a p t e dt ot h ec o s i n el a w a n di m p r o v et h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o na n ds c o p e n e x t , t h ef o l l o w i n gp o i n t sa r ee m p h a s i z e d ： ( 1 ) t h ed e s i g no fp h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o np r e a m p l i f i e rc i r c u i t i no r d e rt oi m p r o v et h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fl u m i n o m e t e ra n de n s u r el i n e a rr e l a t i o n s h i po ft h ep h o t o e l e c t r i c , o p e r a t i o n a la m p l i f i e r si sd e s i g n e da sc u r r e n t - v o l t a g ec o n v e r t e rf o r m o nt h eo n eh a n d , i ti s a v a i l a b l et oz e r o - l o a de f f e c t ；o nt h eo t h e rh a n d ，s h o r t - c i r c u i tc u r r e n tc a nb et r a n s f o r m e di n t oa v o l t a g ev o l u m et h r o u g ht h ef e e d b a c kr e s i s t o r , i ti se q u i v a l e n tt ov o l t a g ed r o pf l o w e dt h r o u g h al o a dr e s i s t o ro nt h ea c t u a le f f e c t ( 2 ) d e s i g no fa u t o m a t i cc o n v e r s i o nr a n g ec i r c u i t a s v i s i b l el i g h ti r r a d i a t i o no fs i l i c o ns o l a rc e l l sa tt h ep h o t o c u r r e n ti st o ow i d c i no r d e rt o g u a r a n t e et h ea c c u r a c yo fa dc o n v e r s i o n t h e4 6 0 2a n a l o gs w i t c h e s ，w h i c hp r o d u c e db y m a x i m c o m p a n i e s w i t hs m a l lc h a n n e lr e s i s t a n c e ，i sc h o s e nt or e a l i z es w i t c h i n gb e t w e e nt h e d i f f e r e n tr a n g e , s w i t c h i n go fr a n g ei sc o n t r o l l e db ym i c r o c o m p u t e r 0 ) d e s i g no fd i s p l a y c i r c u i t t c l 6 0 2 al c dm o d u l ei su s e di nt h i sp a p e r , w h i l el c di l l u m i n a t i o nd o e sn o ta f f e c t t h em e a s u r e m e n ta n dl e dc 蛆l u m i n e s c e n tb yi t s e l ft h a th a dag r e a ti n f l u e n c eo nt h e l u m i n a n c em e a s u r e m e n t s ( 4 ) c h o i c eo fs c a l i n gt r a n s f o r m a t i o n t h es o f t w a r ei sd e s i g nt o c o n t r o la n do v e r c o m es o m es h o r t c o m i n g s w h i c hi n c l u d et h eh i g hc o s to fh a r d w a r e c o n t r o l l i n g , p c ba r e ao c c u p i e d ，s i g n a ls e a l 锄a n s f o r m e di sn o tv e r ya c c u r a t e , r e s i s t a n c ev a l u e d r i f t i n gb e c a u s eo ft e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , a n do t h e re n v i r o n m e n t a lc h a n g e s f i n a l l y ，t h e p a p e rp r e s e n t sa n t i - j a m m i n gs p e c i f i cm e t h o d sa n dm e a s u r e so ft h ei m p a c to fi l l u m i n o m e t e r p e r f o r m a n c e 高精度照度计的设计 t h et e s t i n ga n da d j u s t i n go ft h es y s t e mi n d i c a t e st h a tt h ew h o l ed e s i g ni sf e a s i b l ea n d r e l i a b l e , a n dt h em e a s u r e m e n tr a n g e , r e s o l u t i o n , s p e c t r a lr e s p o n s ee l l o rb a s i c a l l ym e e tt h e d e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：s i l i c o np h o t o c e l l ；m e a s u r i n gr a n g ec e n v e r s l o n ；a dc o n v e r s i o m ls c m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：j 益量2 肇日期：k 2 。生：坐 大连理工大学硕i - q ：4 立论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：维起圭! 塾 导师签名： 鹰n _ | 9 i 伟 坦立年, 9 竺e t 大连理：r 人学硕十学位论文 1 绪论 1 1 本课题的研究背景和意义 人类和一切生物都生活在光的世界里，没有光，生命活动就会终止。人类在利用自 然光源和发明人造光源的实践中，无时无刻不在进行着光度的相对比较。在日常的生产 和生活中，光度学有着非常广泛的应用，因此，许多厂家开发出各种各样的光度测量仪。 光度测量仪有着广泛的应用。近二十年来，随着对材料和产品质量愈来愈严格的要 求和控制，对材料的辐射度和光度特性的测量也日趋重要，它已成为光度测量的一个重 要部分，如逆反光材料、发光材料等的光度测量，一些物体的反光特性，可以用亮度计 进行非接触测量。随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，各种照明设备质量的提 高，都需要使用高精度的光度测量仪器进行测量。各种汽车，摩托车等前照灯，各种照 明灯具的光通量的测量，热辐射体的红色比，荧光粉的相对亮度的测量都离不开光度测 量仪器。还有，教室照明关系到孩子的视力，隧道和道路照明关系到行车安全，体育场 的照明情况测量等等，可以说，光度测量与人们的生活密切联系着。 由于照度测量的原理比较简单，所以照度测量是目前最流行的光度测量形式。照度 计是光度测量仪的一种，目前主要广泛应用于科研、生产、军工、电子、轻纺、影视、建 筑、交通以及医疗保健和卫生防疫等专业领域。随着人类居住环境和生活水平的提高， “绿色照明工程”越来越被人们所关注，现在照度计正在走入人们的生活。目前，照度 计分为常用指针式和专用的数显式，常用的指针式需手动的进行量程换档，操作麻烦且 测量精度不高，专用数显式的测量精度很高，但测量范围有限，功能太多且成本偏高。 随着计算机技术、电子技术和通信技术的迅猛发展，尤其是集成芯片和电路的问世，功 能日趋完善，成本不断降低，使得各种智能化仪器应用越来越多，以单片机为核心的照 度计，具有智能化、操作方便、硬件电路简单的特点。所以设计低成本，应用范围广， 测量精度高的照度计是非常必要的。 1 2 照度计的现状和发展方向 当前照度计基本上分为两种方案，一种方案是采用光电传感器元件把光信号转变成 电信号、电信号进过放大和a d 转换，最后由l e d 数码管或l c d 显示出测量数据；另一 方案就是在a d 转换器后面再加一个单片机来控制整个系统的工作。同时传感器配制 矿似) 修正滤光片，符合国际照明委员会( c i e ) 定的人眼视觉特性，并配有余弦校正器， 使传感器对不同角度光的响应值符合余弦法则，对点、线、面光源及各种不同颜色的可 见光能准确测量i l j 。 高精度照度计的设计 照度计作为一种数字式仪表随着新技术和新工艺的不断发展，将有以下发展趋势： ( 1 ) 最先应用新的科学研究成果，高新技术大量采用 仪器仪表装置不仅本身已成为高技术的新产品，而且利用新原理、新概念、新技术、 新材料和新工艺等最新科技成果集成的仪器仪表装置和系统层出不穷。 ( 2 ) 模块化的发展方向 新一代数字仪表正朝着标准模块化的方向发展。预计在不久的将来，照度计将由标 准化、通用化、系列化的模块所构成，给电路设计和安装调试、维修带来极大方便。 表面安装技术( s m t ) 和表面安装元器件( s m d ) 将获得普遍应用。这项技术被誉为 世界电子工艺技术的一项重要突破。所谓表面安装是将微型化的表面安装集成电路 ( s m i c ) 和表面安装元件，用粘贴工艺直接安装在印刷板上，再用波峰焊接机焊接，由 此取代传统的打孔焊接工艺，使印刷扳安装密度大为增加，可靠性得到明显提高。 ( 3 ) 安全性 仪器仪表在设计和使用中的安全性，对于生产厂家和广大用户都是至关重要的问 题。一方面厂家必须为仪表设计安全保护电路，并使之符合国际标准( 例如美国u l 认 证，欧洲g s 认证，i s 0 9 0 0 1 国际标准质量认证) ；另一方面用户必须安全操作，时刻注 意仪表上的各种安全警告指示。仪表的保护电路在于最大限度的减小或防止因误操作而 造成的危害。 ( 4 ) 操作简单化 ( 5 ) 技术指标不断提高 仪器仪表在提高检测控制技术指标上是永远的追求，仪器仪表的技术指标水平是一 个国家仪器仪表发展水平的量化标志。 ( 6 ) 不断微型化、智能化、精美化 1 3 课题研究内容及特点 目前照度计的制造和使用，人们最关心的是光谱响应特性、测量精度和测量范围1 2 】， 而这些指标主要由所用的光电传感器的性能决定。但目前各个光电传感器的性能参数基 本是确定的，所以要想提高照度计的测量精度和测量范围要从照度计特性入手，分析各 种误差产生的原因，合理设计电路，采用余弦补偿来提高测量的精度。 在研究开发高精度照度计的过程中，着重进行了以下几个方面的研究工作： 硬件方面主要作了以下工作：( 1 ) 光电转换前置放大电路：为了提高照度计的测量 准确度，确保光电间的线性关系，本设计把运算放大器接成电流电压变换器的形式，一 方面可得到零负载效应；另一方面，短路电流通过反馈电阻变成电压量，实际效果相当 大连理一i ：大学硕十学位论文 于流过一个负载电阻形成的压降。( 2 ) 自动量程转换电路：本系统选用通道电阻很小的 m a x i m 公司生产的4 6 0 2 模拟开关来实现量程之问的切换，使输出到a d 转换的值基本上 在其转换范围的i 2 处，保证了转换的精度。量程切换由单片机控制。( 3 ) 显示电路： 本设计选用t c l 6 0 2 a 液晶显示模块，一方面液显不影响照度值的测量，另一方面t c l 6 0 2 a 和单片机的接口连线少，节省了单片机的资源和功耗。( 4 ) 把硅光电池做成一个单独的 光探头，可以更加适应余弦定则，提高了测量的精度。 软件设计方面，为了使硬件更好的工作，本系统编写了自动量程转换、a d 转换、 键盘中断和串口中断子程序。在标度变换上，本系统采用了软件控制，克服了硬件控制 费用高、占用线路板面积大，被标度变换的信号不很准确，阻值受温度、湿度等环境的 变化而漂移的缺点。 最后，提出了影响照度计性能的抗干扰的具体方法和措旄。 高精度照度计的设计 2 照度计的工作原理 2 1 光度学中的基本量 在光辐射测量中，与能量有关的量有两类：一是物理的，即客观的，叫做辐射度学 量，简称为辐射量；另一类是生理的，即主观的，叫做光度学量，简称光度量。前者表 示某辐射源客观上发射出的辐射能的大小，后者表示人的视觉系统主观上感受到的那部 分辐射能的强度。 ( 1 ) 光通量( 1 u m i n o u sf l u x ) 中。 光源在单位时间内发出的光量称为光通量，在光度学中，光通量是从辐射通量导出 的量，它明确地定义为能够被人眼视觉系统所感受到的那部分辐射功率的大小的量度。 单位是流明( 1 u m e n ) ，符号为l m ，表达式为： 咖，- d q ，d s ( 2 1 ) ( 2 ) 光亮度( 1 u m i n a n c e ) l 。 一个面光源，除了可以用发光强度来描述它在某一个方向上的发光能力之外，还 要知道它每一单位面积在这个方向上的发光能力，以便比较两种不同类型光源的明亮程 度，这就要用到亮度这个概念。它表示每单位面积上的发光强度，即： r 西r 。面 ( 2 2 ) 光亮度的单位为坎德拉第每平方米( c d m 2 ) 。式( 2 2 ) 中的面积，应该理解为一个面 在观察方向上的正投影面积。因此，若观察方向与该面的法线夹角为口时，上式将变为： 匆一丽d l v ( 2 3 ) 所以，光源的光亮度可定义为：在表面一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面 元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积。 由于 。一等 ( 2 4 ) 故有 大连理工人学硕士学位论文 l ： 垡：! d d a s c o s 0 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 是光亮度的较通用的定义式。由该式可知，亮度不仅可用来描述一个发光面， 而且还可以用来描述光路中的任意一个截面，如一个透镜的有效面积、一个光阑所截的 面积或一个象的面积等。此外，还可以用亮度来描述一束光，光束的亮度等于这个光束 所包含的光通量除以这束光的横截面和这束光的立体角。 ( 3 ) 光照度( 1 u m i n a n c e ) e 在光接收面上一点处的光照度等于照射在包括该点在内的一个面元上的光通量 d o 。除以该面元的面积凼。即： e = d o ，d s ( 2 6 ) ( e ：照度；d o ，光通量；凼：面积) 单位是：勒克斯( 1 u x ) ，符号为l 】【，当l l m 光通量均匀地照射在i m 2 的面积上时，这个面上的光照度就等于l l x 。即l l x = l l m m 2 单 位面积上接收到的光通量。 。 2 2 照度计的工作原理 照度计( 1 u m i n o m e t e r ) 又称勒克斯计或光强计，是用来测量某一被照射平面上光通 量多少的一种光度量仪表。检测的物理量是光通量，是光度测量中用得最多的仪器之一。 2 2 1 照度测量的方法 照度计的测量原理较简单，整个探测器所接收的光通量除以探测器的面积，即为所 测的照度，即：巨= d o ，d s 由于照度与人眼的光谱光视效率有关，因此，照度计的光探头的相对光谱灵敏度必 须与人眼的光谱光视效率一致。由于一般的光接收器的相对光谱灵敏度与人眼的光谱光 视效率相差甚远，所以光探头要用矿以) 滤光器进行匹配。另外，光投射在光探头上的响 应，要符合余弦法则，因此，光探头还要有余弦修正器。一个照度计是由带y 以) 滤光器 的光电传感器及电子放大和读数系统所组成。过去广泛采用硒光电池为探测器，这是因 为它的光谱灵敏度比其他探测器更接近人眼的光谱光视效率矿以) 的缘故。但由于硅光电 元件的灵敏度、稳定性和寿命均较硒光电池为高，故近年来多采用硅光电池或硅光电二 极管代替硒光电池作照度计的探测器件圳。 为了提高照度计的测量准确度，光探头输出的光电流需先进行放大，再由读数显示 器读数。为确保光电问的线性关系，应使外电路的负载为零，用运算放大器接成电流电 5 一 高精度照度计的设计 压变换器的形式，一方面可得到零负载效应；另一方面，短路电流通过反馈电阻变成电 压量，实际效果相当于流过一个负载电阻形成的压降。 照度计应有较大的线性响应范围，使之可在较大照度范围内测量，选用线性范围大 的接收器和增加光电流放大倍数，即可达到此目的。 环境温度对照度计的测量结果有影响，特别是实测时的环境温度与标定时的环境温 度相差较大( 如寒冷的冬天或酷热的夏天) 的情况下，影响更为显著。在照度计中，不 仅是光电池，与光电池相接的外电路，表头电阻等，均随温度而变化。因此，可通过对 外电路、表头等的选择，使光电池的温度影响得到部分补偿。在对照度计进行温度修正 时，应对照度计的各部件作统一考虑。湿度对照度计也有影响，为此，要求照度计的光 探头有较好的密封性能，长期不用的照度计，最好能间隔一段时间通一次电。 接收器容易老化，因接收器老化会直接影响到照度计的测量精确度，缩短照度计的 使用寿命。此外，照度计还应有一定的响应速度，以适应变化的照度测量。 由于光电传感器所产生的光电流正比于所接收的光通量，测量时须将照度计的光敏 表面与被测照度的表面重合，并尽量垂直于光的照射方向。所以读数系统可直接指示出 所测的照度值。 2 2 2 照度计的余弦校正 探测器对强度相等而入射方向不同的响应应符合余弦定律，即在垂直入射的方向上 响应最大，随着入射角的增加，其响应按余弦规律减小，当入射角等于9 0 。时，则响应 为零。这一特性称为照度计响应的余弦特性。 当用照度计进行测量时，由于探测器表面对大入射角( 大于4 0 。) 入射光所反射的光 辐射比小入射角要大，故测量结果不符合响应的余弦特性。为了消除大角度入射时不符 合余弦特性而产生的误差，故在照度计的探测器前须加一个角度补偿器( 或称余弦修正 器) 。补偿器可用乳白玻璃或乳白有机玻璃制成。经研究实验，通常较简单的修正器有 平板状和皿状乳白玻璃两种，较复杂的有截球状、环球状、球壳状和平面型乳白玻璃四 种，它们的修正效果如表2 1 所示。可以看出球壳状和平面型修正器效果最佳，而球壳 状体积相对大一些，使用不方便，故平面型较好。平板状较简单，成本低，但修正效果 差一些。 为了使照度计得到较理想的y u ) 匹配，除可挑选合适的玻璃型号外，有时需加大玻 璃的厚度或增加不同品种的玻璃，但这会降低照度计的灵敏度；玻璃过薄，会增加玻璃 加工的困难，因此，在进行y ( a ) 匹配时，要综合考虑各因素的影响 5 1 。 6 大连理丁大学硕+ 学位论文 表2 1 常用余弦修正器的效果比较 t a b 2 1c o m p a r i s o no f c o m m o nc o s i n ec o r r e c t i o ni n s t r u m e n t se f f e c t 平板状 皿状 截球状 球壳状 环球状 平面状 一1 0 - 1 5 一 一5 5 一 一3 一 一1 0 一 - 1 一3 一2 0 一 0000 一 2 一4 - 7 一 2 5 0 3 1 2 一 l o 当接收器加上余弦修正器后，照度计的测试面就不再是光接收面，其位置与余弦修 正器的形状有关。如果余弦修正器是平板状，测试面即为余弦修正器的表平面；如果余 弦修正器是球壳状、曲面状，测试面可能既不在接收面，又不在余弦修正器的前端面， 而往往落在它们之间的某一个截面上，其位置可用下面的方法求得。 设余弦修正器的前端面为参考面，测试面在距参考面刎处。在标定照度值的过程中， 使照度计光探头距标准灯一定距离，设此时参考面到标准灯丝间的距离为厶，相应的照 度计指示值为m 。，根据距离平方反比定律，有： 即o n - 。百南 _ 式中，置为比例常数，j 为标准灯的发光强度。 然后，移动光探头至另一位置，此时参考面到标准灯丝的距离为厶，照度计的指示 值为州，则： 即翩z 2 矗谛 心墙 将上两式相除，得： 他垒1 12 ；生 ( 2 9 ) l iz + a ij r t l 2 从上式求得4 ，即可知测试面的位置 怫 猢 一 一 。 一 叭 一 o 0 o o o o 高精度照度计的设计 2 2 3 照度计的定标校正 综上所述，照度计应满足于以下的条件； ( 1 ) 对光辐射的响应与人眼的光谱光视效率矿似) 一致 ( 2 ) 对不同方向入射的光辐射应符合余弦关系，即具备余弦修正器 ( 3 ) 示值与被测照度有线性关系 ( 4 ) 环境温度变化对仪器的影响小 ( 5 ) 探测器不易老化 ( 6 ) 应有一定的响应速度 新生产的照度计及经过一段时间使用后的照度计，都需要定标或校正，照度计的定 标校正主要需用下列设备。 光度测量装置一套、由光轨、滑车、灯架、开口挡光屏等组成：光轨上应带有距离 标尺；色温为2 8 5 6 k 的发光强度标准灯：供电及电测设备，包括高准确度直流稳压电源、 电位差计或数字电压表，以及相应配套仪器等【们。照度计的定标校正装置如图2 1 所示。 23 图2 1 照度计定标校正装置示意图 f i g 2 1s k e t c h m a p o f l u m i n o m e t e rs c a l e e m e n d a t i o n e q u i p m e n t 1 一标准灯；2 一挡光屏；3 - 光探头 定标校正时首先调整标准灯的灯丝平面和照度计光探头的测试面平行，使其垂直于 光轨测量轴线，它们的中心点处于测量轴线上，并在光探头与标准之间放置一些带孔挡 光屏，以防止杂散光进入接收器，然后固定光探头位置；改变标准灯到光探头之间的距 离，让其在光探头测试面上产生不同的照度值，这些照度值对应于仪器的不同读数( 响 应值) ，其大小用距离平方反比定律进行计算： 大连理：i ：大学硕十学位论文 肚吾 。：。， 式中，e 为测试面的照度( 1 x ) ；j 为标准灯的发光强度( c a ) ；工为标准灯的灯丝平面 到光探头测试面的距离( m ) 。 照度计根据测量准确度分在三级：标准、一级、二级。校正标准照度计时，需用工 作基准灯，校正一、二级照度计时，需用二级发光强度标准灯。 校正照度计时，标准灯的灯丝平面至光探头的距离至少大于发光面或光探头的测试 面的最大限度的1 5 倍以上。 校正低照度时，除可选用发光强度较低的标准灯，或适当加长测试距离外，还可采 用滤光器。 校正大于3 0 0 0 1 x 的高强度时，可采用叠加法，叠加法需用2 个光源，一个是发光 强度标准灯，安装在主光路上，另一个是一只性能较稳定的大功率卤钨灯( 如带反光镜 的1 0 0 0 w 溴钨灯) ，用作产生高强度的辅助光源，安装在辅助光路上。 校正过程如下，先点燃主光路上的标准灯l ，在光探头产生照度瓯，设此时的光电 流输出为 ，然后关闭挡光屏3 ( 挡住标准灯) ，使光探头不受光照，指示回零，再点 燃辅助光路上的辅助光源2 ，并调节距离，使光探头的光电流也同样为j r 。，相应的照度 值为反，重打开挡光屏蔽3 ，使光探头受到主、辅二光路的同时照射，根据光能叠加原 理，这时的照度为： e 。= 2 e 。= 2 ( 寺) 一1 ) 如照度计满足线性要求，则对应的光电流输出i ：。21 ，再次关闭挡光屏3 ，挡住 标准灯的光，调整辅助灯的距离，以便产生相同的光电流，2 ，对应的照度值为e 。t2 e 重打开挡光屏3 ，则照度为： 耻f + e o = 3 b o 。3 心1 2 重复上述步骤，经多次叠加可得照度： 肌( l 溉却“) 2 1 3 只要辅助灯的功率足够大，用叠加法原则可获得所需定标校正的高照度值。 9 高精度照度计的设计 2 3 照度计的基本特性及误差的定量表述 2 3 1 光谱晌应度 探测器在波长为 的单色辐射照射下产生的光电流或电压的输出值与该单色辐射 通量之比，称为探测器的绝对光谱响应度，用s o ) 表示，其表达式为： 刺= 端 也川 波长为z 的光谱响应度与参考波长名。的光谱响应度之比，称相对光谱响应度。用 s 以) 。表示： 刺。= 端 汜 响应度随波长的变化所画成的曲线，称相对光谱响应度分布阴。如图2 2 所示。 相 对 光 谱 响 应 度 5 5 5 图2 2 光谱响应度分布 f i g 2 2s p e c u u m 暑l m n s ed c 伊d i s t r i b u t i o n 图中s 耐o ) 为光电传感器光谱响应度分布；f 0 。以) 为加修正滤光后的光谱响应 度分布。在照度测量中，探测器的光谱响应度分布必须与国际照明委员会( ( c i e ) 明视觉 光谱光效率v ( 五) 相一致，而各种探测器的光谱响应度与y ( a ) 并不相同嘲。解决的办法是 在探测器前面加v ( 五) 修正滤光器。尽管如此，匹配的结果仍与“a ) 不能完全一致，由此 而引起的测量误差称为匹配误差。一般由下式来描述探测器偏离v ( 名) 的程度。 1 0 一 大连理： 大学硕士学位论文 z = 嘴圳 ( 2 1 6 ) 式中s ( a ) 。为标准( 归一) 化了的相对光谱响应度，它与所选标准光源的相对光谱功 s 叫嚣矧嘶l 眩 只( 五) 为c i e 推荐的标准照明体a 的相对光谱功率分布，色温为2 8 5 6 k 。j ( 五) 的获 五仃) = 【y 仃) y ( 乃) 一1 x 1 0 0 ( 2 1 8 ) 通常以仃) 与t 几乎成线性关系。温度的影响可由温度系数决定： 口：百y ( r ) - r ( r o ) ：l ( 2 1 9 ) l ，瓴jr 一 兀留) = 口仃一瓦) ( 2 2 0 ) 高精度照度计的设计 y ( e ，妒) = y ( o ，力- c o s p ( 2 2 1 ) 由投射方向不同而引起的误差由厶p ，妒) 表示： 厂黟小( 揣一t 舢 卫2 式中护为光度探头接收面的法线与入射光线所成的夹角；伊为光线绕测试面法线旋 转的方位角；f ( e ，妒) 则表示入射角为口，方位角为垆时照度计的响应值；y ( o ，妒) 为垂直 入射时，方位为矿时的响应值。 估算照度计的响应值偏离余弦定则所引起的方向性总误差的表达方式为： 厂，；f i ，p l s i n2 口- d 口 ( 2 2 3 ) 大连理_ 大学硕士学位论文 3 高精度照度计硬件系统设计 3 1 系统硬件总体设计方案 本系统的硬件电路总体设计思想是：以单片机a t 8 9 c 5 1 为核心的中央处理器，辅以 外围模拟、数字电路功能模块，实现从光电传感器传来的信号测量到最后的显示输出。 测量控制部分是整个系统的核心部分，是整个系统的主要功能完成部分i 唧。系统硬件原 理框图如图3 1 所示。 堕 硅 光电 片 光 转换 一 机 电 及前 测 池置放量 大 控 制 系 统 图3 1 系统硬件原理框图 f i g 3 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f h a r d w a r es y s t e m 3 2 光电传感器的选型 目前，光电检测技术中常用到的一些光电检测器件有光电倍增管、雪崩二极管、光 电二极管、光电三极管、p i n 光敏电阻、光敏电池以及c c d 阵列等一些半导体器件。通 过比较只有硅光电池是最理想的选择，它不需要外加电源就能直接把光能转换成电能， 而且光电流和照度成线性；它的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近；它的响应时间短、 性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，能耐高温辐射等优点故选择硅光 电池作为此系统的光电检测器件。 3 2 1 硅光电池的工作原理 硅光电池是一种利用光生伏特效应制成的光电转换器件，通过将光信号转变为电信 号来检测待测量。光电池工作原理，当光照射p n 结时，原子受激发而产生电子一空穴 对，由于电子和空穴分别向两极移动而产生电动势，两极接入电路就能产生电流了【“】。 高精度照度计的设计 硅光电池是种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分 是一个大面积的p n 结如图3 2 f 1 2 】。 i i 跚。， i 图3 2 硅光电池结构示意图 f i g3 2s k e t c hm a p o f s i l i c o np h o t o c e l ls t r u c l u l 硅光电池响应时问短( 1 0 “1 0 。s ) ，光电池转换效率高( 目前转换效率高达2 7 5 的硅光电池已经研制成功) 。若有l mz 的这种光电池，在足够的阳光照射下，可以产 生1 0 0 多瓦的电能。 硅光电池主要有两个方面的应用，即作为电源和作为光电检测器件的应用。硅光电 池作为测量元件使用时，应当作电流源，不宜作电压源。 3 2 2 硅光电池的基本特性与参数 硅光电池在光照下产生的电流随光强的增大而增大。当接受的光强度一定时，可看 作恒流源。在卜n 结为理想状态下可用图3 3 表示的等效电路来考虑。 劫埝 i 矗毗l b， 纠i 由 = - l王 而i， i j 图3 3 理想状态下的硅光电池等效电路 f i g 3 3e q u i v a l e n tc i r c u i to f i d e a ls t a t es i l i c o np h o t o c e l l 在光照射下，当硅光电池接通负载并达到稳定状态后，流入负载的电流l 和负载两 端的电压珞关系为： 小。j 。卜鲁一1 1 ( 3 1 ) l， 大连理工大学硕士学位论文 式中，i o 为硅光电池p - n 结的反向饱和电流；j 。为稳定状态下的负载电流；j 。为 硅光电池在光照下产生的恒定电流；为稳定状态下的负载电压；q 为电子电荷 ( 1 6 1 0 1 ) ；k 为玻尔兹曼常数( 1 3 8 , 1 0 - 。j k ) ；t 一绝对温度。 根据上式作出硅光电池的伏安特性曲线，如图3 4 所示。 宅 臻 脚 图3 4 硅光电池伏安特性曲线 f i g 3 4v o l t - a m p e r ec h a r a c t e r i s t i co f s i l i c o np h o t o c e l l 曲线与电流轴和电压轴的和交点分别定义为光电池的短路电流k 和开路电压。 硅光电池的p k 一般为0 4 5 加6 v ，最大不超过0 7 5 6 v ，因为它不能大于p n 结热平衡时 的接触电势差【”】。在电阻负载时，负载线为一直线，其斜率由负载电阻的大小决定，负 载线与伏安特性曲线的交点肘( 珞，i 。) 称为负载工作点，负载电阻从光电池获得的功率 为乓= i 。x v ，相当于图中矩形的面积，能使矩形面积最大负载电阻称为最佳电阻，能 从光电池获得最大输出功率，一般应选在特性曲线的转弯处。最佳负载从光电池获得的 最大输出功率一般为o 8 k 。y 品、厶。的数值可以由伏安特性方程求得。 当光电池处于短路状态时r l = 0 ，= 0 则厶= i s c 当光电池处于开路状态时r l * o o ，i x = 0 则= r o c 在室温下k r q = o 0 2 5 ，l i o ，屯”1 所以： = 0 0 5 7 1 n 每 z ， 兰一 舳 啪 o 高精度照度计的设计 在光电池的实际等效电路中还应考虑硅片内部阻抗和电极阻抗构成的串联阻抗凡 以及因结内部不完整性而引起的并联阻抗r 。图3 5 为实际的硅光电池等效电路示意 图。 睁 i 飓 l 乙j 由硒r 0 而 il ， 图3 5 硅光电池实际等效电路图 f i g 3 5a c t u a l l y e q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo f s i l i c o n p h o t o c e l l 征买际甩跆甲，负载甩况j 删贝载黾毖明天泵为： ，= ，。一，。 e 古( h + “ ) 一- 一掣 3 3 ) 将式( 3 3 ) 移项并以e 为底取对数得： 陆等t n 半小警i r 啪 t ， qi ar m ) 6 。 目前硅光电池的并联电阻一般都很大，所以在计算p 磊和i s c 时，尺。可以认为无穷大， 则： m l 一厶 p 古( + ，l 岛) 一- c s s ， 外电路短路时，i s c 。i l i o ( e 警棚；外电路开路时，：等1 1 1 ( i i c + 1 负载上得 外电路短路时， 。 一 ”一1 ) ；外电路开路时， ：丝1 1 1 i _ + i 负载上得 到的功率为： 最= 厶* 等q 毕l o + 1 _ 露马 ( 3 6 ) g lj 若入射光功率为w ，负载功率为只，则定义硅光电池的光电转换效率为： 大连理工大学硕士学位论文 吁= 旁“o o ( 3 7 ) 在负载功率最大只。时，对应最大的光电转换效率： 玎。= 等1 0 0 = 等l ，y o g i 1 0 0 , c r o c i ( 3 8 ) 玎一2 等刈0 0 2 蚩1 7 。墙) 式中，f f = 厶。称为填充因子( 又称曲线因子) ，在理想状态t l 大预计 在0 8 以上，但是由于也、r 的影响而有所下降，一般取该值为0 7 o 7 5 。 硅光电池在不同的光强照射下可以产生不同的光电流和光生电动势1 1 4 1 。硅光电池的 光照特性曲线如图3 6 所示。 重 鹾 脚 划 紫 图3 6 硅光电池的光照特性 f i g 3 6i l l u m i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f s i l i c o np h o t o c e l l 从曲线可以看出，短路电流和照度成线性，开路电压与入射光功率近似成对数关系。 一开始随光照度急剧上升，当照度在2 0 0 0 1 x 时就趋于饱和了。最大开路电压约为0 6v ， 总小于半导体材料的势垒电压，而与硅光电池面积大小无关。因此增大硅光电池的面积 只能得到大的光电流，而不能提高光生电动势的值。 硅光电池的光谱特性，光谱特性指在入射光的能量保持一定的情况下，硅光电池 的光电灵敏度与入射光波长之间的关系。图3 7 为硅光电池、白炽灯光的光谱分布曲线。 硅光电池的温度特性，环境温度的变化对硅光电池响应度和暗电流有较大的影响， 这是由于光吸收系数与温度有关。硅光电池的开