光电检测-报告

摘要摘要 设计了一种应用于微光夜视仪检测设备中低噪声的光电检测系统 分析了 电路中产生的主要噪声 并提出了抑制方法 系统采用光敏二极管作为光电检 测器件 并利用单片机实现了光照度的实时显示与超差报警以及与上位机的通 信 关键词 单片机 光电检测电路 光电二极管 c h 0 引言 夜视技术在军事 工业 农业 科学研究 医药卫生等领域有着广泛的应 用 特别是在军事方面的需求是夜视技术发展的原动力 在现代战争中 为了 提升战争的突然性以及扩大战争的时间范围和空间范围 需要部队在星光或月 光等微弱光照度情况下对战场进行侦查和监控 这就必须依靠夜视技术 所以 微光夜视仪设备的可靠性将直接影响到军队的战斗力 要确保每一个装备的夜 视仪都是合格的 就对检测设备的技术指标提出了很高的要求 为模拟实际中 的夜天光环境 在微光夜视仪检测设备中的光源要求色温为 光照 度的变化不超过 光应力源是否符合要求直接决定了整套系统工作的 稳定性及判断结果的准确度 所以 为了保证检测设备的检测精度以及检测结 果的准确性 要求对光源的照度变化进行实时监测 当光源变化超出规定范围 时 能够及时报警 提示进行设备维修或光源的更换 系统设计与工作原理系统设计与工作原理 系统主要包括 光电检测电路 光照度显示模块 超差报警模块 串口通信 模块 具体原理是通过光电检测电路将采集到的外界自然光转换为相应的直流 电压信号 再通过 将电压信号转换为数字信号送入单片机 单片机将数 据进行补偿算法获得精确的实际采样值 控制数码管显示实时光照度 一旦光 照度不符合设计指标 则通过报警灯及蜂鸣器进行报警 同时 通过 串口与上位机进行通信 系统原理框图如图 所示 图1 光应力源监测系统原理框图 光电检测电路光电检测电路 光电检测电路是通过将照射于光电探测器上的光通量转化为相应的光电流 再经过电流放大 电压转换等后续电路进一步优化有用信号 最终实现光信号 获取的一种方法 这种电路已被广泛用于军事 农业 民用等诸多领域在光电 系统中 光电检测电路把接收到的光信号转换成电信号 并对电信号进行放大 再与后面的检测和运算系统对接 光电检测电路在整个光电系统中是非常重要 的 它的性能好坏直接决定了整个系统的性能好坏 光电检测电路的设计光电检测电路的设计 由于本电路中采用的光电探测器的输出信号为电流信号 所以 先要经过 前置放大电路将接收到的光信号转换为电流信号再转换为电压信号 但由于光 电探测器的输出电流信号比较微弱 所以 在经过前置放大电路后 还需要对 电压信号进一步放大到便于下一步微处理器处理的范围 但在测量信号得到放 大的同时噪声也被放大 所以 为了测量的精准性 必须使用滤波电路限制噪 声的频率范围 将大部分噪声滤除掉 检测电路由前置放大电路 滤波电路和 二级放大电路组成 光电检测电路结构框图如图 所示 设计光电检测电路有 个规则 一是降低电路噪声 提高输出信噪比 二 是为避免出现频率失真 要保证电路通频带的范围足够宽 三是为保证输出信 号功率大 后续电路的输入阻抗要与检测电路匹配 光电检测器件采用普通 结硅光电二极管 因为光电二极管本身具有优 越的光电线性特性和频率特性好 较小的暗电流 良好的稳定性 光电二极管 的工作模式又可以分为两类 光导模式 在光电二极管两端加反向偏置电 压 光伏模式 在光电二极管两端不加电压直接与负载相连 前一种模式 的时间常数较小 造成这样结果的主要原因是外加反向偏置电压可以减小结电 容 因此 可以用在脉冲和高频调制光的探测上 光导模式的主要缺点就是暗 电流的干扰比较大 与此相反 后一种模式中的暗电流影响非常小 所以电路 噪声小 在恒定和低速调制微弱光的测量上有着更大的优势 结光电二极 管比 结光电二极管的输出电流大 结光电二极管更适合在反向偏 压下工作 前置放大器采用集成运算放大器 光电二极管与集成运放的连接方 法属于电流放大型 光电二极管和运算放大器的两个输入端同极性相连 电阻 作为反馈电阻 图 中 由于在光电二极管两端没有加反向偏置电压 所以暗电流非常小 这就减小了输出噪声 输出电压 1SCsoRIU 式中 I s c 光电二极管产生的光电流 电路噪声的估计与降低方法电路噪声的估计与降低方法 图 所示电路中 所产生的噪声主要包括光电二极管的散粒噪声 光电二 极管内阻所产生的热噪声 反馈电阻 产生的热噪声以及运算放大器所产生 的噪声 设Ins为光电二极管的散粒电流 为光电二极管的光电流 为电路 scI 的通频带 则 sc 2 ns I2Ie 设为光电二极管内阻所产生的的热噪声电流 为光电二极管的内 ndI 阻 则 dR fk 4 I2 nd 设为反馈电阻 产生的热噪声电压 则 nfU 14fRKTUnf 设 分别为放大器的等效输入噪声电压和等效输入噪声电流 则光 nEnI 电检测电路的输出总电压为 nf d n nndnsscOUR R E IIIIU 1 输出电压 所以输出噪声电压为 1RIUscso nf d n nndnssoonoUR R E IIIUUU 1 光电检测电路的输出信噪比 为 fsc dsc n sc n dscsc no so RI fKT RI E I I RI f I feU U 2222 1 从上述公式可以看出 电路的信噪比与很多因素有关 电路的光电流 越大 则信噪比越大 所以 应该选择灵敏性高的光电二极管以提高信噪 scI 比 通频带 越小 则输出信噪比越大 所以 应该在后级电路使用滤波电 路以限制通频带 但通频带又不能过于狭窄 以免输出信号产生频率失真 集 成运放的等效输入噪声电压 和等效输入噪声电流 越小 则输出信噪比 越大 所以 应该选择噪声小的低噪声高精度集成运放 可以有效地减小噪声 提高信噪比 另外电路的工作环境温度 越小 输出信噪比越大 所以 要尽 可能使检测电路在较低的温度环境下工作 在实际应用中 可以在前置放大电路后面连接低通滤波器以过滤高频噪声 因为噪声以高频为主 所以 低通滤波器可以有效地提高输出信噪比二阶低通 滤波器电路如图 所示 传递函数为 2 ssup s up s 1 2 i s o s u RC RC A 31 A 1 U U s A Si S U U R R 其中 1 2 up R R 1 s A 令 得电压放大倍数 cR fjS 2 1 0 A 3 j 1 AU A up 2 upo u oo i f f f f U 改进型的光电检测电路改进型的光电检测电路 为了降低噪声带宽 可以采用改进型光电检测电路 如图 所示 运算放大器 和 构成的复合放大器对测量信号的频带没有影响 却 可以降低噪声的带宽 图 中的增益响应特性取决于由 构成 的内反馈 在通过直流电流时 由于 的电容特性 反馈断开 这时电路的 增益为 分别是 的开环增益 通过设置 可以限制电路噪声的带宽 此增益曲线共有两次下降 一次是因为放 大器的开环增益极点而导致的 另一次是因为 和 组成的积分器响应极 点 当频率继续增大时 通过设置 那么复合放大器总的开环 增益 这样就可以缩小复合放大器的频响范围 从而使 噪声的频带变小 而信号频带基本不受影响 如果 比较大 则容易产生直流误差 所以电路中加入 进行补偿 的作用是消除 的杂散噪声 是消振电容 它的加入减小了噪声 的带宽 光照度显示与超差报警模块光照度显示与超差报警模块 硬件设计硬件设计 此模块接收到前置光电检测电路直流电压信号后进行 转换 其中的 选用单片机 集成的 位 监测精度为 可以充分满足我们的技术指标要求 转换 后的数据经单片机 进行补偿运算 再经过实验确定恢复实测 光照度数据 由单片机控制数码管进行显示 当光照度变化超出技术指标要求 时 单片机控制报警灯与蜂鸣器报警 同时 通过串口将监测到的光照度数据 与报警信息通过 串口发送到电脑的上位机上 模块框图如图 所示 单片机软件设计单片机软件设计 本系统单片机程序设计主要包括以下几点 单片机根据接收到的直流电 压信号进行 转换 将接收到的模拟信号转换成数字信号 为减小误差将连 续几次测量的数据进行平均后再作为最终数据输出 数码管显示子 程序 将光照度数据在数码管上进行显示 报警子程序 当光照度数据超出 正常范围时 由单片机控制报警灯闪亮 同时蜂鸣器响起 串口通信初始化 子程序 串口发送数据 到主机 在程序中 接收到的模拟量是光电检测电路输出的直流电压信号 此信号 因为光电二极管的线性特性 应与监测的光照度成正比 通过调节光源的输入 电流大小 可以调节光照度 使用照度计记录不同输出电压时的光照度 利用 在实验中测量得到的数据可以得出比例常数 实验数据见表 通过表 可以得出 光照度与输出直流电压信号的比例常数约为 可以在单片机中通过编程将监测信号还原成实际环境中的光照度 系统测试记录系统测试记录 通过串口可以将监测系统监测到的光照度信息 报警信息与设定报警上下限 输入计算机 存储进数据库进行记录和查询 记录结果如图 所示 通过现场测量与高精度的照度计的测量结果进行比较 误差在 以内 同时报警功能工作正常 系统符合设计指标 LUX 结结 语语 文中所述的光电监测与显示报警系统具有精度高 成本低 适用性广的特点 通过改进电路降低了噪声的影响 经实际测试 满足了信号测量的要求 只要 改变单片机内的程序便可执行更多其它控制功能 有很大的发展前景 本方法 既适用于检测微弱信号 也适用于一般光信号的检测 参考文献参考文献 胡丹 张岗 撒继铭 一种实用的光电检测电路设计与实现 仪 器技术与传感器 王立刚 张殿元 低噪声光电检测电路的研究与设计 电测与仪 表 刘彬 张秋蝉 光电检测前置放大电路的设计 燕山1SCsoRIU 大学学报