基与PSD的位置测量系统-光电传感器在光通信中的应用

摘要本文介绍光电检测器件以及光电传感器在光通信中的应用的一个实验基与的位置测量系统。激光通信技术是当今世界发展速度最快、覆盖范围最广、渗透性最强、应用最广泛的一个高新技术领域，同时也是推动全球信息通信业发展的主要驱动力量，信息通信技术在经济、社会各个领域的广泛应用，不仅能够减少经济活动的交易费用，大大降低社会运行成本，而且能够促进知识的传播和信息的共享，对于一个国家国民整体素质的提高和经济社会的长远发展也将产生重大的意义。的器件其工作原理是基于光辐射与物质的相互作用所产生的光电效应。编程效率也就成了一个非常现实的问题。2ABSTRACTII第一章绪论光通信的现状及发展虚拟仪器的简介第二章光电检测的重要性及原理光电检测的重要性光电检测的原理第三章光电检测器件真空光电检测器件半导体光电导器件半导体结型光电器件(光伏器件)第四章光电传感器在光通信中的应用虚拟仪器测试系统的构成框图件实现件实现第五章实验及分析结果与分析总结致谢III第一章绪论光通信的现状及发展十年取得的进展是十分惊人的，现今已成为现代通信的主要传输手段。光通信为建立全天候、高机动性、高灵活性、稳定可靠工作的信息平台开辟了广阔前景。光通信作为星际间长距离、干线通信有明显优势。在终端分布密度很低的地方和对于移动终端，空间光通信将比陆地网络提供更高带宽的数据、视频及话音转播究阶段。空间光通信终端的数据率不断提高，而体积、重量、功耗不断下降，特别是未来采用和光波长路由等技术，有可能在卫星之间和卫星与地面之间建成一个全人类很早就开始光通信的研究，在一百多年前贝尔就获得了光通信的专利，但直因而传输距离远且易于调制和接收是一种优异的信息载体因此激光通信得到了较激光通信是利用激光光束作为信息载体来传递信息的一种通信方式，和传统的电通信一样激光通信可分为有线激光通信和无线激光通信两种形式。有线激光通信就是高式。尽管年代低损耗光纤和室温连续工作半导体激光器的研制成功使激光通独特的优点各军事大国对大气通信仍有浓厚的兴趣投入了大量的人力、财力、物力进行研究研制出不少激光通信产品为大气通信的应用拓宽了道路。虚拟仪器的简介能。2从功能上讲，虚拟仪器将传统仪器的功能划分为一些通用模块，并由以下三个主输入——进行信号调理并将输入的被测模拟信号转换成数字信号以便于处理。输出——将量化的数据转换成模拟信号并进行必要的信号调理。成各种处理功能[1]。虚拟仪器通过软件将通用计算机与仪器硬件结合起来，以透明的方式把计算机资复用原码库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发，从而最仪器的比较[2]。第二章光电检测的重要性及原理光电检测的重要性应能在零件加工过程中进行主动测量，或在传送带上的传输过程中进行检测和发出信二、测量无接触化由于无接触，所以没有力和力矩作用于被测物，而且即使被测物置测距离可以大等优点。和工作速度提高等优点。四、检测数字化它具有测量精度高，灵敏度高，测量速度快，指示值的客观性(不行传检测系统与它相结合后，能实现仪表本身根本无法实现的许多功能，使检测系统的测3自动显示故障部位，以缩短检修时间。如果把它用于自动调节系统，根据计算机对测量数据的不断分析和判断，能使机器处于最佳工作状态。因此，含有微型计算机的测称为“智能”仪器。光电检测主要由光电传感器进行测量。光电传感器的作用原理是：光源产生光通量，光通量的参数(如辐射能流的横流面积，光谱成分及光强度等)受被测对象控制，发光二极管及能发射可见光谱、紫外线光谱、红外线光谱的其他器件。此外还可采用图光电检测装置的方框图直流放大器的零点漂移较大，故常采用交流放大器或线性集成放大器。对于物理量变化缓慢的被测物，在光学系统中常采用光调制，因而放大器中有时包含相敏检波及其他运算电路。由他们示出被测物理量的数值，或对产品进行自动分类。指示和记录仪表，在大多数情况下与一般的电气测量仪表无多大区别，仅仅是仪表机构的特性数值、刻度尺的形状或物理量的单位有所不同而已。的精度与光源的稳定性有关，但光源的稳定性易受到电源波动、光源本身老化等因素4望有的参数值，既给定值或期待值，然后把待测量与给定值比较，用比较的结果调节调整被调节对象，以达到自动控制的目的，这就是比较器和调节值控制器的作用。调节机构用来调节对象，他直接与带有能量的介质(例如蒸汽、冷却剂、燃料、电流等)或物料相接触，并能以一定方式改变能量或物料量，使被调节量接近或等于给定值。节机构是电磁阀、变阻器等。第三章光电检测器件光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件。它的性能对光电系统的性能影响很大，如缩小系统的体积、减小系统的重量、增大系统的作用距离等。根据光电检测器件对辐射的作用方式的不同，可分为光子检测器件和热点检测件两大类。光子检测器件应用广泛，我们通常所说的光电检测器件就是光子检器件。这种器半导体光电检测器件，如光导型(光敏电阻)和光伏型(光电池与光电二、三极管)检5真空光电检测器件料光电发射材料大体可分为三类：纯金属材料、表面吸附一层其他元素原子的金属；满足上述条件的材料就会得到较高的量子效率。金属对上述条件都不满足。他的反射系数大(约为﹪)，吸收系数小；体内自由电子多，由碰撞引起的能量散射损失大、逸出深度小；逸出功大。因此量子效率较低。大多数金属的光谱响应都在紫外或远紫外区，只能适应对紫外灵敏的光敏器件。半导体光发射材料的光吸所以他的量子效率比金属大得多，而光发射波长延伸至可见光和近红外波段范围。常用的经典光电发射材料．银氧铯()阴极．锑铯()阴极二、光电倍增管()成。电子受光子激发离开表面发射到真空中③光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦经N极倍增极倍增后，光电子就放大N次。④经过倍增后的二次电子由阳极P收集起来，形成阳极光电流，在负载Rl上产生信号电压。光电倍增管的工作原理如图所6光电倍增管具有极高的灵敏度和快速响应等特点，目前它任然是最常见的光电探测器件之一，而且在许多场合还是唯一的光电探测器。在精密测量中，正确使用光电A减缓疲劳和老化效应，减少电阻反馈和分压器电．电压分压器中中流过的电流至少应大于期望的最大阳极电流1于相同电位。导体光电导器件半导体光电导器件是利用半导体材料的光电导效应制成的光电探测器，所谓光电导效应是表示材料受到光辐射后。材料的电导率发生变化。光电导效应属于内光电效应，最典型的光电导器件是光敏电阻。①工作电流大，可达数毫安。②光谱响应范围响应宽，根据光电导材料的不同，光谱响应范围Ⅵ族、ⅢⅤ族化合物，硅、锗等，以及一些有机物。或其它绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。光敏面作成蛇形，电极作成梳状是因为这样即可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从而既可减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。7半导体结型光电器件(光伏器件)光电池中最典型的是同质结硅光电池。国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型称为前极或上电极，为了减少遮光，前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下。外电路，流入端，光生电势与照度是对数关系。当光电池短路时，短路电流与照纵轴的截距，代表该照度下的短路电流。硅光电池的一般为~，最大为~的截距，代表该照度下的短路电流。硅光电池的一般为~，最大不超过，因为它不能大于结热平衡时的接触电势差。硅单晶光电池短路电流为~。电流普遍比光电池小，一般为数微安到数十微安。按材料分，光电二极管有硅、砷化中最典型的还是同质结硅光电二极管。从而使结双电层的间距加宽，结电容变小。由式τ与πτ知，由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电8一般多为零点几微安至数微安。目前有将管与前置运算放大器集成在同一硅片上雪崩光电二极管是利用结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极这种管子工作电压很高，约~，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声受基极电路的电流控制，也可以受光的控制。所以光电晶体管的外形，有光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线(有的没有)。制作材料一般为半导体硅，管型为型，国产器件称为系列。结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流〔＝＝(＋β)〕，β为电流放大倍数。因此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏流电路中接一个光电二极管的作但它的光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。所以光电晶体管多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。六、阵列式或象限式结型光电器件利用集成电路技术使个至几百个光电二极管或光电池排成一行，集成在一块集成电路片子上，即成为阵列式的一维光电器件，也可以使光电二极管或光电池制成象限式的二维光电器件。于信号处理。就目前的应用看，两个并列的光电二极管或光电池，可用来辨别光点移动的方向。~个并列的光敏元，可用来收集光点移动的相位信息。几十个至几百个9或更多并列的光敏元，可用来摄取光学图象或用作空间频谱分析。象限式光电器件可七、光电位置探测器(，)一维的和二维的两种。当入射光是一个小光斑，照射到光敏面时，其输出则与光的能量中心位置有关。这种器件和象限光电器件比较，其特点是，它对光斑的形状无严格要求，光敏面上无象限分隔线，对光斑位置可连续测量。第四章光电传感器在光通信中的应用—基于的位置测量系统采集卡光电探测器激光器发射装置接收装置图实验装置示意图数据处理系统光源选用半导体激光器，输出功率，波长，符合性好，受外界干扰小等特点，与其它光源相比，可以更好的提高精度。系统中的光学系统用来调节激光器的光斑之能被光电探测器有效地接受。⑵系统接收部分选用的是日本滨松公司生产的，图是实物图。它完成光信电流信号，将四路输出信号分别连接四个锁相放大器。利用锁相放大器将微弱的电流信号从噪声中提取出来，并转换到数据采集卡可以检测到的电压信号。⑶数据处理部分虚拟仪器测试系统的构成框图记录存储换控制图基于虚拟仪器的测试系统结构图基于虚拟仪器的偏移量测试系统主要由以下几部分组成，其中包括半导体激光发射器、光学系统、位置敏感器件()、信号转换与合成、数据采集与虚拟仪器软件六部分组成，系统原理如图所示。的损失投射到探测器上；另外一个是对进入的辐射进行光学滤波，以提高光学信号的⑵光电探测器的作用是将光能转换成电能，是整个光电系统的关键。试系统的基础，没有高质量的传感器和各种高质量的调理放大器，测试系统就没有了基础。信号调理它包括：放大、滤波、隔离等组成。⑷数据采集卡主要核心还是技术：我设计的系统采用数据采集频率，采样深度，可同步执行路数据采集，并可同过扩展达到路是由具有测试分析仪器功能的电探测器。由极为均匀的表面电阻层和对向电极来检出信号并通过放大和运算而获得端确定入射光点在的位置。入射光点的强度和尺寸大小对的位置输出信号均无可测光斑的平面位置坐标。由于是分割型元件，对光斑的形状无严格的要求，光敏面上无象限分隔线，所以对光斑位置可进行连续测量从而获得连续的坐标信号。本设计系统中的的特性参数系统使用的本设计测量系统中的采用日本滨松公司生产的维位置检测误差小和位置分辨率高的特点，同时具有二维输出的是四路电流信号，通过公式()，()就可计算出相对(I+I)(I+I)2X2314=I+I+I+IL1234(I+I)(I+I)2Y2413=I+I+I+IL1234表本系统采用的峰值向应灵敏度(A/w)()()器件主要参数士57电路设计在测量各种物理量时，用传感器将其变换成为电信号，然后输入到分析仪器(测电信号，也有包含在被测量的物理量中的情况。另外，根据不同场合，也出现噪声强度远远高出所需要的目的信号电平的情况。想要测量的信号越微弱，那么噪声就相对地越大。在光电测量中，也常常遇到待测信号被噪声淹没的情况。例如，对于空间物体的检测，常常伴随着强烈的背景辐射；在光谱测量中特别是吸收光谱的弱谱线更是的目标。常用的弱光信号检测可以有下列几种方式，即：锁相放大器、取样积分器和光子计数器。电压信号被采集系统的高精度数字化后，通过上位机进行计算和显示。信号调理。传感器相关器低通滤波电路A/D转换IV转换电路参考信号图信号调理电路组成示意图源电压波动、温度、老化的影响较小。如果与光信号的调制特性相匹配，采用选频放12122大或锁相放大等技术方案，有效地抑制噪声，从而实现高精度检测。如果发送信号的重复周期或频率已知，就可在接收端发出一重复周期与发送信号相同的“干净的”本地参考信号，将本地参考信号与混有噪声的输入信号进行相关运干扰性能。乘法器f1=S1(t)+n1(t)积分延迟T图相关检测原理f(t)=S(t)22R(T)=lim1jTf(t)f(t-T)dt12T)w2T-T12ssns可以看出：相关检测只有信号与本地参考信号的相关输出，去掉了噪声项，从而相关器是用来完成求解参考信号和被测量信号之间相关函数运算的电子线路。按互相关函数的数学表达式，它需要一个乘法器和一个积分器。从理论上讲，用一个模于被测信号是已知频率的正弦波或方波，因此，乘法器就可以采用动态范围大，线路乘法器。CC-+IC26信号图相关器电路图对于积分器来说，积分时间长，虽可抑制更强的噪声，但也使测量时间过长，当信号幅度或相位变化较快时，过长的积分时间会平滑快速信号，使输出信号失真。一般采用近似的积分器，即低通滤波器。电路图如图所示。在制作锁定放大器时，集成块都选用高精度，低漂移、低噪声集成块，电阻为精密电阻，电容的各方面指标均严格按要求选用。整个电路具有低噪声、低漂移、所以必须将电流信号转换成电压信号。并且低噪声等优良特性。信号，因此要放选择的是超低输入电流的，图前置放大部分电路主NTRNTR小时没有办法得到好的信噪比。所以电路中的反馈电阻要尽量的大一些。本电路中的取。时电压跟随器，其阻抗变换的作用。u=Rif ()图数据采集卡实物图于电压信号的精密测量，具有精度高、速度快、量程多、通道多、抗干扰能力强等优了采样保持电路。本板的模拟电路和逻辑电路之间用光电耦合器件进行信息交换，使转换器的主要技术指标：通道建立时间：：位分路单端路正负，双极性时为二进制偏移码表模拟输入电压和增益范围选择增增益单级双级124位单端模拟信号个通道。当使用外部扩展时，允许使用主连接器上的位数据线实现多路控制，图数据采集卡与计算机的连接示意图图工作方式选择板卡配置的主连接器包含了所有的模拟输入和输出信号管脚，从连接器用于数字连接。从到和到管脚为有效的模拟输入通道。差分输入时有路通道从到，每一路包括一个正相输入()和一个负相输入()。单图输入输出连接器示意图~~~测试系统的虚拟仪器前面板设计如下图。图偏移量测试系统虚拟仪器前面板录。录待子不停查询硬件状态，当的以开始开始采集数据Y调用中值滤波子程序调用显示、更新存储文件采集计数器清零用户是否按下停止键Y调用数据分析子程序数据存储子程序束NN图偏移量测试系统主程序流程图本设计的虚拟仪器测试系统的软件功能主要分为用户配置模块、数据采集卡驱动模块、测量数据分析模块、测量数据计算显示模块和数据存储模块五部分。有数据采集配置软件，用于对数据采集卡进行配置。包括：通道选择、输入数据极性选择(单、双极性)、和在测试程序中调用的驱动子以下的子。打开数据采集卡子，读设备配置文件，模拟数据输入子，根据采集卡的配置，进行测试程序根据配置文件的数据采集卡等待子，一般放置在循环程序中，等待数据采集结读取转换寄存器子，可以通过设置读取转换后的数据结果。读取数据采集错误子，可以给出程序出错的代码，便于调试。关闭数据采集卡子，程序运行结束后关闭数据采集卡。利用虚拟仪器强大数据处理功能对采集进来的信号进行提取及均值滤波处理，减少测量误差。具体程序框图如下图。图数据分析虚拟仪器框图程序为进一步提高系统精度，采用软件滤波技术，利用算术平均滤波法减少随机误差。流变量初始化YN计数器清零，进行均值运算对应数值累加图均值滤波流程图图均值滤波虚拟仪器框图程序虚拟仪器编程是一种自顶向下的编程模式，为了便于子程序的相互调用，可以将编好的子程序制成子调用，本测试系统的数据分析子图标如图()所示，均值滤波子图标如图()所示。(a)(b)(c)图数据分析、中值滤波子和计算显示子图标V+V+V+V1234Y413(mm)VY413(mm)V+V+V+V1234 () () ()在根据2L式，即可算出炮口偏移量a。具体的虚拟仪器程序框图如下图所示，子图标如图()所示。图数据计算及显示存储虚拟仪器框图程序。第五章实验及分析经过前期分析以及硬件、软件的设计与实施，实现了基于虚拟仪器的偏移量实验测试系统的设计，该系统不但能够满足当前的测试需求，还可以根据测试需求的不断在实验原理设计和实现的过程中，从理论分析的角度保证了系统能够实现在一定精度上的自动化测量。由于理论分析忽略、简化的因素太多，还需用实验法来验证。通过实验手段来模拟偏移量的测量。相关器相关器相关器相关器相关器滤波滤波滤波滤波I-VI-VI-VI-VPCI图实验装置硬件连接示意图通道通道18-通道通道+-通道/PCI-图数据采集卡连接示意图、根据硬件连接，对数据采集卡进行配置。本数据采集系统为四通道模数转换，我入、增益选择、采样速率字节。具体配置如下图、所示。图图数据采集卡配置文件图配置将激光器放置在经纬仪上，通过轻微的调节经纬仪的高低和左右晃动即可出现仿真的抖动量。虚拟仪器的测试界面如图所示，虚拟仪器的优点是可以利用前面板记录实验数据，试验结果如下图。从系统软件看，数据采集卡配置模块和示图实验一测试前面板及结果显示由于采用了计算机进行数据处理，大大提高了实验数据的处理速度。原来手工