基與PSD的位置測量系統(tǒng)-光電傳感器在光通信中的應(yīng)用

1、摘 要本文介紹光電檢測器件以及光電傳感器在光通信中的應(yīng)用的一個(gè)實(shí)驗(yàn)基與PSD的位置測量系統(tǒng)。激光通信技術(shù)是當(dāng)今世界發(fā)展速度最快、覆蓋范圍最廣、滲透性最強(qiáng)、應(yīng)用最廣泛的一個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域，同時(shí)也是推動全球信息通信業(yè)發(fā)展的主要驅(qū)動力量，信息通信技術(shù)在經(jīng)濟(jì)、社會各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，不僅能夠減少經(jīng)濟(jì)活動的交易費(fèi)用，大大降低社會運(yùn)行成本，而且能夠促進(jìn)知識的傳播和信息的共享，對于一個(gè)國家國民整體素質(zhì)的提高和經(jīng)濟(jì)社會的長遠(yuǎn)發(fā)展也將產(chǎn)生重大的意義。 光電傳感器非常廣泛的應(yīng)用在激光通信中，它是一類把光輻射信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷?其工作原理是基于光輻射與物質(zhì)的相互作用所產(chǎn)生的光電效應(yīng)。虛擬儀器是現(xiàn)代檢測儀器的發(fā)展方

2、向。軟件就是儀器，這是虛擬儀器的基本思想。因?yàn)?，我們是利用?jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。所以，提高計(jì)算機(jī)軟件編程效率也就成了一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的問題。關(guān)鍵詞：激光通信 光電傳感器 虛擬儀器ABSTRACTThis text introduces an experiment that the photoelectricity measures the device and application in the photo-communication of photoelectric transducer The position measuring systems of base and PS

3、D.The laser communication technology is the most development speed quickest, the cover scope broadest, the permeability is strongest, applies in a most widespread high-tech area, simultaneously also is impels the global information correspondence industry development the main actuation strength, the

4、 information communication in the economical, the social each domain widespread application, not only can reduce the economic activity the transaction expense, greatly reduces the social movement cost, moreover can promote the knowledge dissemination and information sharing, also will have the signi

5、ficant significance regarding a national national overall quality enhancement and the economic society long term development. photosensor is widespread used in the laser communication wid, it is a kind of transforms that he ray radiation signal into the electrical signal component, its principle of

6、work is the photoelectric effect which produces based on the ray radiation and the material mutual function. The labview is the modern instrumentation development direction. Software is an instrument, this is the labview instrument basic thought. we are realize and the expansion tradition instrument

7、 function using the computer technology. Therefore, enhanced the computer software programming efficiency also to become an extremely realistic question. Key word: Laser communication, electro-optical sensor, labview目 錄 TOC o 1-3 h z u TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc138330945 第一章 緒 論 PAGEREF _Toc13

8、8330945 h 1 HYPERLINK l _Toc138330946 1.1光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展 PAGEREF _Toc138330946 h 1 HYPERLINK l _Toc138330947 1.2虛擬儀器的簡介 PAGEREF _Toc138330947 h 2 HYPERLINK l _Toc138330948 第二章 光電檢測的重要性及原理 PAGEREF _Toc138330948 h 3 HYPERLINK l _Toc138330949 2.1 光電檢測的重要性 PAGEREF _Toc138330949 h 3 HYPERLINK l _Toc138330950 2

9、.2 光電檢測的原理 PAGEREF _Toc138330950 h 3 HYPERLINK l _Toc138330951 第三章 光電檢測器件 PAGEREF _Toc138330951 h 6 HYPERLINK l _Toc138330952 3.1 真空光電檢測器件 PAGEREF _Toc138330952 h 6 HYPERLINK l _Toc138330953 3.2 半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件 PAGEREF _Toc138330953 h 8 HYPERLINK l _Toc138330954 3.3半導(dǎo)體結(jié)型光電器件（光伏器件） PAGEREF _Toc138330954 h 8

10、 HYPERLINK l _Toc138330955 第四章 光電傳感器在光通信中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc138330955 h 12 HYPERLINK l _Toc138330956 4.1實(shí)驗(yàn)裝置 PAGEREF _Toc138330956 h 12 HYPERLINK l _Toc138330957 4.2 虛擬儀器VI測試系統(tǒng)的構(gòu)成框圖 PAGEREF _Toc138330957 h 13 HYPERLINK l _Toc138330958 4.3系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc138330958 h 14 HYPERLINK l _Toc138330959 4.4系統(tǒng)

11、軟件實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc138330959 h 23 HYPERLINK l _Toc138330960 第五章 實(shí)驗(yàn)及分析 PAGEREF _Toc138330960 h 30 HYPERLINK l _Toc138330961 5.1實(shí)驗(yàn)實(shí)施 PAGEREF _Toc138330961 h 30 HYPERLINK l _Toc138330962 5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 PAGEREF _Toc138330962 h 32 HYPERLINK l _Toc138330963 總 結(jié) PAGEREF _Toc138330963 h 34 HYPERLINK l _Toc1383309

12、64 致 謝 PAGEREF _Toc138330964 h 35 HYPERLINK l _Toc138330965 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc138330965 h 36第一章 緒 論1.1光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展光通信是現(xiàn)代光學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合的綜合應(yīng)用技術(shù)，它在70年代初期獲得了迅速發(fā)展，而在近十年取得的進(jìn)展是十分驚人的，現(xiàn)今已成為現(xiàn)代通信的主要傳輸手段。光通信為建立全天候、高機(jī)動性、高靈活性、穩(wěn)定可靠工作的信息平臺開辟了廣闊前景。光通信作為星際間長距離、干線通信有明顯優(yōu)勢。在終端分布密度很低的地方和對于移動終端，空間光通信將比陸地網(wǎng)絡(luò)提供更高帶寬的數(shù)據(jù)、視頻及話音轉(zhuǎn)播等多媒體服務(wù)。衛(wèi)

13、星之間、衛(wèi)星對地的激光通信技術(shù)已成為下一代光通信的發(fā)展方向之一。世界主要技術(shù)強(qiáng)國為了爭奪空間光通信這一領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，已經(jīng)投入了大量的人力物力，并取得了較大進(jìn)展。隨著光器件的不斷發(fā)展，空間光通信已進(jìn)入系統(tǒng)研究階段?？臻g光通信終端的數(shù)據(jù)率不斷提高，而體積、重量、功耗不斷下降，特別是未來采用WDM 和光波長路由等技術(shù)，有可能在衛(wèi)星之間和衛(wèi)星與地面之間建成一個(gè)全光網(wǎng)絡(luò)。人類很早就開始光通信的研究，在一百多年前貝爾就獲得了光通信的專利，但直至上世紀(jì)50年代這種研究仍處于概念階段。1960年休斯公司研制成第一支激光器，為光通信提供了一種理想的光源,由于激光器的光亮度高、方向性強(qiáng)、單色性和相干性好,因而傳

14、輸距離遠(yuǎn),且易于調(diào)制和接收,是一種優(yōu)異的信息載體,因此激光通信得到了較快的發(fā)展，使光通信開始變得實(shí)際可行，并立即轉(zhuǎn)入應(yīng)用研究，建立了第一條大氣光通信系統(tǒng)。激光通信是利用激光光束作為信息載體來傳遞信息的一種通信方式，和傳統(tǒng)的電通信一樣激光通信可分為有線激光通信和無線激光通信兩種形式。有線激光通信就是近二、三十年來迅猛發(fā)展起來的以光導(dǎo)纖維作為傳輸媒質(zhì)的光纖通信，目前己成為高速有線信息傳輸?shù)墓歉?，激光通信依傳輸介質(zhì)的不同,又分為四種:光纖通信、大氣通信、空間通信、水下通信。其中大氣通信是以大氣作為傳輸介質(zhì)的通信,是激光出現(xiàn)后最先研制的一種通信方式；光纖通信則是利用光纖傳輸光信號的通信方式。盡管70年

15、代低損耗光纖和室溫連續(xù)工作半導(dǎo)體激光器的研制成功,使激光通信的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)到光纖通信上,但是由于大氣激光通信相對于無線電、微波通信具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),各軍事大國對大氣通信仍有濃厚的興趣,投入了大量的人力、財(cái)力、物力進(jìn)行研究,研制出不少激光通信產(chǎn)品,為大氣通信的應(yīng)用拓寬了道路。 1.2虛擬儀器的簡介虛擬儀器(Virtual Instruments，VI)的概念，是隨著自動測試技術(shù)(ATS，Automatic Test System)的發(fā)展而提出的。 本文研究的目的是通過模擬實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證PSD的特性；檢驗(yàn)系統(tǒng)的測試功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)；檢驗(yàn)、評價(jià)測試系統(tǒng)的軟件功能。從功能上講，虛擬儀器將傳統(tǒng)儀器的功能劃分為

16、一些通用模塊，并由以下三個(gè)主要部分組成： 輸入進(jìn)行信號調(diào)理并將輸入的被測模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以便于處理。輸出將量化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號并進(jìn)行必要的信號調(diào)理。數(shù)據(jù)處理通常利用一個(gè)微處理器或數(shù)字信號處理器(DSP)，使儀器按測試要求完成各種處理功能1。虛擬儀器通過軟件將通用計(jì)算機(jī)與儀器硬件結(jié)合起來，以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源(如微處理器、內(nèi)存、顯示器等)和儀器硬件(如A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時(shí)器、信號處理等)的測量、控制能力結(jié)合在一起，并通過應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶接口。應(yīng)用程序還將儀器硬件(如GPIB、VXI、RS-232、DAQ板)和可復(fù)用原碼庫函數(shù)等軟件結(jié)合在一

17、起，實(shí)現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時(shí)與觸發(fā)，從而最終形成一臺與傳統(tǒng)儀器在功能和操作方式上相同的儀器。圖1.1是虛擬儀器界面與實(shí)際儀器的比較2。第二章 光電檢測的重要性及原理2.1 光電檢測的重要性 一、檢測自動化 隨著生產(chǎn)的發(fā)展，用于檢測的時(shí)間和人力將占相當(dāng)大的比重，因此為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)率和自動化程度，要求檢測必須自動化。先進(jìn)的檢測方法和儀器，應(yīng)能在零件加工過程中進(jìn)行主動測量，或在傳送帶上的傳輸過程中進(jìn)行檢測和發(fā)出信號，這樣既可減少工作人員，又可節(jié)省檢測時(shí)間，提高生產(chǎn)率。二、測量無接觸化 由于無接觸，所以沒有力和力矩作用于被測物，而且即使被測物有較大的沖擊作用，對檢測儀表亦無損害。另外，由于無機(jī)

18、械運(yùn)動部分，故測量裝置具有壽命長，反映速度快，工作可靠，準(zhǔn)備度高，對被測物無形狀和大小要求，檢測距離可以大等優(yōu)點(diǎn)。三、電子元件和電路集成化 它具有體積小，重量輕，工作可靠，壽命長，使用方便和工作速度提高等優(yōu)點(diǎn)。四、檢測數(shù)字化 它具有測量精度高，靈敏度高，測量速度快，指示值的客觀性（不因人或位置而異），易于自動化等優(yōu)點(diǎn)。由于這種方法的測量信息以數(shù)碼的形式進(jìn)行傳輸、存儲、運(yùn)算、判斷等，大大提高了測量的可靠性和穩(wěn)定性。五、與計(jì)算機(jī)相結(jié)合 計(jì)算機(jī)具有數(shù)據(jù)的運(yùn)算、處理、校驗(yàn)、邏輯判斷、存儲等功能。檢測系統(tǒng)與它相結(jié)合后，能實(shí)現(xiàn)儀表本身根本無法實(shí)現(xiàn)的許多功能，使檢測系統(tǒng)的測量精度、速度和性能顯著提高。目前在

19、國外，先進(jìn)的測量儀器常常帶有微型計(jì)算機(jī)。它能使檢測系統(tǒng)的靈活性提高，測量項(xiàng)目增多，以滿足不同的需要；并能對故障自診，自動顯示故障部位，以縮短檢修時(shí)間。如果把它用于自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)計(jì)算機(jī)對測量數(shù)據(jù)的不斷分析和判斷，能使機(jī)器處于最佳工作狀態(tài)。因此，含有微型計(jì)算機(jī)的測量裝置和儀器，有時(shí)稱為“智能”儀器。2.2 光電檢測的原理光電檢測主要由光電傳感器進(jìn)行測量。光電傳感器的作用原理是：光源產(chǎn)生光通量，光通量的參數(shù)（如輻射能流的橫流面積，光譜成分及光強(qiáng)度等）受被測對象控制，然后由光電器件接收再轉(zhuǎn)變成電參數(shù)的變化進(jìn)行測量。光源可采用氣體放電燈、激光、發(fā)光二極管及能發(fā)射可見光譜、紫外線光譜、紅外線光譜的其他

20、器件。此外還可采用X射線（倫琴輻射）及同位素放射源，這時(shí)一般需要把輻射能變成可見光譜的轉(zhuǎn)換器。有時(shí)被測對象本身就是輻射能源，例如需要測溫的發(fā)熱體。因此，用于檢測系統(tǒng)中的光源有時(shí)稱為輻射能源。光學(xué)系統(tǒng)中常用的元件有透鏡、濾光片、光闌、棱鏡、反射鏡、光通量調(diào)制器、光柵及光學(xué)纖維等。用于檢測系統(tǒng)的光電器件有光電池、光敏二極管、光敏三極管、光敏電阻（又稱光導(dǎo)管）、真空光電管、充氣光電管及光電倍增管等，選用何種型式，決定于光電傳感器所需的靈敏度、反映的速度、光源的特性及儀器的運(yùn)用環(huán)境和條件等。包含光電傳感器的檢測裝置稱為光電檢測裝置。在大多數(shù)情況下，傳感器輸出的電信號較小，不足以使測量機(jī)構(gòu)動作，在它們之

21、間需設(shè)置放大器，其方框圖如圖2.1所示。圖2.1 光電檢測裝置的方框圖直流放大器的零點(diǎn)漂移較大，故常采用交流放大器或線性集成放大器。對于物理量變化緩慢的被測物，在光學(xué)系統(tǒng)中常采用光調(diào)制，因而放大器中有時(shí)包含相敏檢波及其他運(yùn)算電路。測量機(jī)構(gòu)可以是指示儀表、記錄儀表、數(shù)字顯示器、報(bào)警器及產(chǎn)品分選裝置等。由他們示出被測物理量的數(shù)值，或?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行自動分類。指示和記錄儀表，在大多數(shù)情況下與一般的電氣測量儀表無多大區(qū)別，僅僅是儀表機(jī)構(gòu)的特性數(shù)值、刻度尺的形狀或物理量的單位有所不同而已。光電裝置亦常用來自動調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程，使被測物理量維持不變，或按希望那樣變化，將被檢測產(chǎn)品安需要進(jìn)行加工。例如某些測量和分析儀

22、器需要恒定光源，其測量的精度與光源的穩(wěn)定性有關(guān)，但光源的穩(wěn)定性易受到電源波動、光源本身老化等因素的影響。在這種情況下，可采用自動調(diào)節(jié)裝置。自動調(diào)節(jié)裝置中為什么需要比較器和調(diào)節(jié)值控制器呢？既然要調(diào)節(jié)，總得給出希望有的參數(shù)值，既給定值或期待值，然后把待測量與給定值比較，用比較的結(jié)果調(diào)節(jié)調(diào)整被調(diào)節(jié)對象，以達(dá)到自動控制的目的，這就是比較器和調(diào)節(jié)值控制器的作用。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用來調(diào)節(jié)對象，他直接與帶有能量的介質(zhì)（例如蒸汽、冷卻劑、燃料、電流等）或物料相接觸，并能以一定方式改變能量或物料量，使被調(diào)節(jié)量接近或等于給定值。用得最多的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是電磁閥、變阻器等。第三章 光電檢測器件 光電檢測器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把

23、光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件。它的性能對光電系統(tǒng)的性能影響很大，如縮小系統(tǒng)的體積、減小系統(tǒng)的重量、增大系統(tǒng)的作用距離等。根據(jù)光電檢測器件對輻射的作用方式的不同，可分為光子檢測器件和熱點(diǎn)檢測器件兩大類。 光子檢測器件應(yīng)用廣泛，我們通常所說的光電檢測器件就是光子檢器件。這種器件可分為兩大類：電真空或光電發(fā)射型檢測器件，如光電管和光電倍增管；固體或半導(dǎo)體光電檢測器件，如光導(dǎo)型（光敏電阻）和光伏型（光電池與光電二、三極管）檢測器件。他們的特點(diǎn)是：響應(yīng)波長有選擇性。因這些器件都存在某一截止波長超過此波長，器件無響應(yīng)；響應(yīng)快。一般為納秒到幾百微妙。3.1 真空光電檢測器件一、光電發(fā)射材料光電發(fā)射材料大體可分為

24、三類：純金屬材料、表面吸附一層其他元素原子的金屬和半導(dǎo)體材料。從光電子發(fā)射效應(yīng)原理可知,一個(gè)良好的光電發(fā)射材料應(yīng)具備下述條件：光吸收系數(shù)大；光電子在體內(nèi)傳輸過程中受到的能量損失小,使其逸出深度大；表面勢壘低,使表面逸出幾率大。滿足上述條件的材料就會得到較高的量子效率。金屬對上述條件都不滿足。他的反射系數(shù)大（約為99），吸收系數(shù)??；體內(nèi)自由電子多，由碰撞引起的能量散射損失大、逸出深度??；逸出功大。因此量子效率較低。大多數(shù)金屬的光譜響應(yīng)都在紫外或遠(yuǎn)紫外區(qū)，只能適應(yīng)對紫外靈敏的光敏器件。半導(dǎo)體光發(fā)射材料的光吸收系數(shù)比金屬要大得多，由于體內(nèi)自由電子少，散射能量損失小，所以能量損失小，所以他的量子效率比

25、金屬大得多，而光發(fā)射波長延伸至可見光和近紅外波段范圍。常用的經(jīng)典光電發(fā)射材料 1銀氧銫（Ag-O-Cs）陰極2銻銫（CsSb）陰極3多堿光電陰極4紫外光電陰極二、光電倍增管（PMT）光電倍增管（PMT）是一種建立在光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論基礎(chǔ)上的，把微弱入射光轉(zhuǎn)換成光電子，并獲得倍增的重要的真空光電發(fā)射器件。光電倍增管主要有光入射窗口、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、倍增極和陽極組成。光電倍增管的工作原理：光子透過入射窗口入射在光陰極K上； 光電陰極的電子受光子激發(fā),離開表面發(fā)射到真空中;光電子通過電場加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增極上，倍增極將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入

26、射電子經(jīng)極倍增極倍增后，光電子就放大次。經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極收集起來，形成陽極光電流，在負(fù)載上產(chǎn)生信號電壓。光電倍增管的工作原理如圖3.1所示。圖3.1 光電倍增管的工作原理光電倍增管具有極高的靈敏度和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，目前它任然是最常見的光電探測器件之一，而且在許多場合還是唯一的光電探測器。在精密測量中，正確使用光電倍增管，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：1陽極電流應(yīng)不超過1A，可以減緩疲勞和老化效應(yīng)，減少電阻反饋和分壓器電壓再分配效應(yīng)。2電壓分壓器中中流過的電流至少應(yīng)大于期望的最大陽極電流1000倍，即1Ma。3應(yīng)采取電磁屏蔽，最好使屏蔽筒與陰極處于相同電位。3.2 半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件

27、是利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電探測器，所謂光電導(dǎo)效應(yīng)是表示材料受到光輻射后。材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化。光電導(dǎo)效應(yīng)屬于內(nèi)光電效應(yīng)，最典型的光電導(dǎo)器件是光敏電阻3。光敏電阻與其它半導(dǎo)體光電器件相比有以下特點(diǎn)：工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。光譜響應(yīng)范圍響應(yīng)寬，根據(jù)光電導(dǎo)材料的不同，光譜響應(yīng)范圍可從紫外、可見光、近紅外擴(kuò)展到遠(yuǎn)紅外，尤其是對紅光和紅外輻射有較高的響應(yīng)度。所測的光強(qiáng)范圍寬，即可測強(qiáng)光，也可測弱光。靈敏度高，光電導(dǎo)增益大于一。偏置電壓低，無極性之分。光敏電阻的原理是半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)，只有能量（h）大于材料禁帶寬度（Eg）的光子，才能使材料產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。每一種半導(dǎo)體或絕緣體都有一定的光電導(dǎo)

28、效應(yīng)，但只有其中一部分材料經(jīng)過特殊處理，摻進(jìn)適當(dāng)雜質(zhì)，才有明顯的光電導(dǎo)效應(yīng)?，F(xiàn)在使用的光電導(dǎo)材料有-族、-族化合物，硅、鍺等，以及一 些有機(jī)物。光敏電阻的結(jié)構(gòu)是在一塊光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其它絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。光敏面作成蛇形，電極作成梳狀是因?yàn)檫@樣即可以保證有較大的受光表面，也可以減小電極之間距離，從而既可減小極間電子渡越時(shí)間，也有利于提高靈敏度。3.3半導(dǎo)體結(jié)型光電器件（光伏器件）一、光電池光電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)PN結(jié)。按材料分，有硅、硒、硫化鎘、砷化鎵和無定型材料的光電池等。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)光電池等。

29、光電池中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電池。國產(chǎn)同質(zhì)結(jié)硅光電池因襯底材料導(dǎo)電類型不同而分成2CR系列和2DR系列兩種。2CR系列硅光電池是以N型硅為襯底，P型硅為受光面的光電池。受光面上的電極稱為前極或上電極，為了減少遮光，前極多作成梳狀。襯底方面的電極稱為后極或下電極。為了減少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2MgF2等材料的防反射膜，同時(shí)也可以起到防潮，防腐蝕的保護(hù)作用4。光電池在光照下能夠產(chǎn)生光生電勢，光電流實(shí)際流動方向?yàn)?，從P端流出，經(jīng)過外電路，流入N端，光生電勢與照度是對數(shù)關(guān)系。當(dāng)光電池短路時(shí)，短路電流Isc與照度E成線性關(guān)系，SIsc/E稱為靈敏

30、度。 在一定的照度下，曲線在橫軸的截距，代表該照度下的開路電壓Uoc。曲線在縱軸的截距，代表該照度下的短路電流Isc。硅光電池的Uoc一般為0.450.6V，最大不超過0.756v，因?yàn)樗荒艽笥赑N結(jié)熱平衡時(shí)的接觸電勢差。硅單晶光電池短路電流為3540mA/cm2。在一定的照度下，曲線在橫軸的截距，代表該照度下的開路電壓Uoc。曲線在縱軸的截距，代表該照度下的短路電流Isc。硅光電池的Uoc一般為0.450.6V，最大不超過0.756v，因?yàn)樗荒艽笥赑N結(jié)熱平衡時(shí)的接觸電勢差。硅單晶光電池短路電流為3540mA/cm2。二、光電二極管 光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)。它和

31、光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為數(shù)微安到數(shù)十微安。按材料分，光電二極管有硅、砷化稼、銻化錮、鈰化鉛光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，也有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的還是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。三、PIN管PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。由式 = CjRL與f = 1/2知，Cj小，則小，頻帶將變寬。因此，這種管子最大的特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一個(gè)特點(diǎn)

32、是，因?yàn)镮層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。所不足的是，I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)的商品出售。四、雪崩光電二極管雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場中可得到極大的加速，同時(shí)與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可

33、達(dá)到幾百。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的自持雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，足目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時(shí)，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。五、光電晶體管光電晶體管和普通晶體管類似，也有電流放大作用。只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，也可以受光的控制。所以光電晶體管的外形，有光窗、集電極引出線、發(fā)射極引出線和基極引出線（有的沒有）。制作材料一般為半導(dǎo)體硅，管型為NPN型，國產(chǎn)器件稱為3DU系列。正常運(yùn)用時(shí)

34、，集電極加正電壓。因此，集電結(jié)為反偏置，發(fā)射結(jié)為正偏置，集電結(jié)為光電結(jié)。當(dāng)光照到集電結(jié)上時(shí)，集電結(jié)即產(chǎn)生光電流Ip向基區(qū)注入，同時(shí)在集電極電路即產(chǎn)生了一個(gè)被放大的電流IcIe（1）Ip，為電流放大倍數(shù)。因此，光電晶體管的電流放大作用與普通晶體管在上偏流電路中接一個(gè)光電二極管的作用是完全相同的。光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級。但它的光電特性不如光電二極管好，在較強(qiáng)的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。所以光電晶體管多用來作光電開關(guān)元件或光電邏輯元件5。六、陣列式或象限式結(jié)型光電器件利用集成電路技術(shù)使2個(gè)至幾百個(gè)光電二極管或光電池排成一行，集成在一塊集成電路片

35、子上，即成為陣列式的一維光電器件，也可以使光電二極管或光電池制成象限式的二維光電器件。這兩種器件中，襯底是共用的，而各光敏元都是獨(dú)立的，分別有各自的前極引出線。這種器件的特點(diǎn)是，光敏元密集度大，總尺寸小，容易作到各單元多數(shù)一致，便于信號處理。就目前的應(yīng)用看，兩個(gè)并列的光電二極管或光電池，可用來辨別光點(diǎn)移動的方向。24個(gè)并列的光敏元，可用來收集光點(diǎn)移動的相位信息。幾十個(gè)至幾百個(gè)或更多并列的光敏元，可用來攝取光學(xué)圖象或用作空間頻譜分析。象限式光電器件可用來確定光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo)。多用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤或頻譜分析等方面6。七、光電位置探測器（PSD，Position Sensitive De

36、tectors）PSD是利用離子注入技術(shù)制成的一種可確定光的能量中心位置的結(jié)型光電器件，有一維的和二維的兩種。當(dāng)入射光是一個(gè)小光斑，照射到光敏面時(shí)，其輸出則與光的能量中心位置有關(guān)。這種器件和象限光電器件比較，其特點(diǎn)是，它對光斑的形狀無嚴(yán)格要求，光敏面上無象限分隔線，對光斑位置可連續(xù)測量7。第四章 光電傳感器在光通信中的應(yīng)用基于PSD的位置測量系統(tǒng)4.1實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置包括測試系統(tǒng)的發(fā)射裝置、接收裝置和數(shù)據(jù)處理的三部分組成，如下圖4.1所示。圖4.1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖系統(tǒng)發(fā)射部分系統(tǒng)光源選用半導(dǎo)體激光器，輸出功率50mW，波長850mn，符合探測器的光譜響應(yīng)范圍，激光光源既具有準(zhǔn)直性好，頻率單一，

37、能量集中，功率穩(wěn)定性好，受外界干擾小等特點(diǎn)，與其它光源相比，可以更好的提高精度。系統(tǒng)中的光學(xué)系統(tǒng)用來調(diào)節(jié)激光器的光斑之能被光電探測器有效地接受。 系統(tǒng)接收部分主要是由PSD及其處理電路組成，處理電路我使用的是自己設(shè)計(jì)的鎖相放大電路，PSD選用的是日本濱松公司生產(chǎn)的PSD S5991-01，圖4-3是PSD實(shí)物圖。它完成光信號到電信號的轉(zhuǎn)換功能，不但具有一維PSD位置檢測誤差小和位置分辨率高的特點(diǎn)，同時(shí)具有二維PSD自身反應(yīng)速度快和模糊電流低的優(yōu)點(diǎn)。PSD S5991-01輸出的是四路電流信號，將四路輸出信號分別連接四個(gè)鎖相放大器。利用鎖相放大器將微弱的電流信號從噪聲中提取出來，并轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)采集

38、卡可以檢測到的電壓信號。數(shù)據(jù)處理部分主要是通過DAQ-1202/PCI數(shù)據(jù)采集卡將電壓信號傳送到上位機(jī)，利用LabVIEW數(shù)據(jù)提取和處理程序，將四路電壓信號提取出來，并利用LabVIEW計(jì)算程序算出偏移量8。4.2 虛擬儀器VI測試系統(tǒng)的構(gòu)成框圖圖4.2 基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖基于虛擬儀器的偏移量測試系統(tǒng)主要由以下幾部分組成，其中包括半導(dǎo)體激光發(fā)射器、光學(xué)系統(tǒng)、位置敏感器件（PSD）、信號轉(zhuǎn)換與合成、數(shù)據(jù)采集與虛擬儀器軟件六部分組成，系統(tǒng)原理如圖4.2所示。 系統(tǒng)中光學(xué)系統(tǒng)的作用有兩個(gè)：一是盡可能多的收集到達(dá)的光輻射，并以最小的損失投射到探測器上；另外一個(gè)是對進(jìn)入的輻射進(jìn)行光學(xué)濾波，以提

39、高光學(xué)信號的信噪比。 光電探測器的作用是將光能轉(zhuǎn)換成電能，是整個(gè)光電系統(tǒng)的關(guān)鍵。 電子系統(tǒng)就是傳感器信號調(diào)理設(shè)備。它們是測試系統(tǒng)的重要的組成部分，是測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)，沒有高質(zhì)量的傳感器和各種高質(zhì)量的調(diào)理放大器，測試系統(tǒng)就沒有了基礎(chǔ)。信號調(diào)理SC (Signal conditioning)它包括：放大、濾波、隔離等組成9。 數(shù)據(jù)采集卡主要核心還是A/D技術(shù)：我設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用DAQ-12O2/PCI數(shù)據(jù)采集卡，它是LabVIEW程序的左右手，它具有高級的定時(shí)功能，A/D精度達(dá)到12位。采樣頻率100KHz，采樣深度2048，可同步執(zhí)行16路數(shù)據(jù)采集，并可同過擴(kuò)展達(dá)到256路數(shù)據(jù)通道。 系統(tǒng)中的軟件功

40、能是由具有測試分析儀器功能的LabVIEW構(gòu)成，并利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和存儲功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與顯示存儲10。4.3系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)4.3.1 PSD基本原理本文所述的位置敏感探測器(PSD)是一種利用半導(dǎo)體的“橫向光電效應(yīng)”制成的光電探測器。由極為均勻的表面電阻層和對向電極來檢出信號并通過放大和運(yùn)算而獲得被測位置。PSD是在高阻半導(dǎo)體硅的表面或兩面形成均勻的電阻層，并在電阻層的兩端制作電信號引出電極的具有特殊結(jié)構(gòu)的硅電池（硅光電二極管）。PSD從誕生之日起，就以其很高的靈敏度、良好的瞬態(tài)效應(yīng)特性、快速的響應(yīng)速度而受到工業(yè)界的青瞇。PSD是一種對其感光面上入射光點(diǎn)位置敏感的光電器件。即當(dāng)入射

41、光斑落在器件感光面的不同位置時(shí)，PSD將對應(yīng)輸出不同的電信號。通過對此輸出電信號的處理，即可確定入射光點(diǎn)在PSD的位置。入射光點(diǎn)的強(qiáng)度和尺寸大小對PSD的位置輸出信號均無關(guān)。PSD的位置輸出只與入射光點(diǎn)的“重心”位置有關(guān)。PSD可分為一維PSD和二維PSD。一維PSD可以測定光點(diǎn)的一維位置坐標(biāo)，二維PSD可測光斑的平面位置坐標(biāo)。由于PSD是分割型元件，對光斑的形狀無嚴(yán)格的要求，光敏面上無象限分隔線，所以對光斑位置可進(jìn)行連續(xù)測量從而獲得連續(xù)的坐標(biāo)信號11。4.3.2 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的PSD的特性參數(shù)一、本測試系統(tǒng)使用的PSD 本設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)中的PSD 采用日本濱松公司生產(chǎn)的PSD S5991-01

42、,它不但具有一維PSD位置檢測誤差小和位置分辨率高的特點(diǎn)，同時(shí)具有二維PSD自身反應(yīng)速度快和模糊電流低的優(yōu)點(diǎn)。PSD S5991-01輸出的是四路電流信號，通過公式（4.1），（4.2）就可計(jì)算出相對的位置量x和y的值。計(jì)算公式如下： （4.1） （4.2）式中L=10mm。表4-1本系統(tǒng)采用的PSD器件主要參數(shù)二維PSD尺寸9mm *9mm光譜響應(yīng)范圍（nm）320-1100峰值向應(yīng)靈敏度（A/w）0.6位置測量誤差(um)150位置分辨率(um)5暗電流(nA)10極間電阻（k）7 圖4.3 S5991-01實(shí)物圖 PSD信號處理電路設(shè)計(jì)在測量各種物理量時(shí)，用傳感器將其變換成為電信號，然后

43、輸入到分析儀器（測量儀器）中去。但是，僅想獲得必要的信號是很難做到的。通常是連不必要的信號（也就是噪聲）也一起被測量了。在各種情況下，噪聲都有可能混進(jìn)來。 噪聲并不僅限于電信號，也有包含在被測量的物理量中的情況。另外，根據(jù)不同場合，也出現(xiàn)噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出所需要的目的信號電平的情況。想要測量的信號越微弱，那么噪聲就相對地越大。在光電測量中，也常常遇到待測信號被噪聲淹沒的情況。例如，對于空間物體的檢測，常常伴隨著強(qiáng)烈的背景輻射；在光譜測量中特別是吸收光譜的弱譜線更是容易被環(huán)境輻射或檢測器件的內(nèi)部噪聲所淹沒。因此降低噪聲、改善信噪比是重要的目標(biāo)。常用的弱光信號檢測可以有下列幾種方式，即：鎖相放大器、

44、取樣積分器和光子計(jì)數(shù)器12。本文采用了鎖相放大器技術(shù)來達(dá)到弱光信號檢測的目的。 本文設(shè)計(jì)的信號調(diào)理電路包括： I/V轉(zhuǎn)換電路、鎖相放大電路和低通濾波電路三部分組成。經(jīng)過濾波的直流電壓信號被采集系統(tǒng)的高精度A/D數(shù)字化后，通過上位機(jī)進(jìn)行計(jì)算和顯示。信號調(diào)理電路的組成示意圖如圖4.4所示。圖4.4信號調(diào)理電路組成示意圖 相關(guān)器與濾波電路各種光電器件由于溫度、暗發(fā)射或外加電場的作用，當(dāng)無外界光信號作用時(shí)，在其工作回路中都會有暗電流產(chǎn)生，它是噪聲源之一。若采用調(diào)制檢測則可消除探測器暗電流的影響。并且與直流放大器相比，交流放大器的穩(wěn)定性高，零點(diǎn)漂移小，受電源電壓波動、溫度、老化的影響較小。如果與光信號的

45、調(diào)制特性相匹配，采用選頻放大或鎖相放大等技術(shù)方案，有效地抑制噪聲，從而實(shí)現(xiàn)高精度檢測13。相關(guān)檢測原理：如果發(fā)送信號的重復(fù)周期或頻率已知，就可在接收端發(fā)出一重復(fù)周期與發(fā)送信號相同的“干凈的”本地參考信號，將本地參考信號與混有噪聲的輸入信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，如圖4.5所示，就能提高電路抗干擾性能。圖4.5 相關(guān)檢測原理設(shè)輸入信號： (4.3)本地信號為： (4.4)則互相關(guān)函數(shù): (4.5)可以看出：相關(guān)檢測只有信號與本地參考信號的相關(guān)輸出，去掉了噪聲項(xiàng)，從而提高了信噪比。相關(guān)器是用來完成求解參考信號和被測量信號之間相關(guān)函數(shù)運(yùn)算的電子線路。按互相關(guān)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它需要一個(gè)乘法器和一個(gè)積分器。從理

46、論上講，用一個(gè)模擬乘法器和一個(gè)積分時(shí)間無限長的積分器，可從任意大的噪聲中將微弱信號檢測出來。在相關(guān)檢測電路中，通常不采用模擬乘法器，也不采用積分時(shí)間為無窮長的積分器。因?yàn)橐鼓M乘法器保持大的動態(tài)范圍、良好的線性，電子線路會非常復(fù)雜。由于被測信號是已知頻率的正弦波或方波，因此，乘法器就可以采用動態(tài)范圍大，線路簡單的開關(guān)線路來實(shí)現(xiàn)。我選用雙向模擬開關(guān)CD4016代替模擬乘法器。圖4.6 相關(guān)器電路圖對于積分器來說，積分時(shí)間長，雖可抑制更強(qiáng)的噪聲，但也使測量時(shí)間過長，當(dāng)信號幅度或相位變化較快時(shí)，過長的積分時(shí)間會平滑快速信號，使輸出信號失真。一般采用近似的積分器，即低通濾波器。電路圖如圖4.6所示。

47、在制作鎖定放大器時(shí)，集成塊都選用高精度，低漂移、低噪聲集成塊OP27，電阻為精密電阻，電容的各方面指標(biāo)均嚴(yán)格按要求選用。整個(gè)電路具有低噪聲、低漂移、高輸入阻抗的特性。 I-V轉(zhuǎn)換電路因?yàn)镻SD輸出的是一個(gè)電流信號，而與其相匹配的數(shù)據(jù)采集卡是基于電壓信號的，所以必須將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。并且PSD輸出信號的是微弱電流信號，因此要求運(yùn)放要選擇具有低噪聲、高增益的特點(diǎn)。IC1運(yùn)放選擇的是超低輸入電流的LMC6001，它的輸入偏置電流非常低，達(dá)25fA( 25，100%測試)，同時(shí)具有的低偏移，低溫漂，低噪聲等優(yōu)良特性14。圖 4.7 前置放大部分電路設(shè)計(jì)I/V轉(zhuǎn)換電路時(shí)，粗略地計(jì)算噪聲是必要的。

48、一般I/V轉(zhuǎn)換電路的噪聲源主要有三種：放大器的噪聲電壓密度：EN(nV/sprtHz)；電壓降等于電阻Rf與放大器的噪聲電流密度之積：Ef=IN*Rf；電阻Rf的溫度噪聲：ER=sprtR/8?？傇肼暈椋?(4.6)可見，I/V轉(zhuǎn)換電路的噪聲主要取決于電阻Rf的大小。而且Rf大輸出電壓也大，Rf小時(shí)沒有辦法得到好的信噪比。所以電路中的反饋電阻要盡量的大一些。本電路中的Rf取1M。IC2時(shí)電壓跟隨器，其阻抗變換的作用。 （4.7） DAQ-1202/PCI數(shù)據(jù)采集卡一、 DAQ-1202/PCI數(shù)據(jù)采集卡簡介圖4.8 DAQ-1201/PCI數(shù)據(jù)采集卡實(shí)物圖為了滿足實(shí)驗(yàn)需要，我們使用DAQ-12

49、02/PCI型高精度A/D采集卡，它具有如下特點(diǎn)：本數(shù)據(jù)采集卡為帶光電隔離的多通道高速12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，而此A/D卡主要用于電壓信號的精密測量，具有精度高、速度快、量程多、通道多、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。分辨率為12位，片內(nèi)帶有l(wèi)0V基準(zhǔn)電壓、時(shí)鐘及三態(tài)輸入緩沖器，比AD574增加了采樣保持電路。本板的模擬電路和邏輯電路之間用光電耦合器件進(jìn)行信息交換，使得PC總線部分的干擾被隔離于模擬電路之外，有助于提高A/D轉(zhuǎn)換過程中的抗干擾能力，而且全部數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)CMOS化，采用了低功耗的模擬通道開關(guān)，使功耗大大降低。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)：分辨率： 12位通道數(shù)： 差分8路/單端16路芯片采樣及轉(zhuǎn)

50、換時(shí)間： l0us通道建立時(shí)間： 15us單端通道采集速率： 200KS/s最大共模輸入電壓： 正負(fù)l0V，共模抑制比： 70dB輸出碼制： 單極性時(shí)為二進(jìn)制原碼 ；雙極性時(shí)為二進(jìn)制偏移碼電源功耗： 5V/520mA總線接口： 符合PC XT/AT總線標(biāo)準(zhǔn)，與TTL、CMOS邏輯電平兼容表4-2模擬輸入電壓和增益范圍選擇增益單級雙級1010V-10V+10V205V-10V+10V402.5V-10V+10V801.25V-10V+10V 二、 DAQ-1202/PCI數(shù)據(jù)采集卡的硬件配置在實(shí)際的數(shù)據(jù)采集測量系統(tǒng)中，DAQ-1202/PCI支持8差分或者16位單端模擬信號輸入。當(dāng)選擇16位單端

51、通道時(shí)，還可以通過增加外部模擬多路復(fù)用卡以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)充至256個(gè)通道。當(dāng)使用外部擴(kuò)展時(shí)，允許使用主連接器上的8位數(shù)據(jù)I/O線實(shí)現(xiàn)多路控制，用戶不能在使用。并且它可以直接連接傳感器像熱電偶、加速計(jì)等。它配有2K的數(shù)據(jù)采樣FIFO，數(shù)據(jù)采樣率可達(dá)到200KHz而不影響計(jì)算機(jī)的速度負(fù)擔(dān)。DAQ-1202/PCI數(shù)據(jù)采集卡可以通過附帶的40針I(yè)/O連接器直接連到計(jì)算機(jī)的PCI插槽上，連接簡單方便，如下圖4.9所示。圖4.9數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)的連接示意圖DAQ-1202/PCI數(shù)據(jù)采集卡通過板卡上的跳線J3、J4、J5和J6的不同連接，用戶可以選擇多種工作模式，在我的設(shè)計(jì)系統(tǒng)中我選擇第二種工作方式， 連接如

52、下圖4.10所示。圖4.10工作方式選擇三、 DAQ-1202/PCI數(shù)據(jù)采集卡在系統(tǒng)中連接 板卡配置的主I/O連接器包含了所有的模擬輸入和輸出信號管腳，從I/O連接器用于數(shù)字I/O連接。從11到18和30到37 管腳為有效的模擬輸入通道。差分輸入時(shí)有8路通道從0到7，每一路包括一個(gè)正相輸入（+CHx）和一個(gè)負(fù)相輸入（-CHx）。單級輸入包括+CH0到+CH7，-CH0到-CH7共16路有效通道。圖4.11 輸入/輸出連接器示意圖OP = 數(shù)字輸出端 DAC = 數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換通道 PA = Port A (0 7)IP = 數(shù)字輸入端 CHS =通道選擇 PB = Port B (0 7)G

53、S = 增益選擇 NC = 無用端 PC = Port C (0 7)在本設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)中PSD光電傳感器輸出的四路電信號，經(jīng)過鎖相放大器處理后，通過差分工作方式輸入到數(shù)據(jù)采集卡。4.4系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)一、前面板測試系統(tǒng)的虛擬儀器前面板設(shè)計(jì)如下圖4.12所示。通過前面板可以配置數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)、控制程序運(yùn)行和顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4.12偏移量測試系統(tǒng)虛擬儀器前面板二、框圖程序本設(shè)計(jì)的偏移量測試系統(tǒng)的LabVIEW框圖程序流程圖如圖4.13所示。主程序見附錄1。功能介紹：程序首先利用打開數(shù)據(jù)采集卡模塊將系統(tǒng)配置文件打開，獲得給設(shè)備的配置文件，通過模擬輸入子VI將用戶配置好的A/D通道信息寫入數(shù)據(jù)緩沖器，通

54、過數(shù)據(jù)采集卡等待子VI不停查詢硬件狀態(tài)，當(dāng)2K的FIFO全滿時(shí)，將數(shù)據(jù)取出，利用數(shù)據(jù)處理機(jī)計(jì)算子VI計(jì)算出最終的偏移量并通過計(jì)算機(jī)顯示出來，結(jié)果還可以以表格的形式存儲，以便事后分析處理。 圖4.13 偏移量測試系統(tǒng)主程序流程圖本設(shè)計(jì)的虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件功能主要分為用戶配置模塊、數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動模塊、測量數(shù)據(jù)分析模塊、測量數(shù)據(jù)計(jì)算顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊五部分。1、用戶配置模塊DAQ-1202/PCI帶有數(shù)據(jù)采集配置軟件，用于對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行配置。包括：A/D通道選擇、輸入數(shù)據(jù)極性選擇（單、雙極性）、A/D和D/A選擇等。2、數(shù)據(jù)采集驅(qū)動模塊在LabVIEW測試程序中調(diào)用DAQ-1202/PCI

55、的驅(qū)動子VI，對設(shè)備進(jìn)行初始化，包括以下的子VI。打開數(shù)據(jù)采集卡子VI，讀設(shè)備配置文件，LabVIEW測試程序根據(jù)配置文件的內(nèi)容配置DAQ-1202/PCI數(shù)據(jù)采集卡。模擬數(shù)據(jù)輸入子VI，根據(jù)采集卡的配置，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集卡等待子VI，一般放置在While Loop循環(huán)程序中，等待數(shù)據(jù)采集結(jié)束。A/D轉(zhuǎn)換寄存器狀態(tài)子VI，用于設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換寄存器狀態(tài)，我的測試系統(tǒng)為FIFO全滿后觸發(fā)。讀取A/D轉(zhuǎn)換寄存器子VI，可以通過設(shè)置讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果。讀取數(shù)據(jù)的為2K個(gè)字節(jié)。每個(gè)通道為256組數(shù)據(jù)。讀取的方式為：CH0、CH1、 CH2、 CH3循環(huán)讀取。根據(jù)這一方式確定數(shù)據(jù)的分析處理

56、方式。數(shù)據(jù)采集錯誤子VI，可以給出程序出錯的代碼，便于調(diào)試。關(guān)閉數(shù)據(jù)采集卡子VI，程序運(yùn)行結(jié)束后關(guān)閉數(shù)據(jù)采集卡。3、測量數(shù)據(jù)分析模塊利用虛擬儀器強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能對采集進(jìn)來的信號進(jìn)行提取及均值濾波處理，減少測量誤差。具體程序框圖如下圖4.14。圖4.14 數(shù)據(jù)分析虛擬儀器框圖程序 為進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度，采用軟件濾波技術(shù)，利用算術(shù)平均濾波法減少隨機(jī)誤差對測試系統(tǒng)的影響。連續(xù)取16個(gè)采樣值進(jìn)行平均后取平均值，在進(jìn)行下一步運(yùn)算。流程圖及LabVIEW程序如下：圖4.15 均值濾波流程圖圖4.16均值濾波虛擬儀器框圖程序虛擬儀器編程是一種自頂向下的編程模式，為了便于子程序的相互調(diào)用，可以將編好的子程序制

57、成子VI調(diào)用，本測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析子VI圖標(biāo)如圖4.17（a）所示，均值濾波子VI圖標(biāo)如圖4.17（b）所示。 （a） （b） （c）圖4.17 數(shù)據(jù)分析、中值濾波子和計(jì)算顯示子VI圖標(biāo)4、數(shù)據(jù)計(jì)算、顯示模塊及存儲模塊根據(jù)光電傳感器PSD信號處理公式和測量系統(tǒng)的計(jì)算公式如下： （4.8） （4.9）X代表PSD的X軸偏移量，Y代表PSD的Y軸偏移量，PSD上的偏移量為，則有計(jì)算公式如下： （4.10） 在根據(jù)式，即可算出炮口偏移量。具體的虛擬儀器程序框圖如下圖4.18所示，子VI圖標(biāo)如圖4.17（c）所示。圖4.18 數(shù)據(jù)計(jì)算及顯示存儲虛擬儀器框圖程序Waveform Chart 位于控件模板

58、的圖形子模板上，顯示數(shù)據(jù)的方式是用縱坐標(biāo)表示數(shù)據(jù)值，用橫坐標(biāo)表示數(shù)據(jù)序號。Waveform Chart 采用逐個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)描繪曲線，周期性的刷新顯示區(qū)，并將數(shù)據(jù)存儲在一塊緩沖區(qū)內(nèi)。Write LabVIEW Measurement File 位于控件模板的輸出子模板上，用execl表格的方式存儲測試結(jié)果到用戶指定的位置。第五章 實(shí)驗(yàn)及分析經(jīng)過前期分析以及硬件、軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了基于虛擬儀器的偏移量實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)不但能夠滿足當(dāng)前的測試需求，還可以根據(jù)測試需求的不斷發(fā)展而擴(kuò)展新的功能。在實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的過程中，從理論分析的角度保證了系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在一定精度上的自動化測量。由于理論分

59、析忽略、簡化的因素太多，還需用實(shí)驗(yàn)法來驗(yàn)證。本章主要通過實(shí)驗(yàn)手段來模擬偏移量的測量。5.1實(shí)驗(yàn)實(shí)施按圖5.1和5.2連接系統(tǒng)硬件各部分，記錄通道連接情況，以便使用軟件時(shí)對數(shù)據(jù)采集卡的進(jìn)行配置。圖5.1實(shí)驗(yàn)裝置硬件連接示意圖圖5.2 DAQ-1202/PCI數(shù)據(jù)采集卡連接示意圖依次打開各硬件設(shè)備的電源，待各硬件設(shè)備工作穩(wěn)定后，啟動測試軟件。根據(jù)硬件連接，對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行配置。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為四通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換，我根據(jù)硬件連接圖選擇CH0、CH1、 CH2、 CH3，四個(gè)通道。每個(gè)通道采用單極性差分輸入、增益選擇1、采樣速率10K字節(jié)/S。具體配置如下圖5.3、5.4所示。圖5.3DAQ-1202/

60、PCI數(shù)據(jù)采集卡配置文件圖5.4 A/D配置4、啟動LabVIEW測試系統(tǒng)，檢查各子VI工作是否正常。5、調(diào)節(jié)激光發(fā)射光軸位置，模擬火炮炮口的抖動，利用LabVIEW測試系統(tǒng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析5.2.1 實(shí)驗(yàn)一 抖動量的測量將激光器放置在經(jīng)緯儀上，通過輕微的調(diào)節(jié)經(jīng)緯儀的高低和左右晃動即可出現(xiàn)仿真的抖動量。虛擬儀器的LabVIEW測試界面如圖5.5所示，虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)是可以利用前面板記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如下圖。從系統(tǒng)軟件看，數(shù)據(jù)采集卡配置模塊和LabVIEW測試程序?qū)崿F(xiàn)了設(shè)計(jì)功能，完成了數(shù)據(jù)采集和分析計(jì)算，并由上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示15。圖5.5 實(shí)驗(yàn)一 測試前面板及結(jié)果顯示由于采用了