基与PSD的位置测量系统—光电传感器在光通信中的应用.doc
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1、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PSD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。 光电传感器非常广泛的应用在激光通信中,它是一类把光辐射信号转变为电信号的器件,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。虚拟仪器是现代检测仪器的发展
2、方向。软件就是仪器,这是虚拟仪器的基本思想。因为,我们是利用计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。所以,提高计算机软件编程效率也就成了一个非常现实的问题。关键词:激光通信 光电传感器 虚拟仪器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
3、PSD.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, t
4、he 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 sig
5、nificant 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 o
6、f 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 instrume
7、nt 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 录第一章 绪 论11.1光通信的现状及发展11.2虚拟仪器的简介2第二章 光电检测的重要性及原理32.1 光电检测的重要性32.2 光电检测的原理3第三章 光电
8、检测器件63.1 真空光电检测器件63.2 半导体光电导器件83.3半导体结型光电器件(光伏器件)8第四章 光电传感器在光通信中的应用124.1实验装置124.2 虚拟仪器VI测试系统的构成框图134.3系统硬件实现144.4系统软件实现23第五章 实验及分析305.1实验实施305.2实验结果与分析32总 结34致 谢35参考文献36第一章 绪 论1.1光通信的现状及发展光通信是现代光学和电子学相结合的综合应用技术,它在70年代初期获得了迅速发展,而在近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。
9、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、视频及话音转播等多媒体服务。卫星之间、卫星对地的激光通信技术已成为下一代光通信的发展方向之一。世界主要技术强国为了争夺空间光通信这一领域的技术优势,已经投入了大量的人力物力,并取得了较大进展。随着光器件的不断发展,空间光通信已进入系统研究阶段。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WDM 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光网络。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,但直至上世纪
10、50年代这种研究仍处于概念阶段。1960年休斯公司研制成第一支激光器,为光通信提供了一种理想的光源,由于激光器的光亮度高、方向性强、单色性和相干性好,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快的发展,使光通信开始变得实际可行,并立即转入应用研究,建立了第一条大气光通信系统。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。有线激光通信就是近二、三十年来迅猛发展起来的以光导纤维作为传输媒质的光纤通信,目前己成为高速有线信息传输的骨干,激光通信依传输介质的不同,又分为四种:光纤通信、大
11、气通信、空间通信、水下通信。其中大气通信是以大气作为传输介质的通信,是激光出现后最先研制的一种通信方式;光纤通信则是利用光纤传输光信号的通信方式。尽管70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,使激光通信的研究重点转到光纤通信上,但是由于大气激光通信相对于无线电、微波通信具有其独特的优点,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。 1.2虚拟仪器的简介虚拟仪器(Virtual Instruments,VI)的概念,是随着自动测试技术(ATS,Automatic Test System)的发展而提出的
12、。 本文研究的目的是通过模拟实验来验证PSD的特性;检验系统的测试功能是否能够实现;检验、评价测试系统的软件功能。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,并由以下三个主要部分组成: 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。数据处理通常利用一个微处理器或数字信号处理器(DSP),使仪器按测试要求完成各种处理功能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源(如微处理器、内存、显示器等)和仪器硬件(如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号处理等)的测量、控制能力结合在一起,并
13、通过应用软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口。应用程序还将仪器硬件(如GPIB、VXI、RS-232、DAQ板)和可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,从而最终形成一台与传统仪器在功能和操作方式上相同的仪器。图1.1是虚拟仪器界面与实际仪器的比较2。第二章 光电检测的重要性及原理2.1 光电检测的重要性 一、检测自动化 随着生产的发展,用于检测的时间和人力将占相当大的比重,因此为了进一步提高生产率和自动化程度,要求检测必须自动化。先进的检测方法和仪器,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号,这样既可减少工作人员,
14、又可节省检测时间,提高生产率。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,而且即使被测物有较大的冲击作用,对检测仪表亦无损害。另外,由于无机械运动部分,故测量装置具有寿命长,反映速度快,工作可靠,准备度高,对被测物无形状和大小要求,检测距离可以大等优点。三、电子元件和电路集成化 它具有体积小,重量轻,工作可靠,寿命长,使用方便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(不因人或位置而异),易于自动化等优点。由于这种方法的测量信息以数码的形式进行传输、存储、运算、判断等,大大提高了测量的可靠性和稳定性。五、与计算机相结合 计算机具
15、有数据的运算、处理、校验、逻辑判断、存储等功能。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,使检测系统的测量精度、速度和性能显著提高。目前在国外,先进的测量仪器常常带有微型计算机。它能使检测系统的灵活性提高,测量项目增多,以满足不同的需要;并能对故障自诊,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量装置和仪器,有时称为“智能”仪器。2.2 光电检测的原理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
16、强度等)受被测对象控制,然后由光电器件接收再转变成电参数的变化进行测量。光源可采用气体放电灯、激光、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X射线(伦琴辐射)及同位素放射源,这时一般需要把辐射能变成可见光谱的转换器。有时被测对象本身就是辐射能源,例如需要测温的发热体。因此,用于检测系统中的光源有时称为辐射能源。光学系统中常用的元件有透镜、滤光片、光阑、棱镜、反射镜、光通量调制器、光栅及光学纤维等。用于检测系统的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻(又称光导管)、真空光电管、充气光电管及光电倍增管等,选用何种型式,决定于光电传感器所需的灵敏度、反映
17、的速度、光源的特性及仪器的运用环境和条件等。包含光电传感器的检测装置称为光电检测装置。在大多数情况下,传感器输出的电信号较小,不足以使测量机构动作,在它们之间需设置放大器,其方框图如图2.1所示。图2.1 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。测量机构可以是指示仪表、记录仪表、数字显示器、报警器及产品分选装置等。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
18、的形状或物理量的单位有所不同而已。光电装置亦常用来自动调节生产过程,使被测物理量维持不变,或按希望那样变化,将被检测产品安需要进行加工。例如某些测量和分析仪器需要恒定光源,其测量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的影响。在这种情况下,可采用自动调节装置。自动调节装置中为什么需要比较器和调节值控制器呢?既然要调节,总得给出希望有的参数值,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
19、,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。用得最多的调节机构是电磁阀、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器件两大类。 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。这种器件可分为两大类:电真空或光电发射型检测器件,如光电管和光电倍增管;固体或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)检测器件。他们的特点是: 响应
20、波长有选择性。因这些器件都存在某一截止波长超过此波长,器件无响应; 响应快。一般为纳秒到几百微妙。3.1 真空光电检测器件一、光电发射材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和半导体材料。从光电子发射效应原理可知,一个良好的光电发射材料应具备下述条件: 光吸收系数大; 光电子在体内传输过程中受到的能量损失小,使其逸出深度大; 表面势垒低,使表面逸出几率大。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99),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
21、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收系数比金属要大得多,由于体内自由电子少,散射能量损失小,所以能量损失小,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 1银氧铯(Ag-O-Cs)阴极2锑铯(CsSb)阴极3多碱光电阴极4紫外光电阴极二、光电倍增管(PMT)光电倍增管(PMT)是一种建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的,把微弱入射光转换成光电子,并获得倍增的重要的真空光电发射器件。光电倍增管主要有光入射窗口、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极组成。光电倍增管的工作原理:光子透过入射窗口入射
22、在光阴极K上; 光电阴极的电子受光子激发,离开表面发射到真空中;光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极上,倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经极倍增极倍增后,光电子就放大次。经过倍增后的二次电子由阳极收集起来,形成阳极光电流,在负载上产生信号电压。光电倍增管的工作原理如图3.1所示。图3.1 光电倍增管的工作原理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,正确使用光电倍增管,应该注意以下几点:1阳极电流应不超过1A,可以减缓疲劳和老化效应,减少电阻反馈和分压器电压再分配效应。
23、2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1000倍,即1Ma。3应采取电磁屏蔽,最好使屏蔽筒与阴极处于相同电位。3.2 半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3。光敏电阻与其它半导体光电器件相比有以下特点: 工作电流大,可达数毫安。 光谱响应范围响应宽,根据光电导材料的不同,光谱响应范围可从紫外、可见光、近红外扩展到远红外,尤其是对红光和红外辐射有较高的响应度。 所测的光强范围宽,即可测强光,也可测弱光。 灵敏度高,光电导增益大
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