基与PSD的位置测量系统—光电传感器在光通信中的应用

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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1ABSTRACTThis 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,

4、the 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 si

5、gnificant 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

6、of 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 instrum

7、ent 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

8、电检测器件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36III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

9、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

10、至上世纪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

11、通信、大气通信、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29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

12、发展而提出的。 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

13、合在一起，并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

14、少工作人员，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

15、合 计算机具有数据的运算、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，

16、光谱成分及光强度等）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

17、灵敏度、反映的速度、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

18、数值、刻度尺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）

19、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。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

20、点是： 响应波长有选择性。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

21、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

22、入射窗口入射在光阴极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1µA，可以减缓疲劳和老化效应，减少电阻反馈

23、和分压器电压再分配效应。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。

24、 灵敏度高，光电导增益大于一。 偏置电压低，无极性之分。光敏电阻的原理是半导体的光电导效应，只有能量（h）大于材料禁带宽度（Eg）的光子，才能使材料产生光电导效应。每一种半导体或绝缘体都有一定的光电导效应，但只有其中一部分材料经过特殊处理，掺进适当杂质，才有明显的光电导效应。现在使用的光电导材料有-族、-族化合物，硅、锗等，以及一 些有机物。光敏电阻的结构是在一块光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷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

25、越时间，也有利于提高灵敏度。3.3半导体结型光电器件（光伏器件）一、光电池光电池的基本结构就是一个PN结。按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池等。按结构分，有同质结和异质结光电池等。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不同而分成2CR系列和2DR系列两种。2CR系列硅光电池是以N型硅为衬底，P型硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为前极或上电极，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电极。为了减少反射光，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，同时也可以起到防潮，防腐

26、蚀的保护作用4。光电池在光照下能够产生光生电势，光电流实际流动方向为，从P端流出，经过外电路，流入N端，光生电势与照度是对数关系。当光电池短路时，短路电流Isc与照度E成线性关系，SIsc/E称为灵敏度。  在一定的照度下，曲线在横轴的截距，代表该照度下的开路电压Uoc。曲线在纵轴的截距，代表该照度下的短路电流Isc。硅光电池的Uoc一般为0.450.6V，最大不超过0.756v，因为它不能大于PN结热平衡时的接触电势差。硅单晶光电池短路电流为3540mA/cm2。在一定的照度下，曲线在横轴的截距，代表该照度下的开路电压Uoc。曲线在纵轴的截距，代表该照度下的短路电流Isc。硅光电池

27、的Uoc一般为0.450.6V，最大不超过0.756v，因为它不能大于PN结热平衡时的接触电势差。硅单晶光电池短路电流为3540mA/cm2。二、光电二极管    光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出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、砷化稼、锑化锢、铈化铅光电二极管等许多种。按结构分，也有同质结与异质结之分。其中最典型的还是同质结硅光电二极管。三、PIN管PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体

28、之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。由式 = CjRL与f = 1/2知，Cj小，则小，频带将变宽。因此，这种管子最大的特点是频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。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，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。所不足的是，I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。四、雪崩光电二极管雪崩光电

29、二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子工作电压很高，约100200V，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，电流增益可达106，即产生所谓的自持雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，足目前响应速度最快的一种光电二极管。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，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。五、光电晶体管光电晶体管和普通晶

30、体管类似，也有电流放大作用。只是它的集电极电流不只是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NPN型，国产器件称为3DU系列。正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip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IcIe（1）Ip，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用是完全相同的。光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大

31、，多为毫安级。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5。六、阵列式或象限式结型光电器件利用集成电路技术使2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。这两种器件中，衬底是共用的，而各光敏元都是独立的，分别有各自的前极引出线。这种器件的特点是，光敏元密集度大，总尺寸小，容易作到各单元多数一致，便于信号处理。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。24个并列的光敏元，可用来收集光点移动

32、的相位信息。几十个至几百个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。象限式光电器件可用来确定光点在二维平面上的位置坐标。多用于准直、定位、跟踪或频谱分析等方面6。七、光电位置探测器（PSD，Position Sensitive Detectors）PSD是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能量中心位置的结型光电器件，有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7。 第四章 光电传感器在光通信中的应用基于PSD的位置

33、测量系统4.1实验装置实验装置包括测试系统的发射装置、接收装置和数据处理的三部分组成，如下图4.1所示。图4.1 实验装置示意图系统发射部分系统光源选用半导体激光器，输出功率50mW，波长850mn，符合探测器的光谱响应范围，激光光源既具有准直性好，频率单一，能量集中，功率稳定性好，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。 系统接收部分主要是由PSD及其处理电路组成，处理电路我使用的是自己设计的锁相放大电路，PSD选用的是日本滨松公司生产的PSD S5991-01，图4-3是PSD实物图。它完成光信号到电信号的转换

34、功能，不但具有一维PSD位置检测误差小和位置分辨率高的特点，同时具有二维PSD自身反应速度快和模糊电流低的优点。PSD S5991-01输出的是四路电流信号，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。数据处理部分主要是通过DAQ-1202/PCI数据采集卡将电压信号传送到上位机，利用LabVIEW数据提取和处理程序，将四路电压信号提取出来，并利用LabVIEW计算程序算出偏移量8。4.2 虚拟仪器VI测试系统的构成框图图4.2 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

35、括半导体激光发射器、光学系统、位置敏感器件（PSD）、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4.2所示。 系统中光学系统的作用有两个：一是尽可能多的收集到达的光辐射，并以最小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，以提高光学信号的信噪比。 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。 电子系统就是传感器信号调理设备。它们是测试系统的重要的组成部分，是测试系统的基础，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SC (Signal conditioning)它包括：放大、滤波、隔离等组成9。 数据采集卡主要核心

36、还是A/D技术：我设计的系统采用DAQ-12O2/PCI数据采集卡，它是LabVIEW程序的左右手，它具有高级的定时功能，A/D精度达到12位。采样频率100KHz，采样深度2048，可同步执行16路数据采集，并可同过扩展达到256路数据通道。 系统中的软件功能是由具有测试分析仪器功能的LabVIEW构成，并利用计算机的强大的数据处理和存储功能，实现数据处理与显示存储10。4.3系统硬件实现4.3.1 PSD基本原理本文所述的位置敏感探测器(PSD)是一种利用半导体的“横向光电效应”制成的光电探测器。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被测位置。PSD是在高阻半导体

37、硅的表面或两面形成均匀的电阻层，并在电阻层的两端制作电信号引出电极的具有特殊结构的硅电池（硅光电二极管）。PSD从诞生之日起，就以其很高的灵敏度、良好的瞬态效应特性、快速的响应速度而受到工业界的青眯。PSD是一种对其感光面上入射光点位置敏感的光电器件。即当入射光斑落在器件感光面的不同位置时，PSD将对应输出不同的电信号。通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光点在PSD的位置。入射光点的强度和尺寸大小对PSD的位置输出信号均无关。PSD的位置输出只与入射光点的“重心”位置有关。PSD可分为一维PSD和二维PSD。一维PSD可以测定光点的一维位置坐标，二维PSD可测光斑的平面位置坐标。由于PSD

38、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11。4.3.2 本设计系统中的PSD的特性参数一、本测试系统使用的PSD 本设计测量系统中的PSD 采用日本滨松公司生产的PSD S5991-01,它不但具有一维PSD位置检测误差小和位置分辨率高的特点，同时具有二维PSD自身反应速度快和模糊电流低的优点。PSD S5991-01输出的是四路电流信号，通过公式（4.1），（4.2）就可计算出相对的位置量x和y的值。计算公式如下： （4.1） （4.2）式中L=10mm。表4-1本系统采用的PSD器件主要参数二维PSD尺寸9mm *9

39、mm光谱响应范围（nm）320-1100峰值向应灵敏度（A/w）0.6位置测量误差(um)150位置分辨率(um)5暗电流(nA)10极间电阻（k）7 图4.3 S5991-01实物图4.3.3 PSD信号处理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（测量仪器）中去。但是，仅想获得必要的信号是很难做到的。通常是连不必要的信号（也就是噪声）也一起被测量了。在各种情况下，噪声都有可能混进来。 噪声并不仅限于电信号，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

40、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容易被环境辐射或检测器件的内部噪声所淹没。因此降低噪声、改善信噪比是重要的目标。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12。本文采用了锁相放大器技术来达到弱光信号检测的目的。 本文设计的信号调理电路包括： I/V转换电路、锁相放大电路和低通滤波电路三部分组成。经过滤波的直流电压信号被采集系统的高精度A/D数字化后，通过上位机进行计算和显示。信号调理电路的组成示意图如图4.4所示。图4.4信号调理电路组成示意图4.3.4 相

41、关器与滤波电路各种光电器件由于温度、暗发射或外加电场的作用，当无外界光信号作用时，在其工作回路中都会有暗电流产生，它是噪声源之一。若采用调制检测则可消除探测器暗电流的影响。并且与直流放大器相比，交流放大器的稳定性高，零点漂移小，受电源电压波动、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13。相关检测原理：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算，如图4.5所示，就能提高电路抗干扰性能。图4.5 相关检测原理设输入

42、信号： (4.3)本地信号为： (4.4)则互相关函数: (4.5)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，从而提高了信噪比。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，用一个模拟乘法器和一个积分时间无限长的积分器，可从任意大的噪声中将微弱信号检测出来。在相关检测电路中，通常不采用模拟乘法器，也不采用积分时间为无穷长的积分器。因为要使模拟乘法器保持大的动态范围、良好的线性，电子线路会非常复杂。由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，线路简单的开关

43、线路来实现。我选用双向模拟开关CD4016代替模拟乘法器。图4.6 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4.6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OP27，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、高输入阻抗的特性。4.3.5 I-V转换电路因为PSD输出的是一个电流信号，而与其相匹配的数据采集卡是基于电压信号的，所以必须将电流信号转换成电压信号。并且PSD输出信号的

44、是微弱电流信号，因此要求运放要选择具有低噪声、高增益的特点。IC1运放选择的是超低输入电流的LMC6001，它的输入偏置电流非常低，达25fA( 25，100%测试)，同时具有的低偏移，低温漂，低噪声等优良特性14。图 4.7 前置放大部分电路设计I/V转换电路时，粗略地计算噪声是必要的。一般I/V转换电路的噪声源主要有三种：1. 放大器的噪声电压密度：EN(nV/sprtHz)；2. 电压降等于电阻Rf与放大器的噪声电流密度之积：Ef=IN*Rf；3. 电阻Rf的温度噪声：ER=sprtR/8。总噪声为： (4.6)可见，I/V转换电路的噪声主要取决于电阻Rf的大小。而且Rf大输出电压也大，

45、Rf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Rf取1M。IC2时电压跟随器，其阻抗变换的作用。 （4.7）4.3.6 DAQ-1202/PCI数据采集卡一、 DAQ-1202/PCI数据采集卡简介图4.8 DAQ-1201/PCI数据采集卡实物图为了满足实验需要，我们使用DAQ-1202/PCI型高精度A/D采集卡，它具有如下特点：本数据采集卡为带光电隔离的多通道高速12位A/D转换模块，而此A/D卡主要用于电压信号的精密测量，具有精度高、速度快、量程多、通道多、抗干扰能力强等优点。分辨率为12位，片内带有l0V基准电压、时钟及三态输入缓冲器，比AD574增加

46、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，使得PC总线部分的干扰被隔离于模拟电路之外，有助于提高A/D转换过程中的抗干扰能力，而且全部数字器件实现CMOS化，采用了低功耗的模拟通道开关，使功耗大大降低。A/D转换器的主要技术指标：分辨率： 12位通道数： 差分8路/单端16路芯片采样及转换时间： l0us通道建立时间： 15us单端通道采集速率： 200KS/s最大共模输入电压： 正负l0V，共模抑制比： 70dB输出码制： 单极性时为二进制原码 ；双极性时为二进制偏移码电源功耗： 5V/520mA总线接口： 符合PC XT/AT总线标准，与TTL、CMOS逻辑电

47、平兼容表4-2模拟输入电压和增益范围选择增益单级双级1010V-10V+10V205V-10V+10V402.5V-10V+10V801.25V-10V+10V 二、 DAQ-1202/PCI数据采集卡的硬件配置在实际的数据采集测量系统中，DAQ-1202/PCI支持8差分或者16位单端模拟信号输入。当选择16位单端通道时，还可以通过增加外部模拟多路复用卡以实现扩充至256个通道。当使用外部扩展时，允许使用主连接器上的8位数据I/O线实现多路控制，用户不能在使用。并且它可以直接连接传感器像热电偶、加速计等。它配有2K的数据采样FIFO，数据采样率可达到200KHz而不影响计算机的速度负担。DA

48、Q-1202/PCI数据采集卡可以通过附带的40针I/O连接器直接连到计算机的PCI插槽上，连接简单方便，如下图4.9所示。图4.9数据采集卡与计算机的连接示意图DAQ-1202/PCI数据采集卡通过板卡上的跳线J3、J4、J5和J6的不同连接，用户可以选择多种工作模式，在我的设计系统中我选择第二种工作方式， 连接如下图4.10所示。图4.10工作方式选择三、 DAQ-1202/PCI数据采集卡在系统中连接 板卡配置的主I/O连接器包含了所有的模拟输入和输出信号管脚，从I/O连接器用于数字I/O连接。从11到18和30到37 管脚为有效的模拟输入通道。差分输入时有8路通道从0到7，每一路包括一

49、个正相输入（+CHx）和一个负相输入（-CHx）。单级输入包括+CH0到+CH7，-CH0到-CH7共16路有效通道。图4.11 输入/输出连接器示意图OP = 数字输出端 DAC = 数字/模拟转换通道 PA = Port A (0 7)IP = 数字输入端 CHS =通道选择 PB = Port B (0 7)GS = 增益选择 NC = 无用端 PC = Port C (0 7)在本设计测量系统中PSD光电传感器输出的四路电信号，经过锁相放大器处理后，通过差分工作方式输入到数据采集卡。4.4系统软件实现一、前面板测试系统的虚拟仪器前面板设计如下图4.12所示。通过前面板可以配置数据采集卡

50、的参数、控制程序运行和显示实验结果。图4.12偏移量测试系统虚拟仪器前面板二、框图程序本设计的偏移量测试系统的LabVIEW框图程序流程图如图4.13所示。主程序见附录1。功能介绍：程序首先利用打开数据采集卡模块将系统配置文件打开，获得给设备的配置文件，通过模拟输入子VI将用户配置好的A/D通道信息写入数据缓冲器，通过数据采集卡等待子VI不停查询硬件状态，当2K的FIFO全满时，将数据取出，利用数据处理机计算子VI计算出最终的偏移量并通过计算机显示出来，结果还可以以表格的形式存储，以便事后分析处理。 图4.13 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、

51、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。1、用户配置模块DAQ-1202/PCI带有数据采集配置软件，用于对数据采集卡进行配置。包括：A/D通道选择、输入数据极性选择（单、双极性）、A/D和D/A选择等。2、数据采集驱动模块在LabVIEW测试程序中调用DAQ-1202/PCI的驱动子VI，对设备进行初始化，包括以下的子VI。打开数据采集卡子VI，读设备配置文件，LabVIEW测试程序根据配置文件的内容配置DAQ-1202/PCI数据采集卡。模拟数据输入子VI，根据采集卡的配置，进行A/D转换。数据采集卡等待子VI，一般放置在While Loop循环程序

52、中，等待数据采集结束。A/D转换寄存器状态子VI，用于设置A/D转换寄存器状态，我的测试系统为FIFO全满后触发。读取A/D转换寄存器子VI，可以通过设置读取A/D转换后的数据结果。读取数据的为2K个字节。每个通道为256组数据。读取的方式为：CH0、CH1、 CH2、 CH3循环读取。根据这一方式确定数据的分析处理方式。数据采集错误子VI，可以给出程序出错的代码，便于调试。关闭数据采集卡子VI，程序运行结束后关闭数据采集卡。3、测量数据分析模块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4.14。图4.14 数据分析虚拟仪器框图程序 为

53、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对测试系统的影响。连续取16个采样值进行平均后取平均值，在进行下一步运算。流程图及LabVIEW程序如下：图4.15 均值滤波流程图图4.16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VI调用，本测试系统的数据分析子VI图标如图4.17（a）所示，均值滤波子VI图标如图4.17（b）所示。 （a） （b） （c）图4.17 数据分析、中值滤波子和计算显示子VI图标4、数据计算、显示模块及存储模块根据光电传感器PSD信号处理公式和测量系统的计算公式如下： （4

54、.8） （4.9）X代表PSD的X轴偏移量，Y代表PSD的Y轴偏移量，PSD上的偏移量为，则有计算公式如下： （4.10） 在根据式，即可算出炮口偏移量。具体的虚拟仪器程序框图如下图4.18所示，子VI图标如图4.17（c）所示。图4.18 数据计算及显示存储虚拟仪器框图程序Waveform Chart 位于控件模板的图形子模板上，显示数据的方式是用纵坐标表示数据值，用横坐标表示数据序号。Waveform Chart 采用逐个数据点描绘曲线，周期性的刷新显示区，并将数据存储在一块缓冲区内。Write LabVIEW Measurement File 位于控件模板的输出子模板上，用execl表格

55、的方式存储测试结果到用户指定的位置。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发展而扩展新的功能。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。本章主要通过实验手段来模拟偏移量的测量。5.1实验实施1、 按图5.1和5.2连接系统硬件各部分，记录通道连接情况，以便使用软件时对数据采集卡的进行配置。图5.1实验装置硬件连接示意图图5.2 DAQ-1202/PCI数据采集卡连接示意图

56、2、 依次打开各硬件设备的电源，待各硬件设备工作稳定后，启动测试软件。3、 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，我根据硬件连接图选择CH0、CH1、 CH2、 CH3，四个通道。每个通道采用单极性差分输入、增益选择1、采样速率10K字节/S。具体配置如下图5.3、5.4所示。图5.3DAQ-1202/PCI数据采集卡配置文件图5.4 A/D配置4、启动LabVIEW测试系统，检查各子VI工作是否正常。5、调节激光发射光轴位置，模拟火炮炮口的抖动，利用LabVIEW测试系统记录实验数据。5.2实验结果与分析5.2.1 实验一 抖动量的测量将激光器放置在经纬仪上，

57、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LabVIEW测试界面如图5.5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LabVIEW测试程序实现了设计功能，完成了数据采集和分析计算，并由上位机实时显示15。图5.5 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。原来手工量取实验曲线坐标值，数天后才能得到的实验结果，现在可以在实验后立即得到，同时还可以对实验数据即时进行各种处理分析，我还在此测量系统中添加了均值滤波程序，提高了测试精度和效率，也使根据实验结果及时调整实验方案

58、成为可能。实验结果见附录2。5.3.2 实验二 PSD特性实验其它实验条件不变，通过调节激光器的输出功率改变激光器的强度，打开LabVIEW测试界面采集数据，实验操作界面如图5.6，停止数据采集系统并显示实验结果。图5.6 实验二 测试试验前面板及结果显示由实验结果可以看出，偏移量随时间的变化量非常小，在0.1mm左右浮动，即激光光强的改变对偏移量的影响不大。证明了PSD的特性，即PSD的位置输出信号与入射光的强度和尺寸无关。总 结本文主要讨论的是偏移量测量分系统。该系统测试精度高，可以实现对小角量偏移的测试。详细介绍了位置敏感探测器PSD结构、工作原理、性能及应用。对以PSD为探测器的测量系

59、统进行了推导，计算了系统参数对测量范围的影响。电路设计采用的“相位锁定”技术是利用同步相干检测技术。根据互相关原理，通过相关器强化信号，减少了噪声干扰，然后通过滤波电路，得到了与信号之间相位差成比例关系的直流电压，实现对信号的检测。该检测系统可准确可靠地完成对被测量的检测，并把检测的结果输出出来。该检测系统克服了以往检测方法繁琐、效率不高等不足，在实际运用中具有一定的意义。本论文最后引入虚拟仪器技术，将信号通过数据采集进入计算机，利用计算机强大的数据处理能力对信号测量。这对以后的实验具有很大帮助，也为非接触检测设备的研制开发做了充分的准备。 致 谢本文是我在王小曼老师的悉心指导下完成的。在毕业

60、设计的整个过程中，自始至终受到王老师的热情帮助，从论文的选题到实验的顺利进行以及论文的成稿，无一不凝聚着王老师的心血和关怀。回顾完成论文的几个月，通过王老师的提供资料和耐心讲解，使我对整个大学四年所学的知识有了更深刻的认识，在课题研究等专业方面的能力有了很大的提高，也使我更加了解到所学的专业知识在实践应用方面所发挥的重要作用。在和王老师共同合作的过程中，她渊博的知识、严谨求实的治学态度，学术作风和勤奋的工作精神，忘我的工作态度都给我留下了深刻的印象，将使我受益终生。王老师始终把握电子学研究领域的最前沿动态，引导我的学习和研究工作沿着有意义的方向和正确的路线进行，为我将来的学习和研究打下了良好的

61、基础。在此，我谨向王老师表示最诚挚的谢意和最崇高的敬意。 研究生求学期间，我还得到了父母、亲友和朋友们一如既往的全力支持。在此，对使我安心完成硕士研究生期间学习和科研的亲友和朋友们表示深深的谢意!希望在我毕业的这一时刻，他们能分享到我的快乐!同时，我也要衷心感谢答辩委员会和对此论文进行评阅、评议的全体专家，以及那些帮助过我的其他老师和同学们。参考文献1 王红茹.虚拟仪器仪器发展的新阶段J.国外电子测量技术，1998，1：4042.2 路林吉，饶家明.虚拟仪器讲座J.电子技术，2000，1：4447.3 曹海旺.基于虚拟仪器的动态参数测试处理系统 硕士学位论文J.西北工业大学，2001,1：310.4 雷振山.LabVIEW 7Express 实用技术教程M.北京：中国铁道出版社，2004：2442485 宋丰华.现代光电器件技术及应用M.北京：国防工业出版社，2004.2：180184.