光電探測器技術(shù)基礎(chǔ)及系統(tǒng)設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u25007光電探測器 117106摘要 1225041緒論 2137211.1課題背景及意義 2128901.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3298302光電探測器研究基礎(chǔ) 5222452.1光電探測器基本原理 5323982.2光電倍增管 5130262.3光敏電阻 9284393系統(tǒng)整體設(shè)計 11102703.1系統(tǒng)總體設(shè)計 1126443.2光學(xué)系統(tǒng)及機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 12222103.3光電探測器的信號輸出電路 1319063.4數(shù)據(jù)采樣及AD轉(zhuǎn)換 1597024結(jié)束語 158627參考文獻 16摘要光電探測器作為光電系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，隨著光電技術(shù)的發(fā)展日益顯現(xiàn)出其重要性。而目前光電探測器特性測試系統(tǒng)存在測試對象和測試項目單一的缺點，為此本論文開發(fā)了光電探測器特性一體化實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用共用光學(xué)系統(tǒng)和機械機構(gòu)，共享放大電路的方法實現(xiàn)了多種光電探測器特性測試的一體化，彌補了現(xiàn)有系統(tǒng)不能對多種光電探測器特性同時測試的不足，實現(xiàn)了在同一平臺上快速地對多種光電探測器的各項特性參數(shù)進行測試。該系統(tǒng)目前所能測試的探測器有:光電二極管、光電三極管、光敏電阻、硅光電池、雪崩光電二極管和光電倍增管。該系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)及機械結(jié)構(gòu)圍繞光柵單色儀進行搭建;數(shù)據(jù)處理和控制部分，以AT89C51單片機為核心處理器，進行數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場控制，并通過RS-232串行通訊口與計算機進行數(shù)據(jù)通信，計算機軟件最后對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理后以合適的數(shù)據(jù)表現(xiàn)方式給出測試結(jié)果。本論文在詳細介紹各種光電探測器基本原理及特性參數(shù)測試原理的基礎(chǔ)上，進一步闡述了該系統(tǒng)的整體設(shè)計方法，系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計，最后給出了該實驗系統(tǒng)幾組測試結(jié)果。關(guān)鍵詞：觀點探測技術(shù)，光電效應(yīng)，光電二極管1緒論1.1課題背景及意義光電檢測是將檢測的物理信息用光輻射信號承載，檢測光信號的變化，通過信號處理變換，得到檢測信息。光學(xué)檢測主要應(yīng)用在高分辨率測量、非破壞性分析、高速檢測、精密分析等領(lǐng)域，在非接觸式、非破壞、高速、精密檢測方面具有其他方法無法比擬的優(yōu)越性。因此，光電檢測技術(shù)是現(xiàn)代檢測技術(shù)最重要的手段和方法之一，是計量檢測技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。動控制系統(tǒng)和信息處理理論和技術(shù)的提高，光電信號變換與檢測技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，綜合性的自動化、智能化的光電系統(tǒng)得到進一步發(fā)展，形成了包括光學(xué)、精密機械、電子學(xué)和計算機科學(xué)等知識高度集中的新學(xué)科—光學(xué)精密機械電子學(xué)(Optomechatronics)。這種跨學(xué)科的技術(shù)就是光電技術(shù)?，F(xiàn)在光電技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、文教、衛(wèi)生、國防、科研和家庭生活等各個領(lǐng)域。而在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，幾乎都涉及到將光輻射信息轉(zhuǎn)換為電信息的問題，即光輻射的檢測問題。所以，光電檢測技術(shù)是光電技術(shù)的核心和重要組成部分。為了適應(yīng)目前光電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和高校開展光電探測器特性測試實驗教學(xué)的需要,同時針對目前還沒出現(xiàn)集各種光電探測器特性測試功能于一體的實驗測試儀器的情況,我們開發(fā)了光電探測器特性一體化實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用共用光源和機械機構(gòu),共享放大電路的方法實現(xiàn)了多種探測器光電特性測試的一體化,彌補了現(xiàn)有系統(tǒng)不能實現(xiàn)多種光電探測器特性測試的不足,實現(xiàn)了在同一實驗平臺上快速地對多種光電探測器的各項特性參數(shù)進行測試。該系統(tǒng)集光學(xué)、機械、電子和計算機于一體，采用用模塊化的方法，將光通訊、信息控制、光電檢測等領(lǐng)域中所用的各種光電探測器多種特性參數(shù)的測試集成在同一個平臺上進行，并且系統(tǒng)可進一步升級、拓展其測試內(nèi)容。其最大的特點是綜合性強、覆蓋內(nèi)容廣，升級方便，操作簡單。光電探測器特性一體化實驗系統(tǒng)主要圍繞光源(低壓汞燈、鹵鎢燈)、光柵單色儀、光電探測器(硅光電池、光敏電阻、光電二極管、光電三極管、雪崩光電二極管、光電倍增管)三部分進行，可以用于光學(xué)、物理、計量測試、儀器科學(xué)、信息學(xué)類等專業(yè)的教學(xué)實驗。因此，光電探測器特性一體化實驗系統(tǒng)的開發(fā)成功將為高校開展光電技術(shù)實驗教學(xué)提供很大的幫助，相關(guān)專業(yè)的學(xué)生通過對該套系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和實踐操作，不但可以加深對各種光電探測器件的原理性認識，而且還能對各種光電探測器的特性參數(shù)形成一定的定量概念。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外在光電轉(zhuǎn)換及光電探測方面己經(jīng)有了比較深入的研究，但是研究領(lǐng)域多局限于700-1400nm的可見光一紅外波段，而且它們的峰值響應(yīng)波長在近紅外波段，也有一部分是在200-300nm的紫外波段。目前比較成熟的硅基光電轉(zhuǎn)換器件的敏感波段也在600-900nm波段，在400-600nm波段光譜響應(yīng)度并不高。作為一種重要的探測器，實際的應(yīng)用范圍需求對硅基光電二極管有了更高的要求，不但希望探測器可以在高波段有響應(yīng)，也要求光電探測器對低波段的光如藍紫光比較敏感。國外對于藍紫增強型硅基光電二極管研究較早，初期主要是著重于改善太陽電池短波響應(yīng)方面，隨著研究的不斷深入，開始應(yīng)用于光度計、光譜分析、空間探測等領(lǐng)域。1976年，W.V.Muench等人采用二氧化硅掩蔽硼擴散的方法在(111)N型硅片上制備了淺結(jié)光電二極管。該二極管的結(jié)深為200nm，在波長253nm處的光譜響應(yīng)度達到0.1A/W。它的峰值響應(yīng)波長為440nm，對應(yīng)的量子效率接近100%。1979年，H.Ouchi等人采用低溫硼擴散工藝在N型硅襯底上制備了淺結(jié)光電二極管，并首次采用表面電阻作為控制結(jié)深的一個主要參數(shù)。該器件的波長響應(yīng)范圍為200-1000nm，在200nm波長處的響應(yīng)度為0.065A/W。目前，藍紫增強型硅光敏二極管的光譜響應(yīng)范圍已經(jīng)達到190-1100nm。國內(nèi)也有很多關(guān)于短波敏感硅基光電二極管的報道。1985年，清華大學(xué)的孫寶寅等人采用二氧化硅掩蔽離子注入、CO2激光退火的方法在(111)N型硅片上制備了藍光靈敏的光電探測器。在波長為400nm時的量子效率達64%。2000年6月，清華大學(xué)微電子學(xué)研究所的陳武等人采用低能離子注入法在硅材料上制作了淺結(jié)結(jié)構(gòu)紫外光探測器。實驗證明，此種探測器能夠有效地探測波長為200nm至400nm的紫外光。2002年2月，北京大學(xué)微電子所的寧寶俊等人!ion采用離子注入、低溫慢降溫熱處理和背面磷吸雜等方法在高阻(111)N型硅片上制作了高性能PIN光電二極管。該光電二極管的有源區(qū)面積為16mmxl7mm，在全耗盡偏置電壓(Vd=70V)下、環(huán)境溫度為25℃時的暗電流和端電容典型值分別達到SnA和==120pF。探測器在380~500nm波長范圍內(nèi)的光譜典型值:400nm為0.26A/W，500nm為0.33A/W。量子效率在400-900nm光譜范圍內(nèi)達到70%~80%。2005年，Jeong-M.Choi等人通過在(100)N型硅襯底上蒸發(fā)一層P型NiO薄膜，制備了出了紫外增強型的硅光電二極管。該器件在0V偏壓下，633nm和290nm處的光譜響應(yīng)度分別為0.36A/W和0.15A/W;在30V偏壓下的光譜響應(yīng)度分別為0.40A/W和0.17A/W。眾所周知，光電探測器件的制作和測試從來就是彼此依存，測試工作的完善有助于開發(fā)更加小型化，更可靠，更靈敏，探測范圍更廣的檢測儀器，其研究具有重大的實際意義。對于光譜響應(yīng)度響應(yīng)度的測試，國內(nèi)外都開展了深入研究。在20世紀70年代晚期，室溫電替代輻射計(ESR)與激光相結(jié)合被作為探測器的測試基準，在390nm與1100nm范圍內(nèi)該方法的不確定度在1.5%到5%之間。在80年代初期隨著硅光電二極管自標定技術(shù)的發(fā)展以及隨后100%量子效率光電二極管的問世，它們被作為探測器標定的新基準。在250nm-1100nm的光譜范圍內(nèi)測試的不穩(wěn)定度為0.8%-6%。隨后NIST又采用了第二代陷阱探測器作為探測器的測試基準，但是所采用的陷阱探測器都是由不同類型的光電二極管構(gòu)成，它們的量子效率并不是100%,但是可以通過QED-20。測試出來并且在400nm-900nm光譜范圍內(nèi)極準確的推斷出來。在光譜波長250nm-1100nm之間不確定度在0.33%到1%之間，其中在200nm與250nm之間不確定度為5%。隨后，低溫電替代輻射計被作為探測基準。在80年代末期輻射基準是基于逆溫層類型的硅光電二極管，美國馬里蘭州的Geist利用硅p-n的量子效率作為絕對輻射測量的標準，并且與Zalewski一道采用穩(wěn)定的激光光源利用自標定技術(shù)搭建了UV強型光電二極管的絕對光譜響應(yīng)度。該方法可以用來衡量在400-800nm絕對光譜響應(yīng)度的定標并且測量的不確定度優(yōu)于1.0%。通過自標定方法衡量標準不依賴于標準光源和黑體探測器，并且適用于任何設(shè)備普通的實驗室。當前光輻射測量最流行的方式是采用基于電置換的低溫輻射計，最小不確定度在1。水平時為10-5。但是各種各樣的限制使它只能應(yīng)用在度量學(xué)實驗室內(nèi)而不能在工業(yè)生產(chǎn)中輕松應(yīng)用。光電探測器的光譜響應(yīng)度計量于1997年被國際光學(xué)計量組織CCPR(光度輻射咨詢委員會)和BIPM(國際計量局)確定為光學(xué)計量領(lǐng)域的6項國際關(guān)鍵性比對之一。國內(nèi)光電探測器光譜響應(yīng)度工作標準于1987年完成。中國計量院光電探測器可見波段300~1100nm光譜響應(yīng)度工作標準于1987年完成，2000年建立起近紅外波段900~1600nm光譜響應(yīng)度測量裝置。2005年紫外波段光電探測器光譜響應(yīng)度裝置，紫外部分擴展到200nm，不確定度為2%~6%(k=2)，并參加了國際比對。2光電探測器研究基礎(chǔ)本章首先介紹測試對象—即各種光電探測器的基本原理，然后再介紹本系統(tǒng)中所采用對不同探測器的測試原理，最后介紹本系統(tǒng)的關(guān)鍵部件—光柵單色儀的基本原理及控制原理。2.1光電探測器基本原理光電探測器是本實驗儀的測試對象，目前本實驗系統(tǒng)采用了光電倍增管等六種探測器。光電探測器件是光輻射探測器件中的一大類，它利用各種光電效應(yīng)，使入射輻射強度轉(zhuǎn)換成電學(xué)信息或電能。本系統(tǒng)中，探測器既是探測器件，又是研究對象。為了更好的了解本系統(tǒng)，必須深入了解本系統(tǒng)的測試對象，下面詳細介紹系統(tǒng)中所測試的各種光電探測器的基本原理:2.2光電倍增管（1）光電倍增管工作原理光電倍增管(PhotoMultiplierTube,PMT)是一種基于外光電效應(yīng)的真空光電探測器件，具有極高的靈敏度與快速響應(yīng)等特點，是用于探測微弱光信號及快速脈沖弱光的一種重要的探測器件，在光譜測量、微光檢測、光子計數(shù)、射線探測中得到廣泛應(yīng)用并獲得了良好的效果。圖2-la結(jié)構(gòu)圖圖2-lb原理圖光電倍增管主要由光入射窗口、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、倍增極和陽極組成，如圖2-la所示。它的工作原理為:(1)光子透過入射窗口入射在光電陰極K上;(2)光電陰極的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中;(3)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D1上，倍增極將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級倍增極倍增后，光電子就放大N次。(4)經(jīng)過倍增后的二次電子郵日極P收集起來，形成陽極光電流，在負載R1上產(chǎn)生信號電壓。光電倍增管的工作原理如圖2-lb所示。為了各電極能有效地收集使光電子，并使其通過各倍增極倍增，陰極與第一倍增極、各倍增極之間以及末極倍增極與陽極之間都必須施加一定的電壓。最普通的形式是外接一系列電阻，在陰極和陽極之間加上適當?shù)母邏?，陰極接負，陽極接正，使各電極之間獲得一定的偏壓，如圖2-lb所示。由于光電倍增管有高增益(106~108)，寬的線性動態(tài)范圍，快的響應(yīng)速度，暗電流小等特點，因此光電倍增管非常適用于作微弱光信號測量，使用光電倍增管作為光譜測量中的探測器可以使測量儀器獲得足夠的靈敏度和滿意的測量結(jié)果。（2）高壓供電為了使光電倍增管能正常工作，通常需在陰極(K)和陽極(P)之間加上近千伏的高壓。同時還要構(gòu)建倍增極系統(tǒng)，即還需在陰極、聚焦極、倍增極和陽極之間分配一定的極間電壓，保證光電子能被有效地收集，光電流通過倍增極系統(tǒng)得到放大。最常用的分壓器是采用一組電阻，跨接在陰極與陽極之間，如圖2-2(a)所示。在陰極與第一倍增極之間，以及陽極與末級倍增極之間有時采用齊納二極管代替電阻，以保證上述極間電壓恒定，如圖2-2(b)所示。a電阻分壓b電阻和齊納管分壓通常的分壓電路中采用陽極接地，負高壓供電，如圖2-2所示。這種方式可消除外部信號輸出電路與陽極之間的電位差，因而光電倍增管的輸出光電流可直接與電流計或電流電壓轉(zhuǎn)換的運算放大器相連。本實驗系統(tǒng)中也采用了此種接法。無論是陰極接地還是陽極接地方式，當照到光電陰極上的光通量增加時，陽極輸出電流I，也相應(yīng)增加，如圖2-3所示。當信號進一步增大并超過某一定值后，陽極輸出電流與光通量之間就偏離了理想的線性關(guān)系，這時光電倍增管進入飽和工作狀態(tài)。圖2-3輸出特性曲線在輸出信號是直流的情況下，采用如圖2-2a所示的分壓電路。當陽極光電流為時，倍增極DY3的一次電流為二次發(fā)射系數(shù)，從倍增極流向陰極的電流為-同理，倍增極DY2和DY1也有一部分電流也流向陰極，并且這些1一幾I30=(1一電流隨光電流增大而增大。因此，由于光電流的影響，使得各極之間電壓重新分配，陽極和后幾極倍增極的極間電壓下降，陰極和前面幾極倍增極的極間電壓上升，結(jié)果光電倍增管的電流放大倍數(shù)明顯增加，如圖2-3中曲線B段出現(xiàn)的現(xiàn)象。而當入射的光通量進一步增加時，陽極電流接近于分壓器上的電流，陽極與最末級倍增極之間的電壓趨向零，陽極的電子收集率逐漸減小，最后陽極輸出電流飽和，如圖2-3中曲線C段。電倍增管對高壓供電電源的穩(wěn)定性要求比較高。在精密的光輻射測量中，通常要求電源電壓的穩(wěn)定度達到0.01%~0.05。一般高壓電源電壓的穩(wěn)定性應(yīng)比光電倍增管所要求的穩(wěn)定性約高10倍。當前一種體積小巧的高壓電源模塊比較適合用于光電倍增管中，如圖2-4a所示。輸入直流電壓一般為+15伏，輸出端可獲得上千伏的負高壓，電壓穩(wěn)定度為0.02%~0.05%。通過調(diào)節(jié)控制端兩端的電阻或電壓值，輸出的電壓可以從-200伏至-1200伏之間變化，如圖2-4b所示?？勺冸娮枰话銥榈亩嗳茈娢黄骰蚱渌茈娮?。如果當可變電壓通過微機的D/A輸出控制，那么可以通過微機編程自動設(shè)定高壓，許多分光光度計采用該方法，根據(jù)測量的光信號強度可自動調(diào)整光電倍增管測量系統(tǒng)靈敏度。a原理圖b輸出電壓調(diào)節(jié)圖2-4高壓電源模塊的原理和特性一般的電壓模塊都有保護電路，當電源過載或短路，模塊的輸入電流就趨于某一數(shù)值，而輸出電壓就降到零，能有效保護十多分鐘。（3）信號輸出1.負載電阻輸出光電倍增管輸出的是電流信號，如圖2-5所示。用一只負載電阻將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。輸出信號再連接到其它電壓放大器或電壓表上。通常光電倍增管可看作是恒流源，似乎可以用比較大的負載電阻將微小的電流信號轉(zhuǎn)換成很大的電壓信號。但實際上，這會使光電倍增管的頻率響應(yīng)和線性變差。圖2-5光電倍增管輸出電路2.運算放大器輸出為保證光電倍增管具有良好的線性和頻響特性，負載電阻要小，這又使得輸出信號的轉(zhuǎn)換效率很低。但如果用運算放大器來代替負載電阻，實現(xiàn)電流電壓的轉(zhuǎn)換，就能解決上述問題，本系統(tǒng)也采用了此種接法。圖2-6運算放大器輸出電路圖其輸出的電壓為式中，Rf為運算放大器的反饋電阻。放大器等效的輸入阻抗，也即光電倍增管的等效負載。2.3光敏電阻（1）光敏電阻的工作原理光敏電阻就是基于內(nèi)光電效應(yīng)的一種光電傳感器。光敏電阻具有靈敏度高、光譜特性好、使用壽命長、穩(wěn)定性能高、體積小以及制造工藝簡單等特點，因此作為開關(guān)式光電信號傳感元件，廣泛應(yīng)用在自動化技術(shù)中。圖2-7光敏電阻原理圖及符號圖2-8兩種類型光敏電阻能帶圖最簡單的光敏電阻原理圖及其符號如圖2-7所示。它是在均質(zhì)的光電導(dǎo)體兩端加上電極后構(gòu)成為光敏電阻，兩電極加上一定電壓后，當光照射到光電導(dǎo)體上，由光照產(chǎn)生的光生載流子在外加電場作用下沿一定方向運動，在電路中產(chǎn)生電流，達到了光電轉(zhuǎn)換的目的。（2）光敏電阻的基本偏置電路和噪聲1.基本偏置電路光敏電阻最基本的偏置電路如圖2-9(a)所示，凡為光敏電阻，為負載電阻，為偏置電壓，V為光敏電阻兩端電壓。圖2-9(a)是光敏電阻的伏安特性曲線，是一組以輸入光通量為參量的通過原點的直線組，在一定范圍內(nèi)光敏電阻阻值是不隨外電壓改變的，僅取決于輸入光通量，或光照度E，并有（2-2）式中，Ga是暗電導(dǎo)，若忽略暗電導(dǎo)，則G=GP，并且。原理電路(b)伏安特性曲線如果流過光敏電阻Rp的電流為I,則光敏電阻的耗散功率P=IV，為了不使光敏電阻在任何光照下因過熱而燒壞，要求光敏電阻的實際功率(光敏電阻的極限功率可由產(chǎn)品手冊查出)。根據(jù)或，可畫出極限功耗曲線(圖中虛線表示)，根據(jù)偏置電路，可得出電流I及負載上電壓Vt，即（2-3）（2-4）在負載與外加電壓確定后，根據(jù)不同的光照公可作出不同光照下光敏電阻的伏安特性曲線和負載線，如圖2-9b所示。顯然，當光通量變化時，工作點Q也將發(fā)生變化，流過光敏電阻的電流和兩端的電壓都改變。設(shè)光通量變化時，光敏電阻變化，則電流變化，并且隨光通量變化，信號電流的變化，可從(2-5),(2-6)兩式相減得式中負號的物理意義是:當光敏電阻上的照度增加、阻值減小(即)，電流為增加。由于可寫成而光通量變化時，輸出信號電流變化又可表示為所以輸出電壓的變化為由上式可以看出，在同樣照度變化下，如果，越大，它輸出信導(dǎo)電流和信號電壓就越大，但是，以上計算是在，變化不很大的情況下得到的近似式，同樣從上面(2-9)式還給出了由于輸入光通量的變化引起負載電流和電壓的變比。3系統(tǒng)整體設(shè)計光電探測器特性一體化實驗系統(tǒng)集光學(xué)技術(shù)、機械技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)于一體。本章主要介紹系統(tǒng)的總體設(shè)計、光學(xué)系統(tǒng)及機械機構(gòu)設(shè)計。硬件電路及軟件設(shè)計將在后續(xù)章節(jié)中詳細介紹。3.1系統(tǒng)總體設(shè)計從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來看，光電探測器特性一體化實驗系統(tǒng)主要由光源、光學(xué)系統(tǒng)，探測器，信號處理控制電路，A/D采集系統(tǒng)，串行通信接口和計算機組成，該系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)及機械結(jié)構(gòu)圍繞光源和光柵單色儀進行搭建;數(shù)據(jù)處理機控制部分，以AT89C51單片機為核心處理器，進行數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場控制，并通過與PC機發(fā)生通信，將數(shù)據(jù)發(fā)回PC機進行進一步的處理，PC機可在此基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進行進一步處理，并進而以合適的數(shù)據(jù)表現(xiàn)方式給出實驗結(jié)果?？傮w設(shè)計如圖3-1所示。圖3-1光電探測器特性一體化實驗系統(tǒng)組成框圖(1)光源:澳鎢燈(用于測試用光源)、汞燈(用于單色儀定標);(2)光學(xué)系統(tǒng):將光源發(fā)出的光進行準直和會聚后通過光源下的轉(zhuǎn)動裝置，或進入光電倍增管測試光路，或禍合進入單色儀中，由其中的光柵進行分光，通過光柵的轉(zhuǎn)動就可以按波長得到不同的單色光，圖3-2為光路系統(tǒng)圖;(3)光電探測系統(tǒng):把探測器得到的光信號轉(zhuǎn)變成電信號，并進行適當?shù)姆糯筇幚?(4)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng):利用AT89C51,A/D轉(zhuǎn)換芯片等完成對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制;(5)PC系統(tǒng):通過交互式人機界面，完成對實驗系統(tǒng)的控制與信息處理工作，通過和采樣系統(tǒng)的對話采集信號，并通過一系列的算法得到所需的實驗結(jié)果。實驗結(jié)果可以通過表格和圖表曲線的形式輸出。3.2光學(xué)系統(tǒng)及機械結(jié)構(gòu)設(shè)計此部分設(shè)計是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，因為此部分的設(shè)計關(guān)系到整個系統(tǒng)的構(gòu)架，重點是如何將不同的探測器及不同的測試項目集成于同一實驗平臺。本實驗系統(tǒng)采用了如圖3-2所示的結(jié)構(gòu):圖3-2光路系統(tǒng)框圖整個系統(tǒng)以單色儀為中心搭建，并共用澳鎢燈光源。考慮到光電倍增管的體積及光敏面都比其它探測器要大很多，很難與其他探測器共用某一結(jié)構(gòu)，并且其測試項目中也不需要光柵單色儀，為此本系統(tǒng)把光電倍增管測試光路單獨放在另一側(cè);為了能共用光源，本系統(tǒng)在浪鎢燈安裝旋轉(zhuǎn)底座的方法實現(xiàn)光源共用;光電倍增管和APD需要使用高壓電源，我們也采取共用高壓電源的方法，APD使用其高壓電源的低壓部分，光電倍增管使用其高壓部分。由于因為本實驗系統(tǒng)涉及到光譜響應(yīng)度的測量，所以本系統(tǒng)主要從光譜分析的角度搭建光路。大多數(shù)的光譜測量方法都是由光譜輻射經(jīng)入射狹縫、分光系統(tǒng)(棱鏡或者光柵)、出射狹縫到達探測器上，探測器上的不同像元探測到不同波長的光信號。這種光譜測量方法需要進行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和相應(yīng)的機械裝置設(shè)計，本系統(tǒng)也采用了類似的結(jié)構(gòu)。因為澳鎢燈的出光口遠遠大于單色儀的入射狹縫寬度，所以我們利用了一塊會聚透鏡，使光源從澳鎢燈出射，經(jīng)過透鏡后很好地會聚進入單色儀的狹縫，由于入射口有兩道光闌，這樣又很好阻止了雜散光的進入。而單色儀對入射光分光后出射的光線相對光強比較弱，為了讓探測器對有限的光輻射能有效進行探測，必須使出射光能完全照射到光電探測器的感光面上，系統(tǒng)采用了如圖3-2所示的準直會聚光路結(jié)構(gòu)。測試時，在會聚光路后加裝圓柱形適配器，光電二極管等探測器的直徑都比圓筒小很多，完全可以封裝進此適配器，安裝在適配器的光電探測器光敏面在適配器的表面上，面向光路可以接受光的照射，適配器的另一側(cè)引出探測器的引腳線，以便于后續(xù)處理系統(tǒng)連接。雖然光電二極管等探測器的外形大小也不相同，但它們適配器的外形是一樣的，只需要根據(jù)不同的探測器外形改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以通過對不同的探測器加裝相同外形尺寸的適配器的方法可以實現(xiàn)后端光路及機械結(jié)構(gòu)的共享。圖3-3硬件電路框圖3.3光電探測器的信號輸出電路光電檢測電路的設(shè)計要從三方面考慮:一是要求信噪比高;二是要求被測信號無頻率失真;三是要求信號傳輸功率最大。本系統(tǒng)光電探測器的信號輸出電路的設(shè)計就是基于以上三點考慮的。本系統(tǒng)的信號采集電路就是在電流放大型的基礎(chǔ)上設(shè)計的。因為電流放大型IC變換電路的輸出信號與輸入光照度成正比。此外，電流放大器因輸入阻抗低而響應(yīng)速度高、噪聲低、信噪比高，因而被廣泛應(yīng)用于弱光信號的變換中。同時，由于本系統(tǒng)中采用了多種光電探測器，其中包括有源探測器和無源探測器，并且由于不同的探測器在相同強度的光照下也會產(chǎn)生量級不同的光電流輸出，即使相同的探測器在不同的測試項目中輸出電流的量級也不同，為了適配數(shù)據(jù)采集卡的輸入范圍就需要根據(jù)不同的探測器相應(yīng)地更換反饋電阻。同時由于本系統(tǒng)主要面向高校實驗教學(xué)，考慮到學(xué)生實驗時自己動手更換反饋電阻更容易加深印象。因此，我們在電流放大型電路的基礎(chǔ)上設(shè)計了如圖3-4所示的反饋電阻手動可調(diào)的共享型放大電路。硅光電池工作在光伏模式，不需外加偏置電壓，所以其輸出端直接和孔2、孔3相接;光電三極管、光敏電阻等工作在光電導(dǎo)模式，需外加偏置電壓，所以其正極與孔1連接，負極與孔2連接;而光電二極管既可以工作在光伏模式，又可以工作在光電導(dǎo)模式，所以可以采用以上兩種形式連接;光電倍增管和APD只要將其電流輸出端與孔1連接即可。同時將探測器輸出的正負極互換后還可以測試探測器的反向特性。圖3-4共享偏置放大電路根據(jù)運算放大器的原理可知輸出電壓U0為由于碳質(zhì)電阻內(nèi)部介質(zhì)不連續(xù)會帶來較大的閃爍噪聲，對測量電路的信噪比不利，r所以上圖中的Rf采用溫度系數(shù)較小的金屬膜電阻。電阻Rf的熱噪聲電壓譜密度為，也就是熱噪聲電壓與成正比增大Rf的阻值會帶來更大的熱噪聲，但同時輸出信號幅度與凡成正比。因此，Rf取值大一些可以增加信噪比。但Rf要受到輸出電壓幅度的限制，因為輸出電壓幅度受后端數(shù)據(jù)采集卡的限制，本系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集板的電壓輸入幅度為-10V~+10V，為了與后端處理電路相匹配，由于不同探測器的輸出電流幅值不一樣，并且同一探測器在不同的測試項目中輸出電流幅值也不一樣，因此本實驗采用針對不同的探測器及測試采用不同阻值的反饋電阻Rf，在不同測試實驗中進行靈活更換。由于運放的輸入電流會隨溫度變化而變化，使得在大阻值的電阻上形成可觀的電壓漂移，為了補償這種漂移帶來的誤差，可以在運放的同相輸入端也接一同規(guī)格的電阻Rf，并在其兩端并一個0.1pF的電容用以旁路其帶來的噪聲。因為實際的運放不可能是理想的運放，運放存在輸入噪聲電壓、輸入噪聲電流、輸入偏置電流等，這些都會對輸出產(chǎn)生影響。尤其在檢測低到nA級電流時，使用普通運放將使信號淹沒在噪聲中，因此運放要選用低噪聲、低偏置電流、低溫漂的運放。由于本系統(tǒng)有很多測試項目都是nA級電流，所以綜合各方面考慮，選擇AD645運放。3.4數(shù)據(jù)采樣及AD轉(zhuǎn)換由于數(shù)字計算機只能對數(shù)字信號進行分析與處理，所以連續(xù)變化的模擬信號必須量化成數(shù)字量，AD轉(zhuǎn)換器配合采樣保持器可以完成此功能。本系統(tǒng)這部分采用如圖3-5所示的電路:圖3-5信號的采樣和AD轉(zhuǎn)換圖中是U2即為AD轉(zhuǎn)換芯片AD574。AD574是AD生產(chǎn)的12位逐次逼近型ADC,它的轉(zhuǎn)換速度為，轉(zhuǎn)換精度為0.05%，可廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。由于AD574芯片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖電路，因而可直接與單片機的數(shù)據(jù)總線相連，而無須附加邏輯接口電路。AD574的12/8腳選擇為單字轉(zhuǎn)換輸出方式;對于AO/SC，在轉(zhuǎn)換期間，0表示正在進行AD轉(zhuǎn)換，而在讀出期間，0表示高8位數(shù)據(jù)有效，1表示低4位數(shù)據(jù)有效;RC=1表示允許讀數(shù)據(jù)，RC=0表示允許啟動AD轉(zhuǎn)換。CS引腳的譯碼選通信號由單片機的P2口信號經(jīng)譯碼后給出。若P2=Ox40H時，CS為低電平，則地址Ox4000H,Ox4002H,Ox4003H分別表示AD轉(zhuǎn)換啟動地址，高8位讀出地址，低4位讀出地址，因此在軟件設(shè)計中只要簡單地對這幾個地址單元進行操作就可以實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)