【正文】 當(dāng) FZ 為一純電阻時，可看出 是 二階系統(tǒng)，電路的階躍響應(yīng) 將會 振蕩， 與此同時系統(tǒng)也 很可能 自激振蕩， 這樣就 需對 系統(tǒng) 進(jìn)行相位補(bǔ)償， 電路中 電容 FC 的作用就是相位補(bǔ)償 。 RF、 CF 由 系統(tǒng)頻響決定。前置 濾波 電路如 下 圖 45 所示。因為前置 濾波 器 對 增益 和信噪比都有嚴(yán)格 要求，所以 我們選擇低噪聲的前置 濾波 器 。 前置 濾波器 、主放大電路 、 模擬 除法器 在實際應(yīng)用的光電系統(tǒng)中 ， 光電探測器上 獲得的 一般 都是微弱 的電信號 ，不能被直接接受處理 ， 應(yīng)當(dāng)經(jīng) 放大器進(jìn)行放大 處理 。 主要 由 前置 濾波 部分 、 主放大電路 、減法器 部分、 除法器 部分 等 組 成 ，其中 IC IC IC IC3 為高精度運(yùn)放 電路 ， IC1 和 IC2 是前置運(yùn)放電路， IC3 和 IC4 分別形成加法器 、 減法器，AD538 是 模擬除法器，入射光強(qiáng) 決 定 Rf 大小 。 圖 43 S3932 光譜響應(yīng)范圍特性曲線 表 41 S3932 型 PSD 的主要性能參數(shù) 光敏面 112mm2 光譜響應(yīng)范圍 320~1100nm 響應(yīng)度 (? =920nm) 上升時間 s? (VR=5V， RL=1K) 結(jié)電容 80pF(VR=5V， f=10kHZ) 暗電流 ~20nA(VR=5V) 極間電阻 30~80 ?K (Vb=) 工作溫度 10~60℃ 存儲溫度 20~80℃ 分辨率 m? 位置測量誤差 177。 （ 4）環(huán)境溫度 對 PSD 的 影響 溫度 的變大導(dǎo)致器件 暗電流的增大，暗電流的存在 導(dǎo)致 誤差和噪聲 的產(chǎn)生 ，而且 不利于 背景光 的 產(chǎn)生。 （ 3） 反偏電壓對 PSD 性能的影響 當(dāng) 加上反偏電壓后， PSD 的感光靈敏度 將會略有 提高， 而且 PSD 的 結(jié)電容會有所減小 。但當(dāng)光點(diǎn)位置接近有效感光面邊緣時，一部分光就會落到感光面之外，使落在有效感光面內(nèi)的光電中心位置偏離實際光點(diǎn)的中心位置，從而使 輸出產(chǎn)生誤差。另 外選擇光源時，應(yīng) 挑選 與 PSD 光譜響應(yīng)良好匹配的光源，以 方 便 充分 全面的利用光能。但當(dāng)入射光強(qiáng)增大時，信號電極的輸出光電流也 會隨之 增大，進(jìn)而器件的位置分辨率 會有所提高 。 （ 4） 暗電流及暗電流溫度系數(shù) 暗電流及暗電流溫度系數(shù) 指的是在無光照情況下 PSD 的 響應(yīng)特性。 我們 應(yīng)盡量 讓 光點(diǎn) 擊 打 a 區(qū)域， 從而 提高位置檢測精度。 因為 P 區(qū)結(jié)面上電阻率 并不是不變的，這時影響 PSD 非線性的主要因素 。 PSD 器件的光譜響應(yīng)一般 為 300— 1100nm 之間 ， 而其 峰值響應(yīng)波長 大約 在900nm 左右。 PSD 的主要性能參數(shù) 從使用的角度來看， PSD 的譜響應(yīng)特性、置線性度、靈敏面尺寸、暗電流、暗電流溫度系數(shù)、響應(yīng)速度等 等 是 我們 選擇 PSD 器件 一定要 考慮的指標(biāo)。 假如兩個信號電極的電流如式（ 44）處理： LxII IIPX ???? 12 12 （ 44） 則得到的結(jié)果只與光點(diǎn)的坐標(biāo) x 有關(guān)，與入射光無關(guān)，此時 PSD 則是 僅對入射光點(diǎn)位置敏感的器件。 因此 將 I0 = I1 + I2 與式（ 41）聯(lián)立得： RLGNDRLGNDR1 R2入射光點(diǎn)12xI1 I2PINL3 (a) RLRLGNDGNDR1 R21 2CjRshVDjI03ext R1 R2RLRLGNDGNDI031 2 (b) (c) 圖 41 PSD 的結(jié)構(gòu)及等效電路 (a)截面電路 (b)等效電路 (c)簡化的等效電路 LxLII 201 ?? （ 42） LxLII 202 ?? （ 43） 第四章 基于 8051 單片機(jī)的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設(shè)計 12 可以看出， 當(dāng)入射光點(diǎn) 不變 動 位置 時， PSD 的單 獨(dú)一 個電極輸出 的光 電流與入射光強(qiáng)成正比。 假如 負(fù)載 RL 相對于 R1 和 R2 的大小來說 可以忽略，則有： 21II = xL xLRR ???12 (41) 第四章 基于 8051 單片機(jī)的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設(shè)計 11 在上 式中， L 為 PSD 中 心與 信號電極的距離， x 為入射光點(diǎn) 與 PSD 中 心 的距離。 若是 PSD 表面層的電阻是均勻的， 那么 PSD 的等效電路為圖 41〔 b〕所示。底層的公共電極 用于 加反偏電壓。 實用一維 PSD 為 PIN 三層結(jié)構(gòu)，如圖 41（ a）。由于 P 區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)大于 N 區(qū)， 這樣導(dǎo)致 P 區(qū)的電導(dǎo)率 也會 遠(yuǎn)大于 N 區(qū)，因此， P 區(qū)的空穴 將會 由 M 點(diǎn)迅速擴(kuò)散到整個 P 區(qū)， 可以將整個 P 區(qū)看成 等電位。 在結(jié)電場作用下 ， 空穴 將會 進(jìn)入 P 區(qū)，而電子進(jìn)入 N 區(qū)， 因此會 產(chǎn)生結(jié)光電勢， 我們一般稱之為 內(nèi)光電效應(yīng)。 PSD 的工作原理 若有一輕微摻雜的 N 型半導(dǎo)體和一重?fù)诫s的 P+型半導(dǎo)體構(gòu)成 PN 結(jié)，當(dāng) 內(nèi)部載流子擴(kuò)散 、 漂移 后 達(dá)到平衡 穩(wěn)定 時，就 形成 一個由 N 指向 P 區(qū)的結(jié)電場。 PSD 可分為一維 PSD 和二維 PSD。 圖 33 光線幾何光學(xué)軌跡 根據(jù)圖 33 所示幾何關(guān)系和光學(xué)折射定律有： d=d1+d2 (32) nx nx α－ β d1 d2 α－ β s1 s1 d d1 d2 蒸餾水 2 蒸餾水 1 水槽 雙平面鏡 待測液體 光學(xué)透射窗 2 光學(xué)透射窗 1 PSD 濾光片 激光器 第三章 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 9 ? ? ? ??? ??? tan111 dsd (33) ? ? ? ??? ??? tan212 dsd (34) 和 ?? sinsin0 gnn ? (35) ?? sinsin gx nn ? (36) 式中， s1為兩隔離窗 的間 距。 光線的 幾何軌跡 如圖 33 所示。在裝有蒸餾水 2 的水槽裝有一個 雙平面鏡 ，光線經(jīng)過 雙平面鏡 的反射后， 再次進(jìn)入 待測液體 ，同樣 入射光線 待測液體 ? d ? n 蒸餾水 第三章 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 8 圖 32 光學(xué) 系統(tǒng)圖 會 ?產(chǎn)生一個入射角 ，再次進(jìn)入裝有蒸餾水的水槽 1，最后 通過窄帶 濾 光片投射在 位置敏感器件 的光敏面上，當(dāng) 待測液體 的 濃度 改變 時， 光線 透射 后到位置敏感器件 光敏面上的光斑位置也發(fā)生變化， 而 PSD 此時 就會線性的輸出這一變化，從而實現(xiàn)濃度的 檢測 。 如圖 32所示。當(dāng)光線如圖 31 所示的情況入射，那么兩種液體折射率之差 △ n與光線偏移量 d 之間存在下列關(guān)系 kdnnnn ???????? 2/c o t 20 ? (31) 其中， Ω 為光線出射角， θ 為光線入射角 ， k 為與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常量。 3. 2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 （ 1） 濃度檢測的基本光學(xué)原理 濃度檢測的基本原理如圖 31 所示，被測液體濃度的改變， 導(dǎo) 致折射率發(fā)生變化，從而 引起入射光折射 角的變化，通過檢測 折射角 的變化 ，經(jīng)分析計算可求待測液體濃度。 半導(dǎo)體激光器 的芯片結(jié)構(gòu) 幾乎 與側(cè)面發(fā)光的 LED 芯片相同，但 需要制造與 PN 結(jié) 相互 垂直的兩個光學(xué)平面作為光學(xué)諧振腔，當(dāng) PN 結(jié)通電 且電流大于 閥值時，引起高強(qiáng)度的電致發(fā)光， 最后在 諧振腔內(nèi)產(chǎn)生了激光。 （ 4） 半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器具有單色性好，方向性好，體積小，工作電源電壓 約為，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。激光單色性好、方向性比較好、激光束產(chǎn)生的光斑質(zhì)量好。 （ 3） 氦氖激光器 氦氖激光器是一個氣體放電管，管內(nèi)充有氦 氣 、氖氣，兩端用鍍有多層介質(zhì)膜的反射鏡封固，構(gòu)成諧振腔。 發(fā)光二級管 具有體積小、堅固 、 耐用、使用電壓低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。鈉燈的光源質(zhì)量好，所以 用鈉燈作為光源后 測出來的 數(shù)據(jù) 并不需要去修正，但 其設(shè)備 體積大， 且需要限制電流 ，啟動電壓也比較高。 （ 1） 鈉光燈 鈉光燈工作時，在可見光區(qū)域發(fā)射處兩條極強(qiáng)的黃色譜線，通常取 作為 鈉光燈光線 的參考波長 。第三章 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 6 第三章 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 光源的選擇 光源有鈉 光 燈、發(fā)光二極管、氦氖激光器、半導(dǎo)體激光器可以選擇。若 PSD 長度 增加 ，則測量范圍加大。則： 22 RS Rd ??? ? （ 3） 系統(tǒng)測量范圍 系統(tǒng)中采用了濱松公司的 S3932 型，考慮到邊緣誤差， 有效敏感區(qū) 實際約 ， 其 可測量折射率 ~。 （ 2） 系統(tǒng)測量精度 系統(tǒng)測量精度取決于系統(tǒng)誤差修正后的殘差 △ R 與 偶然誤差的總均方根值R? 。 激 光 器 電 源 光 學(xué) 系 統(tǒng) P S D 傳 感 器 PSD 信號 調(diào)理 電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 80 51 單 片 機(jī) LED 顯示系統(tǒng) 鍵盤輸入 驅(qū)動電路 第二章 總體方案 5 系統(tǒng)性能指標(biāo) 新型濃度檢測系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)有：系統(tǒng)分辨力、系統(tǒng)測量精度 、系統(tǒng)測量范圍 和體積 與 質(zhì)量等 。 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 本 濃度檢測系統(tǒng)主要 分 以下幾 個 部分：半導(dǎo)體激光器、光學(xué)系統(tǒng)、 PSD 信號調(diào)理電路、 8051 單片機(jī) 系統(tǒng) 、 A/D 轉(zhuǎn)換電路 、 顯示電路 等 等。 本系統(tǒng)采用雙隔離窗透射法，利用光 在 液體濃度變化 時 引起折射率變化的原理，對濃度測量，通過引入高精度的位置敏感器件 PSD 作為接受傳感器，同時采用外圍設(shè)備豐富的 8051 系列 單片機(jī)作為核心處理芯片，從而簡化了檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，使得安裝調(diào)試更為簡便，同時減少了許多誤差來源，保證了測量值的較高精度。然而，這些技術(shù)都需要復(fù)雜和昂貴的實驗裝置，不能用于流動液體濃度的檢測。其他提出來的技術(shù)包括平面熒光 法 、 干涉測量法、 熱標(biāo)記 法 等 等。 以上傳統(tǒng)液體濃度檢測 的 方法各有其 不足 ，同時它們都需要人工取樣，不能實時在線檢測，而且在取樣間隔內(nèi)溶液濃度的變化又是未知的，這樣就影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和自動化控制，所以它們的應(yīng)用范圍 都很 有限，不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的實際 需 求。 化學(xué)分析法，雖可