【正文】 半導體位置敏感器件 PSD 12 影響 PSD 性能的因素 13 PSD 的選取 14 PSD 信號調理電路的設計 15 前置 濾波器 、主放大電路 、模擬除法器 19 陷波電路 23 電源電路設計 24 AD574 芯片及其接口 28 目 錄 V 基于 MAX232 的通訊模塊 30 顯示器接口 32 系統(tǒng)軟件設計流程 32 A/D 轉換子程序設計 33 LED 顯示子程序設計 33 十進制編碼與 BCD 編碼的相互變換 34 第七章 濃度檢測 系統(tǒng) 35 第八章 系統(tǒng)誤差分析 36 光強波動的影響 36 溫度對系統(tǒng)測量的影響 37 結 論 39 參考文獻 40 致 謝 42 第一章 緒論 1 第一章 緒論 液 體 濃度測量在工業(yè)中占有 非常 重要的地位。 課題設計的目的意義 濃度是一項重要的衡量工業(yè)產(chǎn)品質量的指標 ，為了提高產(chǎn)品質量，生產(chǎn)企業(yè)除了在 實驗 室對產(chǎn)品濃度進行 檢測 外，還要在生產(chǎn)線上對產(chǎn)品 濃度進行監(jiān)督和控制 ， 實 驗室檢驗只是抽樣檢驗 ， 實時性差， 難以 控制產(chǎn)品質量，僅僅依靠這種方法 難以 滿足生產(chǎn) 需求 。 本檢測系統(tǒng) 應用高精度的 PSD 作為 信號 接收器，有效解決 了 光線偏離 而 產(chǎn)生的誤差 ， 使用比較簡單的光學系統(tǒng)和電子電路便可以非常穩(wěn)定地檢測液體的濃度，大大節(jié) 約 成本，并且由于 PSD 只對光斑能量中心敏感，因而對光源的變化影響可忽略不計，降低了對準直聚焦光學系統(tǒng)的要求， 這 更具現(xiàn)實意義。一維可以測定光點的一維位置坐標，而二維可以檢測出光點的平面二維位置坐標。 1957 年 瓦爾馬克 在 InGe 結上重新發(fā)現(xiàn)了 橫向光電 效應，并用載流子復合理論對此現(xiàn)象做了 解釋，提出可用來檢測光點位置。 PSD 在 20 世紀第一章 緒論 2 60 年代迅速 發(fā)展 并逐漸成熟； 70 年代發(fā)展了表面分割型 與 兩面分割型器件； 80年代 的 改進 型 分割型器件，改善了器件的性能 及 參數(shù)； 90 年代改進表面分割型器件進一步發(fā)展，使結構更加完善，性能 及 參數(shù)進一步提高。在研究方面，目前中國電子科技集團 44 研究所研制的 aSi:H 一維 PSD 和單晶硅雙面結構二維 PSD；浙大和中科院成都光電所合作研制二維 PSD 陣列來代替 CCD 和四象限位置探測器。這些方法的工作原理及裝置結構各不同，適應場合也不同，并且各有其優(yōu) 缺 點。 比重法， 雖然 方便，但在工業(yè)濃度檢測中，常需檢測大槽或大池中的不同深度處的溶液濃度，由于比重計采用浮力原理，它只能檢測上層表面的溶液濃度，無法適應工業(yè)檢測 的 需 求 。 國外已報道的有： 伯格曼 制作了一個光纖探頭來檢測各種液體的 濃 度； 納拉亞南 使用一個基于激光的棱鏡糖度計 來 檢測液體濃度。國內已報道的 有 ：浮力法、靜壓法、折光法、振動法、同位素法、勢力學法等。 第一章 緒論 3 課題設計的主要內容 1．系統(tǒng)總體設計方案及框圖 2． PSD 特性分析 3．光學系統(tǒng)的設計 4．信號處理電路的設計 6． LED 顯示電路設計 7．濃度檢測系統(tǒng)圖設計 8．系統(tǒng)程序設計 9．系統(tǒng)誤差分析 5． A/D 轉換電路的設計 本文的研究重點在光學系統(tǒng)的 設計 、 PSD 信號處理及單片機控制系統(tǒng)的研究，相比以往的濃度檢測系統(tǒng)，設計了新 型的光學系統(tǒng)、選 用 位置敏感探測器PSD 并建立相應的單片機軟硬件系統(tǒng)。 第二章 總體方案 4 第二章 總體方案 濃度的變化會引起液體對光的折射率的變化， 而 由激光器發(fā)出的固定傾斜入射 的 光線 ， 折射率的變化導致出射光線發(fā)生偏移 ， 利用 PSD 將得到 的電流信號經(jīng)過放大處理后檢測出偏移量的大小，將這個 模擬 量經(jīng)過 A/D 轉換后發(fā)送給8051 單片機，以 單片機 為核心對濃度檢測系統(tǒng)進行控制 處理，最后由 LED 顯示液體的濃度 。 液體濃度檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如 下 圖： 圖 21 濃度檢測系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)工作原理為： 由 半導體激光器發(fā) 射出 激光， 經(jīng)過 光學系統(tǒng)照射到 PSD感光面 上 ， PSD 信號 經(jīng)處理電路 ，由 A/D 轉換電路將模擬量 變 轉為數(shù)字量，通過 某些 接口送入 單片機 ，以其為核心對濃度檢測系統(tǒng)進行控制，再由顯示系統(tǒng)（ LED） 顯示液體濃度。 （ 1） 系統(tǒng)分辨力 系統(tǒng)理論 來說 可分辨 1／ 100000 的折射率變化，但實際測量 時 ，會受放大器、單片機 、 A/D 轉換電路影響， 因此，綜合來說 系統(tǒng)的分辨力可達 3／ 100000。若以 Sd 表示濃度檢測系統(tǒng)的測量精度。最大相當于 20 度氯化鈉溶液的 90%的濃度精度。 （ 4） 系統(tǒng)的體積與重量 濃度檢測系統(tǒng)的體積與重量在使用中是一個突出指標， 但是 往往同其他指標互相矛盾。而 選擇的要求是單色性好、方向性好、穩(wěn)定性高、結構簡單、體積小 且耐用 、使用方便 且便宜 等。 因此鈉燈是比較重要的單色光源之一。 （ 2） 發(fā)光二極管 LED LED 作為光源 的，是 使用 一種 黃 色超高亮度的 LED，它是 直接注入電流的 一種 發(fā)射 設備 ，是晶體內部 的 受激電子從高能級到低能級時，發(fā)射光子的結果。但 發(fā)光二級管的單色性差，強度較弱，方向性也不好 。光在兩鏡面間多次反射，形成持續(xù)振蕩， 從而 發(fā)射出激光。但氦氖激光器的激光管體積 相對太 大， 且 需很高的電源電壓。本系統(tǒng)使用 HTL67T05 型輸出基橫模量子阱 半導體 激光器。第三章 光學系統(tǒng)的設計 7 激光產(chǎn)生是 因為當 光 通過 半導體時， 所 引發(fā)受激發(fā)射 后 放大的結果。 圖 31 液體濃度檢測的基本原理圖 水槽分為兩部分，一部分裝蒸餾水，另一部分 裝 待測液體，中間用一塊傾斜的光學透射窗隔 離 開，這樣，光線的折射角度就會隨兩部分液體折射率差值的變化而不同。 （ 2） 濃度檢測的光學系統(tǒng)圖 本文提 出了采用雙隔離窗的光透射液體濃度檢測的實驗 設備 。 光學系統(tǒng)由 兩個 內盛 蒸餾水的水槽和 一個盛有 待測液體的測量水槽組成 ，三個水槽間 由 兩個平行的光學透射窗隔開，水平入射的光線在 由 光學透射窗 1 進入待測液體時 ?產(chǎn)生一個入射角 。濾波片 的作用 是 濾 除大部分環(huán)境雜 散光對 檢測的影響。在圖 33 中用 d 來表示 PSD 所測得的被測液體是待測液體（實光線）和蒸餾水（虛光線）時的光線偏移量。從式中 看出 ，當入射角、 參考 液體和兩隔離窗 之間的距離 選定后， α 、 n0 和 s1 就是固定值，將（ 32）、（ 33）式代入（ 31）式得到光線偏移量為 ? ?? ? ? ?? ??? ???? ?? ?? ???? ???? tan1 tantan1 tan 1121 ssddd ? ?xxx nfnnnns?????????????????????????????????????????s i na r c s i nt a n1s i na r c s i nt a n2001 （ 37） 第四章 基于 8051 單片機的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設計 10 第四章 基于 8051單片機的 PSD信號處理電路 的 設計 半導體位置敏感器件 PSD PSD 是 為了 實時精確測量 位置、 距離 和 位移 等發(fā)展起來的一種半導體光電敏感器件， 而 它 是基于 半導體的橫向光電效應 這一理論 測量入射光點位置 。一維可以測定光點的一維位置坐標，而二維可以檢測出光點的平面二維位置坐標。當光照射到 PN 結時 ， 半導體會 吸收光子 ，而后 激發(fā)出電子 空穴對 。但 若 是入射光僅集中照射在 PN 結光敏 面上某一點 M， 之后 產(chǎn)生的電子 、 空穴 會 集中在 該 點 M 上 。而 N 區(qū)的電導率較低 ， 進入 N 區(qū)的電子也將仍然 集中在 M 點 ， 從而 會使 PN 結橫向形成不平衡電勢， 這會 將空穴拉回 N區(qū)，從而在 PN 結橫向 形成 一個橫向電場， 稱之為 橫向光電 校 應。 P 層為感光面， 它 兩邊各有一信號輸出電極。 假設 入射光照射到 PSD 光敏面 上 一點時，產(chǎn)生的總光生電流為 I0 ， 光電流將分別流向兩個信號電極，從而從信號電極上分別得到光電 I1 和 I2 ，而 I0 = I1 + I2 。由于 Rsh 很大 、 C1 很小，因此 簡化 等效電路 如 圖 41 (c)，其中 入射光點的位置 決定 R1 、 R2 的值。 由此可得 兩個電極的輸出光電流之比為 ， 入射光點到該電極間距比的倒數(shù) 。而當入射光強度 固定 時，單個電極的輸出電流與入射光點距 PSD 中心的距離 x 呈線性關系。 PX 則 稱為一維 PSD 的位置輸出信號。 （ 1） 光譜響應特性 PSD 器件的 光譜響應特性 ，表示 PSD 的響應靈敏度 和 光波 的 波長間的關系。 （ 2） 位置線性度 位置線性度 指的是 光點 順 著直線 運動 時 PSD 的位置輸出偏離該直線的程度。因而在使用 時 須 人 為 的 將 PSD 敏感面劃為 a、 b 區(qū)， a 區(qū) 是指 中央?yún)^(qū)域， b 區(qū) 指的是 邊緣區(qū)域， b 區(qū)的位置準確度 低于 a 區(qū)。 圖 42 區(qū)域 a 及區(qū)域 b 的定義 1 區(qū)域 a 2 區(qū)域 b 3 感光面 1 2 3 第四章 基于 8051 單片機的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設計 13 （ 3） 響應速度 響應速度 是反映 PSD 瞬態(tài)特性的重要指標， PSD 的工作 時所處 狀態(tài) 及制造工藝 都與他 有關。 影響 PSD 性能的因素 （ 1） 入射光對 PSD 性能的影響 理論上講，入射光點的強度和尺寸大小 都和 位置輸出 沒有關系 。 然而 入射光點強度太大， 會 引起器件飽和 ，應當控制入射光點強度 。 （ 2） 入射光點的中心位置 PSD 的位置輸出只與入射光點的中心位置有關，而與光點尺寸無關。因此， 即使 入射光點全部落在器件的有效感光面內時，但為了 降低 邊緣效應，入射光的直徑 小一點會更好 。因此 PSD 在使用時加上 10V 左右的反偏電壓 后 ， 會使 PSD 的暗電流也有所增加。 第四章 基于 8051 單片機的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設計 14 PSD 的選取 結合 PSD 的性能參數(shù)、 系統(tǒng)測量范圍和測量精度的 分析，本文選 用濱松公司的 S3932 型 PSD 產(chǎn)品，其響應速度為 3 s? ，分辨率為 m? ，有效敏感區(qū)為112 2mm ， 光譜響應特性曲線如圖 43， 它主要性能參數(shù)如表 41 所示。60 m? (Typ， Ta=26℃ ) OE=50% 400 600 800 1000 0 OE=100% S3979 S3931 S3932 響應靈敏度（A/W） 波長（ nm） 第四章 基于 8051 單片機的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設計 15 PSD 信號調理電路的設計 一維 PSD 信號檢測調理電路， 如 圖 44 所示 。 在本電路中 我們將位移 和 液體濃度變化值 他兩個之 間的線形因數(shù)折算到 PS