光强计计设计报告实用资料Word文档格式.docx

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通过实验测试，本系统设计合理，其测量范围、分辨率、光谱响应误差基本上达到了设计的要求。

关键词:

硅光电池;

A/D转换;

单片机

照度计的工作原理

2.1光度学中的基本量

在光辐射测量中，与能量有关的量有两类:

一是物理的，即客观的，叫做辐射度学量，简称为辐射量;

另一类是生理的，即主观的，叫做光度学量，简称光度量。

前者表示某辐射源客观上发射出的辐射能的大小，后者表示人的视觉系统主观上感受到的那部分辐射能的强度。

（1）光通量（luminousflux）

光源在单位时间内发出的光量称为光通量，在光度学中，光通量是从辐射通量导出的量，它明确地定义为能够被人眼视觉系统所感受到的那部分辐射功率的大小的量度。

单位是流明（inmen），符号为lm，表达式为:

（2.1）

（2）光亮度（luminanee）L，

一个面光源，除了可以用发光强度来描述它在某一个方向上的发光能力之外，还要知道它每一单位面积在这个方向上的发光能力，以便比较两种不同类型光源的明亮程度，这就要用到亮度这个概念。

它表示每单位面积上的发光强度，即:

（2.2）

光亮度的单位为坎德拉第每平方米（cd/mZ）。

式（2.2）中的面积，应该理解为一个面

在观察方向上的正投影面积。

因此，若观察方向与该面的法线夹角为0时，上式将变为:

（2.3）

所以，光源的光亮度可定义为:

在表面一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积。

由于

（2.4）

故有

式（2.5）是光亮度的较通用的定义式。

由该式可知，亮度不仅可用来描述一个发光面，而且可以用来描述光路中的任意一个截面，如一个透镜的有效面积、一个光阑所截的面积或一个象的面积等。

此外，还可以用亮度来描述一束光，光束的亮度等于这个光束所包含的光通量除以这束光的横截面和这束光的立体角。

（2）光照度（luminanee）

（3）在光接收面上一点处的光照度等于照射在包括该点在内的一个面元上的光通量除以该面元的面积ds。

即:

（2.6）

（EV照度;

光通量;

：

面积）单位是:

勒克斯（lux），符号为lx，当llm光通量匀地照射在的面积上时，这个面上的光照度就等于llx。

即单位面积上接收到的光通量。

2.2照度计的工作原理

照度计（lulllinometer）又称勒克斯计或光强计，是用来测量某一被照射平面上光通量多少的一种光度量仪表。

检测的物理量是光通量，是光度测量中用得最多的仪器之一。

2，2.1照度测量的方法

照度计的测量原理较简单，整个探测器所接收的光通量除以探测器的面积，即为所测的照度，即:

由于照度与人眼的光谱光视效率有关，因此，照度计的光探头的相对光谱灵敏度必须与人眼的光谱光视效率一致。

由于一般的光接收器的相对光谱灵敏度与人眼的光谱光视效率相差远，所以光探头要用）滤光器进行匹配。

另外，光投射在光探头上的响应，要符合余弦法则。

因此，光探头还要有余弦修正器。

一个照度计是由带滤光器的光电传感器与电子放大和读数系统所组成。

过去广泛采用硒光电池为探测器，这是因为它的光谱灵敏度比其他探测器更接近人眼的光谱光视效率的缘故。

但由于硅光电元件的灵敏度、稳定性和寿命均较硒光电池为高，故近年来多采用硅光电池或硅光电二极管代替硒光电池作照度计的探测器件。

为了提高照度计的测量准确度，光探头输出的光电流需先进行放大，再由读数显示器读数。

为确保光电间的线性关系，应使外电路的负载为零，用运算放大器接成电流电压变换器的形式，一方面可得到零负载效应;

照度计应有较大的线性响应范围，使之可在较大照度范围内测量，选用线性范围大的接收器和增加光电流放大倍数，即可达到此目的。

环境温度对照度计的测量结果有影响，特别是实测时的环境温度与标定时的环境温度相差较大（如寒冷的冬天或酷热的夏天）的情况下，影响更为显著。

在照度计中，不仅是光电池，与光电池相接的外电路，表头电阻等，均随温度而变化。

因此，可通过对外电路、表头等的选择，使光电池的温度影响得到部分补偿。

在对照度计进行温度修正时，应对照度计的各部件作统一考虑。

湿度对照度计也有影响，为此，要求照度计的光探头有较好的密封性能，长期不用的照度计，最好能间隔一段时间通一次电。

接收器容易老化，因接收器老化会直接影响到照度计的测量精确度，缩短照度计的使用寿命。

此外，照度计还应有一定的响应速度，以适应变化的照度测量。

由于光电传感器所产生的光电流正比于所接收的光通量，测量时须将照度计的光敏表面与被测照度的表面重合，并尽量垂直于光的照射方向。

所以读数系统可直接指示出所测的照度值。

3.1系统硬件总体设计方案

本系统的硬件电路总体设计思想是:

以单片机ATMEGA16为核心的中央处理器，辅以外围模拟、数字电路功能模块，实现从光电传感器传来的信号测量到最后的显示输出。

测量控制部分是整个系统的核心部分，是整个系统的主要功能完成部分[10]。

系统硬件原理框图如图3.1所示。

图3.1系统硬件原理框图

3.2光电传感器的选型

目前，光电检测技术中常用到的一些光电检测器件有光电倍增管、雪崩二极管、光电二极管、光电三极管、PIN光敏电阻、光敏电池以与CCD阵列等一些半导体器件。

通过比较只有硅光电池是最理想的选择，它不需要外加电源就能直接把光能转换成电能，而且光电流和照度成线性;

它的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近;

它的响应时间短、性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，能耐高温辐射等优点。

故选择硅光电池作为此系统的光电检测器件。

硅光电池是一种利用光生伏特效应制成的光电转换器件，通过将光信号转变为电信号来检测待测量。

光电池工作原理，当光照射P一N结时，原子受激发而产生电子一空穴对，由于电子和空穴分别向两极移动而产生电动势，两极接入电路就能产生电流了[11]。

硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。

它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结如图3.2：

图3.2硅光电池结构示意图

硅光电池响应时间短（10，“一10一S），光电池转换效率高（目前转换效率高达27.50/0的硅光电池已经研制成功）。

若有lm2的这种光电池，在足够的阳光照射下，可以产生100多瓦的电能。

硅光电池主要有两个方面的应用，即作为电源和作为光电检测器件的应用。

硅光电池作为测量元件使用时，应当作电流源，不宜作电压源。

硅光电池在光照下产生的电流随光强的增大而增大。

当接受的光强度一定时，可看作恒流源。

在P一N结为理想状态下可用图3.3表示的等效电路来考虑。

图3.3理想状态下的硅光电池等效电

在光照射下，当硅光电池接通负载并达到稳定状态后，流入负载的电流IR和负载两端的电压VR关系:

式中，I。

为硅光电池P-N结的反向饱和电流;

IR为稳定状态下的负载电流;

IL为硅光电池在光照下产生的恒定电流;

气为稳定状态下的负载电压;

q为电子电荷（1.6*10-19）;

K为玻尔兹曼常数（l.38*10-23J/K）;

T一绝对温度。

根据上式作出硅光电池的伏安特性曲线，如图3.4所示。

图3.4硅光电池伏安特性曲线

曲线与电流轴和电压轴的和交点分别定义为光电池的短路电流ISC和开路电压VOC。

硅光电池的VOC一般为0.45~o.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[l3]。

在电阻负载时，负载线为一直线，其斜率由负载电阻的大小决定，负载线与伏安特性曲线的交点M（VR，IR）称为负载工作点，负载电阻从光电池获得的功率为PR=IR*V，相当于图中矩形的面积，能使矩形面积最大负载电阻称为最佳电阻，能从光电池获得最大输出功率，一般应选在特性曲线的转弯处。

最佳负载从光电池获得的最大输出功率一般为0.8VOCISC、VOC、IOC的数值可以由伏安特性方程求得。

当光电池处于短路状态时则

当光电池处于开路状态时则

在室温下所以:

在光电池的实际等效电路中还应考虑硅片内部阻抗和电极阻抗构成的串联阻抗RS以与因结内部不完整性而引起的并联阻抗RsH。

图3.5为实际的硅光电池等效电路示意图。

在实际电路中，负载电流I*和负载电压气的关系为:

将式（3.3）移项并以e为底取对数得：

目前硅光电池的并联电阻一般都很大，所以在计算VOC和ISC时，RSH可以认为无穷大，则

外电路短路时，；

外电路开路时，负载上得到的功率为:

若入射光功率为W，负载功率为PR，则定义硅光电池的光电转换效率为:

在负载功率最大PMAX时，对应最大的光电转换效率：

式中，FF=VRIR/VOCISC。

称为填充因子（又称曲线因子），在理想状态下最大预计在0.8以上，但是由于RH、RSH的影响而有所下降，一般取该值为0.7~0.75。

硅光电池在不同的光强照射下可以产生不同的光电流和光生电动势[14]。

硅光电池的光照特性曲线如图3.6所示。

从曲线可以看出，短路电流和照度成线性，开路电压与入射光功率近似成对数关系。

一开始随光照度急剧上升，当照度在ZOO01x时就趋于饱和了。

最大开路电压约为0.6V，总小于半导体材料的势垒电压，而与硅光电池面积大小无关。

因此增大硅光电池的面积只能得到大的光电流，而不能提高光生电动势的值。

硅光电池的光谱特性[15]，光谱特性指在入射光的能量保持一定的情况下，硅光电池的光电灵敏度与入射光波长之间的关系。

图3.7为硅光电池、白炽灯光的光谱分布曲线。

硅光电池的温度特性，环境温度的变化对硅光电池响应度和暗电流有较大的影响，

这是由于光吸收系数与温度有关。

硅光电池的开路电压、短路电流随温度变化，其中VOC以-20mV/℃的负温度系数变化，Isc以2*10-3A/℃的正温度系数变化。

硅光电池正常工作的环境温度范围为一40~+125℃[16]。

硅光电池的响应时间，响应时间表示硅光电池对于突变光照的反映速度，响RL，可用上升时间t:

，下降时间t了表示trtf2.2Cj（RL+RS），RS一般比RL小得多，所以trtf2.2CjRL，RL通常取决于外电路的需要，不能任意减小。

Cj与光敏面积成正比，

与偏置电压和基片材料电阻率的平方根成反比[17]。

3.3光电转换与信号前置放大模块

一个线性度好、稳定度高的光电转换与信号放大电路对于整个测试系统是至关重要的。

它直接影响整个系统的测量精度、灵敏度、稳定性与系统的测试速度等指标[18]。

光电检测电路就是采用光电检测方法把调制到光载波上的有用信号解调出来，实现光信号到电信号的转换。

因光纤末端输出的光信号通常是很微弱的，转换后的电信号也非常微小，由于背景噪声、电路噪声、元器件噪声的影响，要做到精确测量有较大难度。

因此，这就要求光检测器在所用光源的发射波长范围内具有高响应度、小的附加噪声、快的响应