光功率测试仪原理及设计.docx

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光功率测试仪原理及设计

功率型LED光功率测试仪设计

功率型LED光功率测试仪是用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗。

通过测量发射端机的绝对功率，一台功率型LED光功率计就能够评价光端设备的性能。

用光功率计与稳定功率型LED组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性并帮助评估光纤链路传输质量。

功率型LED光功率测试仪具有超宽的光功率测试范围、精准的测试精度和超常的使用寿命。

目前，日本安腾公司生产的AQ-1112B型，测量精度高，可达正负2%以内，但灵敏度较低;本设计采用光敏电阻达到光电转换的目的，利用高精度单片机STC12C5A60S2作数据处理和显示，精确度很高，可达到正负1%以内。

关键词：

LED，光功率，测试仪

1绪论

1.1意义

功率型LED光功率测试仪是用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗。

通过测量发射端机的绝对功率，一台功率型LED光功率计就能够评价光端设备的性能。

用光功率计与稳定功率型LED组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性并帮助评估光纤链路传输质量。

功率型LED光功率测试仪具有超宽的光功率测试范围、精准的测试精度和超常的使用寿命。

1.2国内外发展状况

目前，测量光功率的方法有热学法和光学法。

热学法在波长特性，测量精度等方面较好，但响应速度慢，灵敏度低，设备体积大。

光学法有较快的响应速度，良好的线性特性而且灵敏度高，测量范围大但其波长特性和测量精度方面不如热学法。

因此，根据热学法制成的光功率计一般均为标准光功率计，做的比较好的是日本安腾公司生产的AQ-1112B型，它的传感器采用热电堆，测量精度高，可达正负2%以内，但灵敏度较低，只能测量10uW以上的光功率。

设计内容

本设计采用光敏电阻达到光电转换的目的，利用高精度单片机STC12C5A60S2作数据处理和显示，该单片机集成八通道A/D转换器，精确度很高，可达到正负1%以内，显示部分采用四位一体的七段码共阴数码管，使得硬件电路简单，从而达到经济、实惠且高精度的目的。

2光度学理论基础

2.1定义及应用

光度学是1760年由朗伯建立的，且定义了光通量、发光强度、照度、亮度等主要光学光度学参量，并用数学阐明了它们之间的关系和光度学几个重要定律，如照度的叠加性定律、距离平方比定律、照度的余弦定律等，这些定律一直没用至今，实践已证明是正确的。

在可见光波段内，考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科称为光度学。

光度学除了要定义一些物理量并确定相应的测量单位外，还要研究测量仪器的设计、制造和测量方法。

对各种光源进行光度的特性测量广泛应用于光学工业、照明工业、遥感遥测、色度学和大气光学等领域。

对各种光敏和热敏探测器也需要运用光度的测量技术来确定其灵敏度及响应特性。

2.2光学量

光度学是研究光度测量的一门科学，光度量是光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的度量。

光度量是具有标准人眼视觉特性的人眼所能接收到辐射能的度量。

光度学通常引进下述光学量来进行描述：

2.2.1光通量

在光度学中，光通量明确的被定义为能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大小的度量。

辐射通量以光谱光视函数V（λ）（即视见函数，见可见光）为权重因子的对应量。

设波长为λ的光的辐射通量为Φe（λ）。

对应的光通量为　

Φv（λ）=Km*V（λ）*Φe（λ）（2-1）

式中Km为比例系数，是波长为555nm的光谱光视效能，也叫最大光谱光视效能，由Φe和Φv的单位决定。

光通量的SI单位为流明，Km＝683lm/W。

复色光的光通量需对所有波长的光通量求和。

这个量是对光源而言，是描述光源发光总量的大小的，与光功率等价。

光源的光通量越大，则发出的光线越多。

对于各向同性的光（即光源的光线向四面八方以相同的密度发射），则F=4πI。

也就是说，若光源的I为1cd，则总光通量为4π=12.56lm。

与力学的单位比较，光通量相当于压力，而发光强度相当于压强。

要想被照射点看起来更亮，我们不仅要提高光通量，而且要增大会聚的手段，实际上就是减少面积，这样才能得到更大的强度。

要知道，光通量也是人为量，对于其它动物可能就不一样的，更不是完全自然的东西，因为这种定义完全是根据人眼对光的响应而来的。

人眼对不同颜色的光的感觉是不同的，此感觉决定了光通量与光功率的换算关系。

对于人眼最敏感的555nm的黄绿光，1W=683lm，也就是说，1W的功率全部转换成波长为555nm的光，为683lm。

这个是最大的光转换效率，也是定标值，因为人眼对555nm的光最敏感。

对于其它颜色的光，比如650nm的红色，1W的光仅相当于73流明，这是因为人眼对红光不敏感的原因。

对于白色光，要看情况了，因为很多不同的光谱结构的光都是白色的。

例如LED的白光、电视上的白光以及日光就差别很大，光谱不同。

图2-1为人眼对不同颜色光的相对响应曲线，主线为正常的明视觉，左边的曲线是暗视觉曲线（比较暗的场合下）

由图2-1可知，人眼对不同颜色的光的感觉是不同的，此感觉决定了光通量与光功率的换算关系。

对于人眼最敏感的555nm的黄绿光，1W=683lm，也就是说，1W的功率全部转换成波长为555nm的光，为683lm。

至于电光源的发光效率，是另外一个相关的话题，是说1W的电功率到底能转化成多少光通量。

如果全部转换成555nm的光，那就是每瓦683lm。

但如果有一半转换成555nm的光，另一半变成热量损失了，那效率就是每瓦341.5lm。

白炽灯能达到1W=20lm就很不错了，其余的都成为热量或红外线了。

测量一个不规则发光体的光通量，要用到积分球，比较专业而复杂。

积分球的基本工作原理如下图2-2所示：

光线由输入孔入射后，光线在球内部被均匀的反射及漫射，在球面上形成均匀的光强分布，因此输出孔所得到的光线为非常均匀的漫射光束。

而且入射光之入射角度、空间分布、以及极性都不会对输出的光束强度和均匀度造成影响。

同时因为光线经过积分球内部的均匀分布后才射出，因此积分球也可当作一个光强衰减器，输出强度与输入强度比大约约为：

光输出孔面积/积分球内部的表面积。

图2-2积分球工作原理

常见发光的大致效率（lm/W）

白炽灯，15

白色LED，20

日光灯，50

太阳，94

钠灯，120

2.2.2发光强度

点光源在某方向上单位立体角内的光通量，记作Iv，即

（2-2）

发光强度的SI单位为坎德拉，是光度学中的基本单位，1979年第十六届国际大会通过的坎德拉的定义为：

坎德拉是发出频率为540×1012赫兹的单色辐射源在给定方向上的发光强度，该方向上的辐射强度为1／683瓦／球面度。

发光强度是针对点光源而言的，或者发光体的大小与照射距离相比比较小的场合。

这个量是表明发光体在空间发射的会聚能力的。

可以说，发光强度就是描述了光源到底有多“亮”，因为它是光功率与会聚能力的一个共同的描述。

发光强度越大，光源看起来就越亮，同时在相同条件下被该光源照射后的物体也就越亮，因此，早些时候描述手电都用这个参数。

现在LED也用这个单位来描述，比如某LED是15000的，单位是mcd，1000mcd=1cd，因此15000mcd就是15cd。

之所以LED用毫cd（mcd）而不直接用cd来表示，是因为以前最早LED比较暗，比如1984年标准5mm的LED其发光强度才0.005cd，因此才用mcd表示，现在LED都很厉害了，但还是沿用原来的说法。

用发光强度来表示“亮度”的缺点是，如果管芯完全一样的两个LED，会聚程度好的发光强度就高。

因此，购买LED的时候不要一味追求高I值，还要看照射角度。

很多高I值的LED并非提高自身的发射效率来达到，而是把镜头加长照射角度变窄来实现的，这尽管对LED手电有用，但可观察角度也受限。

另外，同样的管芯LED，直径5mm的I值就比3mm的大一倍多，但只有直径10mm的1/4，因为透镜越大会聚特性就越好。

常见光源发光强度（cd）：

高亮手电，10000

5mm超高亮LED，15

2.2.3光亮度

它表示单位面积上发光强度。

辐射亮度的光度学对应量，其定义为：

（2-3）

式中dS为面光源上的面积元，θ为面元法线与观察方向间的夹角，dIv是面元在观察方向的发光强度。

光亮度的SI单位为坎德拉／㎡。

光亮度的其他常用单位有熙提和朗伯。

光亮度一般随观察方向而变，若一辐射体的光亮度是与方向无关的常量，则其发光强度与cosθ成正比，此规律称为朗伯定律，这种辐射体称为朗伯辐射体或余弦辐射体。

黑体是理想的余弦辐射体。

亮度是针对光源而言，而且不是对点光源，是对面光源而言的。

无论是主动发光的还是被动（反射）发光的。

亮度是一块比较小的面积看起来到底有多“亮”的意思。

这个多“亮”，与取多少面积无关，但为了均匀，我们把面积取得比较小，因此才会出现“这一点的亮度”这样的说法。

事实上，点光源是没有亮度概念的。

另外，发光面的亮度与距离无关，但与观察者的方向有关。

说一个手电很“亮”，并不是说该手电的亮度高（因为手电是没有亮度概念的），而是说其发光强度大，或者是说被它照射的物体亮。

说一个星星（点光源）很亮，并非是说其亮度高，而是说其星等高而已。

亮度不仅取决于光源的光通量，更取决于等价发光面积和发射的会聚程度。

比如激光指示器，尽管其功率很小，但可会聚程度非常高，因此亮度非常高。

常见发光体的亮度（尼特）：

红色激光指示器，20,000,000,000

太阳表面，2,000,000,000

白炽灯灯丝，10,000,000

阳光下的白纸，30,000

人眼能习惯的亮度，3,000

满月表面，2,500

人眼能比较好的分辨出颜色的亮度，1

光出射度

从光源单位表面积发出的光通量，用Mv表示。

漫反射面受光照后，其光出射度与光照度成正比，比例系数小于1，称漫反射系数。

（2-4）

式中dA表示光源的微发光面积，dΦv表示光源的微光通量。

光出射度是表征光源自身性质的一个物理量。

光源的光通量除以光源的面积就得到光源的光出射度值。

光出射度用lm/㎡表示，但与照度测试和lx不同，光出射度中的面积是指光源的面积，而不是被照射的面积。

2.2.5光照度

1lm的光通量均匀分布到1㎡的表面上所产生的就是光照度，用Ev表示。

光照度是相对被照地点而言的，但又与被照物体无关。

微面上的光照度Ev可以用下式表示

（2-5）

式中dA表示光源的微发光面积，dΦv表示光源的微光通量,其单位是勒克斯（lx）。

1lx=1lm/㎡。

常见照度（勒克斯）：

阳光直射（正午）下，110，000

阴天室外，1000

商场内，500

阴天有窗室内，100

普通房间灯光下，100

3系统设计

3.1系统设计

本设计的系统主要有五大部分组成，它们是光源部分、光电转换部分、A/D转换部分、数据处理部分以及显示部分[9]。

其电路结构如图3-1所示：

图3-1系统框图

光源部分，本设计采用功率为1W的LED灯作为光源以及测量其光功率，通过积分球测量其标准光功率为90lm左右，本设计就是要测量其光功率，然后与标准值相比较。

光电转换部分，本设计采用光敏电阻做光电转换，采用的型号为GL5539，光敏电阻在一定的光照下，其亮电阻与光照是线性关系的。

A/D转换部分和数据处理部分，本设计把A/D转换部分和数据处理部分集合在一块单片机上，型号为STC12C5A60S2，该单片机集成有八路高精度的A/D转换器，使得硬件电路方便且简单。

显示部分，本设计采用74HC573和一块四位一体的共阴数码管作为显示部分，用四位一体的共阴数码管比用四块一位共阴数码管的成本要低以及硬件焊接简单的多，采用74HC573的目的是为了驱动数码管以及锁存数据[10]。

3.2硬件设计

3.2.1LED光源部分

本设计的光源部分采用功率型LED，业内把功率在0.5W以上的LED叫功率型LED，本设计采用功率为1W的LED，测量其光功率。

（1）LED工作原理

发光二极管简称LED，采用砷化镓、镓铝砷、和磷化镓等材料制成，其内部结构为一个PN结，具有单向导电性。

当在发光二极管PN结上加正向电压时，PN结势垒降低，载流子的扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入到N区，N区的电子注入到P区，这样相互注入的空穴与电子相遇后会产生复合，复合时产生的能量大部分以光的形式出现，因此而发光[10]。

（2）LED分类

发光二极管在制作时，使用的材料有所不同，那么就可以发出不同颜色的光。

发光二极管的发光颜色有：

红色光、黄色光、绿色光、红外光等。

发光二极管的外形有：

圆形、长方形、三角形、正方形、组合形、特殊形等。

常用的发光二极管应用电路有四种，即直流驱动电路、交流驱动电路、脉冲驱动电路、变色发光驱动电路。

（3）LED型号

国产发光二极管的型号表示有部标型号（FG）、厂标型号（BT）以及2EF型号等。

下面对部标型号（FG）的表示方法给以说明:

第一部分用字母FG表示发光二极管。

　　第二部分用数字表示发光二极管材料:

"1"表示磷化嫁（GaP）;"2"表示磷砷化镓（GaAsP）;"3"表示砷铝化镓（GaAlAs）。

　　第三部分用数字表示发光二极管的发光颜色:

　"1"表示红色;"2"表示橙色;"3"表示黄色;"4"表示绿色;"5"表示蓝色;"6"表示变色。

　　第四部分用数字表示发光二极管的封装形式:

　"1"表示无色透明;"2"表示无色散射;"3"表示有色透明;"4"表示有色散射透明。

　　第五部分用数字表示发光二极管的外形:

　"0"表示圆形;"1"表示方形;"2"表示符号形;"3"表示三角形;"4"表示长方形;

　"5"表示组合形;"6"表示特殊形

（4）LED应用

使用LED作指示电路时，应该串接限流电阻，该电阻的阻值大小应根据不同的使用电压和LED所需工作电流来选择。

发光二极管的压降一般为1.5~2.0V，其工作电流一般取10~20mA为宜，功率型LED的工作电流一般取30mA,LED一般都工作在恒流下，所以要保证其工作电流恒定。

（5）LED连接实物图

功率型LED的连接实物图，如图3-2所示：

图3-2LED连接实物图

该电路电源接5V，电阻采用总阻值为1K的滑动变阻器将阻值调到100欧姆，那么通过LED的电流值I为

（3-1）

通过查标准值该电流对应的光通量为90lm左右

光电转换部分

本设计的光电转换部分采用光敏电阻转换，光敏电阻的是一种基于内光电效应的半导体元件，其独特的光电导特性使其在各个控制领域有着极为广泛的应用。

光敏电阻的半导体结构以及光敏感性，使其具有很特殊的温度与光特性。

研究它在不同温度条件下的参数特性变化能更好地利用其自身的特点，达到最有效的应用[6]。

（1）光敏电阻工作原理

光敏电阻受光照时其电导率会发生变化，该现象称为内光电效应。

当内光电效应发生时，光敏电阻吸收的能量使部分价带中的电子跃迁至导带，从而产生自由电子和自由空穴，使得其导电性增加，电阻值下降。

光照停止后，自由电子和自由空穴逐渐复合，电阻值又迅速上升。

无光照时，半导体样品的（暗）电导率为

σ0=q（n0*μn+p0*μp）（3-2）

式中:

q为电子电量;n0、p0为平衡载流子的浓度;μn和μp分别为电子和空穴的迁移率。

设光注入的非平衡载流子浓度分别为Δn及Δp，在光照条件下样品的电导率变为

σ=q（n*μn+p*μp）（3-3）

式中:

n=n0+Δn;p=p0+Δp。

附加光电导率（或简称光电导）Δσ可写为

Δσ=q（Δn*μn+Δp*μp）（3-4）

从上式可知，要制成（相对）光电导高的光敏电阻，应使n0和p0数值较小。

因此，光敏电阻一般是由高电阻材料制成或者在低温下使用。

光敏电阻没有极性，使用时在电阻两端加直流或交流偏压。

光敏电阻不受光照射时的电阻称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。

受光照射时的电阻称为亮电阻，对应的电流称为亮电流。

亮电流与暗电流之差称光电流。

光电流越大，灵敏度越高。

（2）光敏电阻光照特性

光电流随着照度的变化而改变的规律称为光照特性。

不同类型的光敏电阻的光照特性不同。

由实验可知，光电流随着照射强度一起增大或减小。

当入射光很强或很弱时，光敏电阻的光电流与光照之间会呈现非线性关系。

其他照度区域近似呈线性关系。

不同类型的光敏电阻的光照特性不同，但大多数光敏电阻的光照特性是非线性的。

其光照特性曲线如图3-3所示。

图3-3光照特性曲线

由图3-3所示，光敏电阻在光照低于100lx时没有光电流，在100lx以上光照与光电流大致呈线性关系，所以在一定的光照下，光功率与光电流呈线性关系，本设计只需要测出光电流的大小就可以换算出光功率的大小。

（3）光敏电阻伏安特性

在照度一定时，电压增大，光电流也增大，灵敏度也随之增大，而且没有饱和现象。

且光敏电阻两端的电压也不能无限制地提高。

因为光敏电阻都有最大额定功率，超过最高工作电压和最大额定电流，就可能导致光敏电阻的永久性损坏。

Δσ=Δp*μp+Δn*μn（3-7）

式中:

e为电荷电量;Δp为空穴浓度的改变量;Δn为电子浓度的改变量;μp为空穴的迁移率;μn为电子的迁移率。

其伏安特性曲线如图3-4所示

图3-4伏安特性曲线

由图3-4可知，在照度一定时，电压增大，光电流也增大，灵敏

度也随之增大，而且没有饱和现象，且光敏电阻两端的电压也不能无限制地提高，亮电阻值保持一定。

（4）光敏电阻连接图

光敏电阻的连接一般都是与一个电源和一个串联电阻连接，其实物图如3-5所示：

图3-5光敏电阻实物连接

该电路的电源为5V，串联的滑动变阻器的总值为2K，调节阻值为1K,光敏电阻光

照以后的电阻值大约为2M左右，那么R3上的电流值I为

I=5/（R2+R3）（3-8）

电压值U为

U=I*R3（3-9）

那么光敏电阻的光电流约为2.5uA，由图3-3可得，所对应的LED光照度为400lx左右，那么LED光功率大概为93lm左右，与标准值相差不大。

3.2.3A/D转换和数据处理部分

（1）STC12C5A60S2简介

STC12C5A60S2单片机是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S）[1~5]。

其功能及应用如下[8]：

（a）.增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051

（b）.工作电压：

STC12C5A60S2（5V单片机）

STC12C5A60S2（3V单片机）

（c）.工作频率范围：

0~35MHz,相当与普通8051的0~420MHz

（d）.用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节

（e）.片上集成1280字节RAM

（f）.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：

准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置四种模式：

准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA

（g）.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序

（h）.有EEPROM功能（STC12C5A60S2/AD/PWM无内部EEPROM）

（i）.看门狗

（j）.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）

（k）.外部掉电检测电路：

在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为1.33V，误差为±单片机为1.31V，误差为±3%

（l）.时钟源：

外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为±5%到±10%以内）常温下内部R/C振荡器频率为：

5.0V单片机为：

11MHz～17MHz3.3V单片机为：

8MHz～12MHz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准

（m）.共4个16位定时器

两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，在加上2路PCA模块可实现2个16位定时器

（n）.3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟,独

（o）.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块

（p）.PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列，2路）

---也可用来当2路D/A使用

---也可用来再实现2个定时器

---也可用来再实现2个外部中断

（q）.A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S

（r）.通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口

（s）.STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口

（t）.工作温度范围：

-40~85℃（工业级）/0~75℃（商业级）

（2）STC12C5A60S2逻辑结构

图3-6STC12C5A60S2逻辑结构

由逻辑结构图3-6可知，STC12C5A60S2与传统的8951相比，多了八通道A/D转换器，在P1口有两个功能，一个是传统的数字口，还有就是A/D转换器的模拟输入口。

A/D转换器的数据输出公式为：

Dout=Vin*255/5=Vin*51（3-10）

其中Vin为输入模拟电压，Vout为输出数据。

当输入电压为5V时，读得的数据为255再乘以2，得510。

我们用510*98%得499,再将百位数码管的小数点点亮，显示为４.99V，显示值与输入值基本吻合。

（3）STC12C5A60S2连接图

STC12C5A60S2的应用系统如图3-7所示：

图3-7STC12C5A60S2应用系统

该单片机接的5V电源，与传统8951的最小系统连接一样，左下脚为光源和光电

转换部分，转换后的电压从P1.0输入单片机进行A/D转换，所以说该连接图与8951

的最小系统没有什么差别，只是在功能上前者更加优越。

3.2.4显示部分

（1）74HC573

74HC573是八进制3态非反转透明锁存器，SL74HC573跟LS/AL573的管脚一样。

器件的输入是和标准CMOS输出兼容的；加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容[7]。

图3-8为74HC573的引脚图：

图3-874HC573的引脚图

脚三态允许控制端低电平有效D1~D8为数据输入端Q1~Q8为数据输出端LE为锁存控制端

（2）四位一体共阴数码管

图3-9为四位一体数码管的内部结构图如图3-9所示：

图3-9内部图

12，9，8，6是公共脚11，7，4，2，1，10，5，3分别为七段码的A，B,C,D,E,F,G,DP

硬件总图

总的硬件图如图3-10所示：