四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀，包括探測器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、信號(hào)處理電路和LCD顯示器；其中，探測器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括安裝座，安裝座的一端設(shè)有手動(dòng)平移臺(tái)和手動(dòng)升降臺(tái)，其上設(shè)有接桿，接桿上固定有激光器；安裝座的另一端固定有四象限光電探測器，激光器產(chǎn)生激光信號(hào)照射到四象限光電探測器上，四象限光電探測器的四路信號(hào)線通過信號(hào)線接口與信號(hào)處理電路連接。本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)簡單、直觀、快速、準(zhǔn)確的定位跟蹤目標(biāo)，可引導(dǎo)學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)原理，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。
【專利說明】四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電探測的應(yīng)用也越來越廣泛，由于四象限光電探測器(Four-Quadrant Photoelectric Detector, QPD)能夠探測光斑中心在四象限工作平面的位置，因此在激光準(zhǔn)直、激光通信、激光制導(dǎo)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，目前針對高等院校應(yīng)用物理、光電信息科學(xué)與工程、電子科學(xué)與技術(shù)、測繪工程、機(jī)械電子工程、測控技術(shù)與儀器等理工科專業(yè)的四象限光電探測器實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器品種較少，且大都功能簡單、價(jià)格昂貴，不利于學(xué)生對光電定向及其實(shí)際應(yīng)用的認(rèn)識(shí)和教師教學(xué)質(zhì)量的提高。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中現(xiàn)有四象限光電探測器實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀功能簡單、價(jià)格昂貴等缺陷，提供了一種用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)的四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀，該實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合，功能多樣，操作簡單且實(shí)現(xiàn)成本低。
[0004]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0005]提供一種四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀，包括探測器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、信號(hào)處理電路和LCD顯示器；
[0006]其中，探測器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括安裝座，安裝座的一端設(shè)有手動(dòng)平移臺(tái)和手動(dòng)升降臺(tái)，手動(dòng)平移臺(tái)和手動(dòng)升降臺(tái)上設(shè)有接桿，接桿上固定有激光器，通過手動(dòng)平移臺(tái)和手動(dòng)升降臺(tái)調(diào)節(jié)接桿上激光器的位置；
[0007]安裝座的另一端固定有四象限光電探測器，激光器產(chǎn)生激光信號(hào)照射到四象限光電探測器上，四象限光電探測器的四路信號(hào)線通過信號(hào)線接口與信號(hào)處理電路連接；
[0008]信號(hào)處理電路包括I/V變換模塊、運(yùn)放加減模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和微處理器，I/V變換模塊通過運(yùn)放將四象限光電探測器輸出的四路微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成放大倍數(shù)可調(diào)的電壓信號(hào)；運(yùn)放加減模塊通過加減法電路實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)相加、相減以及四路信號(hào)相加，并將處理結(jié)果送入數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊將處理結(jié)果進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并發(fā)送給微處理器，微處理器上設(shè)有串口下載模塊，通過該串口下載模塊進(jìn)行程序燒寫；微處理器與IXD顯示器連接。
[0009]本實(shí)用新型所述的四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀中，微處理器上設(shè)有USB通信模塊，該綜合試驗(yàn)儀還包括上位機(jī)，該上位機(jī)通過USB通信模塊與微處理器連接。
[0010]本實(shí)用新型所述的四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀中，四象限光電探測器的光敏面為正方形。
[0011]本實(shí)用新型所述的四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀中，該信號(hào)處理電路還包括電阻網(wǎng)絡(luò)模塊包括四個(gè)輸入端和四個(gè)輸出端，四個(gè)輸入端分別接入四象限光電探測器的四路放大信號(hào)；四個(gè)輸入端和四個(gè)輸出端均設(shè)有預(yù)留測試插孔。
[0012]本實(shí)用新型所述的四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀中，該信號(hào)處理電路還包括脈沖展寬模塊，其上設(shè)有預(yù)留測試插孔。
[0013]本實(shí)用新型所述的四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀中，該綜合試驗(yàn)儀還包括萬用表。
[0014]本實(shí)用新型所述的四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀中，I/V變換模塊使用LF353進(jìn)行信號(hào)放大，Ι/v變換模塊中的反饋電阻為滑阻，該I/V變換模塊上設(shè)有輸出信號(hào)預(yù)留獨(dú)立測試插孔。
[0015]本實(shí)用新型所述的四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀中，運(yùn)放加減模塊包括兩片LF353，內(nèi)有四路運(yùn)放，其中一路運(yùn)放設(shè)有輸入測試插孔。
[0016]本實(shí)用新型產(chǎn)生的有益效果是:本實(shí)用新型在四個(gè)象限中產(chǎn)生與光信號(hào)對應(yīng)的電信號(hào)，結(jié)合加減算法對四路電信號(hào)進(jìn)行處理，可以得到與光斑能量中心有關(guān)的偏移量值。本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)直觀、快速定位跟蹤目標(biāo)方位。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)微處理器處理后使用LCD進(jìn)行位置顯示，也可以使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和位置顯示。能夠?qū)崿F(xiàn)簡單、直觀、快速、準(zhǔn)確的定位跟蹤目標(biāo)。
[0017]本實(shí)用新型與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合、功能多樣、啟發(fā)性強(qiáng)、操作簡單、實(shí)現(xiàn)成本低，能夠引導(dǎo)學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)原理，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新精神，能使教師將書本知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，提高授課質(zhì)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，附圖中:
[0019]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例四象限光電探測器實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)框圖；
[0020]圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例四象限光電探測器實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例脈沖展寬模塊原理圖；
[0023]圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例電阻網(wǎng)絡(luò)模塊原理圖；
[0024]圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例USB通信流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0026]如圖1所示，四象限光電探測器實(shí)驗(yàn)儀主要包括探測器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)11、信號(hào)處理電路12和LCD顯示器13，使用激光器作光源，四象限光電探測器作為光電探測接收器測量光斑中心位置和光強(qiáng)等信息。
[0027]如圖2所示，探測器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)11包括激光器21、四象限光電探測器22、手動(dòng)平移臺(tái)23、手動(dòng)升降臺(tái)24、信號(hào)線接口 25、安裝座26以及接桿27。安裝座26的一端設(shè)有手動(dòng)平移臺(tái)23和手動(dòng)升降臺(tái)24，手動(dòng)平移臺(tái)23和手動(dòng)升降臺(tái)上設(shè)有接桿27，接桿27上固定有激光器21，通過手動(dòng)平移臺(tái)23和手動(dòng)升降臺(tái)24調(diào)節(jié)接桿27上激光器的位置。本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，為了保護(hù)激光器21，在其外套設(shè)一個(gè)激光器套筒28。
[0028]手動(dòng)平移臺(tái)23和手動(dòng)升降臺(tái)24可分別選用北京微納光科儀器有限公司的WN101TM13L和WN03VM13，水平方向行程13mm、最小刻度0.01mm、精度5 μ m，垂直方向參數(shù)相同，可以完成對激光器位置的精確調(diào)節(jié)。四象限光電探測器22直接安裝在安裝座26上，其高度不可調(diào)節(jié)。
[0029]安裝座26的另一端固定有四象限光電探測器22，激光器21產(chǎn)生激光信號(hào)照射到四象限光電探測器22上，四象限光電探測器22的四路信號(hào)線通過信號(hào)線接口與信號(hào)處理電路連接。本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)線接口 25主要包括地線、四象限光電探測器22四路信號(hào)線以及為激光器提供工作電壓的電源線。
[0030]激光器21通過連接線與驅(qū)動(dòng)模塊連接，本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，如圖3所示，信號(hào)處理電路12中包括激光器驅(qū)動(dòng)模塊301，其包含電源管理功能，為整個(gè)實(shí)驗(yàn)儀提供所需電壓，同時(shí)為激光器21 提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。激光器21采用直流和脈沖兩種驅(qū)動(dòng)方式。其中脈沖驅(qū)動(dòng)使用的是由NE555構(gòu)成的占空比及頻率可調(diào)的脈沖振蕩器。
[0031]如圖3所示，信號(hào)處理電路12包括I/V變換模塊302、運(yùn)放加減模塊304、數(shù)據(jù)采集模塊305和微處理器，I/V變換模塊302通過運(yùn)放將四象限光電探測器22輸出的四路微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成放大倍數(shù)可調(diào)的電壓信號(hào)；運(yùn)放加減模塊304通過加減法電路實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)相加、相減以及四路信號(hào)相加，并將處理結(jié)果送入數(shù)據(jù)采集模塊305，數(shù)據(jù)采集模塊305將處理結(jié)果進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并發(fā)送給微處理器，微處理器上設(shè)有串口下載模塊309，通過該串口下載模塊309進(jìn)行程序燒寫；微處理器與IXD顯示器連接。
[0032]探測器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)11由激光器21產(chǎn)生激光信號(hào)照射到四象限光電探測器22上，假設(shè)入射光斑為圓形且能量分布均勻，照射在光敏面上的光斑被四個(gè)象限分成四個(gè)部分。此時(shí)，由于光生伏特效應(yīng)，在四個(gè)象限中產(chǎn)生與光信號(hào)對應(yīng)的電信號(hào)，假設(shè)其電流大小分別為IA、IB、I。和ID。當(dāng)光斑中心在四象限光電探測器上的位置發(fā)生改變時(shí)，光敏面各象限上的光斑面積也會(huì)改變，從而引起四象限探測器各象限輸出電流強(qiáng)度的變化，通過一定的信號(hào)處理方法可以得到光斑能量中心位置相關(guān)信息。根據(jù)輸出電流強(qiáng)度可以計(jì)算出光斑能量中心位置。用σχ、Oy表示X、y軸上根據(jù)四象限光電探測器輸出信號(hào)經(jīng)過一定的算法處理后直接測得的偏移量，ox,oy與光斑能量中心實(shí)際偏移量有一定的對應(yīng)關(guān)系。利用加減算法可以得到ox、Qy的計(jì)算式為:
[0033]

【權(quán)利要求】
1.一種四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，包括探測器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、信號(hào)處理電路和IXD顯示器； 其中，探測器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括安裝座(26)，安裝座(26)的一端設(shè)有手動(dòng)平移臺(tái)(23)和手動(dòng)升降臺(tái)(24)，手動(dòng)平移臺(tái)(23)和手動(dòng)升降臺(tái)上設(shè)有接桿(27)，接桿(27)上固定有激光器(21)，通過手動(dòng)平移臺(tái)(23)和手動(dòng)升降臺(tái)(24)調(diào)節(jié)接桿(27)上激光器的位置； 安裝座(26)的另一端固定有四象限光電探測器(22)，激光器(21)產(chǎn)生激光信號(hào)照射至幌象限光電探測器(22)上，四象限光電探測器(22)的四路信號(hào)線通過信號(hào)線接口與信號(hào)處理電路連接； 信號(hào)處理電路包括I/V變換模塊(302)、運(yùn)放加減模塊(304)、數(shù)據(jù)采集模塊(305)和微處理器，I/V變換模塊(302)通過運(yùn)放將四象限光電探測器(22)輸出的四路微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成放大倍數(shù)可調(diào)的電壓信號(hào)；運(yùn)放加減模塊(304)通過加減法電路實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)相力口、相減以及四路信號(hào)相加，并將處理結(jié)果送入數(shù)據(jù)采集模塊(305)，數(shù)據(jù)采集模塊(305)將處理結(jié)果進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并發(fā)送給微處理器，微處理器上設(shè)有串口下載模塊(309)，通過該串口下載模塊(309)進(jìn)行程序燒寫；微處理器與IXD顯示器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，微處理器上設(shè)有USB通信模塊，該綜合試驗(yàn)儀還包括上位機(jī)，該上位機(jī)通過USB通信模塊與微處理器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，四象限光電探測器(22)的光敏面為正方形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，該信號(hào)處理電路還包括電阻網(wǎng)絡(luò)模塊(306)包括四個(gè)輸入端和四個(gè)輸出端，四個(gè)輸入端分別接入四象限光電探測器(22)的四路放大信號(hào)；四個(gè)輸入端和四個(gè)輸出端均設(shè)有預(yù)留測試插孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，該信號(hào)處理電路還包括脈沖展寬模塊(303)，其上設(shè)有預(yù)留測試插孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，該綜合試驗(yàn)儀還包括萬用表。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，I/V變換模塊(302)使用LF353進(jìn)行信號(hào)放大，I/V變換模塊(302)中的反饋電阻為滑阻，該I/V變換模塊(302)上設(shè)有輸出信號(hào)預(yù)留獨(dú)立測試插孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限光電探測器綜合實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，運(yùn)放加減模塊(304)包括兩片LF353，內(nèi)有四路運(yùn)放，其中一路運(yùn)放設(shè)有輸入測試插孔。
【文檔編號(hào)】G09B23/00GK203858786SQ201420272777
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】楊應(yīng)平, 陳夢葦, 胡昌奎, 賈信庭, 胡靖華 申請人:武漢理工大學(xué)