四象限光电探测器综合实验仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种四象限光电探测器综合实验仪，包括探测器调节机构、信号处理电路和LCD显示器；其中，探测器调节机构包括安装座，安装座的一端设有手动平移台和手动升降台，其上设有接杆，接杆上固定有激光器；安装座的另一端固定有四象限光电探测器，激光器产生激光信号照射到四象限光电探测器上，四象限光电探测器的四路信号线通过信号线接口与信号处理电路连接。本实用新型能够实现简单、直观、快速、准确的定位跟踪目标，可引导学生熟悉实验原理，锻炼学生的动手能力。
【专利说明】四象限光电探测器综合实验仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及教学实验装置【技术领域】，尤其涉及一种四象限光电探测器综合实验仪。
【背景技术】
[0002]随着光电技术的发展，光电探测的应用也越来越广泛，由于四象限光电探测器(Four-Quadrant Photoelectric Detector, QPD)能够探测光斑中心在四象限工作平面的位置，因此在激光准直、激光通信、激光制导等领域得到了广泛的应用。但是，目前针对高等院校应用物理、光电信息科学与工程、电子科学与技术、测绘工程、机械电子工程、测控技术与仪器等理工科专业的四象限光电探测器实验教学仪器品种较少，且大都功能简单、价格昂贵，不利于学生对光电定向及其实际应用的认识和教师教学质量的提高。
实用新型内容
[0003]本实用新型要解决的技术问题在于针对现有技术中现有四象限光电探测器实验教学仪功能简单、价格昂贵等缺陷，提供了一种用于学生实验的四象限光电探测器综合实验仪，该实验装置与实际应用紧密结合，功能多样，操作简单且实现成本低。
[0004]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0005]提供一种四象限光电探测器综合实验仪，包括探测器调节机构、信号处理电路和LCD显示器；
[0006]其中，探测器调节机构包括安装座，安装座的一端设有手动平移台和手动升降台，手动平移台和手动升降台上设有接杆，接杆上固定有激光器，通过手动平移台和手动升降台调节接杆上激光器的位置；
[0007]安装座的另一端固定有四象限光电探测器，激光器产生激光信号照射到四象限光电探测器上，四象限光电探测器的四路信号线通过信号线接口与信号处理电路连接；
[0008]信号处理电路包括I/V变换模块、运放加减模块、数据采集模块和微处理器，I/V变换模块通过运放将四象限光电探测器输出的四路微弱电流信号转变成放大倍数可调的电压信号；运放加减模块通过加减法电路实现两路信号相加、相减以及四路信号相加，并将处理结果送入数据采集模块，数据采集模块将处理结果进行模数转换，并发送给微处理器，微处理器上设有串口下载模块，通过该串口下载模块进行程序烧写；微处理器与IXD显示器连接。
[0009]本实用新型所述的四象限光电探测器综合实验仪中，微处理器上设有USB通信模块，该综合试验仪还包括上位机，该上位机通过USB通信模块与微处理器连接。
[0010]本实用新型所述的四象限光电探测器综合实验仪中，四象限光电探测器的光敏面为正方形。
[0011]本实用新型所述的四象限光电探测器综合实验仪中，该信号处理电路还包括电阻网络模块包括四个输入端和四个输出端，四个输入端分别接入四象限光电探测器的四路放大信号；四个输入端和四个输出端均设有预留测试插孔。
[0012]本实用新型所述的四象限光电探测器综合实验仪中，该信号处理电路还包括脉冲展宽模块，其上设有预留测试插孔。
[0013]本实用新型所述的四象限光电探测器综合实验仪中，该综合试验仪还包括万用表。
[0014]本实用新型所述的四象限光电探测器综合实验仪中，I/V变换模块使用LF353进行信号放大，Ι/v变换模块中的反馈电阻为滑阻，该I/V变换模块上设有输出信号预留独立测试插孔。
[0015]本实用新型所述的四象限光电探测器综合实验仪中，运放加减模块包括两片LF353，内有四路运放，其中一路运放设有输入测试插孔。
[0016]本实用新型产生的有益效果是:本实用新型在四个象限中产生与光信号对应的电信号，结合加减算法对四路电信号进行处理，可以得到与光斑能量中心有关的偏移量值。本实用新型可实现直观、快速定位跟踪目标方位。采集的数据经微处理器处理后使用LCD进行位置显示，也可以使用计算机进行数据处理和位置显示。能够实现简单、直观、快速、准确的定位跟踪目标。
[0017]本实用新型与实际应用紧密结合、功能多样、启发性强、操作简单、实现成本低，能够引导学生熟悉实验原理，锻炼学生的动手能力，启发学生创新精神，能使教师将书本知识与实践相结合，提高授课质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中:
[0019]图1是本实用新型实施例四象限光电探测器实验仪的结构框图；
[0020]图2是本实用新型实施例四象限光电探测器实验仪的结构示意图；
[0021]图3是本实用新型实施例信号处理电路结构图；
[0022]图4是本实用新型实施例脉冲展宽模块原理图；
[0023]图5是本实用新型实施例电阻网络模块原理图；
[0024]图6是本实用新型实施例USB通信流程图。
【具体实施方式】
[0025]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0026]如图1所示，四象限光电探测器实验仪主要包括探测器调节机构11、信号处理电路12和LCD显示器13，使用激光器作光源，四象限光电探测器作为光电探测接收器测量光斑中心位置和光强等信息。
[0027]如图2所示，探测器调节机构11包括激光器21、四象限光电探测器22、手动平移台23、手动升降台24、信号线接口 25、安装座26以及接杆27。安装座26的一端设有手动平移台23和手动升降台24，手动平移台23和手动升降台上设有接杆27，接杆27上固定有激光器21，通过手动平移台23和手动升降台24调节接杆27上激光器的位置。本实用新型的一个实施例中，为了保护激光器21，在其外套设一个激光器套筒28。
[0028]手动平移台23和手动升降台24可分别选用北京微纳光科仪器有限公司的WN101TM13L和WN03VM13，水平方向行程13mm、最小刻度0.01mm、精度5 μ m，垂直方向参数相同，可以完成对激光器位置的精确调节。四象限光电探测器22直接安装在安装座26上，其高度不可调节。
[0029]安装座26的另一端固定有四象限光电探测器22，激光器21产生激光信号照射到四象限光电探测器22上，四象限光电探测器22的四路信号线通过信号线接口与信号处理电路连接。本实用新型的一个实施例中，信号线接口 25主要包括地线、四象限光电探测器22四路信号线以及为激光器提供工作电压的电源线。
[0030]激光器21通过连接线与驱动模块连接，本实用新型的一个实施例中，如图3所示，信号处理电路12中包括激光器驱动模块301，其包含电源管理功能，为整个实验仪提供所需电压，同时为激光器21 提供驱动信号。激光器21采用直流和脉冲两种驱动方式。其中脉冲驱动使用的是由NE555构成的占空比及频率可调的脉冲振荡器。
[0031]如图3所示，信号处理电路12包括I/V变换模块302、运放加减模块304、数据采集模块305和微处理器，I/V变换模块302通过运放将四象限光电探测器22输出的四路微弱电流信号转变成放大倍数可调的电压信号；运放加减模块304通过加减法电路实现两路信号相加、相减以及四路信号相加，并将处理结果送入数据采集模块305，数据采集模块305将处理结果进行模数转换，并发送给微处理器，微处理器上设有串口下载模块309，通过该串口下载模块309进行程序烧写；微处理器与IXD显示器连接。
[0032]探测器调节机构11由激光器21产生激光信号照射到四象限光电探测器22上，假设入射光斑为圆形且能量分布均匀，照射在光敏面上的光斑被四个象限分成四个部分。此时，由于光生伏特效应，在四个象限中产生与光信号对应的电信号，假设其电流大小分别为IA、IB、I。和ID。当光斑中心在四象限光电探测器上的位置发生改变时，光敏面各象限上的光斑面积也会改变，从而引起四象限探测器各象限输出电流强度的变化，通过一定的信号处理方法可以得到光斑能量中心位置相关信息。根据输出电流强度可以计算出光斑能量中心位置。用σχ、Oy表示X、y轴上根据四象限光电探测器输出信号经过一定的算法处理后直接测得的偏移量，ox,oy与光斑能量中心实际偏移量有一定的对应关系。利用加减算法可以得到ox、Qy的计算式为:
[0033]
【权利要求】
1.一种四象限光电探测器综合实验仪，其特征在于，包括探测器调节机构、信号处理电路和IXD显示器； 其中，探测器调节机构包括安装座(26)，安装座(26)的一端设有手动平移台(23)和手动升降台(24)，手动平移台(23)和手动升降台上设有接杆(27)，接杆(27)上固定有激光器(21)，通过手动平移台(23)和手动升降台(24)调节接杆(27)上激光器的位置； 安装座(26)的另一端固定有四象限光电探测器(22)，激光器(21)产生激光信号照射至幌象限光电探测器(22)上，四象限光电探测器(22)的四路信号线通过信号线接口与信号处理电路连接； 信号处理电路包括I/V变换模块(302)、运放加减模块(304)、数据采集模块(305)和微处理器，I/V变换模块(302)通过运放将四象限光电探测器(22)输出的四路微弱电流信号转变成放大倍数可调的电压信号；运放加减模块(304)通过加减法电路实现两路信号相力口、相减以及四路信号相加，并将处理结果送入数据采集模块(305)，数据采集模块(305)将处理结果进行模数转换，并发送给微处理器，微处理器上设有串口下载模块(309)，通过该串口下载模块(309)进行程序烧写；微处理器与IXD显示器连接。
2.根据权利要求1所述的四象限光电探测器综合实验仪，其特征在于，微处理器上设有USB通信模块，该综合试验仪还包括上位机，该上位机通过USB通信模块与微处理器连接。
3.根据权利要求1所述的四象限光电探测器综合实验仪，其特征在于，四象限光电探测器(22)的光敏面为正方形。
4.根据权利要求1所述的四象限光电探测器综合实验仪，其特征在于，该信号处理电路还包括电阻网络模块(306)包括四个输入端和四个输出端，四个输入端分别接入四象限光电探测器(22)的四路放大信号；四个输入端和四个输出端均设有预留测试插孔。
5.根据权利要求1所述的四象限光电探测器综合实验仪，其特征在于，该信号处理电路还包括脉冲展宽模块(303)，其上设有预留测试插孔。
6.根据权利要求1所述的四象限光电探测器综合实验仪，其特征在于，该综合试验仪还包括万用表。
7.根据权利要求1所述的四象限光电探测器综合实验仪，其特征在于，I/V变换模块(302)使用LF353进行信号放大，I/V变换模块(302)中的反馈电阻为滑阻，该I/V变换模块(302)上设有输出信号预留独立测试插孔。
8.根据权利要求1所述的四象限光电探测器综合实验仪，其特征在于，运放加减模块(304)包括两片LF353，内有四路运放，其中一路运放设有输入测试插孔。
【文档编号】G09B23/00GK203858786SQ201420272777
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年5月26日 优先权日:2014年5月26日
【发明者】杨应平, 陈梦苇, 胡昌奎, 贾信庭, 胡靖华 申请人:武汉理工大学