一种可视化的智能光导型紫外光电探测装置及探测方法

1.本发明属于光电探测技术领域，涉及一种可视化的智能光导型紫外光电探测装置及探测方法。


背景技术：

2.紫外光电探测器是一种可以将紫外线转换为电信号的设备，其工作原理是基于外光电效应，是指在高于某特定频率的电磁波照射下，物质内部的电子吸收能量后溢出而形成电流的现象。而光导型的紫外光电探测器原理是基于光电导效应，是指光照变化引起半导体材料电导率发生变化的现象。近年来由于其在太阳紫外辐射监测、环境监测、臭氧层探测、森林防火、导弹追踪以及空间信号传输等方面有着巨大的应用潜力，所以受到了广泛的关注。
3.随着科学技术的发展，人们对器件工艺的要求日益增高，并且智能可视化这一特性逐渐成为新一代光电器件的需求。其中，探测器的光功率与电流的关系可以体现器件探测光的灵敏度。并且根据生物效应的不同，紫外线按照波长主要划分为三个波段：近紫外区(320nm＜λ＜400nm)、中紫外区(275nm＜λ＜320nm)、深紫外区(200nm＜λ＜275nm)，不同波段的紫外线对于人体的伤害是不同的，深紫外线的能量是最大的，近紫外线的能量是最小的。目前，市场面上的光导型紫外光电探测器依旧存在如下缺陷：首先其产品的光功率与电流不一定会呈现出线性的关系，即随着电流的增大，器件的光功率在到达某一个阈值之后，存在饱和现象；其次如今市面上大部分紫外光电探测器对于紫外线的探测分析较为粗略，很少有能够实现近紫外区、中紫外区以及深紫外区探测识别的功能；第三，一些光电探测器的制备方法比较复杂，材料合成的工艺程序较为繁琐，甚至需要用到价格不菲的金属材料，导致器件成本过高。
4.因此制备一种能够探测并区分近紫外区、中紫外区、深紫外区，低成本、高灵敏度，智能可视化，可重复使用的紫外光电探测器具有重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种可视化的智能光导型紫外光电探测装置及探测方法。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.本发明提出的一种可视化的智能光导型紫外光电探测装置，包括供电单元、光电转换单元、信号处理单元、可视化展示单元和玻璃基底；所述光电转换单元、所述信号处理单元和所述可视化展示单元均与所述供电单元电连接，所述光电转换单元与所述信号处理单元相连，所述信号处理单元与所述可视化展示单元相连；所述光电转换单元、所述信号处理单元、所述可视化展示单元和所述供电单元均集成在玻璃基底上；
8.所述光电转换单元包括氧化锌紫外光电探测器、锌镓氧紫外光电探测器和氧化镓紫外光电探测器，所述信号处理单元包括信号放大器和模式转换器，所述可视化展示单元
包括led三档绿灯、led三档黄灯、led三档红灯和微控制器；所述氧化锌紫外光电探测器的输出端口、所述锌镓氧紫外光电探测器的输出端口和所述氧化镓紫外光电探测器的输出端口均与所述信号放大器的输入端口相连；所述信号放大器的输出端口与所述模式转换器的输入端口相连，所述模式转换器的输出端口与所述微控制器的输入端口相连；所述微控制器的输出端口分别与所述led三档绿灯、所述led三档黄灯和所述led三档红灯相连，用于接收放大后的紫外辐射强度信号并以不同灯光的形式反映紫外辐射强度的大小。
9.优选地，所述氧化锌紫外光电探测器的输出端口、所述锌镓氧紫外光电探测器的输出端口和所述氧化镓紫外光电探测器的输出端口均与所述信号放大器的输入端口电连接；所述微控制器的输出端口分别与所述led三档绿灯、所述led三档黄灯和所述led三档红灯电连接。
10.优选地，所述信号放大器包括第一信号放大器、第二信号放大器和第三信号放大器；所述模式转换器包括第一模式转换器、第二模式转换器和第三模式转换器；
11.所述第一信号放大器的输入端口与所述氧化锌紫外光电探测器的输出端口相连，所述第一信号放大器的输出端口与所述第一模式转换器的输入端口相连；
12.所述第二信号放大器的输入端口与所述锌镓氧紫外光电探测器的输出端口相连，所述第二信号放大器的输出端口与所述第二模式转换器的输入端口相连；
13.所述第三信号放大器的输入端口与所述氧化镓紫外光电探测器的输出端口相连，所述第三信号放大器的输出端口与所述第三模式转换器的输入端口相连；
14.所述第一模式转换器的输出端口、所述第二模式转换器的输出端口和所述第三模式转换器的输出端口均与所述微控制器的输入端口相连。
15.优选地，所述第一信号放大器的输入端口与所述氧化锌紫外光电探测器的输出端口电连接，所述第一信号放大器的输出端口与所述第一模式转换器的输入端口电连接；
16.所述第二信号放大器的输入端口与所述锌镓氧紫外光电探测器的输出端口电连接，所述第二信号放大器的输出端口与所述第二模式转换器的输入端口电连接；
17.所述第三信号放大器的输入端口与所述氧化镓紫外光电探测器的输出端口电连接，所述第三信号放大器的输出端口与所述第三模式转换器的输入端口电连接；
18.所述第一模式转换器的输出端口、所述第二模式转换器的输出端口和所述第三模式转换器的输出端口均与所述微控制器的输入端口电连接。
19.优选地，所述微控制器采用型号为stm32f103c8t6的芯片分别控制所述led三档绿灯、所述led三档黄灯和所述led三档红灯的档位。
20.优选地，所述玻璃基底为双面板路；
21.所述玻璃基底的第一板路集成供电单元、光电转换单元和信号处理单元；
22.所述玻璃基底的第二板路集成可视化展示单元。
23.优选地，所述模式转换器的芯片型号为ad7920brmz；
24.信号放大器的型号为uvm-30a。
25.优选地，所述供电单元为干电池。
26.优选地，所述干电池为碱性锌猛干电池。
27.本发明提出的一种可视化的智能光导型紫外光电探测装置的探测方法，包括如下步骤：
28.首先，将供电单元分别与光电转换单元、信号处理单元和可视化展示单元电连接，为光电转换单元、信号处理单元和可视化展示单元提供电力；
29.其次，光电转换单元中的氧化锌紫外光电探测器、锌镓氧紫外光电探测器和氧化镓紫外光电探测器感应并收集当前环境下的紫外辐射强度光信号，并将紫外辐射强度光信号传输给信号放大器，信号放大器放大紫外辐射强度光信号后，再将放大后的紫外辐射强度光信号传给模式转换器，模式转换器将放大的紫外辐射强度光信号转换为数字信号；微控制器接收模式转换器传来的数字信号，并对数字信号进行比对分析，微控制器控制所述led三档绿灯、所述led三档黄灯和所述led三档红灯点亮对应挡位的灯光；
30.最后，将光电转换单元、信号处理单元、可视化展示单元和供电单元均集成在玻璃基底上，实现紫外光辐射强度的实时探测。
31.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
32.本发明提供了一种可视化的智能光导型紫外光电探测装置，以供电单元作为电源给光电转换单元、信号处理单元和可视化展示单元提供电力，光电转换单元中的氧化锌紫外光电探测器、锌镓氧紫外光电探测器和氧化镓紫外光电探测器运行后，氧化锌紫外光电探测器的输入端口、锌镓氧紫外光电探测器的输入端口和氧化镓紫外光电探测器的输入端口均感应并收集当前环境的实时紫外光辐射强度信息，之后，由于采集到的紫外光辐射强度的光信号比较微弱，所以将紫外光辐射强度的光信号传送到信号放大器，以此来放大采集到的紫外光辐射信号，再通过模式转换器将被放大的紫外光辐射信号转换为能够被微控制器识别感应的数字信号。微控制器的输出端口分别与led三档绿灯、led三档黄灯和led三档红灯相连，用来接收放大后的紫外辐射强度信号并以不同灯光的形式反映紫外辐射强度的大小。本发明提出的可视化的智能光导型紫外光电探测装置，将光电转换单元、信号处理单元、可视化展示单元和供电单元均集成在玻璃基底上，能够让使用者可以快速地监测到当前环境下的紫外光辐射强度，并且能够让使用者清晰、准确地得知当前场景下紫外光辐射强度的等级，从而可以判断出此时此刻是否适宜出行。玻璃基底相对于其他基底，成本非常廉价，便于器件的集成，耐用耐高温，物理化学性质较为稳定，玻璃基底表面耐摩擦易于清理，透明无刺激性气味且对人体及自然环境无害。通过供电单元提供电力，电量充足使用流畅，且成本廉价，在多种工作环境下可重复使用。光电转换单元包括氧化锌紫外光电探测器、锌镓氧紫外光电探测器和氧化镓紫外光电探测器，三种探测器的集成，实现了深紫外区、中紫外区以及近紫外区紫外光辐射强度的实时监测，让使用者可以清晰、准确地得知当前环境下紫外光辐射强度的等级，从而可以判断出此时此刻是否适宜出行。
33.进一步地，碱性锌猛干电池相比于其他干电池，其储存期内自放电率小，存储寿命较长，低温性能好且非常耐用。
34.进一步地，所使用的信号放大器型号为uvm-30a，用来将微弱的电信号放大；模式转换器型号为ad7920brmz的芯片能够将经过放大器产生的模拟信号转换为数字信号，之后再输入到可视化展示单元。
35.进一步地，微控制器的型号为stm32f103c8t6能够识别感应到由模式转换器输出的数字信号并且与三个档位的灯光电流激活阈值进行比较后，控制点亮对应三档的灯光。
36.本发明提供了一种可视化的智能光导型紫外光电探测装置的探测方法，以供电单元作为电源给光电转换单元、信号处理单元和可视化展示单元提供电力，将供电单元、光电
转换单元、信号处理单元和可视化展示单元皆集成在玻璃基底上，能够让使用者可以快速地监测到当前环境下的紫外光辐射强度，并且能够让使用者清晰、准确地得知当前场景下紫外光辐射强度的等级，从而可以判断出此时此刻是否适宜出行，在智能可视化探测系统有着良好的应用前景。
附图说明
37.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
38.图1为本发明可视化的智能光导型紫外光电探测装置的系统框图。
39.图2为本发明可视化的智能光导型紫外光电探测装置的整体结构示意图。
40.其中：1-玻璃基底；2-氧化锌紫外光电探测器；3-锌镓氧紫外光电探测器；4-氧化镓紫外光电探测器；5-信号放大器；5-1-第一信号放大器；5-2-第二信号放大器；5-3-第三信号放大器；6-模式转换器；6-1-第一模式转换器；6-2-第二模式转换器；6-3-第三模式转换器；7-led三档绿灯；8-led三档黄灯；9-led三档红灯；10-干电池。
具体实施方式
41.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
42.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
44.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
45.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
46.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中
间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
48.本发明提供了一种可视化的智能光导型紫外光电探测装置，如图1所示，包括供电单元、光电转换单元、信号处理单元和可视化展示单元。供电单元、光电转换单元、信号处理单元和可视化展示单元皆集成在玻璃基底1上，光电转换单元、信号处理单元和可视化展示单元均与供电单元电连接，并且为光电转换单元、信号处理单元和可视化展示单元提供电力。光电转换单元与信号处理单元相连，信号处理单元与可视化展示单元相连。
49.光电转换单元包括氧化锌紫外光电探测器2、锌镓氧紫外光电探测器3和氧化镓紫外光电探测器4，光电转换单元用于感应并收集当前的紫外光辐射信号。
50.信号处理单元包括信号放大器5和模式转换器6，信号放大器5用来放大光电转换单元输出的电信号，之后再通过模式转换器6将接收到的模拟电信号转换为数字信号。
51.可视化展示单元包括微控制器、led三档绿灯7、led三档黄灯8和led三档红灯9，分别用氧化锌紫外光电探测器2、锌镓氧紫外光电探测器3和氧化镓紫外光电探测器4通过信号处理单元输出的数字信号以光亮的形式给使用者展现出来，其中，微控制器的作用是感应、接收数字信号并且通过得到的数字信号、分析此时紫外光线的强度等级和控制开启或熄灭所对应的灯光。
52.氧化锌紫外光电探测器2的输出端口、锌镓氧紫外光电探测器3的输出端口和氧化镓紫外光电探测器4的输出端口均与信号放大器5的输入端口相连，用于传输不同波长的紫外辐射强度光信号；信号放大器5的输出端口与模式转换器6的输入端口相连，模式转换器6的输出端口与微控制器的输入端口相连，微控制器的输出端口分别与led三档绿灯7、led三档黄灯8和led三档红灯9相连，用于传输/接收放大后的紫外辐射强度信号并以不同灯光的形式反映紫外辐射强度的大小。
53.优选地，信号放大器5包括第一信号放大器5-1、第二信号放大器5-2和第三信号放大器5-3；模式转换器6包括第一模式转换器6-1、第二模式转换器6-2和第三模式转换器6-3；第一信号放大器5-1的输入端口与氧化锌紫外光电探测器2的输出端口相连，第一信号放大器5-1的输出端口与第一模式转换器6-1的输入端口相连；第二信号放大器5-2的输入端口与锌镓氧紫外光电探测器3的输出端口相连，第二信号放大器5-2的输出端口与第二模式转换器6-2的输入端口相连；第三信号放大器5-3的输入端口与氧化镓紫外光电探测器4的输出端口相连，第三信号放大器5-3的输出端口与第三模式转换器6-3的输入端口相连；第一模式转换器6-1的输出端口、第二模式转换器6-2的输出端口和第三模式转换器6-3的输出端口均与微控制器的输入端口相连。微控制器采用型号为stm32f103c8t6的芯片分别控制led三档绿灯7、led三档黄灯8和led三档红灯9的档位。信号放大器5的型号为uvm-30a，模式转换器6的芯片型号为ad7920brmz。
54.优选地，氧化锌紫外光电探测器2的输出端口、锌镓氧紫外光电探测器3的输出端口和氧化镓紫外光电探测器4的输出端口均与信号放大器5的输入端口电连接；微控制器的输出端口分别与led三档绿灯7、led三档黄灯8和led三档红灯9电连接。第一信号放大器5-1的输入端口与氧化锌紫外光电探测器2的输出端口电连接，第一信号放大器5-1的输出端口与第一模式转换器6-1的输入端口电连接；第二信号放大器5-2的输入端口与锌镓氧紫外光
电探测器3的输出端口电连接，第二信号放大器5-2的输出端口与第二模式转换器6-2的输入端口电连接；第三信号放大器5-3的输入端口与氧化镓紫外光电探测器4的输出端口电连接，第三信号放大器5-3的输出端口与第三模式转换器6-3的输入端口电连接；第一模式转换器6-1的输出端口、第二模式转换器6-2的输出端口和第三模式转换器6-3的输出端口均与微控制器的输入端口电连接。
55.优选地，玻璃基底1为双面板路，如图2所示，玻璃基底1的第一板路集成供电单元、光电转换单元和信号处理单元，玻璃基底1的第二板路集成可视化展示单元。
56.优选地，供电单元为干电池10，干电池10采用价格成本低廉、耐用、电流量大并且储存寿命长的碱性锌锰电池。
57.倘若此时环境处于近紫外区(320nm＜λ＜400nm)，即光照中含有uva，则氧化锌紫外光电探测器2会将其感应并且采集，之后通过信号处理单元将电信号传送给微控制器，微控制器首先会感应出电信号的强度，其次将电信号的强度与设置的低、中、高的数值进行比较，最后判断出此时接收到的电信号的强弱大小，低强度时紫外线强度值为0～1000μw/cm2,器件光电流i
p
＜1
×
10-8
(a)，则点亮led三档绿灯7的一档绿灯，表示此时紫外线强度很弱，适合外出；中强度时，紫外线强度值为1000～3000μw/cm2,光电流1
×
10-8
(a)≤i
p
＜1
×
10-5
(a)，则点亮led三档绿灯7的一、二档绿灯，表示此时紫外线强度适中；高强度时，紫外线强度值大于3000μw/cm2,光电流i
p
≥1
×
10-5
(a)，则点亮led三档绿灯7的一、二、三档绿灯，表示此时紫外线强度过高，不宜出行，使用者出行需要做好紫外线防护措施。
58.倘若此时环境处于中紫外区(275nm＜λ＜320nm)，即光照中含有uvb且可能含有uva，则锌镓氧紫外光电探测器3会将其感应并且采集，之后通过信号处理单元将电信号传送给微控制器，微控制器首先会感应出电信号的强度，其次将电信号的强度与设置的低、中、高的数值进行比较，最后判断出此时接收到的电信号的强弱大小，低强度时紫外线强度值为0～1000μw/cm2,器件光电流i
p
＜1
×
10-8
(a)，则点亮led三档黄灯8的一档黄灯；中强度时，紫外线强度值为1000～3000μw/cm2,光电流1
×
10-8
(a)≤i
p
＜1
×
10-5
(a)，则点亮led三档黄灯8的一、二档黄灯；高强度时，紫外线强度值大于3000μw/cm2,光电流i
p
≥1
×
10-5
(a)，则点亮led三档黄灯8的一、二、三档黄灯。一旦led三档黄灯8被点亮，所处环境光线中的uvb对人体具有红斑作用，能促进体内矿物质代谢和维生素d的形成，但长期或过量照射会令皮肤晒黑，并引起红肿脱皮，所以给予使用者无论led三档黄灯8亮起一、二或三个，此时紫外强度都很大、不宜出行的提醒。
59.倘若此时环境处于深紫外区(200nm＜λ＜275nm)，即光照中含有uvc且可能含有uva、uvb，则氧化镓紫外光电探测器4会将其感应并且采集，之后通过信号处理单元将电信号传送给微控制器，微控制器首先会感应出电信号的强度，其次将电信号的强度与设置的低、中、高的数值进行比较，最后判断出此时接收到的电信号的强弱大小，低强度时紫外线强度值为0～1000μw/cm2,器件光电流i
p
＜1
×
10-8
(a)，则点亮led三档红灯9的一档红灯；中强度时，紫外线强度值为1000～3000μw/cm2,光电流1
×
10-8
(a)≤i
p
＜1
×
10-5
(a)，则点亮led三档红灯9的一、二档红灯；高强度时，紫外线强度值大于3000μw/cm2,光电流i
p
≥1
×
10-5
(a)，则点亮led三档红灯9的一、二、三档红灯。所处环境光线中的uvc是最强大、最致命的一种紫外线，uvc不仅致癌，还能快速灭菌。所以给予使用者只要led三档红灯9有被点亮，那么此时紫外光强度极大、极强的提醒。
60.本发明还提出了一种可视化的智能光导型紫外光电探测装置的探测方法，步骤如下：
61.第一步，将碱性干电池10分别与光电转换单元、信号处理单元和可视化展示单元电连接，为光电转换单元、信号处理单元和可视化展示单元提供电力；
62.第二步，光电转换单元中的氧化锌紫外光电探测器2、锌镓氧紫外光电探测器3和氧化镓紫外光电探测器4运行后，氧化锌紫外光电探测器2的输入端口、锌镓氧紫外光电探测器3的输入端口和氧化镓紫外光电探测器4的输入端口感应并收集当前的紫外光辐射信号；
63.第三步，氧化锌紫外光电探测器2的输出端口、锌镓氧紫外光电探测器3的输出端口和氧化镓紫外光电探测器4的输出端口将收集到的紫外光辐射信号传送到信号处理单元中的信号放大器5，之后得到了被放大的紫外光辐射强度信号，再通过模式转换器6将放大的紫外光辐射信号转换为能够被微控制器识别感应的数字信号；
64.第四步，可视化展示单元中的微控制器识别感应到数字信号并且与三个档位的电流值进行比较后，控制点亮对应档位的灯光；
65.最后，将光电转换单元、信号处理单元、可视化展示单元和供电单元皆集成在玻璃基底1上，实现详细的多波段(近紫外、中紫外、深紫外)识别、智能可视化的紫外光辐射强度的准确实时探测。
66.本发明公开了一种可视化的智能光导型紫外光电探测装置及探测方法，目的在于解决现有紫外探测器成本高、工艺繁琐、探测紫外波段单一粗略的缺陷问题，并且实现探测器的高灵敏度、可视化、可重复利用的特性。本发明以干电池10作为内置电源，为光电转换单元、信号处理单元和可视化展示单元提供电力；利用三种不同紫外光电探测器采集当前环境中三种不同紫外区的实时紫外辐射光强数据并将数据传输至信号放大器5；利用信号放大器5得到放大信号，之后将其传送给模式转换器6，将被放大的模拟电信号转换为数字信号；最后将得到的数字信号传送给微控制器，利用微控制器对接收到的数字信号进行感应识别，并且分别对三种不同颜色的灯做出响应以及控制点亮灯光的个数来向使用者展现出此时此刻当前环境下紫外光强度的大小，能够让使用者清晰、准确地判断出此时此刻是否适宜出行，如若不宜出行，根据当前紫外光辐射强度应当做出怎样的防护措施。光电转换单元、信号处理单元、可视化展示单元和供电单元都集成在玻璃基底1上，具有成本廉价，耐用耐高温，电量充足，能够实时监测的特性，并且给予当前环境下清晰易懂、直观可视化的紫外线强度等级，使用者可根据探测器提供的紫外强度级别来安排合适的外出时间，做好合理的防范措施。
67.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。