基于光敏二极管的光强度测试仪设计

沈阳航空航天大学课程设计论文基于光敏二极管的光强度测试仪的设计1基于光敏二极管的光强度测试仪设计魏祥沈阳航空航天大学自动化学院摘要：本文利用光敏二极管和LabVIEW编程设计了一个能实现光强度测量及显示的虚拟仪器。该测试仪主要由数据采集、曲线拟合、公式生成和超值报警四个重要组成部分，不仅可以实现光强度的测量及显示，还能拟合出照度与电压的关系曲线。由于本设计使用虚拟仪器技术，用户可以自定义仪器功能，将采集到的电压值和测量所得的光强值在同一块面板上显示。同时可以直观的从示波器上观测照度和电压的关系曲线，通过面板指示的测量值与上限阈值进行分析比较，进而实现超值报警功能。具有量程大，测量精度高等优点。关键词：光敏二极管；LabVIEW；数据采集；曲线拟合一、前言计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。虚拟仪器是仪器技术与计算机技术深层次相结合的产物，是全新概念的测量仪器。自20世纪80年代诞生以来，与前几代测试仪器相比，以前所未有的速度迅猛发展，是仪器领域的一次革命。虚拟仪器将传统的仪器由硬件实现的数据分析、处理与显示等功能改为功能强大的计算机软件来完成。通过配置以获取调理信号为目的的I/O接口设备（数据采集（DAQ）卡、GPIB仪器、VXI总线仪器模块以及串行口仪器等），实现不同的测量、测试功能软件对采集获得的信号进行分析处理。在开发、推广虚拟仪器编程技术方面，出现了许多虚拟仪器开发平台，目前世界上最具代表性的还是美国国家仪器公司（NI）的两个虚拟仪器开发平台：LabWindows/CVI和Labview。编译型图形化编程语言LabVIEW是一种程序开发环境，类似于C和Basic开发环境，也是通用的编程系统。使用图形化的编程语言G编写程序，产生的程沈阳航空航天大学课程设计论文基于光敏二极管的光强度测试仪的设计2序是框图形式，有一个可完成任何编程任务的庞大的函数库。广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件，是目前国际上应用最广泛的虚拟仪器开发环境之一。本文设计的基于光敏二极管的光强度测试仪，采用虚拟仪器技术，运用LabVIEW编程，用户可以自定义仪器功能，将采集到的电压值和测量所得的光强值在同一块面板上显示。具有量程大，测量精度高等优点。同时还可以直观的从示波器上观测照度和电压的关系曲线，通过面板指示的测量值与上限阈值进行分析比较，进而实现超值报警功能。二、总体方案设计运用数据采集程序和硬件（NI公司的数据采集卡）实现数据采集功能，然后通过之前对发光二极管试验的数据收集进行曲线拟合，在拟合曲线时，其关系是用二阶曲线拟合，同时生成二阶形式的曲线公式，最后用采集卡所采集的数据带入拟合曲线中，找到对应的光照强度-电压的关系，达到设计方案目的。其发光二极管的光强测试原理如图:整个方案包括硬件线路连接和软件程序设计两大部分。实现了实验数据的采光照光敏二极管数据测量曲线拟合数据采集公式生成电压显示照度显示超值报警沈阳航空航天大学课程设计论文基于光敏二极管的光强度测试仪的设计3集以及软件数据的输入两大基础功能。硬件电路CSY—G型光电传感器实验仪和数据采集卡两部分构成，基于光敏二极管随光照强度的变化输出电压发生改变。通过光电实验台F\V表显示并记录多组光照强度对应电压的数据。通过数据采集卡将光敏二极管在某个光照强度范围内时，其输出的电压信号采集到计算机内。软件程序主要由数据采集、曲线拟合、公式生成、比较报警四个子程序组成，根据实验记录的多组数据计算机自动生成一个光照强度—电压的二阶函数。采集卡将电压信号输送到计算机后，根据程序设计计算机自动将电压信号转化成光强信号，从而实现对光强的测量。三、硬件原理基于光敏二极管的光强度测试仪硬件电路流程图如图所示：这个设计试验的硬件部分需要分成两块分析：3.1.数据采集电路光敏二极管是一种PN结型半导体光电器件，它的PN结面积一般比普通二极管要大。此外，它一般以扩散层作为受光面。受光面一侧的电极做的较小，为了提高光电转换效率，PN结的结深比普通二极管浅，为了防止光的反射，减小暗电流和提高器件的稳定性，在器件表现必须涂上一层防反射层。光敏二极管在电路中工作在反向状态。无光照时，光敏二极管呈现出很大的反向电阻，可达兆欧姆，只有少数载流AI数据采集卡光敏二极管的光电特性实验电压输出并采集软件设计光照强度、电压的试验数据采集沈阳航空航天大学课程设计论文基于光敏二极管的光强度测试仪的设计4子在反向偏压作用下流过PN结，形成微小的暗电流（反向饱和电流）。有光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对。由于电场作用，在耗尽层中产生的电子向N+区漂移，并在扩散长度以内的电子、空穴也扩散到PN结两侧，然后在电场作用下分别通过耗尽层漂向N+和P区，从而使通过PN结的反向电流大大增加，这就形成了光电流。光电流通过外加负载电阻后产生电压信号输出。电路图如下:3.2.数据采集卡NI是美国国家仪器公司(NationalInstrument)的简称，该公司出品的PCI-NI6024E是一块应用在普通个人计算机上，使用内插式PCI插槽的数据采集卡。使用一根Cable连接至CB-68LP这块具有68个接线柱的接线板上，从而达到数据采集卡上的输入输出与CB－68LP上一一对应。这68个接线柱中常用的是：68(AI0+)，67(AI0GND)，34(AI0-)，以上是模拟输入通道一；22(AO0)；55(AOGND)，上是模拟输出通道一；52(DI/O0)，4(DGND)，以上是数字输入输出口的第一位。并且从56到62是没有定义的。PCI-NI6024E的有关技术资料如下：使用的总线：PCI总线模拟输入：16个单端输入通道或8个差分输入通道输入位数：12位沈阳航空航天大学课程设计论文基于光敏二极管的光强度测试仪的设计5输入最大采样率：200kS/s输入电压范围：±0.05到±10V模拟输出：2个通道输出位数：12位输出最大采样率：10kS/s输出电压范围：±10V数字输入输出：8个定时器/计数器：2个各24位触发方式：数字触发BNC16S型多功能接口盒具有16路单端/8路差分模拟输入，可以测量三种模拟输入信号：差分浮地信号（DIFF_FS）、差分有参考地信号（DIFF_GS）、单端有参考地信号（SINGLE_RSE）。多功能接口盒的信号发生器可以产生正弦波、方波、三角波以及TLL信号，并可通过旋钮调节信号的幅值和频率。该多功能接口盒还具有2路模拟输出。在关机状态，将泛华BNC16S型多功能接口盒与PC机上的数据采集卡联结。如果连接正常，则多功能接口盒上的红色电源指示灯处于点亮状态。将接口盒的信号发生器SOURCE端口与某一模拟输入通道相连。BNC16S型多功能接口盒内部结构如图3所示：1.68芯接口端子6.电源指示灯11.信号源幅度调节沈阳航空航天大学课程设计论文基于光敏二极管的光强度测试仪的设计62.16路单端/8路差分模拟输入7.模拟输出接口端子12.信号源频率调节3.测量方式选择开关8.时频信号接口端子13.信号发生器输出选择4.数字I/O状态LED显示9.2路触发源开关14.信号发生器输出接口端子5.数字I/O接口端子10.信号源频率范围15.模拟输入备用接口端子四、软件设计软件程序设计主要包括数据采集子程序、曲线拟合子程序、公式生成子程序、超值报警子程序四个部分。软件程序流程图如图所示：4.1.数据采集子程序数据采集子程序框图如图所示：数据采集子程序框图数据采集曲线拟合公式生成显示照度测量值-8500?超值报警沈阳航空航天大学课程设计论文基于光敏二极管的光强度测试仪的设计7其中重要数据采集端子说明如下：4.1.1.AIConfig子VI如图所示，AIConfig.vi对指定的通道设置模拟输入操作，包括硬件、计算机内buffer的分配。图6AIConfig.vi常用的端子有：Device：数据采集卡的设备号。Channel：指定模拟输入通道号的串数组。Inputlimit：指定输入信号的范围达到调节硬件增益的目的。Buffersize：单位是scan，控制用于采集数据的AIConfig占用计算机内存的大小。Interchanneldelay：对扫描间隔设置通道间的偏差。4.1.2.AIStart子VI如图所示，AIStart启动带缓冲的模拟输入操作。它控制数据采集速率，采集点的数目，及使用任何硬件触发的选择。它的两个重要输入是：Scanrate(scan/sec)：对每个通道采集的每秒扫描次数。沈阳航空航天大学课程设计论文基于光敏二极管的光强度测试仪的设计8Numberofscanstoacquire：对通道列表的扫描次数。AIStart.vi4.1.3.AIRead子VI如图所示，AIRead是从被AIConfig分配的缓冲读取数据。它能够控制由缓冲读取的点数，读取数据在缓冲中的位置，以及是否返回二进制数或标度的电压数。它的输出是一个二维数组，其中每一列数据对应于通道列表中的一个通道。AIRead.vi4.1.4.AIClear子VI如图所示，AIClear是清除模拟输入操作，清除计算机中分配的缓冲，释放所有DAQ卡的资源，例如计数器等。图9AIClear.vi该程序是由硬件电路输出的电压采样信号通过数据采集卡进入数据采集子程序。最初采集到的电压信号是不稳定的波形信号，会影响到原始信号的准确性，进而导致测量结果的不精确，因此数据采集子程序中首先要用低通滤波器对采集沈阳航空航天大学课程设计论文基于光敏二极管的光强度测试仪的设计9到的不稳定信号做初步的处理，除去采样信号中的干扰信号，使采集到的信号相对稳定。但经低通滤波器处理后的采样信号仍然在一定范围内变化，并非一个确定的输出值，所以其次要接Convertfromdynamicdata()，使采样信号从动态变换的值转变成稳定的值，最后进行算术平均运算后，采样信号就会以较为准确的数值形式在前面板的电压显示器中显示出来。4.2.曲线拟合子程序曲线拟合子程序框图如图所示：曲线拟合子程序框图在该程序中，首先在前面板中建立两个一维数组，分别表示电压和光照强度，将实验数据填入数组中。然后由（GeneralPolynomialFit.vi）进行曲线拟合，输出的y值与表征电压输入的x值经（Bundle.vi）打包成簇后接入XY示波器。为了方便观察比较拟合前后曲线的变化情况，将拟合前后的两组x、y值由Bundle.vi打包成簇，然后把两个这样的簇作为元素通过BuildArray.vi建立数组，即每个数组元素对应一条曲线。然后接入XY示波器，将拟合前后的照度——光强关系曲线同时显示在XY示波器中。4.3.公式生成子程序公式生成子程序框图如图所示：沈阳航空航天大学课程设计论文基于光敏二极管的光强度测试仪的设计10公式生成子程序框图在该程序中，将电压和照度所表示的2个一维数组进行曲线拟合。一般来说，曲线阶数越高，逼近实际测量值的精度越高，但阶数的增高将使计算繁冗，编程复杂，计算时间也迅速增加，因此选取拟合曲线阶数时只要将误差控制到一定范围就可以了，本课设拟合曲线阶数定为2阶。GeneralPolynomialFit.vi的PolynomialFitCoefficients端子将输出一个以拟合曲线2yAxBxC各阶系数为元素组成的一维数组，提取数组中各个系数元素，根据拟合曲线函数表达式：2yAxBxC进行乘、加运算，并将结果输入到照度显示控件中显示。GeneralPolynomialFit.vi引脚图如图所示：GeneralPolynomialFit.vi能接受一维数组形式的输入，同时要求提供与数组Y对应的X数组。所用引脚功能：沈阳航空航天大学课程设计论文基于光敏二极管的光强度测试仪的设计11Y：参与拟合的数组输入端子X：参与拟合的数组输入端子polynomialorder：设定拟合曲线的阶数BestolynomialFit：输出拟合后的Y数组PolynomialFitCoefficients：以数组形式输出拟合曲线对应关