CN108011596A - 光电二极管前置放大及温度控制装置及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电二极管前置放大及温度控制装置及其系统，涉及光电二极管技术领域。包括壳体，壳体为一矩形管结构，壳体内分别装设有一第一电路板和第二电路板，矩形管的两端分别装设有一第一端盖和第二端盖；第一端盖上开设有一第一通孔；第二端盖上开设有一第二通孔。本发明通过利用MCU对温度传感器的输出采样，并通过改变TEC的工作电流，实现了对光电探测单元温度的实时控制，增强了散热效果；通过采用不锈钢壳体，并在两个端盖和壳体密封部分采用双层凸台的结构，提高了本装置的抗电磁干扰和强核辐射的能力；通过在壳体内装设两个叠层电路板，减少了各电路间的相互串扰。
Description
技术领域
本发明属于光电二极管技术领域，特别是涉及一种光电二极管前置放大及温度控制装置及其系统。
背景技术
光电二极管用于光信号检测，雪崩光电二极管主要用于微弱光信号检测，不同的光敏元件配合不同的滤光片，可以实现对不同波段的光信号进行测量。适用范围包括红外光、可见光、紫外光、X射线等。应用领域覆盖航空航天、光通讯、医疗诊断、能源勘探、核测量、安检、食品检测等等。
半导体致冷器(TEC)是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的温控器件。
在量子通信、核医学检测和核测量领域，接近单光子或者极少光子数的微光探测都是一种极为重要的信号测量方法，在这些场合下光电倍增管作为光电转换和信号倍增放大的一种高性能探测器而被广泛应用。在光电倍增管发明和应用的初期，自身探测器体积和相应的放大电路都非常庞大。但随着科技的飞速发展，雪崩光电二极管的体积不断缩小而探测效率不断提升。于此同时随着雪崩光电二极管体积缩小，相应的散热问题的解决和放大电路的设计就提出了更高的要求。同时雪崩光电二极管还应用于聚变装置附近的强磁场环境，所以装置的电磁屏蔽能力也是需要重点考虑的问题。
中国专利公开号CN206077340U，公开日2017年04月05日，该申请公开了一种具有温度补偿功能的光电二极管放大电路，其方案包括与光电二极管依次电连接的前置放大电路和主放大电路、以及用于对光电二极管进行温度补偿的温度补偿电路，从而可以在温度改变条件下增强光电二极管的内部增益稳定。其不足之处是温控效果不够明显，且抗电磁干扰能力较弱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光电二极管前置放大及温度控制装置及其系统，通过利用MCU对温度传感器的输出采样，并通过改变TEC的工作电流，实现了对光电探测单元温度的实时控制，增强了散热效果；通过采用不锈钢壳体，并在两个端盖和壳体密封部分采用双层凸台的结构，提高了本装置的抗电磁干扰和强核辐射的能力；通过在壳体内装设两个叠层电路板，减少了各电路间的相互串扰，解决了现有的光电二极管放大电路温控效果不够明显，且抗电磁干扰能力较弱的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
光电二极管前置放大及温度控制装置，包括壳体，所述壳体为一矩形管结构，所述壳体内分别装设有一第一电路板和第二电路板，旨在减少各电路间的相互串扰，所述矩形管的两端分别装设有一第一端盖和第二端盖；所述第一端盖上开设有一用于装设光电二极管的第一通孔；所述第二端盖上开设有一用于装设高压接口的第二通孔。
进一步地，所述高压接口上装设有一绝缘套环，高压的“浮地”与电路的“信号地”通过单点连接实现减小寄生振荡的发生概率。
进一步地，所述第一端盖和第二端盖一面均设置有一阶梯凸台；所述壳体两端分别开设有一与第一端盖和第二端盖相配合的阶梯槽道，旨在提高本装置的抗电磁干扰和强核辐射的能力。
进一步地，所述第一端盖、第二端盖和壳体的材质均为不锈钢材料。优选的，所述第一端盖、第二端盖和壳体的厚度在5-6mm的范围。
光电二极管前置放大及温度控制系统，包括光电探测单元和前置放大器：所述光电探测单元包括光电二极管、温度传感器和温度反馈控制电路；所述光电二极管将高压作为工作电压；所述光电二极管用于接入光纤，并将探测到的光信号转化成电信号，然后传输至前置放大器进行放大处理；所述前置放大器将信号处理后进行信号输出；所述温度传感器将所采集的光电二极管的温度数据经驱动后传输至MCU进行处理；所述MCU根据光电二极管的温度数据和实时反馈算法向TEC驱动器输出控制信号；所述TEC驱动器通过改变TEC的工作电流对光电探测单元的温度进行实时控制；所述TEC利用珀尔帖效应，在有直流通过时一端吸热，一端放热，从而实现光电二极管的降温导热。
进一步地，所述前置放大器包括第一级前置放大电路、第二级前置放大电路和第三级前置放大电路；所述第一级前置放大电路为互阻放大电路；所述互阻放大电路用于放大光电二极管所输送电流，并将电流信号转化为电压信号；所述第二级前置放大电路为电压放大电路；所述电压放大电路用于提高电压信号幅度；所述第三级前置放大电路为功率放大电路；所述功率放大电路用于提高电路的负载驱动能力。
进一步地，所述光电二极管为一雪崩光电二极管，优选的，所述光电二极管的型号为APISD197-70-74-591，便于对可见光以外的微弱光信号的采集，同时可将采集到的信号进行一定程度的光信号放大，对后期的电路设计开发起到了辅助作用。
进一步地，所述温度传感器为一LM335温度传感器。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过利用MCU对温度传感器的输出采样，并通过改变TEC的工作电流，实现了对光电探测单元温度的实时控制，增强了散热效果，使探测到的微弱光信号转化成电信号放大后可以被直接采集处理。
2、本发明通过采用不锈钢壳体，并在两个端盖和壳体密封部分采用双层凸台的结构，提高了本装置的抗电磁干扰和强核辐射的能力。
3、本发明通过在壳体内装设两个叠层电路板，运用高集成度的硬件电路和器件，在保证信号传输的稳定性和可靠性的前提下，降低了本装置的外观尺寸，同时减少了各电路间的相互串扰。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明的光电二极管前置放大及温度控制装置结构示意图；
图2为本发明的光电二极管前置放大及温度控制装置剖视结构示意图；
图3为本发明的光电二极管前置放大及温度控制装置内部结构示意图；
图4为本发明的前置放大器部分电路原理示意图；
图5为本发明的温度反馈与控制部分电路原理图；
图6为本发明的光电二极管前置放大及温度控制系统图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-壳体，2-第一端盖，3-第二端盖，4-第一电路板，5-第二电路板，6-光电二极管，201-第一通孔，301-第二通孔。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，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组件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。
请参阅图1-5所示，光电二极管前置放大及温度控制装置，包括壳体1，壳体1为一矩形管结构，壳体1内分别装设有一第一电路板4和第二电路板5，旨在减少各电路间的相互串扰，矩形管的两端分别装设有一第一端盖2和第二端盖3；第一端盖2上开设有一用于装设光电二极管6的第一通孔201；第二端盖3上开设有一用于装设高压接口的第二通孔301；优选的，第一电路板4用于光电二极管6的连接、高压接入以及光电二极管6输出信号的引出，第二电路板5用于集成前置放大器和温度反馈控制电路。
其中，高压接口上装设有一绝缘套环，高压的“浮地”与电路的“信号地”通过单点连接实现减小寄生振荡的发生概率。
其中，第一端盖2和第二端盖3一面均设置有一阶梯凸台；壳体1两端分别开设有一与第一端盖2和第二端盖3相配合的阶梯槽道，旨在提高本装置的抗电磁干扰和强核辐射的能力。
其中，第一端盖2、第二端盖3和壳体1的材质均为不锈钢材料。优选的，第一端盖2、第二端盖3和壳体1的厚度在5-6mm的范围。
请参阅图6所示，光电二极管前置放大及温度控制系统，包括光电探测单元和前置放大器：光电探测单元包括光电二极管、温度传感器和温度反馈控制电路；光电二极管将高压作为工作电压，高压连入光电二极管的阴极，并经光电二极管的阳极输出电流进入前置放大器，经过三级放大后输出；光电二极管用于接入光纤，并将探测到的光信号利用雪崩倍增效应输出电信号，工作电压为1700V-2000V，然后传输至前置放大器进行放大处理；前置放大器将信号处理后进行信号输出；温度传感器将所采集的光电二极管的温度数据经驱动后传输至MCU进行处理；MCU根据光电二极管的温度数据和实时反馈算法向TEC驱动器输出控制信号；TEC驱动器通过改变TEC的工作电流对光电探测单元的温度进行实时控制；TEC利用珀尔帖效应，在有直流通过时一端吸热，一端放热，从而实现光电二极管的降温导热。
其中，前置放大器包括第一级前置放大电路、第二级前置放大电路和第三级前置放大电路；第一级前置放大电路为互阻放大电路；互阻放大电路用于放大光电二极管所输送电流，并将电流信号转化为电压信号；第二级前置放大电路为电压放大电路；电压放大电路采用高电压增益的放大器提高电压信号幅度；第三级前置放大电路为功率放大电路；功率放大电路采用射极跟随器提高电路的负载驱动能力。
其中，光电二极管为一雪崩光电二极管，优选的，光电二极管的型号为APISD197-70-74-591，便于对可见光以外的微弱光信号的采集，同时可将采集到的信号进行一定程度的光信号放大，对后期的电路设计开发起到了辅助作用。
其中，温度传感器为一LM335温度传感器。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.光电二极管前置放大及温度控制装置，包括壳体(1)，其特征在于：
所述壳体(1)为一矩形管结构，所述壳体(1)内分别装设有一第一电路板(4)和第二电路板(5)，所述矩形管的两端分别装设有一第一端盖(2)和第二端盖(3)；
所述第一端盖(2)上开设有一用于装设光电二极管(6)的第一通孔(201)；所述第二端盖(3)上开设有一用于装设高压接口的第二通孔(301)。
2.根据权利要求1所述的光电二极管前置放大及温度控制装置，其特征在于，所述高压接口上装设有一绝缘套环。
3.根据权利要求1所述的光电二极管前置放大及温度控制装置，其特征在于，所述第一端盖(2)和第二端盖(3)一面均设置有一阶梯凸台；所述壳体(1)两端分别开设有一与第一端盖(2)和第二端盖(3)相配合的阶梯槽道。
4.根据权利要求1或3所述的光电二极管前置放大及温度控制装置，其特征在于，所述第一端盖(2)、第二端盖(3)和壳体(1)的材质均为不锈钢材料。
5.光电二极管前置放大及温度控制系统，其特征在于，包括光电探测单元和前置放大器：
所述光电探测单元包括光电二极管、温度传感器和温度反馈控制电路；
所述光电二极管用于接入光纤，并将探测到的光信号转化成电信号，然后传输至前置放大器进行放大处理；所述前置放大器将信号处理后进行信号输出；
所述温度传感器将所采集的光电二极管的温度数据传输至MCU进行处理；所述MCU根据光电二极管的温度数据向TEC驱动器输出控制信号；所述TEC驱动器通过改变TEC的工作电流对光电探测单元的温度进行实时控制。
6.根据权利要求5所述的光电二极管前置放大及温度控制系统，其特征在于，所述前置放大器包括第一级前置放大电路、第二级前置放大电路和第三级前置放大电路；
所述第一级前置放大电路为互阻放大电路；所述互阻放大电路用于放大光电二极管所输送电流，并将电流信号转化为电压信号；
所述第二级前置放大电路为电压放大电路；所述电压放大电路用于提高电压信号幅度；
所述第三级前置放大电路为功率放大电路；所述功率放大电路用于提高电路的负载驱动能力。
7.根据权利要求5所述的光电二极管前置放大及温度控制系统，其特征在于，所述光电二极管为一雪崩光电二极管。
8.根据权利要求5所述的光电二极管前置放大及温度控制系统，其特征在于，所述温度传感器为一LM335温度传感器。
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