CN112985593B - 一种频率型光电转换器、装置及方法 - Google Patents

一种频率型光电转换器、装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种频率型光电转换器、装置及方法，转换器包括圆形基座、圆柱形金属外壳、光频转换单元、透光片和底座；光频转换单元和透光片固定于圆柱形金属外壳内；圆柱形金属外壳开口一端与底座固定连接；圆形基座与底座固定连接，并置于圆柱形金属外壳内，其用于固定光频转换单元。本发明通过频率型光电转换装置将光信号强度转换成频率信号，通过频率差快速获取光照强度，避免了暗电流对测量的影响。

Description

一种频率型光电转换器、装置及方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体涉及一种频率型光电转换器、装置及方法。
背景技术
光电转换器是利用材料的光电效应制作而成的探测器，它主要利用光电效应将光信号转换成电信号。自光电效应发现至今，光电转换器件获得了突飞猛进的发展，已广泛应用于各行各业。
目前常用的光电效应转换器件有光敏电阻、光电池、光电倍增器、光电二极管、光电三极管等，这些光电转换器件都是基于半导体材料制成。光检测能力取决于材料的本征能带结构属性，例如吸收系数，并且取决于半导体结的几个特征，例如掺杂分布、结深度、隔离结构深度(LOCOS或STI)等。
光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。光电池是把光能直接变成电能的器件，可作为能源器件使用。光电倍增管一般用来检测强度较弱的光信号，其性能主要由光阴极、倍增极和极间电压决定。光电二极管和光电三极管利用了PN结的反向特性，没有光照时，PN结反向电流极其微弱；有光照时，PN结反向电流迅速增大产生光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管或者光电三极管的电流发生变化。
当然，上述几种光电转换器件是将光信号转换成电流信号或者电压信号，也存在一定的缺陷和不足，比如：光敏电阻在强光照射下光电转换线性较差，光电驰豫过程较长，频率响应(器件检测变化很快的光信号的能力)很低。光电池的频率响应尤其是高频响应特性很差。光电倍增管主要用作微弱光信号检测，应避免强光直接入射。光电二极管和光电三极管都存在暗电流。暗电流必须预先测量，特别是当光电二极管被用作精密的光功率测量时，暗电流产生的误差必须认真考虑并加以校正。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种频率型光电转换器、装置及方法解决了现有光电转换器件存在暗电流的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种频率型光电转换器，其包括：圆形基座、圆柱形金属外壳、光频转换单元、透光片和底座；
光频转换单元和透光片固定于圆柱形金属外壳内；圆柱形金属外壳开口一端与底座固定连接；圆形基座与底座固定连接，并置于圆柱形金属外壳内，其用于固定光频转换单元。
进一步地，光频转换单元包括：驱动电路和压电谐振式传感器；压电谐振式传感器的输出端与驱动电路的输入端连接。
进一步地，压电谐振式传感器通过带状支架固定在圆柱形金属外壳内；带状支架的一端与圆形基座固定连接，其另一端与压电谐振式传感器固定连接。
进一步地，圆柱形金属外壳上与开口一端相对的另一端设有开孔；透光片固定在开孔和压电谐振式传感器之间。
进一步地，底座上固定有4根引出针，4根引出针置于圆柱形金属外壳外；
驱动电路的电源端和驱动电路的输出端分别与1根引出针通过金丝绑定方式对应连接；驱动电路的接地端与另外2根引出针通过金丝绑定方式连接。
进一步地，驱动电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、接地电阻R4、电阻R5、接地电阻R6、接地电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、接地电容C5、电容C6、接地电容C7、接地电容C8、电容C9、接地电容C10、稳压二极管D1、晶振Y1、电感L1、电感L2、驱动芯片U1和三极管Q1；
电阻R1的一端作为驱动电路的输入端，其另一端分别与电感L1的一端、接地电容C1、稳压二极管D1的负极和电容C4的一端连接；电感L1的另一端分别与电容C2的一端、电容C3的一端和晶振Y1的一端连接；电容C4的另一端分别与电容C2的一端和电容C3的一端连接；稳压二极管D1的正极接地；三极管Q1的基极分别与电阻R2的一端、晶振Y1的另一端和电容C6的一端连接，其集电极与电阻R3的一端连接，其发射极分别与电容C6的一端、接地电容C7、接地电阻R4、电感L2的一端和电容C9的一端连接；驱动芯片U1的输入端IN分别与电容C9的另一端、电阻R5的一端和接地电阻R6连接，其VCC端分别与电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、接地电容C5、电阻R5的另一端和接地电容C10连接，并作为驱动电路的电源端；电感L2的另一端与接地电容C8连接；驱动芯片U1的输出端OUT作为驱动电路的输出端。
进一步地，压电谐振式传感器包括：传感器晶片、第一传感器电极和第二传感器电极；传感器晶片固定在第一传感器电极和第二传感器电极之间。
提供一种频率型光电转换装置，其包括：光频转换单元、信号调理采集单元、信号处理单元、显示单元和直流稳压单元；
光频转换单元的输出端与信号调理采集单元的输入端通信连接；信号处理单元分别与信号调理采集单元的输出端和显示单元通信连接；直流稳压单元与光频转换单元电连接；光频转换单元包括：驱动电路和压电谐振式传感器；压电谐振式传感器的输出端与驱动电路的输入端连接。
提供一种频率型光电转换装置，其包括以下步骤：
S1、在无光信号照射光频转换单元的光窗口时，测量频率光频转换单元的输出频率，得到光频转换单元的无光输出频率；
S2、将光信号对准并照射到光频转换单元的光窗口，测量光频转换单元的输出频率，得到光频转换单元的有光输出频率；
S3、根据光频转换单元的无光输出频率和有光输出频率，计算光电转换器的光信号强度。
进一步地，步骤S3中计算光电转换器的光信号强度的公式为：
Δf＝CPf·f0·P
其中Δf为光频转换单元中压电谐振式传感器的有光输出频率与无光输出频率的频率差；CPf为光频转换单元中压电谐振式传感器的光强-频率转换系数；f0为光频转换单元中压电谐振式传感器无光信号照射时输出的频率；P是光照强度，即光信号强度。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过频率型光电转换装置将光信号强度转换成频率信号，通过频率差快速获取光照强度，避免了暗电流对测量的影响。
2、时间频率本身是七大基本物理量之一，可以作为计量标准，易于精确测量，所以本发明所述光电转换方法具有更高的精度。
3、本发明采用了频率型光电转换装置进行光电转换，利用传感器的光强-频率特性关系，将光照强度用传感器的频率量来表征，更容易实现高精度测量。
4、该光电转换方法具有响应快速、响应频段宽等特点，配合集成的驱动电路和透光片，易于大批量生产。
5、本申请的驱动电路带有温度补偿功能，可以抵消外界环境温度引起压电谐振式转换器的频率漂移。
6、本申请方形基座和金属盖板主要是与透光片一起将压电谐振式传感器封装起来，起密封作用，防止压电谐振式传感器受到污染而影响其性能。
7、透光片还可以让照射光聚集起来，其聚焦点为压电谐振式传感器电极位置，聚焦点大小等于电极大小，以提高压电谐振式传感器的响应灵敏度和准确度。
附图说明
图1为频率型光电转换器的结构示意图；
图2为圆形基座底部的结构示意图；
图3为驱动电路的电路图；
图4为压电谐振式传感器的结构示意图；
图5为频率型光电转换装置的结构框图；
图6为频率型光电转换方法的流程图。
其中：1、圆形基座；2、圆柱形金属外壳；3、驱动电路；4、底座；5、透光片；6、带状支架；7、玻璃釉、8、引出针；9、压电谐振式传感器；10、导电胶；91、传感器晶片；92、第一传感器电极；93、第二传感器电极。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，该频率型光电转换器包括：圆形基座1、圆柱形金属外壳2、光频转换单元、透光片5和底座4；圆形基座1为绝缘材质；
光频转换单元和透光片5固定于圆柱形金属外壳2内；圆柱形金属外壳2开口一端与底座4固定连接；圆形基座1与底座4固定连接，并置于圆柱形金属外壳2内，其用于固定光频转换单元。
光频转换单元包括：驱动电路3和压电谐振式传感器9；压电谐振式传感器9的输出端与驱动电路3的输入端连接。驱动电路3通过绝缘胶固定到圆形基座1上。
压电谐振式传感器9通过带状支架6固定在圆柱形金属外壳2内；带状支架6的一端通过导电胶10与圆形基座1固定连接，其另一端通过导电胶10与压电谐振式传感器9固定连接，带状支架6上通过金丝绑定方式与驱动电路3连接，实现压电谐振式传感器9与驱动电路3连接。
圆柱形金属外壳2上与开口一端相对的另一端设有开孔；透光片5固定在开孔和压电谐振式传感器9之间。
底座4上固定有4根引出针8，4根引出针8置于圆柱形金属外壳2外；驱动电路3的电源端和驱动电路3的输出端分别与1根引出针8通过金丝绑定方式对应连接；驱动电路3的接地端与另外2根引出针8通过金丝绑定方式连接。
如图2所示，圆形基座1带有4根引出针8及封装标记，4根引出针8以圆形基座1的中心为对称中心均匀分布，以顺时针方向分别编号为1#～4#。其中，1#引出针8对准圆形基座1的封装标记，定义为光电转换器的电源供电端，2#和4#引出针8定义为光电转换器的接地端，3#引出针8定义为光电转换器的输出端。
圆柱形金属外壳2顶部开孔，透光片5内置于圆柱形金属外壳2，并对应安装于圆柱形金属外壳2开孔处。将安装好透光片5的圆柱形金属外壳2倒扣于圆形基座1上，利用冷压焊或者电阻焊与圆形基座1密封封装。
如图3所示，驱动电路3包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、接地电阻R4、电阻R5、接地电阻R6、接地电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、接地电容C5、电容C6、接地电容C7、接地电容C8、电容C9、接地电容C10、稳压二极管D1、晶振Y1、电感L1、电感L2、驱动芯片U1和三极管Q1；
电阻R1的一端作为驱动电路3的输入端，其另一端分别与电感L1的一端、接地电容C1、稳压二极管D1的负极和电容C4的一端连接；电感L1的另一端分别与电容C2的一端、电容C3的一端和晶振Y1的一端连接；电容C4的另一端分别与电容C2的一端和电容C3的一端连接；稳压二极管D1的正极接地；三极管Q1的基极分别与电阻R2的一端、晶振Y1的另一端和电容C6的一端连接，其集电极与电阻R3的一端连接，其发射极分别与电容C6的一端、接地电容C7、接地电阻R4、电感L2的一端和电容C9的一端连接；驱动芯片U1的输入端IN分别与电容C9的另一端、电阻R5的一端和接地电阻R6连接，其VCC端分别与电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、接地电容C5、电阻R5的另一端和接地电容C10连接，并作为驱动电路3的电源端；电感L2的另一端与接地电容C8连接；驱动芯片U1的输出端OUT作为驱动电路3的输出端。
如图4所示，压电谐振式传感器9包括：传感器晶片91、第一传感器电极92和第二传感器电极93；传感器晶片91固定在第一传感器电极92和第二传感器电极93之间，其形状为圆形，传感器晶片91为圆形。
如图5所示，该频率型光电转换装置包括：光频转换单元、信号调理采集单元、信号处理单元、显示单元和直流稳压单元；光频转换单元的输出端与信号调理采集单元的输入端通信连接；信号处理单元分别与信号调理采集单元的输出端和显示单元通信连接；直流稳压单元与光频转换单元电连接；光频转换单元包括：驱动电路3和压电谐振式传感器9；压电谐振式传感器9的输出端与驱动电路3的输入端连接。
驱动电路3的主要作用是驱动频率型光电转换装置，使频率型光电转换装置正常工作，并输出频率；同时，驱动电路3带有温度补偿功能，可以抵消外界环境温度引起的频率型光电转换装置的频率漂移。
压电谐振式传感器9的主要作用是将照射到其表面的光信号转换为频率信号并通过驱动电路3输出。
圆形基座1和圆柱形金属外壳2主要是与透光片5一起，将压电谐振式传感器9和驱动电路3封装起来，起密封作用，防止其受到污染而影响性能。
如图6所示，该频率型光电转换方法包括以下步骤：
S1、在无光信号照射光频转换单元的光窗口时，测量频率光频转换单元的输出频率，得到光频转换单元的无光输出频率；
S2、将光信号对准并照射到光频转换单元的光窗口，测量光频转换单元的输出频率，得到光频转换单元的有光输出频率；
S3、根据光频转换单元的无光输出频率和有光输出频率，计算光电转换器的光信号强度，对应公式为：
Δf＝CPf·f0·P
其中Δf为光频转换单元中压电谐振式传感器9的有光输出频率与无光输出频率的频率差；CPf为光频转换单元中压电谐振式传感器9的光强-频率转换系数；f0为光频转换单元中压电谐振式传感器9无光信号照射时输出的频率；P是光照强度，即光信号强度。
综上所述，本发明通过频率型光电转换装置将光信号强度转换成频率信号，通过频率差快速获取光照强度，避免了暗电流对测量的影响。

Claims (5)

1.一种频率型光电转换器，其特征在于，包括：圆形基座(1)、圆柱形金属外壳(2)、光频转换单元、透光片(5)和底座(4)；
所述光频转换单元和透光片(5)固定于圆柱形金属外壳(2)内；所述圆柱形金属外壳(2)开口一端与底座(4)固定连接；所述圆形基座(1)与底座(4)固定连接，并置于圆柱形金属外壳(2)内，其用于固定光频转换单元；
光频转换单元包括：驱动电路(3)和压电谐振式传感器(9)；所述压电谐振式传感器(9)的输出端与驱动电路(3)的输入端连接；
驱动电路(3)包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、接地电阻R4、电阻R5、接地电阻R6、接地电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、接地电容C5、电容C6、接地电容C7、接地电容C8、电容C9、接地电容C10、稳压二极管D1、晶振Y1、电感L1、电感L2、驱动芯片U1和三极管Q1；
所述电阻R1的一端作为驱动电路(3)的输入端，其另一端分别与电感L1的一端、接地电容C1、稳压二极管D1的负极和电容C4的一端连接；所述电感L1的另一端分别与电容C2的一端、电容C3的一端和晶振Y1的一端连接；所述电容C4的另一端分别与电容C2的一端和电容C3的一端连接；所述稳压二极管D1的正极接地；所述三极管Q1的基极分别与电阻R2的一端、晶振Y1的另一端和电容C6的一端连接，其集电极与电阻R3的一端连接，其发射极分别与电容C6的一端、接地电容C7、接地电阻R4、电感L2的一端和电容C9的一端连接；所述驱动芯片U1的输入端IN分别与电容C9的另一端、电阻R5的一端和接地电阻R6连接，其VCC端分别与电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、接地电容C5、电阻R5的另一端和接地电容C10连接，并作为驱动电路(3)的电源端；所述电感L2的另一端与接地电容C8连接；所述驱动芯片U1的输出端OUT作为驱动电路(3)的输出端。
2.根据权利要求1所述的频率型光电转换器，其特征在于，所述压电谐振式传感器(9)通过带状支架(6)固定在圆柱形金属外壳(2)内；所述带状支架(6)的一端与圆形基座(1)固定连接，其另一端与压电谐振式传感器(9)固定连接。
3.根据权利要求1所述的频率型光电转换器，其特征在于，所述圆柱形金属外壳(2)上与开口一端相对的另一端设有开孔；所述透光片(5)固定在开孔和压电谐振式传感器(9)之间。
4.根据权利要求1所述的频率型光电转换器，其特征在于，所述底座(4)上固定有4根引出针(8)，所述4根引出针(8)置于圆柱形金属外壳(2)外；
所述驱动电路(3)的电源端和驱动电路(3)的输出端分别与1根引出针(8)通过金丝绑定方式对应连接；驱动电路(3)的接地端与另外2根引出针(8)通过金丝绑定方式连接。
5.根据权利要求1所述的频率型光电转换器，其特征在于，所述压电谐振式传感器(9)包括：传感器晶片(91)、第一传感器电极(92)和第二传感器电极(93)；所述传感器晶片(91)固定在第一传感器电极(92)和第二传感器电极(93)之间。
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