CN216482779U - 一种基于深紫外光斑位置探测的光斑测量与对准系统 - Google Patents

Abstract

一种基于深紫外光斑位置探测的光斑测量与对准系统，所述系统包括机械位移平台、设置在机械位移平台上的测量电路，所述测量电路包括依次连接的氧化镓四象限光电探测器、I‑V转换电路、电压放大电路、ADC电路、MCU和数码管显示电路，所述电压放大电路的输出还连接紫外线强度可视化电路，所述I‑V转换电路、电压放大电路、紫外线强度可视化电路和ADC电路均使用4组电路，每组检测氧化镓四象限光电探测器的一个象限。与红外探测器相比,紫外探测器更为可靠,且具有高灵敏度、高输岀、高响应速度和应用线路简单等特点。因而可以广泛地应用于燃烧监控、导弹追踪、3D打印固化、精密装配、火灾自报警、放电检测、紫外线检测、及紫外线光电控制装置中。

Description

一种基于深紫外光斑位置探测的光斑测量与对准系统

技术领域

本实用新型涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种基于深紫外光斑位置探测的光斑测量与对准系统。

背景技术

紫外线探测系统在工业生产与生活中扮演着重要角色。特别是基于深紫外的光斑位置检测，由于其检测精度高、抗干扰能力强、虚警率低等优点，被广泛应用于火灾预警、UV光固化、PCB制造、精密工业检测及装配等领域。

由于自然的深紫外光几乎不存在于地球表面，所以就为基于深紫外探测的系统提供了一个天然的背景窗口。正因为此，科学家把目光聚焦到深紫外探测、深紫外通信等领域，由于在探测与通信的过程中需要知道光斑的具体位置，所以迫切的需要能够用于深紫外光斑位置探测装置。目前商用的深紫外四象限位置探测器主要是基于硅、氮化镓为主，这些器件需要借助庞大和昂贵的滤波系统才能实现深紫外光定位，这无疑增加了制备成本和器件体积，同时也降低了器件的灵敏性，制约了在工业和生活中的应用。

实用新型内容

为解决上述问题，提供一种基于深紫外光斑位置探测的光斑测量与对准系统。

本实用新型的目的是以下述方式实现的：

一种基于深紫外光斑位置探测的光斑测量与对准系统，所述系统包括机械位移平台、设置在机械位移平台上的测量电路，所述测量电路包括依次连接的氧化镓四象限光电探测器、I-V转换电路、电压放大电路、ADC电路、MCU和数码管显示电路，所述电压放大电路的输出还连接紫外线强度可视化电路，所述I-V转换电路、电压放大电路、紫外线强度可视化电路和ADC电路均使用4组电路，每组电路检测氧化镓四象限光电探测器的一个象限。

所述氧化镓四象限光电探测器包括蓝宝石衬底，衬底的上端从下到上依次设置有氧化镓薄膜和弧形金叉指电极，所述氧化镓四象限光电探测器具有4个对称的光敏面，单个光敏面由15对弧形金叉指电极构成，电极宽度为100μm，电极间距为50μm；且四个象限之间的死区间距为200μm。

所述I-V转换电路包括第一运算放大器、第三电阻、第五电容和第四电阻，第四电阻的一端分别与输入接口、第三电阻、第五电容的一端连接，第四电阻的另一端连接第一运算放大器的-IN引脚，第三电阻和第五电容的另一端连接至第一运算放大器的OUT引脚，第一运算放大器的输出连接至电压放大电路。

所述电压放大电路包括第二运算放大器，第二运算放大器的反向输入端和输出端之间串联第九电容，正向输入端接地，I-V转换电路的输出依次通过第二一电阻、第二零电阻、第二二电阻连接至第二运算放大器的输出端，第二运算放大器的输出端经第一九电阻输出。

所述紫外线强度可视化电路采用LM3914。

所述ADC芯片采用PCF8591，所述MCU采用MSP430F149。

所述MCU上还连接无线通信电路，所述无线通信电路采用CC2530。

所述机械位移平台采用XYR三轴位移平台，所述XYR三轴位移平台与MCU通信连接。

本实用新型的有益效果：与红外探测器相比,紫外探测器更为可靠,且具有高灵敏度、高输岀、高响应速度和应用线路简单等特点。因而可以广泛地应用于燃烧监控、导弹追踪、3D打印固化、精密装配、火灾自报警、放电检测、紫外线检测、及紫外线光电控制装置中。

附图说明

图1是I-V转换电路图。

图2是电压放大电路图。

图3是电源变换电路图。

图4是紫外线强度可视化电路图。

图5是不同的偏压下氧化镓位置敏感探测器的电流-时间关系曲线。

图6是20V偏压下266nm激光照射时氧化镓位置敏感探测器的瞬态响应图。

图7是在光照以及黑暗条件下四象限探测器的I-V特性图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

一种基于深紫外光斑位置探测的光斑测量与对准系统，所述系统包括机械位移平台、设置在机械位移平台上的测量电路，所述测量电路包括依次连接的氧化镓四象限光电探测器、I-V转换电路、电压放大电路、ADC电路、MCU和数码管显示电路，所述电压放大电路的输出还连接紫外线强度可视化电路，所述I-V转换电路、电压放大电路、紫外线强度可视化电路和ADC电路均使用4组电路，每组检测氧化镓四象限光电探测器的一个象限。

所述氧化镓四象限光电探测器包括蓝宝石衬底，衬底的上端从下到上依次设置有氧化镓薄膜和弧形金叉指电极，所述氧化镓四象限光电探测器具有4个对称的光敏面，单个光敏面由15对弧形金叉指电极构成，电极宽度为100μm，电极间距为50μm；且四个象限之间的死区间距为200μm。

本申请中的氧化镓四象限光电探测器暗电流为10～20pA，最大光电流为4～5nA。需要准确测量这么小数量级的微弱电流，直接进行ADC转换将无法反应流过器件的真实电流，需要设计专门的微弱电流转换电路,将其转换成能够进行一定功率输出的电压信号。微弱电流极易受到环境因素的干扰，甚至会被淹没。很大程度上影响了微弱信号测量电路的灵敏度和测量精度。目前，常见的微弱电流检测的相关仪器仪表能够检测到的最小电流为1fA，其检测精度可达0.1%。I-V转换电路是一种将待测量的微弱电流信号转换并放大为一个幅值较大的电压信号，通过测量转换得到的电压信号从而获得待测微弱电流信号大小的一种方法。由于在转换放大微弱电流信号时，需要使用一个高阻值电阻作为反馈元件，因此该方法又称高阻法。为保证电路的性能, 应该选取高输入电阻、极低的输入偏置电流的运算放大器，以防止输入偏置电流的噪声淹没待测的电流信号以及温度漂移影响输出零点的稳定。

如图1所示，所述I-V转换电路包括第一运算放大器U2、第三电阻R3、第五电容C5和第四电阻R4，第四电阻R4的一端分别与输入接口H1、第三电阻R3、第五电容C5的一端连接，第四电阻R4的另一端连接第一运算放大器U2的-IN引脚，第三电阻R3和第五电容C5的另一端连接至第一运算放大器U2的OUT引脚，第一运算放大器U2的输出连接至电压放大电路。其中第一运算放大器U2、第三电阻R3和第五电容C5构成I-V高阻法转换电路，第四电阻R4提供保护，不至于因偶然输入过压而导致运放损坏。将光电探测器接入到H1位置, 流过光电探测器的电流I与I-V高阻法转换电路的输出U的关系为: U=－R3×I。正常器件的最大输出电流为5×10^(-9)，则I-V转换电路的电压输出为U=－100×10^6×5×10^(-9)=-0.5V。经上述电路设计当器件输出4～5nA最大光电流时, I-V转换电路将输出0.4～0.5V的电压。采用ADI公司所生产的具有极低输入偏置电流的运算放大器ADA4530来放大器件的信号。低电流噪声是低输入电平背景下的先决条件，为了尽可能减小由电流引起的温度的误差，需要求微电流放大器输入端偏置电流尽可能低。ADA4530在－40℃到 +85℃范围内具有小于 1 fA的偏置电流。

如图2所示，所述电压放大电路包括第二运算放大器U1.2，第二运算放大器U1.2的反向输入端和输出端之间串联第九电容C9，正向输入端接地，I-V转换电路的输出依次通过第二一电阻R21、第二零电阻R20、第二二电阻R22连接至第二运算放大器U1.2的输出端，第二运算放大器U1.2的输出端经第一九电阻R19输出。I-V变换电路的输出OUT1被接入到第二运算放大器，由第二运算放大器U1.2进行电压放大。此级的电路要求不高, 因此选择通用运放LM358进行放大即可。第二运算放大器U1.2被设计成一个反相放大器，其放大倍数可由第二零电阻R20进行调节，这是为了适应不同器件的性能差异, 以放大不同的倍数。第九电容C9是反馈电容，用于抵消输入电容的影响，提高响应时间，同时也与第二零电阻R20右半部分和第二二电阻R22的串联电阻一起提供一定的时间常数。第二二电阻R22, 第二一电阻R21是保护电阻，防止可调电阻调为零时损坏运放。

如图3电源变换电路，电路使用三节18650锂电池串联的单电源供电。但放大电路需要双电源供电。我们使用第一二电阻R12、第一三电阻R13分压得到电源电压的一半。将该电压接入运放的同相输入端, 第三运放U1.1被设计成了一个电压跟随器。因此，其输出端的电压也为电源电压的一半，我们将该电压作为模拟电源地与电池的正负极一起构成双电源。图中的电容都是为了给电源滤波，减小电压的波动。图中的网络G会提供给I-V转换电路、电压放大电路以及下文中的光线强度显示电路作为模拟电源地。

所述紫外线强度可视化电路采用LM3914。经过放大后的电压被接入到LM3914中。LM3914是10 LED电平指示器。10级电压比较器的同相输入端与电阻分压器相连，电阻分压器由10只1kΩ精密电阻串联组成，各级比较器的加权值相等，构成10级线性显示驱动器，适用于LED电平表的线性标度器件。工作电压为3V～25V，输出电流在2～30mA范围可调，输出端承压能力为±35V，最大输出限制在30mA之内。输入缓冲器接成跟随器形式，提高了输入阻抗和测量精度。LM3914内部设有迟滞电路，显示不是从一个LED立刻跳到另一个LED，而是平缓过度，可消除噪声干扰，改善输入信号快速变化时引起的闪烁现象。由于内部电阻分压器是浮接的，所以电压测量范围很宽。其调整关系为:

我们将LM3914设置为柱显示模式，低电平参考端电压设定为比模拟电源地稍微低一点。高电平参考端设定为+5V, LED输出电流设定为12mA。PCB上有4组电路, 每组检测一个象限, 每个象限的输出由一组对应的LED灯表示。所亮LED灯柱的高低表示该象限探测器件所接收到的紫外线的强弱。

所述ADC电路采用PCF8591。PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I²C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。PCF8591会将数据发送给MCU,MCU的型号为MSP430F149。

所述MCU上还连接zigbee无线通信电路，所述无线通信芯片采用CC2530。

所述机械位移平台采用XYR三轴位移平台，所述XYR三轴位移平台与MCU通信连接。该位移平台的驱动电机为5相步进电机，使用的电机驱动器为MD5-HF14。单片机通过控制电机驱动器的能够驱动位移平台实现X轴的水平方向、X轴的竖直方向地移动，R轴的圆周方向地移动。实际使用时只需要XY两轴即可, R轴的圆周方向未用。XY轴丝杠的螺距为1mm,设置电机驱动器的步距脚为0.36°，则每1000脉冲导轨移动1mm。

本申请中所用的氧化镓四象限光电探测器的制备流程大致如下：首先，在蓝宝石表面使用PECVD的方法生长一层氧化镓薄膜，然后通过金属热蒸发技术在其表面真空蒸镀一层金，再通过激光直写技术以及湿法刻蚀的技术在金表面制作出氧化镓四象限光电探测器的电极，最后通过封装技术制备出氧化镓四象限光电探测器。该器件由四个弧形的光电探测器组成，这四个部分按照笛卡尔坐标系分列在四个象限上，其分别被标为Q1、Q2、Q3、Q4。其中，每个象限都是一个独立的MSM结构的光电探测器，单个象限是由15对弧形金叉指电极构成，电极宽度为100μm，电极间距为50μm。而且四个象限之间的死区间距为200μm。

氧化镓作为宽禁带半导体材料，带隙大致为4.9eV，其对应的吸收边位于245nm处，位于日盲波段。也即是氧化镓器件只对深紫外波段的光有响应，因此使用氧化镓器件用于深紫外探测，不需要添加额外的滤波装置，系统处理信息少，抗干扰能力强，并且探测器的光响应度高，光电转换能力强。

为了评估位置氧化镓四象限光电探测器的稳定性，在150 W氙灯照射下测量了位置探测器的电流随光照开关时间变化曲线，如图5所示。在不同的偏压下，每隔20 s重复开关光源一次，当光打开时，由于光诱导产生光生载流子，光生电子-空穴在外加电场的作用下分离并分别移向两端电极，产生光电流，电流强度立即增加，随后电流趋于稳定，光照下电流比暗电流高3个数量级。当关闭光源后，电流急剧下降，并恢复至初始暗电流的值。

探测器的瞬态响应能力关系到器件能否快速地对外部信号做出响应，并实时根据输入信号输出相应的信息。如图6所示，20V偏压下266脉冲激光照射下的瞬态时间响应特性。由瞬态响应曲线可以看出氧化镓四象限探测器的上升时间是22μs，下降时间为2.8 ms。因此，可以看出该氧化镓四象限光电探测器对入射光信号具有良好的瞬态响应。

器件的I-V特性曲线如图7所示，由其I-V曲线可以看出，由于本项目中所制备的光电探测器是采用的MSM结构的背靠背肖特基结，两个接触是对称的，所以器件的I-V曲线没有明显的整流特性，而且其在正负偏压下的电流几乎相同。从图中可以看出器件的暗电流极其低，在10 V偏压下仅为6.5×10-10 A，主要原因为制备的Ga2O3具有高的电阻率、宽的禁带宽度。低暗电流是实现高信噪比光电探测器的基本要求之一。当有紫外光照时，器件的光电流明显大于暗电流，出现几个数量级的增大现象，例如，在10 V偏压时，光电流约为8×10-7 A，比相应的暗电流大了3个数量级，这说明制备的器件在光电探测方面中拥有巨大的应用潜力。四象限位置探测器实现位置探测的重要条件就是器件的均一性，只有器件具有良好的均一性才能保证其能很好地应用于光斑的定位与对准。

本系统的工作过程如下：光源发射出日盲紫外光，照射在氧化镓四象限光电探测器上。四象限光电探测器在探测到光斑信号会输出相应的光电流信号，检测电路会将信号处理后传递给单片机。单片机会根据光斑在四个象限上的分布情况，调整位移平台,使光斑照射在器件中心，首先根据四个象限是否都检测到深紫外光来判断光斑是否在器件中心,如果不在中心，单片机会控制导轨进行移动,一边移动一边进行ADC采集,根据数值判断其是否移动到中心。导轨移动的过程中，单片机会记录在XY两个方向移动的步数。单片机同时会根据驱动位移平台的步数解算出初始光斑偏离中心的位置,由此映射到光源在空间中的相对位置。在整个过程中系统还会不断通过Zigbee组成的2.4G无线通信网络将四个象限检测到的日盲紫外光强度和位置信息发送给上位机(电脑)。由此可实现通过一台电脑对多个系统(实际应用中可以是多个火灾监测点)进行监测,实现集群化管理。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于深紫外光斑位置探测的光斑测量与对准系统，其特征在于：所述系统包括机械位移平台、设置在机械位移平台上的测量电路，所述测量电路包括依次连接的氧化镓四象限光电探测器、I-V转换电路、电压放大电路、ADC电路、MCU和数码管显示电路，所述电压放大电路的输出还连接紫外线强度可视化电路，所述I-V转换电路、电压放大电路、紫外线强度可视化电路和ADC电路均使用4组电路，每组电路检测氧化镓四象限光电探测器的一个象限。

2.根据权利要求1所述的基于深紫外光斑位置探测的光斑测量与对准系统，其特征在于：所述氧化镓四象限光电探测器包括蓝宝石衬底，衬底的上端从下到上依次设置有氧化镓薄膜和弧形金叉指电极，所述氧化镓四象限光电探测器具有4个对称的光敏面，单个光敏面由15对弧形金叉指电极构成，电极宽度为100μm，电极间距为50μm；且四个象限之间的死区间距为200μm。

3.根据权利要求1所述的基于深紫外光斑位置探测的光斑测量与对准系统，其特征在于：所述I-V转换电路包括第一运算放大器（U2）、第三电阻（R3）、第五电容（C5）和第四电阻（R4），第四电阻（R4）的一端分别与输入接口（H1）、第三电阻（R3）、第五电容（C5）的一端连接，第四电阻（R4）的另一端连接第一运算放大器（U2）的-IN引脚，第三电阻（R3）和第五电容（C5）的另一端连接至第一运算放大器（U2）的OUT引脚，第一运算放大器（U2）的输出连接至电压放大电路。

4.根据权利要求1所述的基于深紫外光斑位置探测的光斑测量与对准系统，其特征在于：所述电压放大电路包括第二运算放大器（U1.2），第二运算放大器（U1.2）的反向输入端和输出端之间串联第九电容（C9），正向输入端接地，I-V转换电路的输出依次通过第二一电阻（R21）、第二零电阻（R20）、第二二电阻（R22）连接至第二运算放大器（U1.2）的输出端，第二运算放大器（U1.2）的输出端经第一九电阻（R19）输出。

5.根据权利要求1所述的基于深紫外光斑位置探测的光斑测量与对准系统，其特征在于：所述紫外线强度可视化电路采用LM3914。

6.根据权利要求1所述的基于深紫外光斑位置探测的光斑测量与对准系统，其特征在于：所述ADC芯片采用PCF8591，所述MCU采用MSP430F149。

7.根据权利要求1所述的基于深紫外光斑位置探测的光斑测量与对准系统，其特征在于：所述MCU上还连接无线通信电路，所述无线通信电路采用CC2530。

8.据权利要求1所述的基于深紫外光斑位置探测的光斑测量与对准系统，其特征在于：所述机械位移平台采用XYR三轴位移平台，所述XYR三轴位移平台与MCU通信连接。

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