光电传感器测量系统的设计
光电传感器实验报告（文档4篇）
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光电传感器实验报告第一篇实验报告2――光电传感器测距功能测试1．实验目的：了解光电传感器测距的特性曲线；掌握LEGO基本模型的搭建；熟练掌握ROBOLAB软件；2．实验要求：能够用LEGO积木搭建小车模式，并在车头安置光电传感器。
能在光电传感器紧贴红板，以垂直红板的方向作匀速直线倒车运动过程中进行光强值采集，绘制出时间－光强曲线，然后推导出位移－光强曲线及方程。
3．程序设计：编写程序流程图并写出程序，如下所示：ROBOLAB程序设计：4．实验步骤：1) 搭建小车模型，参考附录步骤或自行设计（创新可加分）。
2) 用ROBOLAB编写上述程序。
3) 将小车与电脑用USB数据线连接，并打开NXT的电源。
点击ROBOLAB 的RUN按钮，传送程序。
4) 取一红颜色的纸板（或其他红板）竖直摆放，并在桌面平面与纸板垂直方向放置直尺，用于记录小车行走的位移。
5) 将小车的光电传感器紧贴红板放置，用电脑或NXT的红色按钮启动小车，进行光强信号的采样。
从直尺上读取小车的位移。
6) 待小车发出音乐后，点击ROBOLAB的数据采集按钮，进行数据采集，将数据放入红色容器。
共进行四次数据采集。
7) 点击ROBOLAB的计算按钮，分别对四次采集的数据进行同时显示、平均线及拟和线处理。
8) 利用数据处理结果及图表，得出时间同光强的对应关系。
再利用小车位移同时间的关系（近似为匀速直线运动），推导出小车位移同光强的关系表达式。
5．调试与分析a) 采样次数设为24，采样间隔为0.05s，共运行1.2s。
采得数据如下所示。
b) 在ROBOLAB的数据计算工具中得到平均后的光电传感器特性曲线，如图所示：c) 对上述平均值曲线进行线性拟合，得到的光强与时间的线性拟合函数：d) 取四次实验小车位移的平均值，根据时间与光强的拟合函数求取距离与光强的拟合函数：由上图可得光强与时间的关系为：y=-25.261858×t+56.524457 ; 量取位移为4.5cm，用时1.2s，得：x=3.75×t ;光强与位移的关系为：y= -6.73649547×x+56.524457 ;e) 通过观测上图及导出的光强位移函数可知，光电传感器在短距离里内对位移信号有着良好的线性关系，可以利用光强值进行位移控制。
基于光电传感器的转速测量系统设计_毕业设计
毕业设计学生姓名Xxx学号170302041 院(系) 电子与电气工程专业Xxx题目基于光电传感器的转速测量系统设计指导教师年月摘要：转速是发动机重要的工作参数之一,也是其它参数计算的重要依据。
目前常用的转速测量方法有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法等。
在对各种测速方法进行分析后提出了基于光电传感器的转速测量系统。
详细分析了系统的组成及工作原理，给出了系统中各硬件模块设计方法及系统软件设计方法，给出了部分程序流程图和程序清单。
该测速系统安装维护方便，工作稳定，运行可靠，具有较大的推广应用价值。
关键词：单片机，光电转速传感器，转速测量，数据处理Abstract：The rotate speed is one of the important parameters for the engine, and it is also the important factor that calculates other parameters. At present there are many methods for the tachometric survey measurement. After analyze various rotate speed measurement methods, the photoelectric sensor tachometric survey system is presented. The composition and the principle of the system are presented, and the design method of hardware and the software are also presented. The whole system has the bigger promotion application value.Key words：single-chip computer，photoelectric sensor，rotate speed measurement，data processing目录1 引言 (4)2 系统组成及工作原理 (4)2.1转速测量原理 (4)2.2转速测量系统组成框图 (4)3 系统硬件电路的设计 (5)3.1 脉冲产生电路设计 (5)3.2 光电转换及信号调理电路设计 (6)3.2.1 光电传感器简介 (6)3.2.2 光电转换及信号调理电路设计 (7)3.3 测量系统主机部分设计 (8)3.3.1 单片机 (8)3.3.2 键盘显示模块设计 (10)3.3.3 串行通信模块设计 (12)3.3.4 电源模块设计 (13)4 系统软件设计 (14)4.1 主程序设计 (14)4.2 数据处理过程 (16)4.3 浮点数学运算程序 (17)5 制作调试 (17)6 结果分析 (19)结论 (20)参考文献 (21)致谢 (22)1引言转速测量是社会生产和日常生活中重要的测量和控制对象。
光电传感器设计实验报告
光电传感器设计实验报告引言光电传感器是一种重要的光电转换器件，广泛应用于工业控制、自动化、光电测量等领域。
本实验旨在通过设计和验证光电传感器的原理和性能，加深对光电传感器的理解和应用。
实验目的1.了解光电传感器的基本原理；2.学习光电转换器件的电路设计方法；3.掌握光电传感器的性能测试与分析；4.实践并完善光电传感器的设计过程。
实验步骤1. 光电传感器原理分析在实验开始之前，我们首先需要了解光电传感器的基本原理。
光电传感器是利用光电效应将光能转换为电能的装置。
根据光电效应的不同类型，光电传感器主要分为光电导、光电二极管和光电三极管等。
光电导可以将可见光转换为电流，光电二极管则是将光能转换为电压。
而光电三极管不仅可以将光能转换为电流或电压，还可以增益电流或电压。
2. 设计光电传感器电路根据实验要求，我们需要设计一个能够将光能转换为电流的光电传感器电路。
根据光电传感器的工作原理，我们可以选择光电导或光电二极管作为光电转换器件。
在电路设计中，我们需要考虑到以下几个因素： - 光敏电阻的选择：根据实验需求和电路特性，选择合适的光敏电阻； - 电流放大电路设计：设计一个合适的电流放大电路，以增强光电传感器的输出信号； - 电源电压的选择：根据电路要求，选择合适的电源电压。
3. 制作光电传感器电路根据设计的电路原理图，我们可以开始制作光电传感器电路。
首先，准备所需元件，包括光电转换器件、电阻、电容等。
然后，按照电路原理图逐步完成电路的连接。
注意保持良好的焊接质量和连接稳定性。
4. 测试光电传感器电路在完成光电传感器电路的制作后，我们需要进行电路的测试和性能分析。
首先，连接电源并打开电源开关。
然后，使用光源照射光电传感器，观察输出信号的变化情况，并记录下输出电流或电压的数值。
5. 性能分析与改进根据实验结果，我们可以对光电传感器的性能进行分析。
通过对比实验数据与设计要求，评估光电传感器的灵敏度、响应时间等性能指标。
光电探测器测试系统的设计与实现
光电探测器测试系统的设计与实现光电探测器是光电传感器的一种，具有灵敏度高、响应速度快、寿命长等优点，广泛应用于太阳能电池、光通信、光电计量等领域。
而光电探测器测试系统则是为了保证其电性能、响应速度、光灵敏度等性能指标的可靠性而开发的。
在此，将详细探讨光电探测器测试系统的设计与实现。
第一部分：系统概述本测试系统主要用于测试二极管和光电倍增管两类光电探测器，主要包括测试样品的加工、测试电路的设计、仪器的选型以及软件的编写等方面。
第二部分：测试样品的加工在测试之前，需要将探测器元件进行加工操作。
以无源二极管为例，需要将其镀金，同时在基片上进行蚀刻等加工措施；对于光电倍增管，则需要在其光阴极表面进行钝化处理等。
第三部分：测试电路的设计测试电路主要包括控制电路和信号放大电路。
对于控制电路，其主要作用是提供测试样品的偏压、校零等信号。
而信号放大电路则是用于将探测器所感应到的微弱信号放大到一定程度以便进行观测、测量。
第四部分：仪器的选型一般而言，光电探测器测试系统需要搭配不同的测量仪器，以满足不同精度和频率要求。
测量仪器选型的关键在于要根据实际测试需求，选择性能优良的设备。
而一般的仪器包括示波器、信号源、频谱分析仪等。
第五部分：软件的编写最后一步需要编写测试软件，对测试仪器以及测试电路进行控制。
同时，软件需要具备提供数据的功能，包括实际测量的参数值、校准参数值等。
需要注意的是，为了准确表示的数据，需要使用经过滤波和计算的数据来提高数据精度。
第六部分：系统集成和测试验证经过以上措施，光电探测器测试系统的硬件和软件都已经初步完成。
但是，为了验证系统的可靠性以及实际测试效果，需要对其进行测试验证。
测试操作需要结合标准探测器进行，确保测试精度和稳定性，验证系统的性能指标是否符合实际生产需要。
总结：通过以上论述，我们可以明确光电探测器测试系统的设计和实现流程。
光电探测器测试系统设计的核心在于测试电路的设计和选型，而研发出功能完备、精准稳定的测量系统，对于提高光电器件的制造和研究质量起着至关重要的作用。
光电生物传感器的设计与应用
光电生物传感器的设计与应用一、引言光电生物传感器是一种将光学和电子技术相结合的传感器技术，其设计与应用在生物医学、环境监测、食品安全等领域具有广泛的应用价值。
本文将围绕光电生物传感器的设计原理和应用案例展开讨论。
二、光电生物传感器的设计原理光电生物传感器的设计原理主要包括两个方面，即光学传感和电子传感。
光学传感部分主要借助光源、光学系统和光敏元件对目标物质进行检测和分析；电子传感则通过电极、传感器芯片等电子设备将光学信号转化为电信号并进行信号处理。
光电生物传感器的设计需要考虑光源的稳定性、传感器的选择、光学系统的设计等因素。
三、光电生物传感器在生物医学领域的应用1. 生物分子检测光电生物传感器在生物医学领域常用于检测生物分子，如蛋白质、核酸和细胞等。
通过选择合适的生物标记物和光学方法，可以实现对生物分子的快速、高灵敏度的检测。
例如，利用荧光标记物结合光电生物传感器可以检测肿瘤标志物的含量，用于早期癌症的诊断和治疗。
2. 细胞成像光电生物传感器在细胞成像方面也具有广泛的应用。
通过将荧光标记物与细胞特定成分结合，可以实现对细胞形态、结构和功能的非侵入性观测。
光电生物传感器在细胞成像领域的发展为科研人员提供了重要的工具，有助于深入研究细胞生理和病理过程。
四、光电生物传感器在环境监测中的应用1. 水质监测光电生物传感器在水质监测中具有重要作用。
通过选择适当的融合材料和光敏元件，可以实现对水中有害物质的检测和定量分析。
例如，利用荧光染料和光电传感器相结合，可以实现对水中重金属离子、有机物等的快速检测。
2. 大气污染监测光电生物传感器在大气污染监测中也发挥了重要作用。
通过测量大气中特定污染物的光学特性，可以实现对空气质量的实时监测。
光电生物传感器的高灵敏度和快速响应速度使其成为监测大气污染的理想工具。
五、光电生物传感器在食品安全领域的应用1. 食品成分分析光电生物传感器在食品安全领域中用于食品成分的快速检测和分析。
纳米光刻调焦调平传感器光电探测系统设计
㊀２０２０年㊀第１２期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２０㊀Ｎｏ．１２㊀基金项目：国家科技重大专项（２０１７ＺＸ０２１０１００６－００３）收稿日期：２０１９－１２－１０纳米光刻调焦调平传感器光电探测系统设计龚士彬１，２，３，谢冬冬１，３，武志鹏１，３，宗明成１，２，３（１．中国科学院微电子研究所，北京㊀１０００２９；２．中国科学院大学，北京㊀１０００４９；３．中国科学院微电子研究所微电子器件与集成技术重点实验室，北京㊀１０００２９）㊀㊀摘要：针对光刻机调焦调平传感器的高实时性数据采集的设计需求，设计了一种多通道同步采集的光电探测系统㊂该系统使用ＦＰＧＡ作为数据处理和逻辑控制核心，实现了２１个通道测量数据的实时采集和高速传输，与硅片台位置同步以保证测量数据与被测位置间的同步性，利用高速差分串行传输和ＰＣＩｅ协议完成数据的高速传输，并由上位机软件保存数据㊂实验结果证明该系统测量精度好于４ｎｍ，并可稳定采集调焦调平传感器的测量结果㊂关键词：光刻机；调焦调平；探测系统；同步性；实时数据采集；多通道中图分类号：ＴＰ２７４㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２０）１２－０００６－０４ＤｅｓｉｇｎｏｆＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃＤｅｔｅｃｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒＦｏｃｕｓｉｎｇａｎｄＬｅｖｅｌｉｎｇＳｅｎｓｏｒｉｎＮａｎｏｓｃａｌｅＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＧＯＮＧＳｈｉ⁃ｂｉｎ１，２，３，ＸＩＥＤｏｎｇ⁃ｄｏｎｇ１，３，ＷＵＺｈｉ⁃ｐｅｎｇ１，３，ＺＯＮＧＭｉｎｇ⁃ｃｈｅｎｇ１，２，３（１．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９，Ｃｈｉｎａ；２．ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ；３．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＤｅｖｉｃｅｓ＆ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆｆｏｃｕｓｉｎｇａｎｄｌｅｖｅｌｉｎｇｓｅｎｓｏｒｓｉｎｔｈｅｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙｓｙｓｔｅｍ，ａｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴｈｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗａｓｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡａｓｔｈｅｃｏｒｅｏｆｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅ２１ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｓａｎｄｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓ⁃ｓｉｏｎ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄｗｉｔｈｔｈｅｗａｆｅｒｓｔａｇｅｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａａｎｄｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｅｒｉａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＰＣＩｅｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｗｈｅｎｓａｖｉｎｇｄａｔａｔｏｕｐｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎ４ｎｍ，ａｎｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｓｔａｂｌｙｃｏｌｌｅｃｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｆｏｃｕｓｉｎｇａｎｄｌｅｖｅｌｉｎｇｓｅｎｓｏｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙｍａｃｈｉｎｅ；ｆｏｃｕｓｉｎｇａｎｄｌｅｖｅｌｉｎｇ；ｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ；ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ０㊀引言光刻机是集成电路生产制造过程中的关键设备之一㊂提高光刻机曝光分辨率通常有两种方式 缩短光源波长λ和增大数值孔径ＮＡ，但同时会造成镜头的焦深范围变小［１］㊂在２０／１４ｎｍ节点，关键光刻层的焦深已经只有６０ｎｍ左右，曝光时的对焦精度必须控制在１０ｎｍ以下［２］㊂为保证不离焦，光刻机在测量位置测量晶圆表面形貌，在曝光位置调整其曝光时的姿态［３］㊂光刻机利用调焦调平传感器测量晶圆高度，主流厂商都采用了基于光学三角法的测量技术［４］㊂ＡＳＭＬ公司的调焦调平传感器采用了归一化分时差分测量方法，将一组差分形式的测量光斑由光弹调制器分时成像在光电探测器上［５－７］㊂计算机根据测量结果计算出晶圆高度，绘制出晶圆表面的形貌图㊂国内研究机构和ＳＭＥＥ公司的光刻机均采用ＶＭＥ控制系统控制调焦调平传感器实现硅片形貌的测量和对焦控制㊂上述的调焦调平实现方法存在２个导致同步性差的因素：在分时差分测量方法中，前后两次所采数据实际对应晶圆上的不同位置，从而产生时延误差；操作系统的任务调度存在延时，造成测量的晶圆形貌与实际的晶圆形貌存在偏移㊂针对分时差分测量的缺点，本文提出一种基于空间分光的调焦调平传感器同步光电探测系统㊂本探测系统采用多通道同步采集方法进行光电转换，解决㊀㊀㊀㊀㊀第１２期龚士彬等：纳米光刻调焦调平传感器光电探测系统设计７㊀㊀分时采集造成的时延误差；并针对软件延时造成的形貌偏差问题，在探测系统上引入硅片台位置同步机制，即使用硬件电路保存硅片台位置㊂１㊀调焦调平实现原理调焦调平传感器利用光学三角法和空间分光技术测量晶圆表面各个曝光区域内的高度，硅片台根据该高度数据调整晶圆的位置和姿态，以保证曝光区域位于焦深范围内㊂光学三角法的测量原理如图１所示，其中Ａ㊁Ｂ分别为投影光栅和探测光栅，ｈ１㊁ｈ２对应同一反射面在不同时刻的表面位置㊂在给定入射角α时，若反射面向下移动距离ｈ，反射光的位置对应移动Δｘ㊂根据式（１）所示的几何关系可算得反射面的相对位置㊂ｈ＝Δｘ２ｓｉｎα（１）空间分光的过程如图２所示，投影光栅的条纹由双远心成像系统成像在晶圆表面，晶圆表面反射后再次经过双远心成像系统成像在探测光栅㊂探测光栅图１㊀光学三角法高度测量原理图的前面板依次粘贴着偏振片和分光晶体，于是投影光栅像由偏振片起偏，分光晶体将起偏的投影光栅像分离为在垂直方向上相差半个条纹周期的ｏ光和ｅ光，如图２（ｂ）所示㊂随后经探测光栅调制形成图２（ｄ）所示条纹㊂根据光学三角法原理，晶圆表面高度的变化会造成投影光栅像在垂直于光栅条纹的方向上移动，从而改变调制后ｏ光和ｅ光通过探测光栅的比例㊂光栅像进入光电探测器前，利用渥拉斯顿棱镜将ｏ光与ｅ光在空间上完全分开，探测器即可同时采集ｏ光与ｅ光条纹的光强值㊂㊀（ａ）投影光栅像㊀㊀㊀㊀㊀（ｂ）半周期分光㊀㊀㊀㊀㊀（ｃ）经过探测光栅㊀㊀㊀㊀（ｄ）探测光栅像㊀（ｅ）空间分光图２㊀空间分光示意图空间分光后的ｏ光㊁ｅ光光强为Ｉｏ＝（Ｎ－｜Δｘ｜Ｐ）ｃ４｛Ｐ２［１＋２ｓｉｎｃ２（１２）］＋４Ｐπｓｉｎｃ（１２）ｓｉｎ（２πＰΔｘ）｝（２）Ｉｅ＝（Ｎ－｜Δｘ｜Ｐ）ｃ４｛Ｐ２［１＋２ｓｉｎｃ２（１２）］－４Ｐπｓｉｎｃ（１２）ｓｉｎ（２πＰΔｘ）｝（３）式中：Ｐ为光栅周期，μｍ；Ｎ为光栅条数；ｃ为组件（偏振片＋分光晶体）的透过率；Δｘ为晶圆表面高度的位移量，μｍ［８］㊂根据上述公式绘制晶圆表面高度与光强的关系曲线（图３），图（３）中Ｉｏ为ｏ光光强的归一化值，Ｉｅ为ｅ光光强的归一化值㊂０μｍ位置处ｏ光与ｅ光光强曲线相交，且为所有交点中的最大值，即在零位时ｏ光㊁ｅ光光强有最大的相等值㊂图３㊀光强与晶圆表面高度关系仿真晶圆表面高度值的计算公式为ｈ＝Ｇ（Ｉｅ－Ｂｅ）－（Ｉｏ－Ｂｏ）（Ｉｅ－Ｂｅ）＋（Ｉｏ－Ｂｏ）（４）式中：Ｂｅ与Ｂｏ为探测器的背景噪声；Ｇ为比例系数㊂Ｇ同光栅周期Ｐ㊁测量光入射角α的关系为㊀㊀㊀㊀㊀８㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＤｅｃ．２０２０㊀Ｇ＝Ｐ／４２ｓｉｎα（５）基于上述空间分光测量原理以及调焦调平传感器的精度需求，设计了一种高精度㊁高实时性㊁多通道同步采集的光电探测系统㊂２㊀光电探测系统设计２．１㊀探测系统总体设计光电探测系统由光电二极管阵列㊁数据采集板㊁ＰＣＩｅ板和上位机软件组成，图４为总体框图㊂光电二极管阵列由紧凑排列的２１个高灵敏度探测区域组成，可将６００ １０００ｎｍ波长的光强值转换为电流信号，包括９对ｏ光㊁ｅ光探测区和３个粗对准探测区㊂数据采集板根据上位机和硅片台的指令，同步采集光电二极管产生的模拟信号，经１６ｂｉｔＡＤＣ模数转换后以数字信号的形式发送至位于上位机主板上的ＰＣＩｅ板㊂数据通过高速串行链路向ＰＣＩｅ板发送时，利用ＳＥＲＤＥＳ芯片以１０ｂｉｔ串并转换的方式，将高两位分别作为 测量数据有效 和 温度数据有效 控制信号，每个时钟发送１个字节的数据，保证每次采样完成后，将包括温度数据在内的４４个字节数据以ＭＳＢ方式有序传输㊂ＰＣＩｅ板从高速串行链路上恢复来自数据采集板的数据至片上ＲＡＭ，再通过ＰＣＩｅ协议发送至上位机，上位机上的光电探测系统测试程序可对数据进行保存㊂图４㊀总体关系图为了克服造成探测系统精度下降的两个因素：ｏ光与ｅ光之间存在采样延迟㊁硅片台实际位置与采样位置偏离，文中采用了 多通道同步采集 和 硅片台同步触发 这两项针对性设计㊂２．２㊀多通道同步采集设计传统的探测系统采集光强信号时采用分时采集的方式，每组ｏ光与ｅ光由同一个ＡＤＣ在间隔１μｓ的２个时刻先后采样㊂例如，在１ｘｎｍ光刻机内，为实现２５０／ｈ的产率，要求扫描速度为８００ｍｍ／ｓ［９］㊂依照该扫描速度，两次采样的实际位置相差８００ｎｍ㊂根据式（４）计算可知，对于时刻０位置的高度测量结果，由分时采集方式造成的偏差值约为时刻０与时刻１两个位置之间高度差值Δｈ的一半，即时刻０位置的测量值为真实值ｈ与偏差量Δｈ／２的和，这种偏差将在ｎｍ尺度下影响测量的精确性㊂本设计则采用同步采集方式，在收到采样脉冲后，探测系统同步采集２１路光强信号，克服了上述分时电路造成的测量结果偏差㊂２．３㊀硅片台同步触发设计本设计针对硅片台位置与实际采样位置存在的偏差，在探测系统上引入了硅片台同步信号㊂相比于使用软件读取硅片台位置，由探测系统的硬件电路接收硅片台的位置信号可减少软件处理信息所带来的延时问题，且硬件电路的延时较稳定㊂控制硅片台常用的操作系统是ＶｘＷｏｒｋｓ嵌入式系统，操作系统内任务切换时间最高接近２μｓ［１０］㊂本设计使用触发器电路处理硅片台同步信号的执行时间可缩小到百ｎｓ以内㊂具体实现方法是为硅片台的运动路径建立坐标，并对硅片台的控制电路进行编程：当运动至预定的测量位置时发出同步信号，光电探测系统处理这个同步信号时使用一个触发器提取出其上升沿，根据该上升沿触发数据采集和硅片台位置更新，硅片台位置更新由计数器实现㊂光电探测系统的实物如图５所示，数据采集板和ＰＣＩｅ板之间的互连线内集成了高速串行传输链路㊁１２Ｖ／２０Ｖ供电㊁ＲＳ４８５传输线㊂数据采集板的三段式柔性连接有利于位置固定和节省空间㊂图５㊀光电探测系统实物图３㊀实验验证３．１㊀背景噪声测试探测系统背景噪声数据如图６（ａ）所示，总计１８路探测光路数据和３路捕获光数据，图中选取了噪声最为明显的ｏ７光路㊂对连续的５００次采样数据进行㊀㊀㊀㊀㊀第１２期龚士彬等：纳米光刻调焦调平传感器光电探测系统设计９㊀㊀分析后得到该噪声数据的３σ值为０．２５ｍＶ，该结果很好地满足了调焦调平实验平台对光电探测系统所规定的１ｍＶ指标要求㊂根据该数据进行精度分析㊂Ｉｏ＋Ｂｏ㊁Ｉｅ＋Ｂｅ两项与探测系统的输出的电压值之间为线性关系，因此直接将ｏ７光路数据及其对应的ｅ７光路数据带入式（４）中得到图６（ｂ）的高度曲线，可知探测系统在最糟糕情况下的高度数据３σ为３．７２ｎｍ，探测系统的噪声对精度的影响在ｎｍ量级㊂（ａ）原始电压值（ｂ）高度计算值图６㊀探测系统背景噪声３．２㊀硅片台同步触发测试利用Ｖｉｖａｄｏ集成逻辑分析仪（ＩＬＡ）在线抓取硅片台同步脉冲信号ＳＹＮＣ＿ＳＩＧ㊁硅片台同步脉冲边沿检测信号ＳＹＮＣ＿ＰＯＳ㊁硅片台位置计数器ＰＯＳＩＴＩＯＮ㊁采集信号ＤＡＴＡ＿Ｅ０ ＤＡＴＡ＿Ｅ８和ＤＡＴＡ＿Ｏ０ ＤＡＴＡ＿Ｏ８㊂如图７所示，游标Ｔ所在时刻，光电探测系统接收到ＳＹＮＣ＿ＳＩＧ输入脉冲，ＳＹＮＣ＿ＰＯＳ寄存器提取出输入脉冲的上升沿作为采集的启动信号和硅片台位置更新的信号，等待ＡＤＣ芯片完成模数转换后更新测量数据㊂从硅片台位置脉冲到达光电探测系统开始至硅片台位置更新，这个过程的延迟为６０ ８０ｎｓ，延迟主要产生在异步信号的处理过程㊂图７中采样结果的产生时刻也表明ｏ光与ｅ光为多通道同步采样㊂３．３㊀调焦调平在线测试在调焦调平实验平台上对探测系统进行测试，测试结果如图８所示，放置晶圆的位移台在Ｚ方向上从相对调焦调平实验平台零位的下方７５μｍ处向上移动至零位的上方７５μｍ处，复现了图３的仿真曲线㊂测试结果中的偏置是由于光学背景噪声和机械装配误差造成的，但因为测量信号的形式是差分光强，所以共模干扰不会对计算结果产生影响㊂图７㊀硅片台同步触发信号时序图图８㊀探测系统测量结果４㊀结束语本文基于ＦＰＧＡ设计了一种用于光刻调焦调平传感器的光电探测系统，实现了实时采集光刻调焦调平传感器测量数据㊂根据空间分光原理对２１路模拟数据同步采集，解决了分时采集所产生的时延误差；引入硅片台同步信号，提高了测量值与测量位置之间对应的精度；并针对探测系统背景噪声和（下转第１５页）㊀㊀㊀㊀㊀第１２期师琪等：基于光纤光栅传感器的智能螺栓开发及应用１５㊀㊀Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，ａｎｄＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｙｓｔｅｍｓ．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｈｏｔｏｎｉｃｓ，２００５，５７６５：３６４－３７６．［２４］㊀ＡＭＥＲＩＮＩＦ，ＢＡＲＢＩＥＲＩＥ，ＭＥＯＭ，ｅｔａｌ．Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇｌｏｏｓｅ⁃ｎｉｎｇ／ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇｏｆｃｌａｍｐｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｓｉｎｇｎｏｎｌｉｎｅａｒｖｉｂｒａ⁃ｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］．Ｓｍａｒｔｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１０，１９（８）：０８５０１３．［２５］㊀ＲＥＮＬ，ＦＥＮＧＴ，ＨＯＭ，ｅｔａｌ．Ａｓｍａｒｔ ｓｈｅａｒｓｅｎｓｉｎｇ ｂｏｌｔｂａｓｅｄｏｎＦＢＧｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２０１８，１２２：２４０－２４６．［２６］㊀ＬＩＨＮ，ＬＩＤＳ，ＳＯＮＧＧＢ．Ｒｅｃｅｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｏｒｓｔｏｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｎｃｉｖｉｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００４，２６（１１）：１６４７－１６５７．［２７］㊀ＲＡＯＹＪ．Ｒｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｉｎ⁃ｆｉｂｒｅＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓａｎｄｌａｓｅｒｓｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９９，３１（４）：２９７－３２４．［２８］㊀ＰＥＩＨＦ，ＴＥＮＧＪ，ＹＩＮＪＨ，ｅｔａｌ．Ａｒｅｖｉｅｗｏｆｐｒｅｖｉｏｕｓｓｔｕｄｉｅｓｏｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｅｎｓｏｒｓｉｎｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２０１４，５８：２０７－２１４．［２９］㊀ＬＡＵＫＴ．ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｆｏｒｓｍａｒｔｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｕｓｉｎｇｅｍｂｅｄｄｅｄＦＢＧｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，３０（１３）：１６４２－１６５４．［３０］㊀ＲＯＶＥＲＩＮ，ＣＡＲＣＡＴＥＲＲＡＡ，ＳＥＳＴＩＥＲＩＡ．Ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｍｏ⁃ｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｒａｉｌｗａｙｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｓｉｎｇｆｉｂｒｅＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２０１５，６０：１４－２８．［３１］㊀黄永阔．基于光纤光栅的高温法兰螺栓紧固力测量技术研究［Ｄ］．上海：华东理工大学，２０１７．［３２］㊀王永洪，张明义，张春巍，等．夹持式封装低温敏ＦＢＧ应变传感器的设计［Ｊ］．传感技术学报，２０１８，３１（３）：３４７－３４９．［３３］㊀任亮，李宏男，胡志强，等．一种增敏型光纤光栅应变传感器的开发及应用［Ｊ］．光电子．激光，２００８（１１）：１４３７－１４４１．［３４］㊀任亮，姜涛，李东升，等．微型ＦＢＧ应变传感器在大坝模型试验中的应用［Ｊ］．振动．测试与诊断，２０１３，３３（２）：２７７－２８３；３４１．［３５］㊀贾子光，任亮，李宏男，等．应用光纤光栅传感器监测复合材料固化过程［Ｊ］．中国激光，２０１０，３７（５）：１２９８－１３０３．［３６］㊀ＲＥＮＬ，ＣＨＥＮＪ，ＬＩＨＮ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｗｉｔｈｅｎｈａｎｃｅｄｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉｎｔｈｅｓｍａｌｌ⁃ｓｃａｌｅｄａｍｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＳｍａｒｔＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００９，１８（３）：０３５０１５．［３７］㊀徐望国，罗青，杨智，等．衡阳市湘江盾构隧道管片结构受力分析［Ｊ］．矿业工程研究，２０１８，３３（３）：５８－６３．［３８］㊀林荣安，刘伯莹．富水淤泥质软土地层盾构隧道管片受力特征研究［Ｊ］．中国公路学报，２０１８，３１（９）：１１２－１１８．［３９］㊀姜燕，杨光华，陈富强，等．湛江湾高水头跨海盾构隧道管片结构典型断面受力计算与监测反馈分析［Ｊ］．岩土力学，２０１８，３９（１）：２７５－２８６．［４０］㊀林伟波，杨小平，严振瑞，等．湛江湾跨海盾构隧道管片变形与受力分析［Ｊ］．隧道建设，２０１６，３６（３）：２８８－２９４．［４１］㊀陈晓坚．跨海地铁盾构隧道管片结构受力分析［Ｊ］．南昌航空大学学报（自然科学版），２０１４，２８（４）：６７－７１．作者简介：师琪（１９９６ ），硕士研究生，主要研究方向为光纤光栅传感器的应用㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：２７１２０２２９２２＠ｑｑ．ｃｏｍ任亮（１９７９ ），副教授，主要从事结构健康监测的关键技术研究，光纤传感器的开发及应用㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｒｅｎｌｉａｎｇ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ（上接第９页）平台数据采集做了测试㊂结果表明：该系统可以在满足精度要求的条件下稳定地将调焦调平传感器所产生的光强信号采集至上位机，测量精度高于４ｎｍ（３σ），满足调焦调平传感器光电探测系统的设计要求㊂参考文献：［１］㊀姚汉明，胡松，邢廷文．光学投影曝光微纳加工方法［Ｍ］．北京：北京工业大学出版社，２００６：６１－６２．［２］㊀韦亚一．超大规模集成电路先进光刻理论与应用［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１６：１１７－１１９．［３］㊀ＢＯＯＮＭＡＮＭ，ＶＡＮＤＥＶＩＮＣ，ＴＥＭＰＥＬＡＡＲＳＳ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆａｄｕａｌｓｔａｇｅｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］．ＳＰＩＥ，２００４，５３７７：７４２－７５７．［４］㊀曾爱军，王向朝，徐德衍．投影光刻机调焦调平传感技术的研究进展［Ｊ］．激光与光电子学进展，２００４，４１（７）：２４－３０．［５］㊀ＭＯＤＤＥＲＭＡＮＴＭ，ＮＩＪＭＥＩＪＥＲＧＪ，ＪＡＳＰＥＲＪＣＭ．Ｏｆｆ⁃ａｘｉｓｌｅｖｅｌｉｎｇｉｎｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎａｐｐａｒａｔｕｓ：７２０６０５８Ｂ２［Ｐ］．２００７－０４－１７．［６］㊀ＤＥＮＢＯＥＦＡＪ，ＢＥＮＳＣＨＯＰＪＰＨ，ＢＲＩＮＫＨＯＦＲ，ｅｔａｌ．Ｌｅｖｅｌｓｅｎｓｏｒ，ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃａｐｐａｒａｔｕｓ，ａｎｄｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｕｒｆａｃｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ：ＵＳ２０１３／００７７０７９Ａ１［Ｐ］．２０１３－０３－２８．［７］㊀ＶＡＮＤＥＲＷＥＲＦＪＥ．Ｏｐｔｉｃａｌｆｏｃｕｓａｎｄｌｅｖｅｌｓｅｎｓｏｒｆｏｒｗａｆｅｒｓｔｅｐｐｅｒｓ［Ｊ］．ＪＶａｃＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌＢ，１９９２，１０（２）：７３５－７４０．［８］㊀孙裕文，李世光，宗明成．基于空间分光的纳米级调焦调平测量技术［Ｊ］．光学学报，２０１６，３６（５）：１０５－１１２．［９］㊀ＢＯＲＮＥＢＲＯＥＫＦ．ＥｘｔｅｎｄｉｎｇＡｒＦｉｉｍｍｅｒｓｉｏｎｓｃａｎｎｅｒｃａｐａｂｉｌｉｔｙｉｎｓｕｐｐｏｒｔｏｆ１ｘｎｍｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｎｏｄｅｓ［Ｃ／ＯＬ］．ＳＰＩＥＡｄｖａｎｃｅｄｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ．（２０１４－０３－０５）．ｈｔｔｐ：／／ｓｔａｔｉｃｗｗｗ．ａｓｍｌ．ｃｏｍ／ｄｏｃｌｉｂ／ｍｉｓｃ／ａｓｍｌ＿２０１４０３０６＿Ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ＿ＡｒＦｉ＿ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ＿ｓｃａｎｎｅｒ＿ｃａ⁃ｐａｂｉｌｉｔｙ＿ｉｎ＿ｓｕｐｐｏｒｔ＿ｏｆ＿１ｘｎｍ＿ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ＿ｎｏｄｅｓ．ｐｄｆ．［１０］㊀毕延帅．面向双工件台的ＶｘＷｏｒｋｓ实时嵌入式系统设计与优化［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１３．作者简介：龚士彬（１９９４ ），硕士研究生，主要从事光刻技术与电控方面的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｇｏｎｇｓｈｉｂｉｎ＠ｉｍｅ．ａｃ．ｃｎ通讯作者：宗明成（１９６３ ），研究员，博士，主要从事光刻技术㊁精密测控技术㊁精密计量等方面的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｏｎｇｍｉｎｇｃｈｅｎｇ＠ｉｍｅ．ａｃ．ｃｎ。
光电传感器的设计与仿真分析
光电传感器的设计与仿真分析随着科技的发展，光电传感器在制造业、医疗领域和家电行业等都扮演着重要的角色。
因为它可以感受和测量环境中的光线，将其转化为电信号，从而实现各种自动控制和测量。
光电传感器设计和仿真分析是根据实际需求，分析功能要求，选择合适的光电元器件，结合工艺流程进行优化设计和仿真分析的过程。
本文将从光电元器件的选择、光电传感器的设计和仿真分析等几个方面进行详细探讨。
一、光电元器件的选择光电元器件的选择是光电传感器设计中非常重要的环节。
光敏电阻、光敏二极管、光电三极管、光电管、光电晶体管等常用的光电元器件具有不同的特点和适用范围。
因此，在选择过程中应根据传感器的实际需求，结合元器件的特点进行选择和设计。
例如，针对较大光强的环境，光电三极管可提供高增益和高灵敏度，显得尤为适用。
同时我们应当根据传感器的功能需求，选取适当的光源以及适当的反射镜。
选择适当的光电元器件可以大幅提高光电传感器的灵敏度、稳定性和精度等性能。
二、光电传感器的设计光电传感器的设计是一个工程化的过程，需要设计师把握需求，加以思考，选择适当的部件材料、电路拓扑、系统结构等，再利用计算机模拟工具进行仿真分析和优化设计。
一般而言，光电传感器的设计包含两个部分：光电信号采集电路的设计和信号处理电路的设计。
1、光电信号采集电路的设计最常用的光电传感器采集电路是光敏电阻电路。
该电路仅包含一个光敏电阻和一个电阻元件，通过变化的电阻值转换为电信号。
但光敏电阻响应速度较慢，有时还会受到环境中电源噪声和干扰信号等影响。
在设计过程中，应该尽量采用高灵敏度和高响应速度的光电元器件。
另外，还应设计合适的滤波电路，从而减少采集电路对干扰信号的响应。
2、信号处理电路的设计光电传感器的信号处理电路主要包括反馈电路和放大电路。
反馈电路可以有效提高传感器的稳定性和灵敏度，而放大电路则可以放大和调整采集的信号，从而获取更高的信噪比。
在设计过程中，我们应该充分考虑到不同环境中光强的差异和干扰信号的影响，采用高精度、低噪声、高增益的放大器并限制其输入电流范围。
红外测距系统设计(光电系统设计)
word本科生课程论文论文题目红外光电测距系统设计课程名称光电系统设计学生某某谷幸东、郭晓龙、何志毅、胡健辉学号201211911309、10、11、12所在学院理学院所在班级电科1123班指导教师汤照目录第一章绪论11.1 红外线概述11.2 红外传感器的分类11.3 红外传感器的应用21.4 AT89C52单片机概述31.5 MCP3001简介6第二章红外测距的工作原理与基本结构82.1 红外测距传感器简介82.2 红外线测距的工作原理82.4红外测距传感器接线102.5 红外测距系统的基本结构10第三章红外测距的硬件设计113.1 红外测距的实现构想113.2 系统硬件结构电路图123.3 各硬件电路设计123.3.1 复位电路123.3.2 时钟电路133.3.3 A/D转换电路143.3.4 LCD显示电路14第四章红外测距的软件设计154.1 系统软件结构框图154.2 软件程序设计164.3 源代码16第五章仿真测试215.1系统的软件的调试仿真21第六章 PCB图及元器件清单226.1 PCB图236.2 元器件清单23第七章课程设计任务分工及个人心得体会247.1任务分工247.2 设计心得体会24第一章绪论1.1 红外线概述红外辐射俗称红外线，又称红外光，它是一种人眼看不见的光线。
但实际上它和其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质。
任何物体，只要它的湿度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。
它的波长介于可见光和微波之间。
红外辐射的物理本质是热辐射。
物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。
研究发现，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率X围内，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。
目前红外发射器件（红外发光二极管）发出的是峰值波长0.88uM~0.94uM之间的近红外光，红外接收器件（光敏二极管、光敏三极管）的受光峰值波长为0.88uM~0.94uM之间，恰好与红外发光二极管的光峰值波长相匹配。
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光电传感器测量系统的设计检测技术与应用课程设计报告系别自动化工程系班级姓名学号指导教师20XX年1月一、设计目的1、了解光电式传感技术的基本原理，掌握光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻、光电池传感器等的结构、原理、特性及使用注意事项。
掌握光电效应的概念。
2、了解各种光电元件的性能参数指标及一些其他特性。
3、掌握数字光照度计的使用方法。
4、了解典型传感器的技术指标，重点掌握传感器的设计要求。
5、掌握正确调试电路的方法。
6、掌握常用仪器设备的正确使用方法，利用开放式传感器实验箱更具体的了解光电传感器的工作原理和应用，学会简单传感器控制电路的实验调试和整机指标测试方法，提高动手能力。
7、掌握基本的传感器设计方法，进一步了解常规敏感元器件的工作原理和特性。
二、设计任务及要求1. 测量光照强度与电压的关系并作出正确的曲线及图表。
2. 根据所提供的设备，正确选择传感器、相关元件。
计算机、LabVIEW虚拟仪器软件和DRLAB快速可重组综合实验台为必选设备；传感器的范围已经给定，选择正确传感器并写出选择依据、其他元件可根据自己需求自行选择；尽量写出其他可以实现测量目的的其他相关传感器。
3. 论述基本原理，并画出相关电路图。
论述本次设计中所设计到的所有相关知识概念及原理；电路图参考教材电路自己设计。
4. 按照电路原理图在开放式传感器实验箱中搭建电路。
在调试电路时注意各元件的性能参数指标，避免损坏。
光电传感器在不同的光强不同的温度下所对应的电阻值均不相同，不同的环境下所得到的结果差别较大，但对结果进行分析得出的特性与光电传感器特性相一致，因所处环境的差别本结果仅作为参考。
硬件调试中注意将光电传感器靠近光源，将光照度计靠近光电传感器，操作的正确性可以有效减小误差。
注意遮蔽周围环境的强光，特别是在日光灯下进行操作时要小心谨慎。
5. 参考已完成的脚本，使用LabVIEW来设计光电传感器虚拟仪器，包括前后面板。
脚本中的控件自己任意选择。
脚本中应注出自己与合作者的姓名、班级等信息。
6. 软硬件结合验证，并调试，直到测试正确。
给出测量的结果和分析，包括数据数据表格和曲线关系等。
三、选择的仪器和设备1. 计算机。
2. LabVIEW虚拟仪器软件，使用的是LabVIEW 8.2.1。
LabVIEW虚拟仪器软件：它是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。
它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。
这是一个功能强大且灵活的软件。
利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。
LabVIEW是NI推出的虚拟仪器开发平台软件，它们能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。
LabVIEW应用程序，即虚拟仪器，它包括前面板、流程图以及图标/连结器三部分。
LabVIEW程序又称为虚拟仪器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器；但LabVIEW程序很容易改变设置和功能。
因此，LabVIEW特别适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备的参数和功能的场合，及对信号进行分析研究、传输等场合。
3. DRLAB快速可重组综合实验台。
4. 开放式传感器实验箱。
采用开放式系统结构。
5. 光敏三极管。
光敏三极管又称为光电三极管、光电晶体管，其结构与普通三极管相似，都具有电流放大作用，只是基极电流不仅受基极电压控制，还受光照的控制。
光敏三极管工作时各极所加电压与普通三极管相同，集电结反向偏置，发射结正向偏置，及集电极接正电压，其发射极接负电压。
光照射发射结产生的光电流，相当于基极电流，因此集电极电流是光电流的β倍。
当光照射时，在集电结附近产生光生电子——空穴对，载流子在内建电场作用下，电子流向集电极，空穴流向基极，相当于外界向基极注入了控制电流。
而基极、集电极、发射极又构成一个具有放大作用的三极管，完成光电流的放大。
光敏三极管的基本特性包括光谱特性、伏安特性、光照特性、温度特性和响应特性等。
光谱特性是指在入射光照度一定时，输出的光电流随光波波长的变化而变化；伏安特性显示出光敏管的光电效应性质，因为在无偏压时，光敏三极管仍有光电流输出，它在不同照度下的输出特性和普通三极管在不同基极电流时的输出特性一样；光照特性显示了光敏三极管的光电流与照度的关系；温度特性对其输出电流影响较小，但对暗电流影响却十分明显；响应速度比光敏二极管慢得多。
6. 电阻、光源、跳线等。
四、总体设计设计方案1. 传感器的选择：光敏三极管，如图1-1、1-2、1-3所示。
图 1-1 光敏三极管图 1-2 光敏三极管简单等效电路图图 1-3 光敏三极管电路图光敏三极管是光电转化半导体器件，具有NPN或PNP结构的半导体管。
为适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做的较小，入射光主要被基区吸收。
和光敏二极管一样，管子的芯片被装在带有玻璃透镜金属管壳内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片上。
它的发射结与光敏二极管一样具有光敏特性。
它的集电结与普通晶体管一样，可以获得电流增益。
光照射发射结产生的光电流相当于基极电流，因此集电极电流是光电流的ß倍，所以光敏三极管比光敏二极管有更高的灵敏度，但噪声也比光敏二极管大。
在结构上，为了保证入射光可靠地作用于发射结，基区面积做得较大，发射区面积做的较小。
将光敏三极管接在电路中时，它的集电极接正电压，发射机接负电压。
光敏三极管与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好、可靠性好、体积小、使用方便等优点。
2. 硬件实现：光敏三极管有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此通过给光敏三极管不同的光照强度体现出其和电压的关系。
3. 软件实现：应用LabVIEW编写实验脚本。
4. 设计整体验证：通过新编写的软件与硬件及电路元件等相结合，测试验证是否可运行、是否出正确的波形、正确显示光照强度和电压的关系。
基本原理光敏三极管的等效电路如图1-4，当有光照射到基区时，激发产生的电子--空穴对增加了少数载流子的浓度，使集电结反向饱和电流大大增加，这就是光敏三极管集电结的光生电流。
该电流注入发射结进行放大，成为光敏三极管集电极与发射极间电流，它就是光敏三极管的光电流。
光敏三极管使用时，其基极通常开路，基极—集电极产生的光感生电流直接馈入基极，并被三极管放大，因此光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。
一般光敏三极管只引出E、C俩个电极，其光电特性是非线性的，广泛应用于光电自动控制领域。
图1-4 光敏三极管等效电路图五、具体步骤硬件实现步骤1、准备相应的硬件设备，包括传感器和其它元器件。
在实验电路板上搭建好电路，按图1-5的电路图，并仔细检查接线；可参考接线图1-6；在硬件实现过程中，需要注意如下：实验时连接电路前必须正确辨认出三极管的三个引脚，光敏三极管如果引脚连接错误极易烧坏。
实验中注意遮蔽周围坏境的强光，特别是在日光灯下进行实验时要小心谨慎。
图 1-5 光敏三极管的光测量实验原理图图 1-6 电路连接图软件实现步骤1、在桌面上运行LabVIEW主程序图标,或在“开始”程序中运行快捷方式进入LabVIEW工作平面，如图1-7所示。
图1-7 LabVIEW工作平面2、点击选项，或者点击文件—>**VI，如图1-8所示。
图 1-8 **VI3、弹出前面板和程序框图，如图 1-9、1-10所示.图 1-9 前面板图1-10 程序框图4、在设计虚拟仪器界面前，需要对所设计的系统有完整的了解，知道其需要用到的VI，针对此个光敏三极管测电压系统的设计，，需要两个数值输入控件分别控制采集芯片的采样频率和采样长度，需要一个数值显示控件显示测出的电压值，需要一个布尔开关来控制界面脚本的运行与停止，需要一个波形图显示控件来实时显示信号波形，最后需要找个一个**运行；找到需要的所有控件，并将其置于前面板上，右键点击前面板弹出控件选板，点击数值控件->点击数值输入控件，如图1-11所示。
图 1-11 选择数值输入控件5、选择数值输入控件后，界面如图1-12。
图 1-12 添加有数值输入控件的界面6、如步骤5所示再次添加一个数值输入控件，如图 1-13 所示。
图 1-13 再次添加有数值输入控件的界面这俩个数值输入控件用于表示此程序中规定的数值，是固定值。
7、将这两个数值输入控件的标签分别改成其对应控制的内容，以方便系统设计和原理程序框图的连接，双击“数值”和“数值2”，分别将其更改为“采样频率”和“采样长度”，如图1-14所示。
图 1-14 更改标签后的界面8、右键点击前面板弹出控制面板，点击数值控件中的数值显示控件，同上几步添加控件，如图1-15，并将标签更改为电压值。
图 1-15 添加数值显示控件后的界面该数值显示控件用于显示当前状态下所需要的值，是测量值。
9、右键点击前面板弹出控件选板，点击布尔控件，点击开关按钮，如图 1-16所示。
图 1-16 点击布尔控件10、选择开关按钮后，将其置于合适的位置，如图1-17所示。
图 1-17 选择开关按钮开关按钮用于控制程序。
开是程序运行，关时程序停止。
11、右键点击前面板弹出控件选板，点击图形控件->点击波形图，如图1-18所示。
图 1-18所示波形图选择12、选择波形图后，将其置于合适的位置，如图1-19所示。
图1-19 添加波形图控件后的界面波形图控件用于显示程序运行状态下当前波形的显示。
13、修改波形图控件的名字及属性等，如图 1-20所示。
图 1-20 修改属性等后的界面14、右键点击前面板弹出控制面板，点击数组、矩阵中的数组，如图1-21。
图 1-21 选择数组控件15、选择数组控件放在合适的位置,修改属性后界面如图1-22所示；图 1-22所示添加数组控件后的界面数组控件用于存放程序中的**。
16、在数组控件上添加一个开关，起到**选择的作用，在本实验中我们采用3**信号采集，如图1-23所示。
图 1-23 添加**后的界面添加一个开关后。
整个可用于**选择。
如多个**需在运行时打开**。
17、最后整理初步完成的前面板，发现可以让这个程序测量更多值，所以再在前面板上添加一个数值控件中的时间标识显示，选择数值控件中的时间标识显示控件，如图1-24所示图 1-24 选择时间标识显示18、将时间标识显示控件放置在前面板上，如图1-25所示图 1-25 放置时间标识显示控件该时间标识显示控件用于显示当前时间，和表功能一样。