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光電二極管范文1
【關鍵詞】高效液相色譜普通紫外-可見光檢測器；光電二極管陣列檢測器；方法
【Abstract】Structure and principle of visible light detector and photoelectric diode array detector common purple review in high performance liquid chromatography -， through experimental determination of artificial synthetic pigment， at the same time with two detector connected in series， the absorption spectrumchart analytic method， application of play of the routine detection.
【Key words】High performance liquid chromatography withultraviolet visible detector；Photodiode array detector；Method
高效液相色譜儀已經是一種應用范圍極廣泛的分析儀器，尤其對于食品中常用添加劑的檢測，更具有舉足輕重的地位。液相色譜應用最廣泛的檢測器是紫外-可見光檢測器（UV-VIS），又稱紫外可見吸收檢測器、紫外吸收檢測器（UV）、紫外光度檢測器、或直接稱紫外檢測器。幾乎所有液相色譜儀都配置了這種檢測器。它不僅有較好的選擇性和較高的靈敏度，而且對環境溫度、流動相組成變化和流速波動不太敏感，因此既可用于等度洗脫，也可用于梯度洗脫。其原理基于Lambert-Beer定律，即被測組分對紫外光或可見光具有吸收，且吸收強度與組分濃度成正比。很多有機分子都具紫外或可見光吸收基團，有較強的紫外或可見光吸收能力，因此紫外檢測器既有較高的靈敏度，也有很廣泛的應用范圍。[1]
然而用普通的紫外可見光檢測器檢測時，只能選擇一個波長對樣品進行分析，且對于色譜峰還無法進行定性分析。鑒于此光電二極管陣列檢測器逐漸發展起來了，并得到了廣泛應用。以光電二極管陣列（或CCD陣列，硅靶攝像管等）作為檢測元件的紫外可見光檢測器。它可構成多通道并行工作，同時檢測由光柵分光，再入射到陣列式接受器上的全部波長的信號，然后，對二極管陣列快速掃描采集數據，得到的是時間、光強度和波長的三維譜圖。與普通紫外檢測器不同的是，普通紫外檢測器是先用單色器分光，只讓特定波長的光進入流動池。而光電二極管陣列檢測器是先讓所有波長的光都通過流動池，然后通過一系列分光技術，使所有波長的光在接受器上被檢，也就是可以快速掃描被測組分的紫外-可見吸收光譜。使我們可以得知樣品溶液在波長段190nm-800nm之間的任意波長的吸收值。
1 材料與方法
1.1 材料
1.1.1 樣品和試劑
被測樣品為果汁飲料，甲醇（HPLC），氨水、乙醇、檸檬酸、乙酸胺均為分析純，檸檬黃（0.5mg/mL） 莧菜紅（0.5mg/mL）胭脂紅（0.5mg/mL）日落黃（0.5mg/mL）亮藍（0.5mg/mL）（購自中國計量科學院）誘惑紅為固體（純度為80%），分析用水為超純水
1.1.2 儀器和設備
LC-2010AHT 高效液相色譜儀帶自動進樣器（日本島津），UV-VIS 與SPD-M20A二級管陣列檢測器（日本島津）串聯。0 45 m 孔徑濾膜； 2 mL 一次性注射器
1.2 方法
1.2.1 標準溶液配制
標準儲備液：準確稱取誘惑紅標準品0.0625g，溶解后移入50 mL 容量瓶中，超純水定容至 50 mL，標準物質溶液濃度均為1.0 mg/ml
標準使用液配制：準確吸取檸檬黃 莧菜紅 胭脂紅 日落黃 亮藍標準儲備液各 5.00 mL，誘惑紅2.00mL
定容至 50 mL，稀釋成濃度為0.05 mg/mL（誘惑紅0.04mL） 的混合標準液
1.2.2 儀器分析方法
液體樣品按照國標方法[2-3]處理后，提取液經0 45 m孔徑濾膜過濾待分析流動相為甲醇+0 02 mol/L 乙酸銨，比例為按照國標方法[2]；色譜柱為ECOSIL C18柱（4.6 mm *150 mm， 5um）；檢測器是UV-VIS 與SPD-M20A二級管陣列檢測器（日本島津）串聯190 nm～800 nm；柱溫 40℃ ；進樣量 5uL；流速0.8 mL/min.
2 結果分析與討論
根據設定方法完成分析程序，對比紫外檢測器與二極管陣列檢測器圖譜分析可知。排除保留時間近似的干擾物質食品檢測過程中，由于食品基質的復雜性經常導致雜質干擾，很多時候僅僅依靠保留時間定性會造成假陽性，影響判斷結果，如圖1。
圖1 標準譜圖與樣品譜圖對比圖（普通紫外檢測器）
圖1所示，此處是標準譜圖與樣品譜圖在254nm處波長的對比，檸檬黃與莧菜紅兩個保留時間處，都有吸收峰。
二級管陣列檢測器可在色譜分離期間實現對被測物質進行 波長190nm-800nm之間的全段掃描，因此可實時記錄被分析物質的色譜和光譜信息，計算并顯示該物質最大吸收波長，利用其光譜特征吸收曲線實現對保留值規律進行定性分析的有效補充。通過色譜峰純度[4]分析，可以對這些吸收峰進行定性。
色譜峰純度是判定色譜峰內是否為單個組分的指標，獲得純物質的色譜峰是定性和定量分析的必要前提 最常用的峰純度檢測方法包括色譜峰不同部位的光譜歸一化，即純物質從峰前沿、峰頂至峰尾處任意一點光譜吸收圖形幾乎完全相同，如圖2。標準吸收峰純度很高，而樣品的光譜吸收圖也基本上相同，從而可以定性此物質是檸檬黃。
圖2 檸檬黃標準圖譜吸收峰（左）與樣品圖譜吸收峰（右）
對比（二極管陣列檢測器）
圖3 莧菜紅標準圖譜吸收峰（左）與樣品圖譜吸收峰（右）
對比（二極管陣列檢測器）
圖3中，根據莧菜紅標準圖譜確定其最大吸收波長為521nm，所以選取521nm波長處的吸收光譜圖，發現此處無明顯的吸收峰，選取峰頂保留時間，查看其光譜掃描圖未發現有最大吸收波長為521nm的峰，所以據此判定圖1處，樣品莧菜紅保留時間處吸收峰為假陽性峰。
另外，根據同一物質在不同波長的摩爾吸光系數比值應為常數的原理，若樣品峰內各點的光譜與峰頂點光譜的摩爾吸光系數的比值為一常數，也表明該物質為純物質。除此之外，儀器工作站也會給出有關峰純度的顯示結果。
3 結論
由以上分析對比可以看出，二極管陣列檢測器在物質定性分析上具有普通紫外檢測器不具備的功能，雖然不及質譜儀定性準確，但其購買成本與分析成本遠低于購買一臺液相質譜儀所需要的費用，已經成為液相色譜儀器主要配備的檢測器之一。雖然靈敏度不及普通紫外檢測器，但隨著二極管陣列檢測器技術的不斷完善和發展，將來必定逐步具有與 UV 檢測器相媲美的高靈敏度[5]。
【參考文獻】
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[2]中華人民共和國衛生部，中國國家標準化管理委員會.GB/T 5009.35 2003 食品中合成著色劑的測定[S].北京：中國標準出版社，2004.
[3]中華人民共和國出入境檢驗檢疫局，國家質量監督局.SN/T 1743 2006 食品中誘惑紅、酸性紅、亮藍、日落黃的含量檢測高效液相色譜法[S].北京：中國標準出版社，2006.
光電二極管范文2
關鍵詞：光電檢測 靈敏度 光纖傳感 光纖通訊
中圖分類號：O359 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0099-02
隨著光纖通訊信息量的增大，人們對光電檢測器的要求也越來越高，主要要求其具有高的可靠性和靈敏度，以及低成本，同時要求光電檢測器的光敏面應與光纖芯徑匹配。光電檢測器一般使用半導體材料制成。該文介紹了光檢測原理，并分析了光電檢測器的設計要求和常見分類。
1 光檢測原理
所謂光檢測過程，也就是受激光吸收的過程。如圖1所示，假如入射光子的能量超過禁帶能量，只有幾微米寬的耗盡區每次吸收一個光子，將產生一個電子空穴對，發生受激吸收。結施加反向電壓的情況下，受激吸收過程生成的電子―空穴通過對電場的作用，分別離開耗盡區，電子向N區漂移，空穴向P區漂移，空穴和從負電極進入的電子復合，電子則離開N區進入正電極。從而在外電路形成光生電流。當入射功率變化時，光生電流也隨之線性變化，從而把光信號轉變成電流信號。光生電流與產生的電子空穴對和這些載流子運動的速度有關。也就是說直接與入射光功率成正比[1]，即 （1）
在公式（1）中，R表示光電檢測響應度（用A/W表示）。由此式可以得到
在公式（4）中，λ=c/υ是指入射光波長，用μm表示，c=3×10m/s是真空中的光速。上式表示光電檢測器響應度隨波長而增加，這是因為光子能量hν減小時可以產生與減少的能量相等的電流。R和λ的這種線性關系不能一直保持下去，因為光子能量太小時將不能產生電子。當光子能量變得比禁帶能量小時，無論入射光多強，光電效應也不會發生，此時量子效率下降到零，也就是說，光電效應必須滿足條件。
2 光電檢測器的設計要求
為了滿足應用的需求光電檢測器設計時應滿足：（1）能檢測出入射在其上面的光功率，并完成光/電信號的轉換；（2）靈敏的響應度，要求在有入射功率進入時，能輸出足夠大的光電流；（3）要求光電檢測器件的噪聲低，這樣避免了其本身對檢測輸出信號的影響；（4）具備良好的線性關系，以保證在信號轉換的過程中數據的準確性；（5）要求其低成本及耐用，具有較長的工作壽命等。
3 數字光通訊中常用的三種光檢測器
當前，在數字光通訊中常用的光電檢測器主要有三種：PIN光電二極管、APD雪崩光電二極管和MSM（金屬-半導體-金屬）光檢測器。
（1）PIN光電二極管
PIN光電二極管的特點主要是工作性能穩定，所要求的供電電壓低，但其響應頻率高，可高達10 GHz，同時響應速度快，因此被廣泛使用。在使用材料上，由于PIN光電二極管在P型、N型半導體之間的I層，使用了輕摻雜的N型材料，這樣一來，其電子濃度相對來說很低，這樣經過擴散后便會形成一個很寬的耗盡層，約有5～50 μm可吸收絕大多數光子，因此，大大地提高了PIN光電二極管的轉換效率和響應速度。
圖2為PIN光電二極管的能帶簡圖，在圖2中，自由電子―空穴對（稱為光生載流子）主要通過能量大于或等于帶隙能量的光子將激勵價帶上的電子吸收光子的能量而躍遷到導帶上來產生。在耗盡區的高電場使得電子―空穴對立即分開并在反向偏置的結區中向兩端流動，然后在邊界處被吸收，從而在外電路中形成電流，完成光檢測的整個過程。
PIN型光電二極管的主要參數，①開關時間：由于電荷的存儲效應，PIN管的通斷和斷通都需要一個過程，這個過程所需時間；②隔離度：開關在斷開時其衰減也非無窮大，稱為隔離度；③插入損耗：開關在導通時衰減不為零，稱為插入損耗；④承受功率：在給定的工作條件下，微波開關能夠承受的最大輸入功率；⑤電壓駐波系數：僅反映端口輸入，輸出匹配情況；⑥開關的分類：反射式和吸收式，吸收式開關的性能較反射式開關優良；⑦控制方式：采用TTL信號控制，‘1’通‘0’斷。
（2）APD雪崩光電二極管
與PIN光電二極管相比，APD雪崩光電二極管的靈敏度更高，響應也更快，但它在工作時對電壓要求高，而且當入射光功率比較大時，相應的增益引起的噪聲也大，如此一來會帶來電流的失真。APD雪崩光電二極管的設計動機[3]：在光生電流尚未遇到后續電路的熱噪聲時已經在高電場的雪崩區中得到放大，對接收機靈敏度的提高起到了幫助的作用。
保護環型APD（Guard ring APD）在制作時先淀積一層環形N型材料，然后高溫推進形成一個深的圓形保護環，是保護環和P區之間形成濃度緩慢變化的梯度接面，以防止在高反壓時使P-N結邊緣產生雪崩擊穿。GAPD具有很高的靈敏度，但是其雪崩增益與負向偏壓之間的非線性關系很顯著。要想得到足夠大的增益，就必須使GAPD在接近擊穿電壓的情況之下，但是擊穿電壓對溫度的變化又十分敏感。因此，為使GAPD在環境溫度變化的時候也能保持穩定的增益。就要設法控制GAPD的負向偏壓，拉通型雪APD （ Reach-through APD ）也就是為此目的而設計的。
APD隨使用的材料不同有幾種：Si-APD（工作在短波長區）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在長波長區）等。
（3）MSM光檢測器
MSM是20世紀70年代末出現的一種高速光檢測器，是在硅材料上直接沉積叉指狀金屬電極，金屬電極與硅材料形成肖特基勢壘接觸[4]。當適當波長的光入射時，硅材料價帶電子吸收光子能量而躍遷到導帶上去，在導帶和價帶之間產生電子-空穴對。外加偏壓下，光生電子-空穴對在叉指電極之間電場作用下經過漂移或擴散等運動被叉指電極俘獲，形成光生電流。MSM光檢測器的分布電容小，暗電流低，在結構和制造工藝方面與金屬半導體場效應晶體管（MESFET），高電子遷移率晶體管（HEMT），異質結雙極型晶體管（HBT）等晶體管兼容。MSM的響應速度可高達100 GHz，已廣泛應用于各種高速光探測系統中。
4 結語
光檢測器的發展與光通訊的發展息息相關，該文對幾種光檢測器的性能、基本原理、優缺點作了簡要的闡述，對數字光通訊中光檢測器件的選擇有一定指導意義。
參考文獻
[1] 畢衛紅，張燕君，齊躍峰.光纖通訊與傳感技術光纖通訊與傳感技術[M].北京：電子工業出版社，2008：130-158.
[2] 白宗杰，陳世軍，.單光子雪崩二極管探測系統測試與設計分析[J].器件制造與應用，2010，10（3）：775-779.
光電二極管范文3
【關鍵詞】單片機 光電檢測電路 太陽跟蹤定位 時鐘電路
這種太陽能電池板自動跟蹤系統是以單片機為核心，結合光電檢測電路、跟蹤定位系統這兩個主要的結構，在此基礎之上，還添加了時鐘電路和控制單片機系統。太陽能電池板自動跟蹤系統能夠使太陽能電池板始終保持與太陽光垂直，使電池板無論在晴天或陰天，對太陽能的轉化都能夠保持在一個基本的高值。
1 單片機的選取
本系統選取普通的AT89C52 單片機，因為對太陽運行軌道的計算量較小，所以選擇普通的單片機就能夠滿足這里的計算要求。同時，AT89C52 單片機能耗較低，而又具有性能高的特定，片內有8k字節的可擦寫存儲器，4組I /O口。而且其價格較為低廉，這就降低了整個系統地成本。
2 光電檢測電路
太陽跟蹤系統的關鍵就是在于檢測太陽光的最強的位置。太陽處于不停地運轉的狀態，因此在對其進行觀測的過程中，不同觀測時間和方位所觀測到的陽光強弱也是不同的，所以，對太陽進行定位檢測就顯得尤為必要。
整個的光電檢測電路是一件中間有一鏤空圓洞的圓柱體組件。鏤空圓洞的直徑與光電二極管的直徑相同，其作用就是讓太陽光線從中通過。圓柱體內部包含9個光電二極管，其分布為圓圈狀，8個二極管為1圈，并將其中一個居中放置。將單片機的輸入端用在圓柱體的每一個光電二極管上，總共使用9個單片機。將這個圓柱體和太陽能電池板安裝在一起時，光電二極管接收陽光照射的一面要和太陽能電池板要保持相對的平行。為了檢測周圍環境的亮度，將光電檢測電路的圓柱體外殼部分，放置在太陽光線能照射到的地方，并加裝一個光電二極管，此二極管的朝向要與圓柱體內的光電二極管朝向保持一致，從而使得外部光電二極管與圓柱體內光電二極管之間能夠組成一個比較電路，該電路可以是LM324集成電路中的一個。在圓柱體的四周上下各放置間距一致的四個電阻，共8個電阻。調整電阻的阻值，運放就會在圓柱體內的光電二極管沒有陽光照射的時后輸出低電平，就能夠對接到的輸入端進行檢測。然后這個裝置就能夠對太陽光線的朝向進行檢測，之后就能判斷出電機的轉動方向。這個光電檢測電路周圍可以再增加一圈，這樣能夠增大光電二極管的檢測范圍。
3 跟蹤定位系統
跟蹤定位系統采用雙軸機械跟蹤定位系統。之所以設計成雙軸機械跟蹤定位系統，是為了從方位角和高度角兩個方向上追蹤太陽光。機械部分由電池板做為支架，兩個安裝軸承的轉動軸，下方一個底座組成。整個系統的驅動由電機完成，電機的驅動力可以使電池板垂直90度方向和360度水平方向自由旋轉。在兩個安裝軸承的轉動軸上，各自固定一個大齒輪，再各配以一個小齒輪，用以連接傳送帶和電機。小齒輪需要進行轉速比調整以降低大齒輪轉速和電機的調整功率。兩個大齒輪旁邊，最好能夠加裝鎖定裝置。這個鎖定裝置的作用就是在方位角和高度角沒有調整的時候，防止有除陽光之外的其他因素導致的方位角和高度角自行移動。將鐵片安裝在彈簧上，彈簧的另一頭固定在大齒輪的軸心構成鎖定裝置以搜定齒輪。在齒輪旁的適當位置上安裝一個干簧繼電器，然后將兩塊小磁鐵放置在小齒輪的對稱位置上，磁鐵是用來讓干簧管閉合的，其經過干簧管的位置就需要不斷地調整。單片機會對干簧管的信號進行判斷、解讀檢測到的轉動角度后，經過兩路二極管和繼電器，將方位角和高度角電機的正反轉控制信號送出加在方位角和高度角這兩個電機上，就構成了一個方位角和高度角的跟蹤系統了。當單片機的正反轉控制信號發出后，電磁閘被接通驅動，拉動鐵片，鎖定就能夠解除了。
4 時鐘電路系統
太陽光在各個時間點都是不一樣的，這就要用到實時時鐘計時，以彌補單片機長久計時的誤差。系統使用串行實時時鐘芯片DS1302，由DALLAS 公司生產，采用二十四時和十二時計時方式，且有年月日的表達方式。它的優點就是能夠串行通訊而且能夠實現與單片機接口。它是有主電源，同時還有備用電源管，能夠持久供電。
5 系統工作原理
系統開機完成后立即校正時間，開始全自動地調整內部程序。如果是陰天，內部還未有正確的數據存儲，系統就難以對太陽方位進行定位。此時，可人工使用手電筒或者光源來模擬太陽光進行定位，光源最好根據晴天陽光大致位置來照射。程序有了初始數據，就能夠啟動自動調整。晴天時，系統將會10分鐘就校正一次陽光定位數據，同時對該數據進行記憶。方位角和高位角采用時和分共兩個字節進行表示，存儲到單位片制定的內存區。若陰天沒有調整就沒有數據的存儲，系統會自發地將前一次調整成功時的位置進行調用。這樣進行自動校正，就能夠最大程度地減少太陽位置隨著季節變化而變化所帶來的誤差，而且能夠防止保持較高的電機利益率和電能轉化過程中的消耗。
6 結語
太陽能作為可再生和環保能源，對于將來社會的發展有著重要作用。提高太陽能的轉化率和利用率就成了當務之急。這款基于單片機的太陽能電池板自動跟蹤系統能夠對太陽進行定位，檢測太陽光線的強弱變化，采用間隔記錄的方式，實時地對時間和角度數據進行存儲分析和調整，以便于在陰天時，也能夠正確地轉到正確的位置。這樣一來，太陽能的利用效率就能夠大大提高，就算在天氣情況較為復雜的情況下，也能夠較為準確地定位太陽位置。最重要的是，該系統成本較低，準確率較高，適合推廣使用。
參考文獻
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[2]李仁浩，劉松，楊帆，劉佳川.液壓式太陽能光伏發電自動跟蹤系統研究與設計[J].硅谷，2013（13）.
作者簡介
施秉旭（1985-），男，山東省德州市人?，F在供職于德州職業技術學院。研究方向為電子技術、太陽能光電應用技術。
光電二極管范文4
1、太陽能發電方式太陽能發電有兩種方式，一種是光—熱—電轉換方式，另一種是光—電直接轉換方式。
2、光—熱—電轉換方式通過利用太陽輻射產生的熱能發電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換成工質的蒸氣，再驅動汽輪機發電。前一個過程是光—熱轉換過程；后一個過程是熱—電轉換過程。
3、光—電直接轉換方式是利用光電效應，將太陽輻射能直接轉換成電能，光—電轉換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件，是一個半導體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產生電流。當許多個電池串聯或并聯起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。
（來源：文章屋網 ）
光電二極管范文5
【關鍵詞】太陽光 實時跟蹤器 光電二極管 DSP芯片
太陽能作為一種可再生能源具有儲量無限、普遍存在、利用清潔、使用經濟等優點，但是太陽能又存在著低密度、間歇性、空間分布不斷變化的缺點，要在有限的使用面積內收集更多的太陽能，就必須要實時跟蹤太陽。太陽能是一種具有無污染、無噪聲、無公害等優點的可再生能源，目前利用太陽能的方式很多，光伏發電和光纖照明是其中兩種常見的利用方式。光纖照明可以使用菲涅耳透鏡使光聚集在光纖耦合器上，讓自然光通過光纖直接傳導到照明器件上，極大地提高了光能的利用率。本研究的出發點在于配合光纖照明系統設計，工作性質是實時跟蹤太陽，適用于各種采集太陽光的方案。本研究的太陽跟蹤系統最大的特點是雙模式實時跟蹤，該系統能根據外界光強的狀況自動切換跟蹤模式，跟蹤精度高，而且造價低廉。
1 太陽自動跟蹤系統的比較
根據運行系統原理的不同，太陽跟蹤器可分為三大類：
第一類為開環方式，或稱為微處理器方式、程序跟蹤方式、天文算法。 根據天文歷法，先計算出太陽的高度角和方位角，再驅動轉動機構到期望的角度。開環方式的優點是對天氣變化的抗干擾能力強。
第二類為閉環方式又稱為光電控制方式。通過反饋傳感器的反饋信號來消除太陽指向的偏差。采用閉環方式，可以獲得較高的太陽跟蹤精度和太陽跟蹤靈敏度。
第三類為閉環和開環方式相結合的混合方式。在太陽輻射較強時，利用光電傳感器反饋的信息進行閉環跟蹤；其余情況關閉閉環控制，開啟開環運行方式。開環模式采用了天文跟蹤方法，閉環模式采用了光強差反饋的控制方法，使用了光電信息的工作模式切換方法。
2 機械結構
本研究使用的是雙軸式跟蹤的機械結構，利用機械結構專業設計軟件 Solid Works 對機械傳動系統進行設計并建模。載物臺上設計了間隔為 40 mm，14×12 陣列的自由固定螺孔，適用于各種小型的太陽能接收設備。整體機型不大，方便移動。整體設計如圖 1所示。
3 光電二極管
通過傳感器的比較，本研究使用性價比高的光電二極管作為主要傳感器，將傳感器安裝在圖1的集光板上便可實現跟蹤。
3.1 光電二極管的光伏模式電路設計
歐司朗的SFH203P型號的PIN光電二極管在光伏模式下能采集大范圍光線的光強。該PIN光電二極管在強光下能產生高達500mV的電壓，只要加簡單的信號調理電路，便可以得到較強的信號。
一般光電二極管的功率比較低，負載能力差，為了不被采集的負載電阻所影響，采用了運算放大器，設計成輸入阻抗無窮大的同相比例運算放大電路。
如圖2，根據運放的計算，電路放大倍數為6。由于DSP的模數轉換輸入接口（AD）范圍是-0.3V～+3.3V，可測量電壓范圍是0～+3V。為了保護芯片，在輸出端并聯了兩個肖特基二極管作為限幅。而電容C1為濾波電容，利用積分電路原理，制作成一個低通濾波器，其截止頻率為1K。
3.2 差分電路設計
為了提高檢測精度，另外還加了一個公模抑制比很大的儀表放大器進行信號的差分放大。設計的如圖3電路，差模放大倍數為20。
最后輸出的結果為Vout5=20*（Vout2-Vout1），而Vout1和Vout2分別為一級放大的信號。電路中的二極管是用于輸出限幅電壓的限幅作用的，其限幅功能和Vout1的原理一樣。儀表放大器偏置電壓為1.5V。參考電壓精度要求比較高，依然選用TL431作為3V的輸入，通過電阻和電位器的分壓，調節輸出1.5V，經過電壓跟隨其隔離后輸出到儀表放大器的偏置端，而電位器是用于調整因電阻本身所帶來的誤差，電路如圖4-圖6。
4 控制系統設計
為了更好地處理采集傳感器的信號，本研究使用的DSP是TMS320F2812芯片，CPU主頻達150MHz，是一個32位定點的控制器，其具有DSP的高速運輸性能，同時多種模塊方便于對各種類型電機的控制，是一款控制類的DSP芯片。由于本設計的公式實時跟蹤需要涉及多種三角函數的運輸，實時運算量較大，其定點運算可起到關鍵的作用。
整個程序工作流程如下：
如圖7所示。雙模式的實時跟蹤方案是指系統初始化后讀取EEPROM參數和時鐘芯片的實時時間，判斷當前時間是否在日間，若是就開啟跟蹤模式，否則就關閉跟蹤模式并計算下一個工作開始時的位置。跟蹤模式開始后，默認開啟公式跟蹤，先讓傳感器到達公式跟蹤的位置。跟蹤前先檢測光強是否達到設定值，是就開始傳感器實時跟蹤，關閉公式跟蹤，否則繼續公式運算法跟蹤，不斷重復這種切換。通過計算和采集數據，計算出偏移量反饋給步進電機，讓系統自動跟蹤。
4.1 跟蹤模式一：傳感器跟蹤
傳感器跟蹤一般都采用比較式的，即通過比較各象限傳感器的信號差來判斷和計算太陽光線的偏差角，然后再控制驅動電機，使系統探測始終與太陽光線保持一致，實現精確跟蹤。
光電二極管布局如圖8。
安裝時，X軸方向與垂直齒輪轉動方向一致，Y軸方向與垂直齒輪方向一致。中間互相垂直的橫條是實物圖上的黑色擋板，用黑色的塑料片制作。工作時，其光路分析如圖9。
圖9中左邊的傳感器被黑色塑料擋板擋住光線，電壓比較小，右邊的被完全照射，電壓比較高，判斷為太陽在右邊，系統應該向右調整，直至出現圖 10的狀況。
從圖10中看出，對準太陽后依然有一定的小偏差，為了減少偏差，擋板的高度要適當加長，精度便會提高，同時，雖然光路是上圖的路線，但是光強依然是右邊的光線比較強，光電二極管可以識別出這種差別，所以實際上傳感器能識別的偏差比上圖的偏差要小得多。
根據以上結構分析，通過ADC模塊采樣，獲得各個光電二極管的信號，便可以做出控制。為了增強信號的可靠性，采用了中值濾波法和滑動濾波法兩種形式進行濾波算法。
4.1.1 中值濾波法
對ADC采樣的數據不立即操作，而是參考10組數據，對這10組數據進行大小排序，再對中間4個數據進行求平均，算得的結果為比較可信的數據。經過這樣處理，可以把一些突變的干擾（如尖峰信號）濾掉，留下出現幾率大的數據，這樣的數據比較可信。程序上是建立一個一維數組，利用冒泡法逐次比較結果，讓數組重新排列，重新排列后的數組對中間的4個元素進行求平均。
4.1.2 滑動濾波法
所謂滑動濾波法是指對根據觀測數據狀態的變化趨勢，采用歷史數據進行參考。具體做法是考察5次中值濾波法計算的數值。第一次直接把這5個數據進行求平均，作為當前可信的結果。第二次則替代這5個數據中最早的一個數據，再求平均，作為第二次可信結果，其余依此類推。每次替代的數據是最早的一個數據，這樣一直循環，求出來的結果體現的是變化趨勢。程序上只要建立一個一維數組，按順序把這5個數據輪流替換求平均就可以實現。
經過兩次濾波算法后，在固定的輸入上能精確到±7mV，在變化的信號上也不會失真，說明濾波的效果比較理想。而電位器的電壓值也變得可靠平穩，如圖11所示。
由圖11得知，原始數據不十分穩定，原因主要有兩個：第一是電路本身的問題，電源本來有噪聲，噪聲只能減小，不能消除；第二是芯片本身的ADC模塊問題，其模塊轉換的數據誤差比較大。因此，需要用算法去提取有用的信息，成為圖12的數據，在電位器不變的情況下，數據接近一條直線。傳感器跟蹤系統精度高，但受環境因素影響大。
4.2 跟蹤模式二：天文算法
當傳感器跟蹤受到影響時，必須切換到天文算法。天文算法是通過計算模擬天體（太陽）運動規律來實現跟蹤控制，即根據觀測點的地理緯度、太陽赤緯以及觀測時間計算出太陽高度角和太陽方位角，然后控制執行機構即電機去轉動目標角度，實現實時跟蹤目的。這類跟蹤系統精確度一般，但抗干擾能力強，在天氣比較惡劣的情況下也適用。此算法涉及兩個坐標系。
4.2.1 時角坐標系
時角坐標系：以天赤道為基本圈，北天極為基本點，天赤道和子午圈在南點附近的交點為原點的坐標系，也稱為第一赤道坐標系，如圖13。
4.2.3 DSP定點算法的設計與驗證
從計算太陽方位的公式可以看出，要精確計算太陽高度角和太陽方位角，還要考慮計算速度的問題，需要使用DSP的定點運算模塊。TI公司的定點型DSP硬件ROM里有計算的函數表，能夠快速地進行各種復雜運算，包括三角函數和反三角函數，乘法表等。使用定點運算能大大提高DSP的運算效率，這是由該芯片的硬件決定的。使用DSP的定點運算會減少DSP資源的開銷。
經過實驗測試，完整計算一次太陽高度角和方位角只需要微秒級的時間，因此可以實現每秒更新一次太陽高方位信息，并且不妨礙程序的運行。本計算涉及一些固定的變量，如通過查閱當地的緯度并運用按鍵設置，系統會把緯度值存入EEPROM，以后系統就會直接調用該值來計算太陽的方位。
在春分日當天，太陽直射在赤道上。對于地球參考系來說，太陽總是在赤道上日出，赤道上日落。計算時以北緯21.16度進行計算，此時太陽總是在此緯度地點的南邊。圖 15和圖 16分別統計在早上6點到晚上6點，通過天文法計算的數據，太陽方位角以正北作為零點。X坐標方向為時間，Y軸方向為太陽高度角和太陽方位角，單位為弧度。通過上圖可知，太陽高度角在12時達最大值，且小于π/2，太陽方位角位0。因此，該算法符合太陽運動的規律，可以采用。
在夏至日，太陽直射點在北回歸線上，對于地球參考系來說，太陽方位角有一個迂回的過程，當太陽高度角大于π/2時，太陽方位角還是以正北為零點，但是太陽已經在該地點的北面，所以太陽高度角大于π/2時，方位角回到第一和第四象限，才能表示太陽在該地點的北面。因此，也符合太陽運動規律，如圖圖17和圖18。
秋分日和春分日代表的意義一樣，此時計算出來的數據也相同，符合太陽的運動規律。
冬至日當天，太陽直射點在南回歸線上，其狀況與春分日和秋分日狀況相似，不同的是太陽方位角變化比較緩，太陽高度角當天最大值為一年中的最小值。圖21和圖22的數據同樣符合太陽運動規律。
太陽高度角與垂直方向上的電位器電壓成正比，太陽方位角與水平方向上步進電機的步數成正比。只要算出太陽高度角和太陽方位角，通過實驗計算比例系數，即可算出對步進電機的操作量的大小。復位時，水平方向必須對準水平齒輪上標記的孔，系統開始時便會自動開啟激光定位模塊，電機自動轉動。激光接收到反射信號便會關閉激光二極管，此時系統指向正北方向，繼而系統開始進入正常運行狀態。
4.3 實時跟蹤系統測試
系統軟件完成后，要對系統的控制量進行調試修正。經過反復的調試和修正，可實現精度比較高的控制方式。為了測試跟蹤精度，使用了發光比較均勻的定向光源（手電筒）進行測試，光源的位置是已知量，而跟蹤器的角度可以間接測量。表2和表3為對系統的進行的比較測試及誤差分析的數據。
表2中的數據表明，高度角的跟蹤誤差相對比較小，最大有±0.76°的誤差。這是由機械的誤差造成的?？v向齒輪比較小，單位控制量比較大，即使很小的控制量也容易出現超調現象。
表3中的數據表明，方位角的跟蹤誤差比較小，這是因為水平方向的齒輪比較大，連軸在水平方向松動狀況不明顯。只要繼續改善控制方式，就能更好地提高跟蹤精度。
采用雙模式跟蹤，經過程序調試，系統在室外能正常地運行，并能正常切換跟蹤模式，實現了對太陽雙模式的實時跟蹤，而且精度比較高。
5 總結
為了提高太陽跟蹤器在多種天氣條件下長時間運行的太陽指向精度和運行可靠性，研究了太陽跟蹤器的工作模式切換問題，構造了可在開環和閉環模式間智能切換的太陽跟蹤器。開環工作模式采用了天文跟蹤方法，閉環工作模式采用了光線強度偏差控制方法。提出了基于光電二極管信息的智能切換方法以便太陽跟蹤器選擇合適的工作模式。這種基于光電的方法可獲取較為敏感的外界環境信息，提高了系統感知外界環境的能力，降低了太陽跟蹤器的跟蹤誤差。太陽跟蹤實驗表明，太陽跟蹤器的運行穩定可靠，可適應較為復雜的天氣條件。采用本研究提出的雙模式實時跟蹤方法可實現太陽跟蹤器的全天候自動跟蹤。
參考文獻
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作者簡介
趙圣麟（1989-）。主要研究方向為模擬電子與軟件技術。
王慧（1963-）。為本文通訊作者。研究方向為太陽能的利用、智能控制系統、光纖應用。
作者單位
光電二極管范文6
石墨烯并不是什么稀有的物質或化學元素，學生常用的鉛筆芯就包含石墨成分。石墨烯是碳原子排列在一個二維平面上的蜂窩結構體，厚度相當于頭發的百萬分之一。一直以來，厚度僅為一個原子的材料都是一種假設性的結構，直到2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，證實了一個原子厚度的材料可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。
單層石墨烯的厚度非常薄，只有一個碳原子厚，約為0.34nm，但其強度卻與金剛石相當，極為堅硬。瑞典皇家科學院在發表2010年物理學獎時曾這樣比喻其強度：“利用單層石墨烯制作的吊床可承載一只4kg的兔子”。按此估算，與常用食品保鮮膜厚度相當的重疊后的石墨烯薄膜，則可承載2噸重的汽車。除了具有優良的物理特性之外，石墨烯還具備優秀的導電特性：單層石墨烯中的電子與空穴載流子遷移率可在室溫下超過硅的100倍且遷移速度可達光速的300倍。而其電阻值僅為銅的2/3，而且，其可耐受的電流密度可達銅的100倍。
由于石墨烯只有一層原子的厚度，因此透光率極高。六邊形的碳原子結構僅會阻擋2.3%的光，而且所有波長的光都可均勻地通過（紅外線、可見光和紫外線），因此，石墨烯影像傳感器可接受廣譜光線，這意味著它可適用于幾乎所有的數字影像領域：紅外攝像機、微光攝像頭、安防監控、衛星成像以及民用照相機等。同時，由于石墨烯極薄且電氣性能極佳，所以用其制成的影像傳感器功耗僅為傳統CMOS的1/10，不僅可降低影像傳感器的發熱量，還可大幅提升數碼拍照設備的電池續航性能。
