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光电二极管范文1
【关键词】高效液相色谱普通紫外-可见光检测器；光电二极管阵列检测器；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
高效液相色谱仪已经是一种应用范围极广泛的分析仪器，尤其对于食品中常用添加剂的检测，更具有举足轻重的地位。液相色谱应用最广泛的检测器是紫外-可见光检测器（UV-VIS），又称紫外可见吸收检测器、紫外吸收检测器（UV）、紫外光度检测器、或直接称紫外检测器。几乎所有液相色谱仪都配置了这种检测器。它不仅有较好的选择性和较高的灵敏度，而且对环境温度、流动相组成变化和流速波动不太敏感，因此既可用于等度洗脱，也可用于梯度洗脱。其原理基于Lambert-Beer定律，即被测组分对紫外光或可见光具有吸收，且吸收强度与组分浓度成正比。很多有机分子都具紫外或可见光吸收基团，有较强的紫外或可见光吸收能力，因此紫外检测器既有较高的灵敏度，也有很广泛的应用范围。[1]
然而用普通的紫外可见光检测器检测时，只能选择一个波长对样品进行分析，且对于色谱峰还无法进行定性分析。鉴于此光电二极管阵列检测器逐渐发展起来了，并得到了广泛应用。以光电二极管阵列（或CCD阵列，硅靶摄像管等）作为检测元件的紫外可见光检测器。它可构成多通道并行工作，同时检测由光栅分光，再入射到阵列式接受器上的全部波长的信号，然后，对二极管阵列快速扫描采集数据，得到的是时间、光强度和波长的三维谱图。与普通紫外检测器不同的是，普通紫外检测器是先用单色器分光，只让特定波长的光进入流动池。而光电二极管阵列检测器是先让所有波长的光都通过流动池，然后通过一系列分光技术，使所有波长的光在接受器上被检，也就是可以快速扫描被测组分的紫外-可见吸收光谱。使我们可以得知样品溶液在波长段190nm-800nm之间的任意波长的吸收值。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 样品和试剂
被测样品为果汁饮料，甲醇（HPLC），氨水、乙醇、柠檬酸、乙酸胺均为分析纯，柠檬黄（0.5mg/mL） 苋菜红（0.5mg/mL）胭脂红（0.5mg/mL）日落黄（0.5mg/mL）亮蓝（0.5mg/mL）（购自中国计量科学院）诱惑红为固体（纯度为80%），分析用水为超纯水
1.1.2 仪器和设备
LC-2010AHT 高效液相色谱仪带自动进样器（日本岛津），UV-VIS 与SPD-M20A二级管阵列检测器（日本岛津）串联。0 45 m 孔径滤膜； 2 mL 一次性注射器
1.2 方法
1.2.1 标准溶液配制
标准储备液：准确称取诱惑红标准品0.0625g，溶解后移入50 mL 容量瓶中，超纯水定容至 50 mL，标准物质溶液浓度均为1.0 mg/ml
标准使用液配制：准确吸取柠檬黄 苋菜红 胭脂红 日落黄 亮蓝标准储备液各 5.00 mL，诱惑红2.00mL
定容至 50 mL，稀释成浓度为0.05 mg/mL（诱惑红0.04mL） 的混合标准液
1.2.2 仪器分析方法
液体样品按照国标方法[2-3]处理后，提取液经0 45 m孔径滤膜过滤待分析流动相为甲醇+0 02 mol/L 乙酸铵，比例为按照国标方法[2]；色谱柱为ECOSIL C18柱（4.6 mm *150 mm， 5um）；检测器是UV-VIS 与SPD-M20A二级管阵列检测器（日本岛津）串联190 nm～800 nm；柱温 40℃ ；进样量 5uL；流速0.8 mL/min.
2 结果分析与讨论
根据设定方法完成分析程序，对比紫外检测器与二极管阵列检测器图谱分析可知。排除保留时间近似的干扰物质食品检测过程中，由于食品基质的复杂性经常导致杂质干扰，很多时候仅仅依靠保留时间定性会造成假阳性，影响判断结果，如图1。
图1 标准谱图与样品谱图对比图（普通紫外检测器）
图1所示，此处是标准谱图与样品谱图在254nm处波长的对比，柠檬黄与苋菜红两个保留时间处，都有吸收峰。
二级管阵列检测器可在色谱分离期间实现对被测物质进行 波长190nm-800nm之间的全段扫描，因此可实时记录被分析物质的色谱和光谱信息，计算并显示该物质最大吸收波长，利用其光谱特征吸收曲线实现对保留值规律进行定性分析的有效补充。通过色谱峰纯度[4]分析，可以对这些吸收峰进行定性。
色谱峰纯度是判定色谱峰内是否为单个组分的指标，获得纯物质的色谱峰是定性和定量分析的必要前提 最常用的峰纯度检测方法包括色谱峰不同部位的光谱归一化，即纯物质从峰前沿、峰顶至峰尾处任意一点光谱吸收图形几乎完全相同，如图2。标准吸收峰纯度很高，而样品的光谱吸收图也基本上相同，从而可以定性此物质是柠檬黄。
图2 柠檬黄标准图谱吸收峰（左）与样品图谱吸收峰（右）
对比（二极管阵列检测器）
图3 苋菜红标准图谱吸收峰（左）与样品图谱吸收峰（右）
对比（二极管阵列检测器）
图3中，根据苋菜红标准图谱确定其最大吸收波长为521nm，所以选取521nm波长处的吸收光谱图，发现此处无明显的吸收峰，选取峰顶保留时间，查看其光谱扫描图未发现有最大吸收波长为521nm的峰，所以据此判定图1处，样品苋菜红保留时间处吸收峰为假阳性峰。
另外，根据同一物质在不同波长的摩尔吸光系数比值应为常数的原理，若样品峰内各点的光谱与峰顶点光谱的摩尔吸光系数的比值为一常数，也表明该物质为纯物质。除此之外，仪器工作站也会给出有关峰纯度的显示结果。
3 结论
由以上分析对比可以看出，二极管阵列检测器在物质定性分析上具有普通紫外检测器不具备的功能，虽然不及质谱仪定性准确，但其购买成本与分析成本远低于购买一台液相质谱仪所需要的费用，已经成为液相色谱仪器主要配备的检测器之一。虽然灵敏度不及普通紫外检测器，但随着二极管阵列检测器技术的不断完善和发展，将来必定逐步具有与 UV 检测器相媲美的高灵敏度[5]。
【参考文献】
[1]云自厚，欧阳津，张晓彤.液相色谱检测方法[M].2版：17.
[2]中华人民共和国卫生部，中国国家标准化管理委员会.GB/T 5009.35 2003 食品中合成着色剂的测定[S].北京：中国标准出版社，2004.
[3]中华人民共和国出入境检验检疫局，国家质量监督局.SN/T 1743 2006 食品中诱惑红、酸性红、亮蓝、日落黄的含量检测高效液相色谱法[S].北京：中国标准出版社，2006.
光电二极管范文2
关键词：光电检测 灵敏度 光纤传感 光纤通讯
中图分类号：O359 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0099-02
随着光纤通讯信息量的增大，人们对光电检测器的要求也越来越高，主要要求其具有高的可靠性和灵敏度，以及低成本，同时要求光电检测器的光敏面应与光纤芯径匹配。光电检测器一般使用半导体材料制成。该文介绍了光检测原理，并分析了光电检测器的设计要求和常见分类。
1 光检测原理
所谓光检测过程，也就是受激光吸收的过程。如图1所示，假如入射光子的能量超过禁带能量，只有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子―空穴通过对电场的作用，分别离开耗尽区，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N区进入正电极。从而在外电路形成光生电流。当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。光生电流与产生的电子空穴对和这些载流子运动的速度有关。也就是说直接与入射光功率成正比[1]，即 （1）
在公式（1）中，R表示光电检测响应度（用A/W表示）。由此式可以得到
在公式（4）中，λ=c/υ是指入射光波长，用μm表示，c=3×10m/s是真空中的光速。上式表示光电检测器响应度随波长而增加，这是因为光子能量hν减小时可以产生与减少的能量相等的电流。R和λ的这种线性关系不能一直保持下去，因为光子能量太小时将不能产生电子。当光子能量变得比禁带能量小时，无论入射光多强，光电效应也不会发生，此时量子效率下降到零，也就是说，光电效应必须满足条件。
2 光电检测器的设计要求
为了满足应用的需求光电检测器设计时应满足：（1）能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换；（2）灵敏的响应度，要求在有入射功率进入时，能输出足够大的光电流；（3）要求光电检测器件的噪声低，这样避免了其本身对检测输出信号的影响；（4）具备良好的线性关系，以保证在信号转换的过程中数据的准确性；（5）要求其低成本及耐用，具有较长的工作寿命等。
3 数字光通讯中常用的三种光检测器
当前，在数字光通讯中常用的光电检测器主要有三种：PIN光电二极管、APD雪崩光电二极管和MSM（金属-半导体-金属）光检测器。
（1）PIN光电二极管
PIN光电二极管的特点主要是工作性能稳定，所要求的供电电压低，但其响应频率高，可高达10 GHz，同时响应速度快，因此被广泛使用。在使用材料上，由于PIN光电二极管在P型、N型半导体之间的I层，使用了轻掺杂的N型材料，这样一来，其电子浓度相对来说很低，这样经过扩散后便会形成一个很宽的耗尽层，约有5～50 μm可吸收绝大多数光子，因此，大大地提高了PIN光电二极管的转换效率和响应速度。
图2为PIN光电二极管的能带简图，在图2中，自由电子―空穴对（称为光生载流子）主要通过能量大于或等于带隙能量的光子将激励价带上的电子吸收光子的能量而跃迁到导带上来产生。在耗尽区的高电场使得电子―空穴对立即分开并在反向偏置的结区中向两端流动，然后在边界处被吸收，从而在外电路中形成电流，完成光检测的整个过程。
PIN型光电二极管的主要参数，①开关时间：由于电荷的存储效应，PIN管的通断和断通都需要一个过程，这个过程所需时间；②隔离度：开关在断开时其衰减也非无穷大，称为隔离度；③插入损耗：开关在导通时衰减不为零，称为插入损耗；④承受功率：在给定的工作条件下，微波开关能够承受的最大输入功率；⑤电压驻波系数：仅反映端口输入，输出匹配情况；⑥开关的分类：反射式和吸收式，吸收式开关的性能较反射式开关优良；⑦控制方式：采用TTL信号控制，‘1’通‘0’断。
（2）APD雪崩光电二极管
与PIN光电二极管相比，APD雪崩光电二极管的灵敏度更高，响应也更快，但它在工作时对电压要求高，而且当入射光功率比较大时，相应的增益引起的噪声也大，如此一来会带来电流的失真。APD雪崩光电二极管的设计动机[3]：在光生电流尚未遇到后续电路的热噪声时已经在高电场的雪崩区中得到放大，对接收机灵敏度的提高起到了帮助的作用。
保护环型APD（Guard ring APD）在制作时先淀积一层环形N型材料，然后高温推进形成一个深的圆形保护环，是保护环和P区之间形成浓度缓慢变化的梯度接面，以防止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。GAPD具有很高的灵敏度，但是其雪崩增益与负向偏压之间的非线性关系很显著。要想得到足够大的增益，就必须使GAPD在接近击穿电压的情况之下，但是击穿电压对温度的变化又十分敏感。因此，为使GAPD在环境温度变化的时候也能保持稳定的增益。就要设法控制GAPD的负向偏压，拉通型雪APD （ Reach-through APD ）也就是为此目的而设计的。
APD随使用的材料不同有几种：Si-APD（工作在短波长区）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在长波长区）等。
（3）MSM光检测器
MSM是20世纪70年代末出现的一种高速光检测器，是在硅材料上直接沉积叉指状金属电极，金属电极与硅材料形成肖特基势垒接触[4]。当适当波长的光入射时，硅材料价带电子吸收光子能量而跃迁到导带上去，在导带和价带之间产生电子-空穴对。外加偏压下，光生电子-空穴对在叉指电极之间电场作用下经过漂移或扩散等运动被叉指电极俘获，形成光生电流。MSM光检测器的分布电容小，暗电流低，在结构和制造工艺方面与金属半导体场效应晶体管（MESFET），高电子迁移率晶体管（HEMT），异质结双极型晶体管（HBT）等晶体管兼容。MSM的响应速度可高达100 GHz，已广泛应用于各种高速光探测系统中。
4 结语
光检测器的发展与光通讯的发展息息相关，该文对几种光检测器的性能、基本原理、优缺点作了简要的阐述，对数字光通讯中光检测器件的选择有一定指导意义。
参考文献
[1] 毕卫红，张燕君，齐跃峰.光纤通讯与传感技术光纤通讯与传感技术[M].北京：电子工业出版社，2008：130-158.
[2] 白宗杰，陈世军，.单光子雪崩二极管探测系统测试与设计分析[J].器件制造与应用，2010，10（3）：775-779.
光电二极管范文3
【关键词】单片机 光电检测电路 太阳跟踪定位 时钟电路
这种太阳能电池板自动跟踪系统是以单片机为核心，结合光电检测电路、跟踪定位系统这两个主要的结构，在此基础之上，还添加了时钟电路和控制单片机系统。太阳能电池板自动跟踪系统能够使太阳能电池板始终保持与太阳光垂直，使电池板无论在晴天或阴天，对太阳能的转化都能够保持在一个基本的高值。
1 单片机的选取
本系统选取普通的AT89C52 单片机，因为对太阳运行轨道的计算量较小，所以选择普通的单片机就能够满足这里的计算要求。同时，AT89C52 单片机能耗较低，而又具有性能高的特定，片内有8k字节的可擦写存储器，4组I /O口。而且其价格较为低廉，这就降低了整个系统地成本。
2 光电检测电路
太阳跟踪系统的关键就是在于检测太阳光的最强的位置。太阳处于不停地运转的状态，因此在对其进行观测的过程中，不同观测时间和方位所观测到的阳光强弱也是不同的，所以，对太阳进行定位检测就显得尤为必要。
整个的光电检测电路是一件中间有一镂空圆洞的圆柱体组件。镂空圆洞的直径与光电二极管的直径相同，其作用就是让太阳光线从中通过。圆柱体内部包含9个光电二极管，其分布为圆圈状，8个二极管为1圈，并将其中一个居中放置。将单片机的输入端用在圆柱体的每一个光电二极管上，总共使用9个单片机。将这个圆柱体和太阳能电池板安装在一起时，光电二极管接收阳光照射的一面要和太阳能电池板要保持相对的平行。为了检测周围环境的亮度，将光电检测电路的圆柱体外壳部分，放置在太阳光线能照射到的地方，并加装一个光电二极管，此二极管的朝向要与圆柱体内的光电二极管朝向保持一致，从而使得外部光电二极管与圆柱体内光电二极管之间能够组成一个比较电路，该电路可以是LM324集成电路中的一个。在圆柱体的四周上下各放置间距一致的四个电阻，共8个电阻。调整电阻的阻值，运放就会在圆柱体内的光电二极管没有阳光照射的时后输出低电平，就能够对接到的输入端进行检测。然后这个装置就能够对太阳光线的朝向进行检测，之后就能判断出电机的转动方向。这个光电检测电路周围可以再增加一圈，这样能够增大光电二极管的检测范围。
3 跟踪定位系统
跟踪定位系统采用双轴机械跟踪定位系统。之所以设计成双轴机械跟踪定位系统，是为了从方位角和高度角两个方向上追踪太阳光。机械部分由电池板做为支架，两个安装轴承的转动轴，下方一个底座组成。整个系统的驱动由电机完成，电机的驱动力可以使电池板垂直90度方向和360度水平方向自由旋转。在两个安装轴承的转动轴上，各自固定一个大齿轮，再各配以一个小齿轮，用以连接传送带和电机。小齿轮需要进行转速比调整以降低大齿轮转速和电机的调整功率。两个大齿轮旁边，最好能够加装锁定装置。这个锁定装置的作用就是在方位角和高度角没有调整的时候，防止有除阳光之外的其他因素导致的方位角和高度角自行移动。将铁片安装在弹簧上，弹簧的另一头固定在大齿轮的轴心构成锁定装置以搜定齿轮。在齿轮旁的适当位置上安装一个干簧继电器，然后将两块小磁铁放置在小齿轮的对称位置上，磁铁是用来让干簧管闭合的，其经过干簧管的位置就需要不断地调整。单片机会对干簧管的信号进行判断、解读检测到的转动角度后，经过两路二极管和继电器，将方位角和高度角电机的正反转控制信号送出加在方位角和高度角这两个电机上，就构成了一个方位角和高度角的跟踪系统了。当单片机的正反转控制信号发出后，电磁闸被接通驱动，拉动铁片，锁定就能够解除了。
4 时钟电路系统
太阳光在各个时间点都是不一样的，这就要用到实时时钟计时，以弥补单片机长久计时的误差。系统使用串行实时时钟芯片DS1302，由DALLAS 公司生产，采用二十四时和十二时计时方式，且有年月日的表达方式。它的优点就是能够串行通讯而且能够实现与单片机接口。它是有主电源，同时还有备用电源管，能够持久供电。
5 系统工作原理
系统开机完成后立即校正时间，开始全自动地调整内部程序。如果是阴天，内部还未有正确的数据存储，系统就难以对太阳方位进行定位。此时，可人工使用手电筒或者光源来模拟太阳光进行定位，光源最好根据晴天阳光大致位置来照射。程序有了初始数据，就能够启动自动调整。晴天时，系统将会10分钟就校正一次阳光定位数据，同时对该数据进行记忆。方位角和高位角采用时和分共两个字节进行表示，存储到单位片制定的内存区。若阴天没有调整就没有数据的存储，系统会自发地将前一次调整成功时的位置进行调用。这样进行自动校正，就能够最大程度地减少太阳位置随着季节变化而变化所带来的误差，而且能够防止保持较高的电机利益率和电能转化过程中的消耗。
6 结语
太阳能作为可再生和环保能源，对于将来社会的发展有着重要作用。提高太阳能的转化率和利用率就成了当务之急。这款基于单片机的太阳能电池板自动跟踪系统能够对太阳进行定位，检测太阳光线的强弱变化，采用间隔记录的方式，实时地对时间和角度数据进行存储分析和调整，以便于在阴天时，也能够正确地转到正确的位置。这样一来，太阳能的利用效率就能够大大提高，就算在天气情况较为复杂的情况下，也能够较为准确地定位太阳位置。最重要的是，该系统成本较低，准确率较高，适合推广使用。
参考文献
[1]仓思雨，孙建明，王忠军，张兰红.基于单片机控制的太阳自动跟踪系统设计[J].盐城工学院学报（自然科学版），2014（02）.
[2]李仁浩，刘松，杨帆，刘佳川.液压式太阳能光伏发电自动跟踪系统研究与设计[J].硅谷，2013（13）.
作者简介
施秉旭（1985-），男，山东省德州市人。现在供职于德州职业技术学院。研究方向为电子技术、太阳能光电应用技术。
光电二极管范文4
1、太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。
2、光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程。
3、光—电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。
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光电二极管范文5
【关键词】太阳光 实时跟踪器 光电二极管 DSP芯片
太阳能作为一种可再生能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，要在有限的使用面积内收集更多的太阳能，就必须要实时跟踪太阳。太阳能是一种具有无污染、无噪声、无公害等优点的可再生能源，目前利用太阳能的方式很多，光伏发电和光纤照明是其中两种常见的利用方式。光纤照明可以使用菲涅耳透镜使光聚集在光纤耦合器上，让自然光通过光纤直接传导到照明器件上，极大地提高了光能的利用率。本研究的出发点在于配合光纤照明系统设计，工作性质是实时跟踪太阳，适用于各种采集太阳光的方案。本研究的太阳跟踪系统最大的特点是双模式实时跟踪，该系统能根据外界光强的状况自动切换跟踪模式，跟踪精度高，而且造价低廉。
1 太阳自动跟踪系统的比较
根据运行系统原理的不同，太阳跟踪器可分为三大类：
第一类为开环方式，或称为微处理器方式、程序跟踪方式、天文算法。 根据天文历法，先计算出太阳的高度角和方位角，再驱动转动机构到期望的角度。开环方式的优点是对天气变化的抗干扰能力强。
第二类为闭环方式又称为光电控制方式。通过反馈传感器的反馈信号来消除太阳指向的偏差。采用闭环方式，可以获得较高的太阳跟踪精度和太阳跟踪灵敏度。
第三类为闭环和开环方式相结合的混合方式。在太阳辐射较强时，利用光电传感器反馈的信息进行闭环跟踪；其余情况关闭闭环控制，开启开环运行方式。开环模式采用了天文跟踪方法，闭环模式采用了光强差反馈的控制方法，使用了光电信息的工作模式切换方法。
2 机械结构
本研究使用的是双轴式跟踪的机械结构，利用机械结构专业设计软件 Solid Works 对机械传动系统进行设计并建模。载物台上设计了间隔为 40 mm，14×12 阵列的自由固定螺孔，适用于各种小型的太阳能接收设备。整体机型不大，方便移动。整体设计如图 1所示。
3 光电二极管
通过传感器的比较，本研究使用性价比高的光电二极管作为主要传感器，将传感器安装在图1的集光板上便可实现跟踪。
3.1 光电二极管的光伏模式电路设计
欧司朗的SFH203P型号的PIN光电二极管在光伏模式下能采集大范围光线的光强。该PIN光电二极管在强光下能产生高达500mV的电压，只要加简单的信号调理电路，便可以得到较强的信号。
一般光电二极管的功率比较低，负载能力差，为了不被采集的负载电阻所影响，采用了运算放大器，设计成输入阻抗无穷大的同相比例运算放大电路。
如图2，根据运放的计算，电路放大倍数为6。由于DSP的模数转换输入接口（AD）范围是-0.3V～+3.3V，可测量电压范围是0～+3V。为了保护芯片，在输出端并联了两个肖特基二极管作为限幅。而电容C1为滤波电容，利用积分电路原理，制作成一个低通滤波器，其截止频率为1K。
3.2 差分电路设计
为了提高检测精度，另外还加了一个公模抑制比很大的仪表放大器进行信号的差分放大。设计的如图3电路，差模放大倍数为20。
最后输出的结果为Vout5=20*（Vout2-Vout1），而Vout1和Vout2分别为一级放大的信号。电路中的二极管是用于输出限幅电压的限幅作用的，其限幅功能和Vout1的原理一样。仪表放大器偏置电压为1.5V。参考电压精度要求比较高，依然选用TL431作为3V的输入，通过电阻和电位器的分压，调节输出1.5V，经过电压跟随其隔离后输出到仪表放大器的偏置端，而电位器是用于调整因电阻本身所带来的误差，电路如图4-图6。
4 控制系统设计
为了更好地处理采集传感器的信号，本研究使用的DSP是TMS320F2812芯片，CPU主频达150MHz，是一个32位定点的控制器，其具有DSP的高速运输性能，同时多种模块方便于对各种类型电机的控制，是一款控制类的DSP芯片。由于本设计的公式实时跟踪需要涉及多种三角函数的运输，实时运算量较大，其定点运算可起到关键的作用。
整个程序工作流程如下：
如图7所示。双模式的实时跟踪方案是指系统初始化后读取EEPROM参数和时钟芯片的实时时间，判断当前时间是否在日间，若是就开启跟踪模式，否则就关闭跟踪模式并计算下一个工作开始时的位置。跟踪模式开始后，默认开启公式跟踪，先让传感器到达公式跟踪的位置。跟踪前先检测光强是否达到设定值，是就开始传感器实时跟踪，关闭公式跟踪，否则继续公式运算法跟踪，不断重复这种切换。通过计算和采集数据，计算出偏移量反馈给步进电机，让系统自动跟踪。
4.1 跟踪模式一：传感器跟踪
传感器跟踪一般都采用比较式的，即通过比较各象限传感器的信号差来判断和计算太阳光线的偏差角，然后再控制驱动电机，使系统探测始终与太阳光线保持一致，实现精确跟踪。
光电二极管布局如图8。
安装时，X轴方向与垂直齿轮转动方向一致，Y轴方向与垂直齿轮方向一致。中间互相垂直的横条是实物图上的黑色挡板，用黑色的塑料片制作。工作时，其光路分析如图9。
图9中左边的传感器被黑色塑料挡板挡住光线，电压比较小，右边的被完全照射，电压比较高，判断为太阳在右边，系统应该向右调整，直至出现图 10的状况。
从图10中看出，对准太阳后依然有一定的小偏差，为了减少偏差，挡板的高度要适当加长，精度便会提高，同时，虽然光路是上图的路线，但是光强依然是右边的光线比较强，光电二极管可以识别出这种差别，所以实际上传感器能识别的偏差比上图的偏差要小得多。
根据以上结构分析，通过ADC模块采样，获得各个光电二极管的信号，便可以做出控制。为了增强信号的可靠性，采用了中值滤波法和滑动滤波法两种形式进行滤波算法。
4.1.1 中值滤波法
对ADC采样的数据不立即操作，而是参考10组数据，对这10组数据进行大小排序，再对中间4个数据进行求平均，算得的结果为比较可信的数据。经过这样处理，可以把一些突变的干扰（如尖峰信号）滤掉，留下出现几率大的数据，这样的数据比较可信。程序上是建立一个一维数组，利用冒泡法逐次比较结果，让数组重新排列，重新排列后的数组对中间的4个元素进行求平均。
4.1.2 滑动滤波法
所谓滑动滤波法是指对根据观测数据状态的变化趋势，采用历史数据进行参考。具体做法是考察5次中值滤波法计算的数值。第一次直接把这5个数据进行求平均，作为当前可信的结果。第二次则替代这5个数据中最早的一个数据，再求平均，作为第二次可信结果，其余依此类推。每次替代的数据是最早的一个数据，这样一直循环，求出来的结果体现的是变化趋势。程序上只要建立一个一维数组，按顺序把这5个数据轮流替换求平均就可以实现。
经过两次滤波算法后，在固定的输入上能精确到±7mV，在变化的信号上也不会失真，说明滤波的效果比较理想。而电位器的电压值也变得可靠平稳，如图11所示。
由图11得知，原始数据不十分稳定，原因主要有两个：第一是电路本身的问题，电源本来有噪声，噪声只能减小，不能消除；第二是芯片本身的ADC模块问题，其模块转换的数据误差比较大。因此，需要用算法去提取有用的信息，成为图12的数据，在电位器不变的情况下，数据接近一条直线。传感器跟踪系统精度高，但受环境因素影响大。
4.2 跟踪模式二：天文算法
当传感器跟踪受到影响时，必须切换到天文算法。天文算法是通过计算模拟天体（太阳）运动规律来实现跟踪控制，即根据观测点的地理纬度、太阳赤纬以及观测时间计算出太阳高度角和太阳方位角，然后控制执行机构即电机去转动目标角度，实现实时跟踪目的。这类跟踪系统精确度一般，但抗干扰能力强，在天气比较恶劣的情况下也适用。此算法涉及两个坐标系。
4.2.1 时角坐标系
时角坐标系：以天赤道为基本圈，北天极为基本点，天赤道和子午圈在南点附近的交点为原点的坐标系，也称为第一赤道坐标系，如图13。
4.2.3 DSP定点算法的设计与验证
从计算太阳方位的公式可以看出，要精确计算太阳高度角和太阳方位角，还要考虑计算速度的问题，需要使用DSP的定点运算模块。TI公司的定点型DSP硬件ROM里有计算的函数表，能够快速地进行各种复杂运算，包括三角函数和反三角函数，乘法表等。使用定点运算能大大提高DSP的运算效率，这是由该芯片的硬件决定的。使用DSP的定点运算会减少DSP资源的开销。
经过实验测试，完整计算一次太阳高度角和方位角只需要微秒级的时间，因此可以实现每秒更新一次太阳高方位信息，并且不妨碍程序的运行。本计算涉及一些固定的变量，如通过查阅当地的纬度并运用按键设置，系统会把纬度值存入EEPROM，以后系统就会直接调用该值来计算太阳的方位。
在春分日当天，太阳直射在赤道上。对于地球参考系来说，太阳总是在赤道上日出，赤道上日落。计算时以北纬21.16度进行计算，此时太阳总是在此纬度地点的南边。图 15和图 16分别统计在早上6点到晚上6点，通过天文法计算的数据，太阳方位角以正北作为零点。X坐标方向为时间，Y轴方向为太阳高度角和太阳方位角，单位为弧度。通过上图可知，太阳高度角在12时达最大值，且小于π/2，太阳方位角位0。因此，该算法符合太阳运动的规律，可以采用。
在夏至日，太阳直射点在北回归线上，对于地球参考系来说，太阳方位角有一个迂回的过程，当太阳高度角大于π/2时，太阳方位角还是以正北为零点，但是太阳已经在该地点的北面，所以太阳高度角大于π/2时，方位角回到第一和第四象限，才能表示太阳在该地点的北面。因此，也符合太阳运动规律，如图图17和图18。
秋分日和春分日代表的意义一样，此时计算出来的数据也相同，符合太阳的运动规律。
冬至日当天，太阳直射点在南回归线上，其状况与春分日和秋分日状况相似，不同的是太阳方位角变化比较缓，太阳高度角当天最大值为一年中的最小值。图21和图22的数据同样符合太阳运动规律。
太阳高度角与垂直方向上的电位器电压成正比，太阳方位角与水平方向上步进电机的步数成正比。只要算出太阳高度角和太阳方位角，通过实验计算比例系数，即可算出对步进电机的操作量的大小。复位时，水平方向必须对准水平齿轮上标记的孔，系统开始时便会自动开启激光定位模块，电机自动转动。激光接收到反射信号便会关闭激光二极管，此时系统指向正北方向，继而系统开始进入正常运行状态。
4.3 实时跟踪系统测试
系统软件完成后，要对系统的控制量进行调试修正。经过反复的调试和修正，可实现精度比较高的控制方式。为了测试跟踪精度，使用了发光比较均匀的定向光源（手电筒）进行测试，光源的位置是已知量，而跟踪器的角度可以间接测量。表2和表3为对系统的进行的比较测试及误差分析的数据。
表2中的数据表明，高度角的跟踪误差相对比较小，最大有±0.76°的误差。这是由机械的误差造成的。纵向齿轮比较小，单位控制量比较大，即使很小的控制量也容易出现超调现象。
表3中的数据表明，方位角的跟踪误差比较小，这是因为水平方向的齿轮比较大，连轴在水平方向松动状况不明显。只要继续改善控制方式，就能更好地提高跟踪精度。
采用双模式跟踪，经过程序调试，系统在室外能正常地运行，并能正常切换跟踪模式，实现了对太阳双模式的实时跟踪，而且精度比较高。
5 总结
为了提高太阳跟踪器在多种天气条件下长时间运行的太阳指向精度和运行可靠性，研究了太阳跟踪器的工作模式切换问题，构造了可在开环和闭环模式间智能切换的太阳跟踪器。开环工作模式采用了天文跟踪方法，闭环工作模式采用了光线强度偏差控制方法。提出了基于光电二极管信息的智能切换方法以便太阳跟踪器选择合适的工作模式。这种基于光电的方法可获取较为敏感的外界环境信息，提高了系统感知外界环境的能力，降低了太阳跟踪器的跟踪误差。太阳跟踪实验表明，太阳跟踪器的运行稳定可靠，可适应较为复杂的天气条件。采用本研究提出的双模式实时跟踪方法可实现太阳跟踪器的全天候自动跟踪。
参考文献
[1]张兴磊，杨丽丽，张东凤.一种太阳自动跟踪系统的设计[J].青岛农业大学学报：自然科版，2008，25（4）：315-318.
[2]华成英.模拟电子技术基本教程[M].北京：清华大学出版社，2006：18-19.
[3]王如竹，代彦军.太阳能制冷[M].北京：化学工业出版社，2007：3-7.
作者简介
赵圣麟（1989-）。主要研究方向为模拟电子与软件技术。
王慧（1963-）。为本文通讯作者。研究方向为太阳能的利用、智能控制系统、光纤应用。
作者单位
光电二极管范文6
石墨烯并不是什么稀有的物质或化学元素，学生常用的铅笔芯就包含石墨成分。石墨烯是碳原子排列在一个二维平面上的蜂窝结构体，厚度相当于头发的百万分之一。一直以来，厚度仅为一个原子的材料都是一种假设性的结构，直到2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，证实了一个原子厚度的材料可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
单层石墨烯的厚度非常薄，只有一个碳原子厚，约为0.34nm，但其强度却与金刚石相当，极为坚硬。瑞典皇家科学院在发表2010年物理学奖时曾这样比喻其强度：“利用单层石墨烯制作的吊床可承载一只4kg的兔子”。按此估算，与常用食品保鲜膜厚度相当的重叠后的石墨烯薄膜，则可承载2吨重的汽车。除了具有优良的物理特性之外，石墨烯还具备优秀的导电特性：单层石墨烯中的电子与空穴载流子迁移率可在室温下超过硅的100倍且迁移速度可达光速的300倍。而其电阻值仅为铜的2/3，而且，其可耐受的电流密度可达铜的100倍。
由于石墨烯只有一层原子的厚度，因此透光率极高。六边形的碳原子结构仅会阻挡2.3%的光，而且所有波长的光都可均匀地通过（红外线、可见光和紫外线），因此，石墨烯影像传感器可接受广谱光线，这意味着它可适用于几乎所有的数字影像领域：红外摄像机、微光摄像头、安防监控、卫星成像以及民用照相机等。同时，由于石墨烯极薄且电气性能极佳，所以用其制成的影像传感器功耗仅为传统CMOS的1/10，不仅可降低影像传感器的发热量，还可大幅提升数码拍照设备的电池续航性能。
