全数字式四象限精密光电方位探测器

四象限探测器在太阳能电池板自动跟踪系统中的应用摘要：采用四象限探测器作为前端探测单元,介绍了利用光电技术、电子技术、自动控制技术以及精密的步进系统实现了太阳能板自动跟踪瞄准系统中的四象限探测器的应用设计。

Abstract：Adapt the four quadrant detector as the front detector .Introduced the steeping system based on optoelectronic technology, electronic technology, automatic control technology .Realized the designation of the automatic tracking system of solar panels.目录第一章应用背景··3第二章名词解释··32.1 四象限探测器··32.2 步进电机··5第三章系统的工作原理··53.1 系统工作过程··53.2 传感器工作原理··63.3 探测器放大器基本原理图··8第四章系统的电路设计··9第五章系统控制程序设计··10第六章问题和缺陷··11第七章结束语··12一、四象限探测器在太阳能电池板自动跟踪系统中的应用背景：太阳能热发电和太阳能光伏发电是目前利用太阳能发电的两种主要形式。

光热是通过聚光加热介质, 推动燃气轮机做功发电。

而光伏发电则通过太照射光电池板将光能直接转化为电能。

由于太阳能辐射到地球表面的能量密度比较低, 无论是对于太阳能光伏发电还是太阳能热发电, 能否经济高效利用太阳能的关键在于太阳聚光和跟踪水平的优劣。

四象限光电探测器的电路设计方案一、原理四象限光电探测器实际由四个光电探测器构成，每个探测器一个象限，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像，如图1。

一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。

当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位），若在四象限光电探测器前面加上光学调制盘，则还可以求出像点偏离四象限光电探测器中心的距离或θ角来。

图1 目标在四象限光电探测器上成像图2方位探测器原理框图。

信号通过放大和调理后由由A/D转换器（本系统中采用ADS7864）采样转换成数字量送入单片机，由单片机处理后得到目标的方位，并根据实际系统的需要输出方位控制指令。

二、电路设计根据实际系统的需要，A/D转换器用ADS7864，单片机用最常见的89C51。

这里对ADS7864作一介绍。

ADS7864是TI公司生产的12bit高性能模数转换器，片上带2.5V基准电压源，可用作ADS7864的参考电压。

每片ADS7864实际由2个转换速率为500ksps 的ADC构成，每个ADC有3个模拟输入通道，每个通道都有采样保持器，2个ADC组成3对模拟输入端，可同时对其中的1～3对输入信号同时采样保持，然后逐个转换。

由于6个通道可以同时采样，很适合用来转换四象限光电探测器的4路光电信号，剩下2个通道作系统扩展用。

*下面主要介绍电路中的信号采样转换和处理部分。

ADS7864前端调理电路模数转换器的前端调理电路缩放和平移要采样的信号，通过调理后的信号适合A/D转换器的模拟输入要求。

图3是ADS7864一个输入通道的前端调理电路，图3 ADS7864前端调理电路ADS7864模拟输入通道的+IN和-IN的最大电压输入范围为-0.3V～+5.3V（ADS7864 +5V 供电）。

图3的电路中使用了2个运放，A1用作跟随器，用来缓冲ADS7864输出的2.5V基准电压源；A2和四个电阻构成了信号调理网络，适当配置R1～R4电阻可以实现对输入信号Vi的缩放和平移以适合ADS7864模拟通道的输入要求。

四象限InGaAs APD探测器的研究王致远;李发明;刘方楠【摘要】文章中设计的四象限InGaAs雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode,APD)的管芯结构采用正入光式平面型结构,而材料结构采用吸收区、倍增区渐变分离的APD结构,在对响应时间、暗电流和响应度等参数进行计算与分析的基础上,优化了器件结构参数.试验结果表明,其响应时间≤1.5 ns,响应度≥9.5 A/W,暗电流≤40 nA,可靠性设计时使PN结和倍增层均在器件表面以下,可有效抑制器件表面漏电流,提高器件的可靠性.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2007(000)006【总页数】4页(P43-46)【关键词】InGaAs雪崩光电二极管;吸收区倍增区渐变分离-雪崩光电二极管;光谱响应范围;响应度;暗电流【作者】王致远;李发明;刘方楠【作者单位】重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065;重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065;重庆邮电大学,光电工程学院,重庆,400065【正文语种】中文【中图分类】TN3InGaAs材料制作的探测器具有直接禁带、室温工作和高纯度的优点，由它制作的光电探测器具有极低的暗电流和噪声。

在过去的十多年中，在光纤通信需求的推动下，InGaAs材料和器件有了很大的发展，现在已经能制备出性能非常优良的探测器。

激光导引头、激光经纬仪等光电跟踪、定位和准直仪器中常用四象限探测器作为光电传感器。

激光制导武器的核心器件便是激光导引头，位于导引头最前端的象限光电探测器是捕获目标、判断目标位置、分析目标状态的第一信息的关键部分［1］。

开发In-GaAs四象限探测器已成为激光制导、激光瞄准、探索和跟踪等装备的迫切需求，也是民用大气检测、土壤水分和碳化物等监控所需象限探测器的发展趋势［2］。

1 工作原理及器件参数设计1.1 工作原理四象限探测器的基本工作原理如图1所示。

器件的4 个象限同时工作在反向偏压下，当光照射时，在每个象限耗尽区内，光激发产生的载流子分别向两极运动，电子在运动过程中经过具有高电场的电荷层加速，在倍增层内碰撞产生大量的空穴电子对（雪崩效应），在外电路形成比光激发电流大得多的雪崩电流，实现器件的增益，同时，也将光信号转换成了4 路电流信号，如图1（a）所示。

四象限探测器定位精度的分析与仿真宋哲宇;付芸;范新坤;吴凯【摘要】In order to study the tracking accuracy of four-quadrant(QD)detectors in space laser communication sys-tems and the effects of spot characteristics and external environment on detectors,at first,the principle of four-quad-rant detector flare detection is deduced through the theory,the effects of facula size,facula centroid position,back-ground light,facula energy distribution,dead-area and the SNR are simulated and analyzed. The results show that the sensitivity of the position detection is reduced with the increase of the facular size. The facula energy distribution,back-ground light and dead-area will have an effect on the detection accuracy of the spot position;and the improvement of the signal-to-noise ratio can improve the position detection accuracy.%为了研究影响四象限探测器(QD)在空间激光通信系统中的跟踪精度,以及光斑特性和外部环境对探测器的影响.首先理论推导了四象限探测器光斑检测的原理,然后对光斑半径、光斑位置、背景光、光斑能量分布、死区、系统信噪比等因素进行了仿真分析.研究结果表明,光斑半径的增加会降低四象限探测器的位置探测灵敏度.光斑能量分布、背景光和死区会对光斑位置检测精度产生影响,系统信噪比的提高可以提高位置检测精度.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(041)002【总页数】4页(P41-44)【关键词】背景光;光通信;建模;仿真;信噪比【作者】宋哲宇;付芸;范新坤;吴凯【作者单位】长春理工大学光电工程学院,长春130022;长春理工大学光电工程学院,长春130022;长春理工大学光电工程学院,长春130022;长春理工大学光电工程学院,长春130022【正文语种】中文【中图分类】TN929.1四象限探测器（QD）具有响应快、动态范围宽、灵敏度高、体积小等特点，广泛应用在光电跟踪领域［1］。

四象限光电探测器设计方案 （4QD ）四象限探测器在一个光敏面用十字沟道隔成四个象限，如图所示，每个象限相当于一个光电管，当激光垂直入射时，经聚焦的光斑照射在四象限的中心位置上，四个象限接收的光强一样，输出的光电流也相同。

当激光光束以其他的角度入射时，光斑的位置也随之偏移，四个探测器输出的光电流也就不相同，对四个探测器输出的电流进行差分处理，就可以得到光斑偏离中心的误差信号。

4QD 计算光斑重心位置的公式如下： 1234123414231234()()()()I I I I X KI I I I I I I I Y K I I I I +−+=++++−+=+++式中K 为比例系数，代表四象限探测器的角灵敏度，它与光斑形状和大小直接相关。

当激光光斑的光强为高斯分布时，在线性响应区间时，K 与光斑直径成反比。

光束误差偏角和光斑位置之间的关系如图，可通过式计算。

四象限探测器的光灵敏度很高，探测频率也可达几千赫兹，外围电路也相对简单，因此是精瞄传感器的一种理想选择。

四象限探测器允许水平和垂直的角度分别独立估测，其输出信号为水平和垂直的角误差电压。

空间跟踪就是通过即时的误差电压对伺服电机进而对光学硬件进行连续调节来实现。

但是四象限传感器的光敏面比较小，且存在死区。

另外由于四象限传感器实际上只是探测四个区域的光强，因而算得的位置偏移的精度和线性度都受到光斑大小和形状的影响。

这就需要设计符合精瞄准系统要求的4QD 传感器。

根据以上指标，要求探测精度优于1‰，综合各种器件，选择日本滨松公司Q 这款4QD图 四象限探测器接受光斑示意图表 4QD S-6695-01性能指标[14]2.4.2 4QD 的电路设计由于4QD 输出的是弱的电流信号，而AD 采集的通常是0-5V 的模拟电压信号，因此需要经过后续电路的I/V 转化和信号调理。

电路的要求是符合带宽条件下的高精度的运算放大电路：首先要满足带宽的需要，保证4QD 电路高的采样能力；第二要求4QD 四个象限的放大倍数较精确的相等，保证四个象限的光电转化输出效率相同；第三要求放大器还应能够抑制传感器上的高频噪声，减少传感器噪声[17]。

四象限探测器测试方法王之哲;陈勇国;陈思;王小强【摘要】目前国内缺乏专门针对四象限探测器的测试标准,导致在实际测试中存在参数不统一、测试体系不完善等问题.该文从四象限探测器的工作原理出发,分析四象限探测器关键参数及其定义,研究形成四象限探测器关键参数的测试方法,并选取一款四象限APD探测器组件开展测试验证,对比分析不同工作温度对产品噪声、上升时间、下降时间等关键参数的影响.样品各象限响应度不小于1.40×105 V/W,象限间响应一致性超过96％;各象限噪声均为1.09 mV,表现出良好的性能.同时样品的噪声与其工作温度成正比;当工作温度为25℃时,组件上升时间与下降时间均最短,响应速度最快.实验结果表明形成的测试方法合理可行,能够为四象限探测器的测试及评价提供借鉴和参考.【期刊名称】《中国测试》【年(卷),期】2019(045)002【总页数】6页(P1-6)【关键词】应用光学;四象限探测器;测试方法;激光跟踪【作者】王之哲;陈勇国;陈思;王小强【作者单位】工业和信息化部电子第五研究所,广东广州510610;工业和信息化部电子第五研究所,广东广州510610;工业和信息化部电子第五研究所,广东广州510610;工业和信息化部电子第五研究所,广东广州510610【正文语种】中文【中图分类】TN2150 引言四象限探测器是指利用微电子工艺，将4个参数相同的光电二极管按照直角坐标系要求，集成在同一半导体基材上的光电探测器。

它具有灵敏度高、准确度高、光谱范围宽、动态范围宽、体积小、计算简便等优点，被广泛应用于激光制导、激光雷达、空间光通信等激光跟踪领域[1-4]。

近年来，四象限探测器研究主要侧重于修正定位误差、改进定位算法和提高测量准确度等方面，很少有文献涉及四象限探测器关键参数测试方法的系统研究。

张骏等[5]通过分析四象限光电探测器的原理及其定位误差，提出了一种标定并修正其固有误差以及四象限非均匀性的方法。

光电探测原理实验报告南邮摘要:采用四象限探测器作为光电定向实验，学习四象限探测器的工作原理和特性，同时掌握四象限探测器定向的工作方法。

实验中，四象限探测器的四个限区验证了具有完全一样的光学特性，同时四象限的定向具有较良好的线性关系。

关键词:光电定向四象限探测器1、开场白随着光电技术的发展，光电探测的应用也越来越广泛，其中光电定向作为光电子检测技术的重要组成部分，是指用光学系统来测定目标的方位，在实际应用中具有精度高、价格低、便于自动控制和操作方便的特点，因此在光电准直、光电自动跟踪、光电制导和光电测距等各个技术领域得到了广泛的应用。

光电定向方式有扫描式、调制盘式和四象限式，前两种用于连续信号工作方式，后一种用于脉冲信号工作方式。

，由于四象限光电探测器能够探测光斑中心在四象限工作平面的位置，因此在激光准直、激光通信、激光制导等领域得到了广泛的应用［1］. 本光电定向实验装置采用激光器作为光源，四象限探测器作为光电探测接收器，采用目前应用最广泛的`一种光电定向方式现直观，快速定位跟踪目标方位。

定向原理由两种方式完成：1、硬件模拟定向，通过模拟电路进行坐标运算，运算结果通过数字表头进行显示，从而显示出定向坐标；2、软件数字定向，通过AD转换电路对四个象限的输出数据进行采集处理，经过单片机运算处理，将数据送至电脑，由上位机软件实时显示定向结果。

本实验系统就是根据光学雷达和光学制导的原理而设计的，利用其光电系统可以轻易、间接地测定目标的方向。

使用650nm激光器搞光源，用四象限探测器表明光源方向和强度。

通过实验，可以掌控四象限光电探测器原理，并观测至红外红外线电磁辐射至四象限探测器上的边线和强度变化。

并利用实验仪展开设计性实验等内容，将光学定向应用领域至各领域中[2]。

2、实验原理2.1、系统了解光电定向是指用光学系统来测定目标的方位，在实际应用中具有精度高、价格低、便于自动控制和操作方便的特点，因此在光电准直、光电自动跟踪、光电制导和光电测距等各个技术领域获得了广为的应用领域。

全数字式四象限精密光电方位探测器一、原理四象限光电探测器实际由四个光电探测器构成，每个探测器一个象限，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像，如图1。

一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。

当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位），若在四象限光电探测器前面加上光学调制盘，则还可以求出像点偏离四象限光电探测器中心的距离或θ角来。

图1 目标在四象限光电探测器上成像图2 是方位探测器原理框图。

图2 方位探测器原理信号通过放大和调理后由由A/D 转换器（本系统中采用ADS7864）采样转换成数字量送入单片机，由单片机处理后得到目标的方位，并根据实际系统的需要输出方位控制指令。

二、电路设计根据实际系统的需要，A/D 转换器用ADS7864，单片机用最常见的89C51。

这里对ADS7864 作一介绍。

ADS7864 是TI 公司生产的12bit 高性能模数转换器，片上带2.5V 基准电压源，可用作ADS7864 的参考电压。

每片ADS7864 实际由2 个转换速率为500ksps 的ADC 构成，每个ADC 有3 个模拟输入通道，每个通道都有采样保持器，2 个ADC 组成3 对模拟输入端，可同时对其中的1～3 对输入信号同时采样保持，然后逐个转换。

由于6 个通道可以同时采样，很适合用来转换四象限光电探测器的4 路光电信号，剩下2 个通道作系统扩展用。

*下面主要介绍电路中的信号采样转换和处理部分。

ADS7864 前端调理电路模数转换器的前端调理电路缩放和平移要采样的信。

科学技术创新2020.28基于四象限的光斑位置探测系统设计龚元霞刘福华许孝敏刘杰（西京学院理学院，陕西西安710123）1位置探测器介绍本文主要研究的是运动光斑的位置探测，现有的运动光斑的探测器有很多种，主要有电荷耦合器件、位置敏感器件以及四象限探测器。

本文选择的四象限探测器，探测系统的核心器件进行研究。

1.1探测器的选择四象限探测器是将四个性能完全相同的光电探测器按照直角坐标系的方式排列，利用光生伏特效应将光信号转换为电信号的器件。

光照射到探测器上，探测器的光敏面会形成四个单独的区域，由于光斑占用每个区域的面积不同，从而换算出光斑占用光敏面四个区域的光电压不同，来解算光斑实际位置。

本文选择的四象限探测器如图1，具体尺寸为30mm （长）X30mm （宽）X15mm （厚），感光口径为10mm ，入光口上带螺纹，内螺纹大小为M12。

图1四象限探测器探测器的下侧有M4的螺丝，长度约为6mm ，用此连接支杆可以固定整个探测器。

末端接头采用的是标准的6针PS2接头，如图2。

图2探测器末端接头选用的四象限探测器主要性能参数：根据本系统所应用到的环境以及硬件的要求，四象限探测器的主要性能参数设计如表1。

表1四象限探测器性能参数1.2四象限探测器工作原理图3探测原理当光照射四象限探测器的光敏面上后，光斑与探测器光敏面的分布如图在探测器平面上的分布如图3所示，因探测器有四个像元，四个像元是独立的，光斑因为离四个像元的远近不同，占用的每个像元的面积也有所不同，这样四个像元因为光电效应产生的电压也有所不同，根据这些电压差别可换算出光斑在探测器上的相对位置。

1.3探测算法的选择根据本文四象限探测器的探测原理，电压与光斑位置的解算关系如下：（1）（2）本文选择比较简单的加减定位算法对光斑位置进行计算摘要：随着各种探测技术的蓬勃发展，光斑位置探测在工业精密检测以及导弹制导等领域受到极大的欢迎。

通过比较多种探测器的性能及特点，将选择一种象限探测器作为本文光斑探测系统的核心探测器件。

光电传感器有哪几种分类？光电传感器有哪几种？根据光电效应现象的不同将光电效应分为三类：外光电效应、内光电效应及光生伏特效应。

光电器件有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。

下面小编介绍下光电传感器分类。

标准类型1）漫反射型：一般型或能量型(-8)，聚焦式(-8-H)，带背景抑制功能型(-8-H)光电传感器光电传感器，带背景分析功能型(-8-HW)2）反射板型：一般型(-6)，带偏振滤波功能型(-54,-55)，带透明体检测功能型(-54-G)，带前景抑制功能型(-54-V)3）对射型4）槽型5）光纤传感器：塑料光纤型，玻璃光纤型6）色标传感器，颜色传感器，荧光传感器7）光通讯8）激光测距：三角反射原理型，相位差原理型，时间差原理型9）光栅10）防爆/隔爆型安全类型1）安全对射光电2）安全光栅3）安全光幕4）安全控制器门控类型1）雷达传感器：区域检测型雷达传感器雷达传感器2）主动式传感器：单光束型，多光束型，区域检测型3）被动式传感器：区域检测型4）电梯光幕5）通用光电：槽形，对射型等特长①检测距离长如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法远距离检测。

②对检测物体的限制少由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体进行检测。

③响应时间短光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。

④分辨率高能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。

也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。

⑤可实现非接触的检测可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。

因此，传感器能长期使用。

⑥可实现颜色判别通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。