第一章 信号采集处理模块

第一章信号采集处理模块

1.1 信号采集模块

1.1.1 传感器的选择：

在光电传感器选择的过程中，我们最终决定在两种传感器中选择一种作为粗调部分的传感器。下面我们将通过一些典型数据和重要参数来对比光电二极管BPW34和PH102：

1.形状尺寸：

图1.1 左图为BPW34 右图为PH102

在形状尺寸对比方面，首先BPW34为方形，最大宽度为5.4mm，而PH102为圆形，其感光部分的直径为3.8mm。在本项目中，透光环的界面近似为矩形，尽管PH102具有更小的尺寸，但是在实际应用中，我们认为BPW34更能符合我们的要求。

2.非线性度

从下图中，我们可以看出，两种传感器的非线性度差别并不大，在各个光强阶段其非线性变化很类似，但是在同样的光强下，PH102在电流的数值上更大。所以在这一方面的对比中，两种传感器中PH102更好一些。

图1.2 左图为BPW34 右图为PH102

3.感光范围

BPW34：400——1100nm(最大响应波长：850nm)

PH102：400——1000nm(最大响应波长：800nm)

4.噪声及内部干扰

Bpw34作为光电二极管，其内部有暗电流，而PH102作为光电三极管，其内部有漏电流。BPW34的暗电流D I nA 30≤，而PH102大概在微安级。所以在这个方面的对比中，BPW34更加适用。

5.成本

两种传感器的价格都在2元左右，成本都很低。

6.反应灵敏度

光电二极管和光电三极管在灵敏度方面都很出色，所以在这两种传感器的灵敏度都很高。

综上：

我们最终决定采用BPW34。主要原因是因为它的内部噪声和干扰更小，在精度上能做到更好。同时，在其他方面并不弱于PH102，都具有感光范围大、反应灵敏度高、成本低及尺寸小的特点。

1.1.2 光电传感器BPW34的实际测试：

PIN 型光电二极管在接受光辐射后会产生光电流、暗电流、噪声电流，本次实验主要针对光电二极管的暗电流进行简单测试。

在BPW34的说明书中，所给出的暗电流在V V R 10=时，nA I R 30≤。但在实际测试中，我们发现在完全无光的条件下，其测得数值比给出的阈值大一个数量级。经分析，我们认为是光电二极管中的其他噪声及环境对所测结果造成了影响。

因为暗电流的绝对值很小，所以我们用将暗电流转化为电压的间接测量的方法进行测试，把整个元件用不透光的材料遮挡起来，再将电压测量线从电阻两端引出，测试电路见下图。

图1.3 BPW34测试电路

对于暗电流及噪声电流的处理,我们拟用以下几种措施：

1.硬件补偿：在运放端提供一个偏置电流，与干扰电流抵消。

2.降低运放的放大倍数。

或者：

再提供一个同性能的光电二极管，只用来检测干扰电流，这样既可以在硬件上进行处理，也可以对采集后的数值进行软件处理。

1.1.3 筒身参数的确定：

本项目装置的设计是希望白天探头追踪太阳轨迹运行，夜间自动复位到日出处等待次日太阳升起再次实现追踪，但由于晨昏线的存在，导致一年四季日出的角度方位随时间变化，为了简化算法，使无论何时日出，光都能照射到追光装置的探头底部，使传感器感光，避免日出时找不到太阳的情况，在设计探头参数时就应充分考虑这一情况。

如果把地球看作一个正球体，同时不考虑大气对太阳光线的散射作用，那么，地球上昼半球与夜半球的面积应相等，即晨昏圈是一个过球心的大圆，且平分地球。晨昏线平面与太阳光垂直。晨昏线上的各点太阳高度为0，昼半球上的各点太阳高度大于0，夜半球上的各点太阳高度小于0。晨昏线自东向西移动15°/小时，与地球自转方向相反。若α=0，即晨昏线（圈）与某经线圈重合。若α最大，则晨昏线（圈）与极圈相切。α的变化情况可以反映各纬度的昼夜长短情况（以北半球为例），当太阳直射北半球，若α增大，则昼变长，若α减小，则昼变短，这段时间里昼长始终大于夜长；当太阳直射南半球，若α增大，则昼变

短，若α减小，则昼变长，这段时间里昼长始终小于夜长。

图1.4 晨昏线示意图

我们通过晨昏线的有关资料，对追光结构中的筒身做了详细的设计及其尺寸的计算。

单位：mm

图1.5 筒身参数图

图1.6 筒高计算示意图

上图中，筒顶阴影部分为透光部分，其余部分涂上了不透光材料。筒底四个圆为四个微调传感器，在两阵列上分别对称分布着八个粗调传感器（图中未画出），筒的各个参数主要由传感器的大小和晨昏线的夹角确定。

筒底直径：0.40*10+2*1=6cm

筒高度：2/tan 23°46´+0.2+0.2=4.95cm，考虑到制作工艺问题取5cm

图1.7 筒底形状示意图

由于本装置一直处于光照状态下，温度较高，会影响传感器的线性特性，从而对追光精度产生影响，为了最大程度降低此影响，筒的底部采用镂空的形式以增强通风情况。图中阴影部分为四个支点，以便于传感器阵列的固定。

以上便是通的相关参数设计内容，现在已经着手准备成品的制作。

1.2 信号预处理模块

1.2.1 放大电路：

在对采集到的信号进行处理的时候，我们首先将对其进行放大信号的处理。本项目我们采用AD620作为放大芯片。

AD620是一款低成本、高精度、单芯片仪表放大器，采用经典的三运放设计，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10,000。此外，AD620采用8引脚SOIC封装和DIP封装，尺寸小于分立电路设计，并且功耗更低（最大工作电流仅1.3mA），因而非常适合电池供电及便携式应用。

图1.8 输入失调电压典型分布

图1.9 电压噪声谱密度与频率的关系

图1.10 增益与频率的关系