数字探测器

数字探测器（精选6篇）

数字探测器 篇1

目前医用数字化X射线影像探测器根据成像的原理不同,主要分为非晶硅探测器、非晶硒探测器、CCD探测器、CMOS探测器等。数字化X射线影像探测器的质量在多个方面均有自己的特征,这些特征可以用可测量的指标来表示,并成为评价探测器质量的重要参数。这些特征主要包括:调制传递函数、量子探测效率、暗电流、灵敏度、动态范围、残影、伪影、坏点和坏线、影像均匀性等[1]。本文首先给出了用于评价探测器质量所需的测试条件,然后分别介绍探测器质量评价的主要指标及其具体的方法。在文章的最后对探测器的质量评价做出总结。

1. 探测器质量评价的测试条件

所使用的恒压高压发生器,其纹波百分率应不大于4。X射线管的标称焦点值应不大于1.3。在考虑探测器的性能指标和图像质量时,需要获取图像。通常这些图像是原始数据图像,它们允许对未处理数据进行线性化或者与图像数据无关的校正[2]。如:

·未处理数据中坏的或失效的像素可以像常规临床使用中那样用适当数据代替;

·平面视野校正还包括:辐射野的不均匀性校正、个别像素的数据偏移校正、个别像素的增益校正。这些可以按照常规临床使用中的方法进行。

·几何失真效应可按常规临床使用中的方法进行。

有一些探测器由于物理结构原因需要进行线性化校正,当这些处理是线性的并不影响图像质量时,可以允许进行。

2. 探测器质量评价的主要指标及评价方法

2.1 调制传递函数

MTF是用空间频率来表示输出调制与输入调制之比的函数,可对成像系统的分辨力参数进行定量描述,并可以客观精确地描述成像系统和其组成部分的信息再现率。在数学关系上,MTF在数值上是光学传递函数的绝对值,是值域为{0,1}以空间频率为变量的函数。如果MTF值为1,说明探测器对信息的再现率为100%。MTF的计算方法是:首先读取MTF图像数据,边缘提取,确定边缘倾斜角度,然后计算出边缘扩散函数(Edge spread function,ESF),差分运算后得到线扩散函数(Line spread function,LSF),再作傅立叶变换得到MTF,归一化处理得到最终MTF曲线。MTF的计算步骤如图1。

2.2 量子探测效率

DQE是描述X射线探测器成像性能的主要参数,表示探测器在把射线影像转换成数字影像时图像信噪比所保留的比率[3]。在X线影像领域射线影像的噪声是与曝光剂量密切相关的,所以DQE的值同样也表达了数字影像设备对入射剂量的利用效率。DQE是照射量和空间频率的函数。DQE的计算公式如下:

NPSin(u,v)表示探测器的输入噪声功率谱,MTF(u,v)表示探测器的调制传递函数,NPSout(u,v)表示探测器的输出噪声功率谱。输入噪声功率谱(NPSin(u,v))等效于输入的光子流量数量涨落影响:

式中Q是光子流量,既单位面积(1/mm²)上的辐照光子数量。Q依赖于X辐射的能谱和空气比释动能的水平,计算公式:

式中Ka为空气比释动能,单位:μGy;E为X射线能量,单位:ke V;Φ(E)/Ka为单位空气比释动能的X射线能谱,单位:1/(mm2·ke V·μGy);SNR2in是每单位空气比释动能信噪比的平方,单位:1/(mm2·μGy)。对应辐射质量的SNR2in具体数值可通过查相应标准中的表获得。为了计算X射线的图像反映的系统噪声的量,计算出噪声功率谱NPSout,首先需要获得统一的曝光图像,采用测量装置(移去MTF测试模板),并调整实验参数,以得到三种剂量条件下的图像,然后从图像上测量输出噪声功率谱,公式4。

式中M表示ROI的数量,Δx,Δy表示一个像素的物理尺寸(在水平及垂直方向上像素的间距),I(xi,yj)为图像像素的线性化数据,S(xi,yj)为最佳二维拟合多项式。

2.3 暗电流

暗电流表示在没有X射线曝光情况下,探测器的电子涨落。暗电流与探测器指定的电子增益有关。探测器暗电流的测量通过采集一组(如16幅)暗图像序列,对每个像素求取16幅暗图像的标准方差形成探测器的暗电流图像,暗电流图像的中值对应的电子数(e-)即为探测器暗电流。暗图像的采集应使用探测器指定的电子增益,并设定探测器支持的最大的曝光时间[4]。计算暗电流时应知道电子数与图像的灰度值大小的对应关系。

2.4 灵敏度

灵敏度是表示探测器将X射线辐射光子转换为电子信号的效率。单位为电子每光子(e-/photo)。该参数比较适用于同类型探测器的对比。探测器的灵敏度是在剂量线性范围内,通过单位像素对应的电子数和辐射光子数关系曲线得到。

测试步骤如下:

(1)选择标准辐射质量。建立标准辐射条件的调整程序,见YY/T 0481-2004中图7。通过调节管电压和附加滤过,得到标准辐射质量对应的半价层。测试布局见YY/T0481-2004中图2;

(2)在探测器的剂量线性范围内均匀取5个剂量点,曝光得到5幅对应图像;

(3)测得每幅图像的像素平均值,由Pix=k·Ne,可得:

式中:Ne表示单位像素电子数,k表示像素值与电子数的转换系数,Pix表示像素值;

(4)分别由5个剂量点计算出单位像素上照射的光子数:

式中:P表示单位像素上的光子数,单位为个;ka表示测量到的空气比释动能,单位为微戈(u Gy);SNR2in表示单位空气比释动能信噪比的平方,单位为毫米平方微戈分之一(1/(mm2·u Gy));S表示单位像素面积,单位为mm2。

(5)通过公式5)和公式6)可得到单位像素上电子数和单位像素上辐射光子数相对应的5组数据,由最小二乘法做线性拟合,建立一个模拟函数。该线性函数的斜率即为灵敏度。辐射光子数通过读取图像灰度值,然后根据转换函数计算得到。

2.5 动态范围

动态范围是指探测器能够线性地探测出X射线入射剂量的变化,其值等于最高剂量与最低剂量之比。用分贝(d B)表示。

动态范围的值由剂量线性范围中的最大剂量值除以最小剂量值得到。由以下公式计算用分贝(d B)表示:

式中:d表示动态范围分贝值,Smax表示探测器最大输入剂量值,Smin表示探测器最小输入剂量值。

假如,探测器能线性地探测出剂量变化最低值是1μGy,剂量低于1μGy时输出都是0,能探测的最高值是10m Gy,剂量再高输出也是相同,那么两输入剂量高低之比是10m Gy:1μGy=10000:1(即10的4次方),为该探测器的动态范围,其值也可表示为80d B。在无法接近影像接受面时可以采用折算的方法。

2.6 残影

残影是指前次影像信号读取后由于信号清除不彻底而导致在随后一次影像中产生的前次影像的部分或全部[5]。试验方法如下:设置X射线管电压为80k V、100m As,SID为1.8m。置厚度为20mm的纯铝衰减体模于X射线野中心,使之覆盖整个X射线野;置直径10mm、厚度2mm的铅盘于X射线野中心,按设置的SID和加载因素实施第一次曝光,在1min时间内去掉铅盘后用70k V、1m As的曝光条件进行第二次曝光。检查第二次曝光所生成的图像,取原本有铅的区域与无铅的区域的读数之差,与第一次曝光所生成图像的有铅与无铅区域读数之差做比较,前者应小于后者的0.5%。

2.7 伪影

伪影是指影像上明显可见的结构,它既不体现物体的内部结构,也不能用噪声或系统调制传递函数来解释。试验步骤如下:设置X射线管电压为80k V、100m As,SID为1.8m。置厚度为20mm的纯铝衰减体模于X射线野中心,使之覆盖整个X射线野;按设置的SID和加载因素曝光;适当调整窗宽窗位,通过目视检查所生成图像中是否存在伪影。

2.8 影像均匀性

影像均匀性是指影像接收面上不同区域对入射空气比释动能响应的差异。影像均匀性的值的计算由影像规定采样点的灰度值标准差R与规定采样点的灰度均值Vm之比得到。

试验方法:设置加载因素为X射线管电压70k V、100m As,SID为设备允许的最大值,当设备允许的最大SID值超过1.8m时设为1.8m。置厚度为20mm的纯铝衰减体模于X射线束中心,使之覆盖整个照射野。按设置的SID和加载因素实施曝光采图。在影像中心及影像四周从中心至四个顶点约2/3的位置上选取5个采样点,在每个采样点中分别读取(64×64)个像素的像素值,并计算出每个采样点内像素灰度值的平均值Vr,然后按公式8)、公式9)计算:

其中:Vm为五个采样点的像素值均值,R为五个采样点的像素值标准差。

3. 总结

综上所述,调制传递函数和量子探测效率是评价X线探测器图像性能和X射线吸收效率最客观的参数。一个理想的X线探测器应当具有足够的灵敏度,当很微弱的X线照射到探测器表面后,都应当被相应的像素测量到。此外,探测器还需要有足够的动态范围,即在大于灵敏度剂量几千倍的情况下,依然保持可测量性。如果大于灵敏度很多倍的情况下,所有的输出数据不再根据X线剂量的增加而增加,这个剂量被称为饱和剂量。一个好的探测器需要有足够大的无饱和入射剂量,才可能在X线剂量差别十分悬殊的情况下,保证大剂量区域和低剂量区域都能得到精确的测量。若照射时探测器表面的最大入射剂量超过了校正时探测器表面的最大入射剂量,则会导致图像失真(剂量失校正现象)。

文章中虽然没有对探测器的坏点和坏线进行评价,但是坏点和坏线的数量是探测器成像质量最基本的考核指标。有时候小部分像素会出现严重偏离大多数像素的特性,这时像素将被当作坏点来处理,坏点是通过暗场图、亮场图分别取得的。需要识别坏点的类型和位置,进行坏点校正,优化图像质量。从临床角度,中心区域(1024×1024)最为关键,是胸椎等临床观察的有效图像区域,该区域的坏线将直接影响图像质量,故需要进行控制。对于数字化X射线影像探测器的质量评价必须综合运用各种评价系统来进行整体性的评价。

关键词：数字化X射线影像探测器,调制传递函数,量子探测效率,暗电流,灵敏度,动态范围残影,伪影,影像均匀性

参考文献

[1]Cowen AR,Kengyelics SM and Davies AG.Solid-state,flat-panel,digital radiography detectors and their physical imagingcharacteristics.Clinical Radiology,2008;63:487-498

[2]N W Marshall,A Mackenzie,I D Honey.Quality control measurements for digital x-ray detectors.Physics in Medicine andBiology,2011;56(4):979-999

[3]International Electrotechnical Commission.Medical electric equipment:characteristics of digital x-ray imaging devices---part 1:determination of the detective quantum efficiency[S].Document no.62220-1,Geneva,Switzerland:InternationalElectrotechnical Commission,2003

[4]余建明,牛延涛.CR、DR成像技术学,北京:中国医药出版社.2009,268-319

[5]MENSER,B.,BASTIAENS,R.J.M.,NASCETTI,A.,OVERDICK,M.and SIMON,M.Linear system models for lag inflat dynamic x-ray detectors,2005;5745:430-441

数字探测器 篇2

高频振荡器探测金属的原理 (转)

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高频振荡器探测金属的原理

调节高频振荡器的增益电位器，恰好使振荡器处于临界振荡状态，也就是说刚好使振荡器起振。当探测线圈L1靠近金属物体时，由于电磁感应现象，会在金属导体中产生涡电流，使振荡回路中的能量损耗增大，正反馈减弱，处于临界态的振荡器振荡减弱，甚至无法维持振荡所需的最低能量而停振。如果能检测出这种变化，并转换成声音信号，根据声音有无，就可以判定探测线圈下面是否有金属物体了。

精密播种机数字监测器 篇3

黑龙江省勃农兴达机械有限公司为系列精密播种机配套生产了精密播种机数字监测器。该监测器采用先进的微计算机控制电路技术, 具有耗电小、使用可靠、集成化程度高、体积小、重量轻、抗震、抗灰尘等特点。使用本精密播种机数字监测器可以节省播种时的看护人员, 大大提高播种作业质量。该监测器在播种时, 能够准确计算出播种量和施肥量, 可监测播种时种子和化肥的流动情况, 对漏播、漏肥、断条、堵塞等现象及时发出声光报警, 监测的具体内容是:播种 (施肥) 量;排种 (肥) 轮不转;输种 (肥) 管堵塞;导种 (肥) 管下口堵塞;种箱 (肥箱) 内无种 (肥) 。

一、工作原理及构造

首先种肥在流经导种管时, 会对传感器内的光信号产生周期性的影响, 传感器将信号反馈给微计算机控制电路, 若种肥流动正常, 微计算机控制电路发出控制信号, 报警电路不报警, 在显示板上显示种子的流量数和下肥量, 若种肥流动出现异常时, 微计算机控制电路能够识别出错误信号, 并控制报警电路、声音报警的同时, 在显示板上显示出相对应的排种 (肥) 器所出现故障的排种 (肥) 轮。

二、

主要技术参数 (见表)

三、安装

1.首先将右侧排种 (或排肥) 器的右端盖卸下, 换装带有光电感应开关的右端盖, 电感应开关的凹型口置于20齿链板的两侧, 调整光电开关的凹型口, 使其三面均有间隙, 装上链轮和护罩等即可。

2.将传感器的支架放入排种 (排肥) 器下面的导管内, 分别把两个排种 (排肥) 器下面的传感器插头与微计算机控制盒上相对应的插座相连接。

3.将微计算机控制盒固定在中间轴的轴支座U型卡丝上, 微计算机控制盒上共有四个三种不同芯数的插座, 两个七芯插座与两个排种器下面的传感器插头相接, 一个五芯插座与主机控制线插头相连接, 一个四芯插座与排种器右端盖上光电感应开关接线插头相接, 在联接两个传感器插头时注意对应连接, 以方便观察相对应的排种 (排肥) 器的排种肥情况。

4.本监测器使用的均为高性能航空插头, 在安装和拆卸时请按照正确的方法操作, 否则会损坏相关零件。在安装时首先要选择芯数相同的插头和插座, 先将插头芯部的凹槽与插座外缘上的凸起对准, 用手轻轻推动插头后端, 插头向前移动同时听到“咔”一声响, 此时为安装完毕。在拆下插头与插座连接时, 首先要用拇指和食指将插头上有花纹的外套向外移动, 然后才能拔下插头。

5.将主机安装在方向盘导向管上。

6.连接电源, 红色接线柱为正极, 黑色接线柱为负极。

7.当播玉米等垄上单条作物时, 需换上单条导种管和单条传感器, 并根据排种轮型孔把主机上的作业选择开关置于相应的单条单排位置, 然后接通电源开关, 作相应的测试。

光电探测器简介、现状及分析 篇4

摘要

概述了光电探测器的分类和基本原理，并从材料体系的选择和器件的主要应用等方面阐述了光电探测器国内外研究现状，预测了硅基雪崩光电探测器在军事和激光雷达等方向的应用前景

关键词 光电探测器 分类 原理 发展现状

一 光电探测器原理

光子型探测器（photon detector）利用外光电效应或内光电效应制成的辐射探测器，也称光电型探测器。探测器中的电子直接吸收光子的能量，使运动状态发生变化而产生电信号，常用于探测红外辐射和可见光。

用外光电效应制成的光子型探测器是真空电子器件，如光电管、光电倍增管和红外变像管等。这些器件都包含一个对光子敏感的光电阴极，当光子投射到光电阴极上时，光子可能被光电阴极中的电子吸收，获得足够大能量的电子能逸出光电阴极而成为自由的光电子。在光电管中，光电子在带正电的阳极的作用下运动，构成光电流。光电倍增管与光电管的差别在于，在光电倍增管的光电阴极与阳极之间设置了多个电位逐级上升并能产生二次电子的电极（称为打拿极）。从光电阴极逸出的光电子在打拿极电压的加速下与打拿极碰撞，发生倍增效应，最后形成较大的光电流信号。因此，光电倍增管具有比光电管高得多的灵敏度。红外变像管是一种红外-可见图像转换器,它由光电阴极、阳极和一个简单的电子光学系统组成。光电子在受到阳极加速的同时又受到电子光学系统的聚焦，当它们撞击在与阳极相连的磷光屏上时，便发出绿色的光像信号

特点：入射光子和材料中的电子发生各种直接相互作用即光电子效应 所用的材料：大多数为半导体。根据效应发生的部位和性质分为

1.外光电效应：发生在物质表面上的光电转化现象，主要包括光阴极直接向外部发射电子的现象。典型的例子是物质表面的光电发射。这种效应多发生于金属和金属物。

2.内光电效应：指发生在物质内部的光电转化现象，特别是半导体内部载流子发生效应，这种效应多发生于半导体内。

二 光电探测器分类

2.1 外光电效应探测器

外光电效应：当光照射某种物质时，若入射的光子能量 足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面，这就是外光电效应，逸出物质表面的电子叫做光电子

2.11 光电管

光电管（phototube）基于外光电效应的基本光电转换器件。光电管可使光信号转换成电信号。光电管分为真空光电管和充气光电管两种。光电管的典型结构是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂一层光电材料作为阴极，球心放置小球形或小环形金属作为阳极。若球内充低压惰性气体就成为充气光电管。光电子在飞向阳极的过程中与气体分子碰撞而使气体电离，可增加光电管的灵敏度。用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等，可适合不同波段的需要。光电管灵敏度低、体积大、易破损，已被固体光电器件所代替。光电管原理是光电效应。一种是半导体材料类型的光电管，它的工作原理光电二极管又叫光敏二极管，是利用半导体的光敏特性制造的光接受器件。当光照强度增加时，PN结两侧的P区和N区因本征激发产生的少数载流子浓度增多，如果二极管反偏，则反向电流增大，因此，光电二极管的反向电流随光照的增加而上升。光电二极管是一种特殊的二极管，它工作在反向偏置状态下。常见的半导体材料有硅、锗等。如我们楼道用的光控开关。还有一种是电子管类型的光电管，它的工作原理用碱金属（如钾、钠、铯等）做成一个曲面作为阴极，另一个极为阳极，两极间加上正向电压，这样当有光照射时，碱金属产生电子，就会形成一束光电子电流，从而使两极间导通，光照消失，光电子流也消失，使两极间断开光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子。光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的 波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。这种解释为爱因斯坦所提出。光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用，在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应(Photoelectric effect)。光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏打效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关，光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响

2.12 光电倍增管

将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200~1200纳米的极微弱辐射功率。闪烁计数器的出现，扩大了光电倍增管的应用范围。激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切有关。电视电影的发射和图象传送也离不开光电倍增管。光电倍增管广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空间研究等领域。（《中国大百科全书·电子学与计算机》）电倍增管是进一步提高光电管灵敏度的光电转换器件。管内除光电阴极和阳极外，两极间还放置多个瓦形倍增电极。使用时相邻两倍增电极间均加有电压用来加速电子。光电阴极受光照后释放出光电子，在电场作用下射向第一倍增电极，引起电子的二次发射，激发出更多的电子，然后在电场作用下飞向下一个倍增电极，又激发出更多的电子。如此电子数不断倍增，阳极最后收集到的电子可增加 104～108倍，这使光电倍增管的灵敏度比普通光电管要高得多，可用来检测微弱光信号。光电倍增管高灵敏度和低噪声的特点使它在光测量方面获得广泛应用 由于光电倍增管增益高和响应时间短，又由于它的输出电流和入射光子数成正比，所以它被广泛使用在天体光度测量和天体分光光度测量中。其优点是：测量精度高，可以量比较暗弱的天体，还可以测量天体光度的快速变化。天文测光中，应用较多的是锑铯光阴极的倍增管,如RCA1P21。这种光电倍增管的极大量子效率在4200埃附近，为20％左右。还有一种双硷光阴极的光电倍增管,如GDB-53。它的信噪比的数值较RCA1P21大一个数量级，暗流很低。为了观测近红外区，常用多硷光阴极和砷化镓阴极的光电倍增管，后者量子效率最大可达50％。普通光电倍增管一次只能测量一个信息，即通道数为1。近来研制成多阳极光电倍增管,它相当于许多很细的倍增管组成的矩阵。由于通道数受阳极末端细金属丝的限制，目前只做到上百个通道。

光电倍增管可分成4个主要部分，分别是：光电阴极、电子光学输入系统、电子倍增系统、阳极。

2.2 内光电效应探测器

是光电效应的一种，主要由于光量子作用，引发物质电化学性质变化。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。

光电导效应：当入射光子射入到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大。光生伏特效应：当一定波长的光照射非均匀半导体（如PN结），在自建场的作用下，半导体内部产生光电压

光生伏特效应：基于半导体PN结基础上的一种将光能转化成电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，形成光生伏特电压或光生电流的现象。现代很多光电探测器都是基于内光电效应，其中光激载流子保留在材料内部，最重要的内光

电效应时光电导，本征光电导吸收一个光子，就会从价带激发到导带，产生一个自由电子，同时在价带产生一个空穴。对材料施加的电场导致了电子和空穴都通过材料传输，并随之在探测器电路中产生电流。基于内光电效应的探测器有光电导探测器，光伏探测器等等。

2.21 光电导探测器

利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PRO、Sb2S3等。其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成

工作原理和特性：光电导效应是内光电效应的一种。当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时，光子能够将价带中的电子激发到导带，从而产生导电的电子、空穴对,这就是本征光电导效应。这里h是普朗克常数，v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度（单位为电子伏）。因此，本征光电导体的响应长波限λc为

λc=hoc/Eg=1.24/Eg(μm)

式中 c为光速。本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制.凡禁带宽度或杂质离化能合适的半导体材料都具有光电效应。但是制造实用性器件还要考虑性能、工艺、价格等因素。常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有：CBS、Cd Se、Cd Te、Si、Ge等;在近红外波段有：PbS、Pb Se、In-Sb、Hg0.75Cd0.25Te等;在长于8微米波段有:Hg1-excited、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等；Cdr、Cd Se、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。

2.22 光伏探测器

用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件，也称结型光电器件。这类器件品种很多，其中包括：

光电池、光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电耦合器件等

光伏探测器是在紫外、可见光、近红外、中波红和远红外这些光学波段上展开的。首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电探测器变成电信号输出，虽然点测量方法灵活多样，看测参数众多，但广电探测器的工作原理均是其余物质的光电效应。

三 国内外发展现状

3.1 英特尔高性能硅基雪崩光电探测器

2008年12月7日，英特尔公司宣布其研究团队在硅光电子学领域取得了又一项重大的技术突破，成功使用基于硅的雪崩光电探测器（Silicon-based Avalanche Photodector）实现了创世界纪录的高性能，这款雪崩光电探测器使用硅和CMOS工艺实现了有史以来最高的340GHz“增益-带宽积”，这为降低40Gbps或更高数据传输速度的光学链路的成本开启了大门，同时也第一次证明了硅光电子元器件的性能可以超过现有的使用磷化铟（lnP）等更昂贵传统材料制造的光电子元器件的性能。作为一项新兴技术，硅光电子学（Silicon Photonics）利用标准硅实现计算机和其它电子设备之间的光信息发送和接收。此项技术也可以应用于对带宽需求高度远程医疗和3D虚拟世界等未来数据密集型计算领域。3.2日本研制成高性能256×256长波量子点红外光电探测器

量子点红外光电探测器（QDIP）由于可以用成熟的常规GaAs工艺制备，近年来已受到人们的广泛关注。它不仅能够探测正入射光，而且还能在较高的温度下工作。这些都是量子阱红外光电探测器（QWIP）所难以比拟的。

日本国防部技术研究与发展研究所电子系统研究中心通过与富氏实验室有限公司等单位合作，用以分子束外延方法生长的自组装量子点多层膜研制出了一种256×256像素长波红外QDIP焦平面阵列该红外焦平面阵列的像元间隔为40μm，读出电路采用直接注入式输入结构，积分时间为8ms，帧速为120Hz，F数为2.5，工作温度为80K，为了评价该红外焦平面阵列的性能，研究人员将其装在一个集成探测器制冷机组件内，在80K温度下对其输出进行了测量。结果显示，该阵列的峰值响应波长为10.3μm，噪声等效温差为87mK。

3.3一种新型谐振腔增强型光电探测器的性能分析

随着光波分复用通信技术的发展，具有波长选择特性和高响应速度的光探测器已经在光通信中显示出了它的巨大优势。一种新型的光电探测器——谐振腔增强型光电探测器（Resonant Cavity Enhanced Photodetector,RCEP）

【4】，该RCEP的基本结构是将吸收层插入到谐振腔当中。由于谐振腔的增强效应使其在较薄的吸收层情况下即可获得较高的量子效率，同时减少了光生载流子在吸收层的渡越时间，提高了器件的响应速度，因而能够解决传统探测器量子效率和响应速度之

间的相互制约矛盾。此外，由于谐振腔的作用使该器件本身具有波长选择特性，无需外加滤波器，因而有可能成为波分复用光钎通信系统中的新一代光探测器。

这种谐振腔增强型光探测器将光学滤波器和光电探测器通过F-P微腔巧妙地集成在一起，其独特结构解决了普通光探测器量子效率与载流子渡越时间相互制约的问题，使其在量子效率和响应速度方面获得很大改进。其具有的波长选择特性，使这种新型器件可广泛应用于光探测器、光调制器、发光二极管等多种光电器件。

四 总结

在节能环保被日益关注的今天，如果有更为灵敏光电探测器件，就可以显著降低激光的功率，从而达到大幅降低能耗的目的。

除此之外，我们还可以将这种器件与一些高精尖的前沿领域联系在一起：例如量子密码领域，需要探测单个光子的存在，这种硅基雪崩光电探测器的性能如果进一步提高，检测到单个光子的可能性是存在的。

我们还会联想到CCD——一种用于相机等成像设备的核心部件。凭借硅基雪崩光电探测器超高的灵敏度，我们可以造出高性能的二维光探测矩阵，可以在红外成像、遥感等领域发挥很大的作用，在卫星、军事和激光雷达等领域都将会有广阔的应用空间

主要参考文献

【1】 赵维.一种新型谐振腔增强型光电探测器的性能分析.电子设计工程.2010.5

【2】 易可佳等.一种下一代激光雷达的设计与实现.2011.10

数字探测器 篇5

1 方案设计依据

荩铁道部铁运函[2008]257号《车辆轴温智能探测系统 (THDS) 设备检修维护管理规程》

荩铁道部运装管验[2007]217号《关于红外线轴温探测系统通道改造工作安排的通知》

荩现场红外设备情况

2 工程范围及相关的接入点

工程范围:

要摸清管内线路的红外线轴温探测设备、路局监测中心、列检所复示设备、段管理复示设备传输通道由音频通道全部改造为数字通道。

掌握涉及的设备数量

填表

3 系统改造后结构及主要功能

3.1 网络结构

红外探测系统传输通道改造是用信息科提供的综合信息网平台, 该平台是构建在个铁路局既有的安全可靠的光传输网基础上, 利用IP技术, 骨干带宽为1G的通信业务专用网络, 网络结构可分为三个层次:核心层、汇聚层、接入层。核心设备选用高稳定性, 且具备IPV6、MPLS VPN, 高路由转发及高数据处理能力的高端路由器。

3.2 设备改造后结构

HTK设备:

荩探测站设备:

1) 探测站去掉数传板、串口板, 增加HTK型通信接口板, 直接和生产网连接。

升级探测站主机板程序, 修改通信参数。

荩复示站设备:

更新中心主机, 每台复示设备增加一块独立网卡 (增强可靠性) 与生产网连接。

复示软件修改通信参数。

荩段复示设备:

终端机增加一块独立网卡与生产网连接。

修改软件通信参数。

荩局监测中心设备:更新中心主机。增加交换机。修改中心软件通信参数。

3.3 红外设备数字化改造后主要效果

荩因中心设备性能提高, 传输速度加快, 探测站向局车辆运行监测中心、复示站传输数据延时由以前的1分钟提高到小于1秒。

荩相邻探测站不能因网络故障同时信息传输失败, 单点探测站与监控中心主机网络故障恢复时间不超过30分钟, 减少了由于通道故障引起的红外设备停机探测时间。

荩信源点接入专线带宽提供:探测站不低于128Kbps, 列检 (车间) 、车辆段复示不低于512Kbps, 铁路局监控中心、车辆检测所不低于2Mbps。

4 施工安排

4.1 成立组织, 加强领导。

成立红外线轴温探测系统通道升级改造领导小组

组长:***

副组长:车辆处、信息中心、车辆段领导、厂家负责人

成员:车辆段、信息中心、

主要负责升级改造领导及协调工作, 日常工作由车辆段负责。

4.2 密切配合, 分工负责

车辆处:牵头负责制定改造方案、红外设备数字化改造、向信息中心提供信息节点、协调解决车辆段和信息中心实施过程中的相关问题, 并确保按要求完成红外线探测系统改造工作。

信息中心:负责根据铁通公司提供的方案规划红外探测系统网络并分配IP地址。同时负责各探测站、复示站的信息通道调试工作。

车辆段:负责探测站、列检复示、车间复示、段复示设备的改造工作, 组织好人员配合及应急处理, 确保按期完成设备改造任务。

路局车辆检测所:负责中心设备的改造任务, 并组织应急处理。

4.3 实施方案

实施准备工作:a) 召集会议协调:明确改造中各部门的主要工作、完成时间及相互配合内容。b) 设备供应:由车辆处组织, 相应单位对所用设备进行配件招标。由信息中心对通道改造的信息设备进行招标。c) 信息中心确定IP地址及相关事宜。

实施推进计划。红外线轴温探测系统通道升级改造时间预算, 每台探测站设备升级改造约1小时, 复示站1.5小时, 监测中心3小时。预算完成实施准备工作的时间。

首先要对局监测中心建立新监测中心 (网络传输) 。其次开始1个探测站数字化改造试点, 红外中心、设备厂家技术人员共同值岗监控, 确认无误后, 依次改造进行数字化改造, 将全线展开。

计划好进程, 如**月**日, 开始将对**班管内**上下行、等若干探测站进行改造。

**月**至**日, 车辆段、信息中心、设备厂家技术人员共同值岗监控, 确认传输、报文无误。

5 应急预案

红外线轴温探测系统是保证行车安全的重要设备, 通道数字化改造任务量大, 涉及部门多, 要确保一次切换成功, 为防止出现中断探测事件发生, 制定本预案。

成立应急处理小组。应急预案的启动:

切换每条探测站通道由厂方技术人员用笔记本脑先测试探测站至局监测中心网络是否能PING通, 不通时由通信工区处理, PING通后更换探测站 (复示站) 升级软件, 增加硬件设备, 设备切换通道, 如切换上红外探测设备和中心不能正常通信, 又无法倒回原通道时, 立即由切换人员向组长汇报, 由组长下达应急预案启动命令。命令接收人为:监测中心值班员、段复示中心值班员、段相关探测站配合人员、应急处理小组人员、信息中心技术人员。应急预案的启动时的措施:通道切换过程中出现的一般故障应在现场及时处理, 如因故无法及时处理时按以下方案进行。应急预案一旦启动, 应急处理小组所有人员都要到位, 分别在探测站 (复示站) 、监测中心查找故障点, 及时排除。监测中心值班员和段复示中心值班员要加强该探测站前后方探测站数据的分析, 并按长大区间预报标准提级预报。段配合人员要在该探测站用收数微机接收探测数据, 并对接车数据中有W1级以上热轴的通过电话向局监测中心值班员报告。由监测中心值班员根据前一站数据进行分析。信息中心技术人员立即检查网络通道, 查找原因并及时处理。厂方技术人员负责查找探测站 (复示站) 、监测中心设备存在的问题, 并立即进行处理。段红外专职立即到段复示中心, 指导探测站配合人员处理故障, 段复示中心值班员, 加强相邻两站设备监控, 加强探测数据分析, 对所预报热轴和局监测中心及时进行联控。

应为现在铁路的速度惊人, 安全更是重中之重, 各项信息数据的及时性对铁路各部门来说, 是至关重要, 所以对原有的一些制约瓶颈, 要加快改造步伐, 以至于为铁路车辆行车安全, 起到更好的保驾护航作用, 所以针对红外线轴温探测系统的数据传输过慢, 数据不及时, 厂家对相应的技术做了升级。为此我专门写此文章来给现场进行数字化通道改造的相关部门提供一个参考方案希望对相关部门能有所帮助

参考文献

数字探测器 篇6

我国地面数字电视标准要采用自主研发的DTMB/TDS-OFDM频、时域处理技术,其支持高、标清电视的不同制式,支持室内、移动、便携接收等三种接收方式,支持单频网和多频网两种组网模式,可根据应用业务的特性和组网环境选择不同的传输模式和参数。

地面数字电视射频信号的信道功率是衡量网络质量的重要测量指标,其大小直接决定信号的覆盖范围及某接收点是否能够正常接收。本文介绍了一种测量地面数字电视射频信号功率的检测器,此检测器能够检测数字信号的平均功率,真实反映信号的信道功率大小。

1 模拟、数字电视信道功率区别

模拟电视广播,用峰值功率电平表征频道信号的强弱。测量模拟电视发射机输出信号功率电平时,使用频谱仪对信号同步脉冲的峰值电平进行测量。因为这里集中了信号在频道内的主要能量(超过98%),所以可以认为对载波同步脉冲的测量可以代表信号在测量频道内的电平值。

数字电视广播用信道功率表征频道信号的功率强弱。数字电视调制信号类似噪声,信号在调制到射频载波前被进行了随机化处理。由于数字信号以噪声形式出现,它更像随机加入到频域测试设备中的一组组脉冲,所以采用信道平均功率判断信号强弱。

数字电视信号有较高的峰均比,如表1所示。如果测量中仍测其峰值功率电平,则测的的数据会与信道平均功率有较大误差。因此,数字电视信号的测量应测其平均功率。

2 功率检测器系统总体设计

数字电视射频信号功率检测器主要由3个部分组成:带通滤波器、RF功率检测模块和系统控制与显示模块。其框图如图1所示。

图1数字电视射频信号功率检测器系统框图

(参见下页)

数字电视发射机功率检测器用ARM S3C44B0X芯片作为其核心控制器,内部的宽带滤波器用微带线滤波器实现,RF功率检测用专业的功率检测芯片AD8362实现,模数转换用双通道、12位高速ADC芯片实现,显示用128×64像素点单色LCD显示器实现。

框图中共有2组带通滤波器+功率检测模块组合,分别用来检测一个频道的RF信号入、反射功率大小。若系统需要同时检测多个频道的RF入、反射功率,则可以增加带通滤波器+功率检测模块组合及ADC模块数量。

耦合而来的RF信号先进入数字电视射频信号功率检测器中的带通滤波器(UHF波段特定中心频率、带宽8MHz)。经过滤波后,某一特定频道的RF信号再送入功率检测模块,检测后输出信号强度模拟电平,该功率检测模块可以检测数字信号的真有效值功率,检测动态范围高达60dB。ADC芯片将送来的RF功率强度模拟检测电平转换为数字信号输出,该ADC芯片具有2个12位的高速逐次逼近型ADC模块,采样速率高达2MSPS。ARM控制器控制整个功率检测器的功率检测及显示功能,ARM控制器接收ADC送来的数字信号,经运算处理后,最终将结果显示在LCD显示模块上,ARM控制器采用16/32位ARM7TDMI内核,主频66MHz,集成8KB高速缓冲器、外部存储器控制器、LCD控制器等模块。

3 硬件设计

3.1 输入保护电路

在整个功率检测器的输入端,增加了输入功率过载保护电路。当输入的RF信号功率过大时,该保护电路将会自动限制输入信号的功率,达到保护后级检测电路不受损伤的目的。输入过载保护电路由肖特基增强型PIN限幅器、射频变压器组成。当输入RF功率低于门限电平时,信号能够正常通过保护电路;当输入RF功率达到或超过门限电平时,保护电路会自动将输入功率限制在最大允许功率电平上,保证后级电路正常工作。该保护电路具有宽工作频率200~1400MHz,低功率限制电平约6.05dBm,能够满足广播电视频段应用的需求。

肖特基增强型PIN限幅器采用ASML-5829,限幅器中有一PIN二极管和一肖特基二极管,两二极管如图反向并联在输入电路上,当RF信号低于限制门限,肖特基二极管上电流很小,导致PIN二极管的结电阻很大,RF信号便能无损耗地向后级传输;当RF信号增大到限制门限,肖特基二极管电流升高,导致PIN二极管结电阻减小,大部分RF信号入射功率经PIN二极管被反射回输入源。射频变压器采用TC4-14+,次级初级绕阻比为4,因此变压器即能起到放大信号的作用,又能起到阻抗匹配的作用。输入过载保护电路在整个工作频段内,插损最大约2.8dB,回波损耗最小约-18dB。

3.2 功率检测

3.2.1 均方根检波器AD8362

AD8362是一个真有效值功率检测器,其检测输出的线性直流电压正比于输入信号功率大小,输出与输入信号的峰均比无关,具有60dB测量范围。它被用于各种不同高频通信系统和对信号功率要求准确相应的仪器中。该芯片简单易用,只要单5V电源供电和一些电容。它可以在任意低频至2.7GHz频率中工作,可以接受从1mV~1V有效值的信号输入。被测信号的峰值因数可以高达6,超过了对CDMA信号精确测量的要求。AD8362能够测量射频信号的有效值功率,为理想的数字电视射频信号功率检测器。

AD8362具有以下特性:1)完全精准测量/控制系统;2)精准的RMS转直流(50Hz~2.7GHz);3)输入动态范围大于60dB(50Ω下,-52~8dBm);4)独立的波形和调制(GSM/CDMA/TDMA等);5)线性的分贝输出(50mV/dB);6)0.5dB偏差;7)不同温度和供电下功能稳定(4.5~5V在24mA,-40~+85℃);8)待机状态1.3mW。

AD8362既能用于功放线性控制,也能用于射频功率检测。当用于功率检测时,其VOUT脚与VSET脚应直连,此时输出是正比于输入rms对数值,斜率50mV/dB。当用于功放线性控制时,VOUT脚与VSET脚独立,功放通过AD8362的VOUT输出来改变自身的增益,达到功率输出线性的目的。

3.2.2 功率检测电路

AD8362提供测量模式和控制模式两种工作模式。在控制模式下,AD8362可监视可变增益功放的输出,并通过设定VSET脚上的电压,控制调节功放增益,使功放输出到一个理想的目标值。当输入大于VSET脚设定值,VOUT置逻辑高电平,当输入小于VSET脚设定值,VOUT置逻辑低电平。在测量模式下,AD8362仅检测RF的功率大小,VSET脚与VOUT脚短路。本设计采用测量工作模式,检测电路如图3所示。

AD8362的输入可以是差分输入或单端输入,如果要配置为差分输入模式,输入电路前还需增加BALUN(非平衡转平衡转换器),这里我们使用单端输入模式。VOUT经过运放放大后送出检测电压值PWR_DET。当VSET脚与VOUT脚短路连接时,输出电压与输入信号电平呈线性对数关系(斜率50mV/dB),对于输入信号为-60dBm(截距)时,VOUT输出为0V。输出电压可用如下公式表示:

VOUT=(PIN-PZ)×50mV

PIN为输入信号的功率,PZ(截距)为输出为0V时的输入信号功率,两者单位均为dBm。通常PZ为-60dBm。

本设计中,VSET脚与VOUT脚并未直接短路连接,而是通过一个电阻相连,且在VSET脚上加了一个配置电压(截距重定位电压)。这样,便可以增加输出电压公式中的斜率,以便更适应特定的功率检测环境。当然,这样的电路连接也会降低检测的动态范围。

由于VOUT、VSET连接改变,斜率有所变化。另一方面,由于阻抗失配和衰减等因素,测量可能会有误差,因此,需要对测量电路的计算公式做校正,重新计算公式中的斜率(SLOPE)和截距(INTERCEPT)。校正方法是施加连个接近AD8362线性输入范围端点的已知信号电平,然后测量输出电压。根据AD8362线性范围选择两个输入信号电平为PIN1=-60dBm,PIN2=-30dBm,并分别测得电路输出电平为VOUT1和VOUT2。则可以通过以下公式计算斜率和截距:

因此,校正后电路的输出电压可表示为:

VOUT=SLOPE(PIN-INTEERCEPT)

检波器输出给后级的双路,12BIT ADC处理,将检测直流电压变为数字信号经过SPI接口送至MCU主控制器。

3.3 系统控制

整个功率检测器选用三星公司的16/32位RISC处理器S3C44B0X(66MHz)作为系统控制器。S3C44B0X采用ARM7TDMI内核,0.25μm工艺的CMOS标准宏单元和存储编译器,为手持设备和一般类型的应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。该处理器提供了丰富的内置部件:8KBcache、内部SRAM、LCD控制器、71个通用I/O接口、RTC、10位ADC、自动握手的2通道UART、I2C总线接口等。系统控制器执行功率检测程序,并控制检测电路对射频信号功率的采集,将功率检测结果显示在LCD模块上。LCD模块选用128×64像素的LCD屏,共能显示4行中英文字符。且通过软件控制,可以实现定时刷屏,这样就能实时显示射频信号功率的检测结果了。

4 软件设计

功率检测软件执行的流程如图4所示。系统先初始化功率检测模块、ADC模块、LCD模块等,使所有模块进入正常工作状态。MCU采集射频信号的入、反射功率检测数据,对数据进行判断是否超过测量线性范围,如超过,则显示超过测量范围,此时可按“重新检测”按钮使系统重新检测功率;如未超过,则由采集数据计算功率值的大小。系统对功率值继续判断其是否在设定门限范围内,如超过,则显示异常功率值大小及功率异常报警,此时仍可按“重新检测”按钮使系统重新检测功率;如未超过,则显示正常的功率值大小。如果检测的功率值正常,系统默认是按周期循环检测,使维护人员能够实时查看入、反射功率状态,同时也可按“停止循环检测”按钮随时停止循环检测程序,使显示保持当前状态。

5 小结