光电转换（精选7篇）
光电转换 篇1
光电技术是将传统的光学技术与现代电子技术与计算机技术相结合的一种高新技术[1].以光电转换电路为核心的光电检测技术已经被广泛地应用到军事、工业、农业、环境科学、医疗和航天等诸多领域.所谓的光电转换是以光电二极管为基础器件,通过将照射于二极管上光通量的改变量转化为相应的光电流,再经过前置放大、主放大等后续电路进一步优化有用信号,最后实现与上位机与相应算法的连接.由此可见,任何光电检测系统中,光电转换电路的设计与优化都是重中之重,它性能的稳定以及相关参数的合理性将决定着整个检测系统的设计成败.
1 光电转换-前置放大电路的设计
光电二极管在受到光照时,会产生一个与照度成正比的小电流,因此是很好的光-电传感器.光电二极管可以在2种模式下工作,一是零偏置的光伏模式;一是反偏置的光导模式[3],具体电路如图1所示.在光伏模式时,光电二极管可以非常精确地线性工作; 而在光导模式时,光电二极管能够实现较高的切换速度,但要牺牲线性;同时,反偏置模式下的光电二极管即使在无光照条件下也会产生一个极小的暗电流,暗电流可能会引入输入噪声.因此选用光伏模式.
理想的光电二极管有恒流源的特性,当其负载电阻为零时输出特性较好,而由理想放大器构成的前置放大电路又有“虚短、虚断”的概念,其输入阻抗Rin=Rf/(1+A),式中,A为运算放大器的开环增益,Rf为反馈电阻.一般而言,A≥106,所以Rin≈0;即保证了光电二极管在光伏模式下的线性工作特性.通过反馈电阻将光电二极管与运算放大器相连接,将其产生的微弱电流通过较大的反馈电阻Rf形成压降,从而实现光通量的改变——光电流——电压的I/V前置放大转换.
光电二极管的选择依据:
图2中Isc为光电流;Rd为二极管内阻;Cd为二级管结电容;Ins为二级管的散粒噪声电流;Ind为二极管内阻的热噪声电流.光电二极管与后续的理想运放构成前置放大电路时,影响其性能参数的因素主要是以下几点:
(1)反馈电阻Rf;反馈电阻越大,输出电压越大,通常取几百千伏或几十兆伏,但反馈电阻的选择也存在上限,因为前置放大与后续处理电路相连时会受到输入电压匹配的限制,同时过大的反馈电阻会使电路产生自激震荡;
(2)设计合理的通频带;通过电容Cs与反馈电阻Rf的并联,构成低通滤波电路,其上限截止频率为1/2∏·Cs·Rf.上限截止频率越小,信号输出信噪比越好;但较小的上限截止频率会使信号产生频率失真,具体使用时要根据实际情况调试而定;
(3)光电转换产生的光电流越大,前置放大得到的输出电压越大,因此要尽可能选用灵敏度高的二极管,同时提高光信号的照射功率以增大光电流;
(4)选用内阻较大,结电容较小的光电二极管,同时保证工作温度恒定,减小因环境温度升高而带来的额外的输入噪声.
2 主放大电路的设计
由于前置放大只是将微弱的光电流转换为电压信号,在进行实际处理时还要进一步放大,因此设计第二级主放大电路,通过阻容耦合与前置放大电路相连.
由仿真结果可以看出光电二极管产生的微安级的弱光电流经前置放大电路可输出毫伏级的电压,所以仍需通过主放大电路进行后续处理.主放大电路如图4所示;R1～R5电阻可实现电压放大倍数的多档可调,即所谓的灵敏度调节.
3 电路的优化设计
在实际光电测试系统中,还应对光电转换电路进行诸如降噪、滤波、去耦等优化处理,以实现较大的信噪比、信号稳定性以及高灵敏度等特点.具体的优化措施有以下几点:
(1)由于运算放大器是双电源器件,通过合理的选择偏置电阻使光电转换前置放大电路的输出电压达到合适的幅值(即设置适当的静态工作点),以获得最大的电压摆幅,避免饱和失真.如图6电路所示,电压输出设置于-4 V左右,避免因强烈的环境光造成的饱和失真.
该放大电路经过仿真以后从波形中可以观察到输出电压被拉低到-4 V左右,实现了合理设置静态工作点的目的;
(2)正负电压由运算放大器的4、7管脚引入,同时设置旁路电容构成滤波电路,消除电源纹波的干扰,降低输入噪声,提高信号信噪比;
(3)考虑到不同光电检测系统的使用环境,对于那些有强环境光干扰的测试场所,可以在电路设计之初就运用双光电二极管,使其中一个暴露于测试环境中并与前置放大器反接,达到消除杂散环境光干扰的作用;
(4)在电路的制板过程中还会因为器件排列、布线、线宽以及制作工艺等诸多因素引入噪声,对测试结果产生一定的影响;针对这些因素对PCB板的设计提出以下几点建议:
a.要求PCB出图时光电转换器件与前置运放间的信号线尽可能短;
b.VCC、GND等特殊网络的线宽要超过其他网络的线宽,推荐50 mil左右;
c.如果电路比较复杂,还应设计专门的电源层与接地层;
d.布线时两条走线之间应保持一定间距,避免产生电容效应,且走线以水平方向与竖直方向为最佳;
e.敷铜设计时最好将电源与运放隔开,不要整板敷铜,避免噪声干扰;
(5)在电路板的使用过程中要采取一定的屏蔽措施,如添加金属外壳(避免空气中高频电磁波的干扰),或接地(消除噪声)等;
基于以上设计原则,设计光电转换放大电路并制板,以玩具气枪模拟真实弹丸验证该测试系统,搭建400 mm×10 m的有效靶面,分别从有效靶区范围内0、5、10 m处在400 mm光幕的上、中、下3个不同光强区域验证弹丸过靶信号;噪声稳定保持在100 mV左右,而最弱区域有用信号达到2 V上下,性能较为稳定,信噪比好,能够满足测试需求.
4 结 束 语
文中对光电转换电路设计中可能遇到影响其性能参数的诸多因素作出了详尽的分析与讨论,通过合理的选择调试器件参数,可以使检测系统的性能趋于最佳,对于较为微弱的光信号也有探测能力.在实际应用当中,还应根据具体问题具体分析,才能设计出满足不同需求的光电转换电路测试系统.
摘要：通过对光电转换电路的前置放大及主放大电路设计的详细分析研究,给出了电路放大、滤波、降噪等优化处理方法,实现了将有用信号从噪声中分离并输出的目的.对光电转换电路从原理设计到最终制板过程中影响其性能参数及稳定性的因素进行了深入的探讨,提出了对电路器件选择、排列、布线以及降噪等方法的选择标准和依据.
关键词：光电转换,前置放大,光电二极管
参考文献
[1]刘斌,张秋蝉.光电检测前置放大电路的设计[J].燕山大学学报,2003,27(3):194-196.
[2]李威,罗春华,杨臻.基于光电信号转换原理与单片机的弹丸测速系统[J].机械管理开发,2008,23(6):29-30.
[3]刘卫东,刘延冰,刘建国.检测为弱光信号的PIN光电检测电路设计[J].电测与仪表,1994(4):28-30.
[4]张若岚.电路系统中噪声问题研究[J].电子技术,2001(2):62-65.
650nm光电转换器设计 篇2
650nm光电转换器用于把仍在使用现有各种规格以太网卡的计算机连接到650nm塑料光纤传输系统, 并通过光网获得很高的信息传送速率, 能使650nm塑料光纤传输系统与公用信息网有效互通, 进行全程全网的光通信。650nm光电转换器作为650nm塑料光纤传输系统中的一个组成部件, 由塑料光纤构建的650nm塑料光纤传输系统组成 (见图1) 。
二、工作原理
(一) 650nm光电转换器组成框图 (见图2)
(二) 650nm光电转换器工作原理
650nm光电转换器的组成框图如图2所示, 包括:DM9331A介质转换芯片、光纤收发模块TODX2402、RJ-45电接口模块ST88515、供电模块、晶振电路等。DM9331A是一个低功耗、高性能的CMOS芯片, 它具有符合IEEE802.3u标准的全部物理层功能, 主要包括物理编码子层 (PCS) , 适用用于光纤模块的PECL兼容接口, 能够自动选择全双工/半双工工作模式等, 实现不同波长光信号到650nm光信号的转换, 既可以提供与双绞线 (五类线) 线缆在100Base-TX快速以太网的直接接口, 也可以通过PECL接口连接外部的光纤收发器。
第一, 通过OP2、OP1、OP0端设置DM9331A的初始工作模式。当设置成010时, 系统就工作在可人工选择的“100FX全双工”模式下;当设置成001时, 系统就工作在可人工选择的“100FX半双工”模式下;本转换电路中, 芯片被设置成“100FX全双工”模式。第二, 通过MCI (介质控制接口) 实现数据的双向流动。芯片在50MHz晶体振荡器的同步协调下进行收、发数据 (RXD、TXD) , 且在TXEN有效期间每个时钟周期收/发2bits数据信息。两个芯片之间同样也是一次传输2bits数据。第三, 其中一个DM9331A的TXEN来自于另一个DM9331A的RXDV信号端, 介质控制接口正在传递的物理介质上的数据状态。第四, 对介质独立接口寄存器 (Me-dia Independent Interface Register) 组写入预设的各种状态 (0或1) , 对波长转换器系统的复位方式、近端环回测试、传输速度、自动协商使能、重启自动协商、全双工等各种参数做出具体的设置, 对于没有特殊要求的bit位, 一般可以采用缺省值。第五, 两片DM9331A在数据通信的过程中, 还会将实时的系统工作状态 (单/双工、数据传输、介质连接、出错等) 送到显示驱动电路中, 最后通过LED加以直观显示。
三、650nm光电转换器各部分功能
(一) 介质转换芯片DM9331A
介质转换芯片DM9331A是一个低功耗、高性能的CMOS芯片, 它具有符合IEEE802.3u标准的全部物理层功能, 主要包括物理编码子层 (PCS) , 适用用于光纤模块的PECL兼容接口, 能够自动选择全双工/半双工工作模式等, 实现不同波长光信号到650nm光信号的转换, 既可以提供与双绞线 (五类线) 线缆在100Base-TX快速以太网的直接接口, 也可以通过PECL接口连接外部的光纤收发器。
(二) 光纤收发接口电路
以TOSHIBA公司的光纤收发模块TODX2402为主组成, 构成交换机物理层上的8个数据输入/输出通道, 将双向数据连接到介质转换芯片DM9331的RX+/FXRD+、RX-/FXRD、TX+/FXTD+、TX-/FXTD-等4个I/O脚, 在FXSD1信号的控制下独立实现光信号的收发交换。当光交换芯片的光信号检测引脚FXSD18的电压值大于0.6V时, 该端口工作在100BaseFX模式, 且当0.6V
四、结论
本文所设计的650nm光电转换器可以将现有各种规格以太网卡的计算机连接到650nm塑料光纤传输系统, 并通过光网获得很高的信息传送速率。
参考文献
[1]、缪立山, 乔桂兰, 缪德俊, 徐蓉艳.650nm塑料光纤传输系统的光电转换器专利[Z].CN1790953, 2006.
提高光生伏打电池光电转换效率 篇3
本文主要简述了光生伏打电池的工作原理, 并通过对光谱特性的分析, 进行光生伏打电池的改进, 从而提高其光电转换效率。
一、外光电效应
外光电效应是指光照使物体吸收光子并激发出自由电子的现象。当物体表面在特定的光幅照作用下, 物体会吸收光子, 并发射自由电子, 微观上表现为单个光子把他的全部能量传递给一个自由电子, 使得自由电子的能量增加一个普朗克常数。当电子获得的能量大于物体的逸出功时, 自由电子克服物体表面的束缚而逸出, 形成电子发射, 从而产生电动势, 这就是光生伏打电池的基本工作原理。
根据力做功的定义, 对于单个光子的能量, 得到光子的能量公式:
其中p为单个光子的冲量, λ为波长, h为普朗克常数, f为光谱频率。
只有当物体中的电子吸收的入射光子能量足以克服物体表面的逸出功时, 电子才可以逸出物体表面, 产生光电子发射。因为一个光子的能量只能结合一个电子, 因此要使一个电子逸出, 光子能量必须超过逸出功。
其中A为物体的逸出功, m为电子质量, v为电子逸出物体后的初速度。
当电子逸出的初速度为零, 即为可以发生外光电效应的光子的临界能量:
光生伏打电池的基本工作元器件就是PN结, 即N型半导体和P型半导体结合在一起构成一块晶体。当光照射到PN结时, 如果光子的频率达到红限频率, 由于光电效应, 就在PN结处激发出了自由电子, 产生电子——空穴对。在PN结电场的作用下, N区的光生空穴被拉向P区, P区的光生电子被拉向N区。结果, 在N区就聚集了负电荷, P区就聚集了正电荷, 于是在N区和P区之间就出现了电位差, 产生了光生电动势。
二、光敏材料的光谱特性
不同的光敏材料对于不同频率的光有不同的敏感度, 而对于光生伏打电池, 不同的制作材料则会对不同频率的光有不同的光电转换效率。
每一种材料都会在自身的红限频率以上对其中某一段频率的光最敏感, 同时也结意味着有可能会产生最高的光电转换效率。
根据物质的波长公式:
物质的波长与构成物质的粒子的冲量有关, 即与粒子的质量和热运动的速度有关。不同的物质在不同的环境下, 因为有不同的粒子质量和不同的热运动速度而有不同的物质波长。根据物质的谐振现象, 当光源的波长与物质的波长越接近, 他们的谐振幅度就越大, 就可以产生越大的电流, 从而这种物质就会对与其相近波长的光源有很高的敏感度, 这意味着这种物质对与其相近波长的光源有可能产生很高的光电转换效率。
根据光敏材料的光谱特性, 不同的物质确实会对不同频率的光有不同的敏感度, 也会产生不同强度的光电效应。每一种光敏材料都会在光谱上有一个敏感度的峰值, 会对其中某一频率段的光最为敏感。
如上图所示, 为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可以看出, 硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度, 峰值波长在0.54μm附近, 适宜可见光的光电转换。硅光电池应用的范围在0.4μm~1.1μm, 峰值波长在0.85μm附近, 因此硅光电池适宜波长较长的光的光电转换。在实际应用中, 我们通常选择根据光源的性质来选择光电池, 但是光电池的转换效率依然仅仅维持在20%以下, 难以达到我们的预期。
三、电池分层结构提高光电转换效率假设
由于光敏材料的光谱特性, 本文提出电池分层结构来提高光电转换效率的假设。即在接收光源时, 电池分层, 每一层都采用不同的材料, 从而对不同频率的光都相对应有一层是可以产生一个较高的光子能量吸收率。
当一个光源产生一束混合光时, 照射在分层的电池接收层上, 每一层都可以在相对应的频率范围内有一个较高的转换效率, 未被上一层吸收的能量就可以继续在下一层进行能量转换, 从而尽可能多的利用每一种光的能量, 达到较高的能量转换效率。
四、结束语
光电池作为一种可再生能源的能量转换, 必将会在未来有很大的发展。电池分层结构仅仅作为一种可行的办法来提高光电池的光电转换效率。
参考文献
[1]《太阳能电池与太阳能电子线路》霍尔斯特罗姆I.R.
光电转换 篇4
三洋公司此款N系列的太阳能电池板HIT-N230在日本制造, 由带有本征薄层的异质结 (HIT) 太阳能电池组成。
HIT太阳能电池是一种利用晶体硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型太阳能电池。这种太阳能电池按单位面积计算的发电量保持着世界领先水平。HIT具有制备工艺温度低、转换效率高、高温特性好等特点, 是一种低价高效电池。HIT的转化效率越高, 意味着它更加具有可与传统的硅晶太阳能电池相匹敌的优势。
今年2月, 荷兰生命科学和材料科学公司帝斯曼集团旗下的帝斯曼功能涂料部曾宣布, 其KhepriCoat太阳能防反射涂层系统在进一步优化后, 使全球多晶硅太阳能电池板首次实现了17%的转换效率。三洋公司表示, 新的N230太阳能电池板的光电转化效率为20.7%, 从而使其成为迄今为止转化效率最高的太阳能电池板。
N230太阳能电池板效率的提高, 得益于研究人员将其中的太阳能电池块由2块增加到3块, 且每块太阳能电池都做得更薄。研究人员还在电池上镀上了AG (抗反射) 玻璃, 大大减少了光线的散射和反射。提高光电转化效率使太阳能电池组件在阳光并不充分的地方同样可以使用。
太阳能电池板的薄型化则有助于削减硅材料的成本。对于量产产品来说, 如果能使高效率与低成本化两者兼顾, 可大幅提高HIT太阳能电池的竞争力。
光电转换 篇5
目前, 哈尔滨铁路局管内有2/3 的车站采用半自动闭塞制式, 占营业里程的50%左右。即使在今后一部分单线区段改造为双线区段, 单线铁路也仍将占我局管辖的较大比重。单线区段站间普遍采用半自动闭塞制式, 而半自动闭塞系统站间是通过架空明线 (或电缆) 来传输安全控制信息, 虽然电路构成比较简单, 但是由于架空明线大多是采用铁线, 存在着线路电阻大、易受雷击、断线、混线等问题, 影响闭塞系统的正常使用, 对行车安全影响很大, 严重干扰运输秩序。
随着铁路新技术的跨越式发展, 合理运用新技术新设备, 淘汰老旧设备运作方式开发研制新型设备已成为必然。在数字通信传输广泛应用的今天, 利用数字通信传输技术代替原始的架空明线传输或电缆模拟信号传输, 将成为技术改造的必然趋势。
2 设计原则
利用光通道实现半自动闭塞控制信息的传输, 必须遵循以下原则:
2.1 应满足半自动闭塞的技术条件的要求。
2.2 应保持半自动闭塞的办理方式不变。
2.3 应满足原铁道部《基于光通信的站间安全信息传输系统应用技术条件 (暂行) 》的要求。
2.4 应满足《铁路信号通信安全协议- I》 (RSSP- I) 的要求。
3 系统总体方案
3.1 系统结构及工作原理。
3.1.1 系统结构
传输设备实现方案采取以下方式:见图1 所示, 系统主要由传输设备、通信接口设备及传输通道构成, 传输设备硬件采用已铁路上成熟运用多年的“JWJ- C2 型微机计轴设备”中的运算器。传输设备采用双机热备冗余结构, 系统的主机与备机并行输出, 共同驱动输出继电器;站间传输通道采用冗余的专用光纤通道或专用2M通道, 提高系统的可用性;单套传输设备采用双CPU硬件结构、输出驱动源采用动态脉冲, 并按“二取二”原则输出、驱动执行单元采用“安全与”硬件电路等措施保证设备故障导向安全;传输设备具备自诊断与辅助维护功能, 可实时将驱动采集状态信息、设备工作状态信息及报警信息发送给监测设备, 其监测内容符合运基信号[2006]317 号中的相关要求。
3.1.2传输设备的工作原理
对于安全信息传输系统而言, 整个系统工作过程可以简述为:通过继电器接口或通信接口采集本地继电器条件, 通过站间通道传输信息到对方站, 同时接收对方站信息, 并通过继电器接口或通信接口输出接收到信息。也就是说由于光纤传输通道传送是光信号, 64D半自动闭塞站间控制信息要实现数字化传输, 必须把其站间传输模拟信号转化成数字信号才能实现光传输, 首先需要将64D半自动闭塞的站间控制信息从模拟量转换为开关量, 由安全信息传输设备采集开关量信息, 并把采集的开关量信息转化成数字信号, 同时安全信息传输设备对此数字信号进行编码处理, 然后通过站间通道传送到邻站, 经过邻站安全信息传输设备进行译码后驱动相应的继电器动作。
3.2 系统硬件实现方案。
3.2.1 系统与半自动闭塞电路的结合
系统与半自动闭塞电路的结合见图2 所示, 只涉及到线路继电器电路。将半自动闭塞站间传输通道由架空明线 (或电缆) 改为2M通道 (或独立光纤通道) , 利用传输设备, 在站间传递64D的正负电条件, 从而保证64D半自动闭塞系统在采用数字通道时的继电逻辑和时序关系保持不变。
3.2.2 系统与半自动闭塞电路结合实现方式。
系统与半自动闭塞电路结合实现方式如图3 所示, 半自动闭塞线路继电器电路中的正线继电器ZXJ和负线继电器FXJ仍保留, ZXJ和FXJ励磁由安全信息传输设备驱动, 安全信息传输设备外部输入接口条件的采集是由系统自身产生动态脉冲, 分别采集ZDJ和FDJ两组前接点条件, 通过相应继电器的接点 (采集双接点) 构成回路, 当采集双接点状态一致时, 确定状态有效, 依此判断继电器动作状态, 满足故障安全。而且为了保证设备驱动及结果一致性, 增加驱动回采功能。
3.3 传输设备通信软件采取的防御技术。
站间安全信息传输是基于站间光通信通道进行数据通信, 铁路提供的站间光通道属于铁路专用网络范畴, 根据EN50159- 1 中的规定铁路提供站间光通道属于封闭式网络传输, 封闭式网络在GB/T24339.1 中定义为:连接的设备数量固定或最大数量固定, 有已知且固定的特性的传输系统, 对于此系统可以忽略非法访问的危险。站间安全信息传输需要远远高于用于一般目的的信息传输系统所需要的差错防护机制。为实现在铁路信号工作条件下的安全信息传输安全性, 需要了解传输差错发生的条件和失效的形态。安全信息传输要求在错误发生时, 传输系统必须按照“故障-安全”原则转移到预定的安全状态。
3.3.1封闭式传输系统中通信可能发生的问题:
数据帧重复;
数据帧丢失;
数据帧插入;
数据帧次序混乱;
数据帧错误;
数据帧传输超时。
3.3.2 接收方设计的保护算法必须对接收到的信息作出以下检查:
发送方的身份信息 (真实性)
信息帧的正确性 (完整性)
信息帧的时效性 (时限性)
信息帧序列的正确性 (次序性)
3.3.3采用的安全防御技术:
采用时间戳技术
超时检查措施
源标识符SID识别技术
接收错误时反馈消息
32 位CRC循环冗余校验码和32 位系统检测字双重校验措施每种安全防御措施可防护的威胁见表1:
3.3.4 软件的主要算法
通信数据有3 种数据帧格式, 分别是实时安全数据帧 (RSD) 、时序校正请求帧 (SSE) 和时序校正应答帧 (SSR) 。正常通信时, 收发双方时间计数器同步, 发送方只发送RSD。通信出错时, 接收方发送SSE请求同步, 发送方启动SSR应答, 收发双方重新同步。
见图4 所示, 实时安全数据帧 (RSD) 由帧头、数据体和16 位CRC循环冗余校验码组成。
(1) 见图5 所示, 帧头由交互类别、帧类型、通信设备源地址和目的地址构成。
(2) 见图6 所示, 数据体由本地时间计数器、安全数据的长度、通道1 改进的32 位CRC循环冗余校验码、通道2 改进的32 位CRC循环冗余校验码和应用数据构成。
(3) 16 位CRC循环冗余校验码 (采用多项式x16+x11+x4+1) 。
应用数据是通信传输过程中需要保证安全的数据, 必须经过严格的计算和校验才能确认所传输数据的可靠性和安全性。发送方首先要进行发送方通道1 的32 位CRC循环冗余校验码 (采用多项式x32+x28+x19+x18+x16+x14+x11+x10+x9+x7+x6+x+1) 计算、发送方通道2 的32位CRC循环冗余校验码 ( 采用多项式x32+x31+x27+x26+x23+x22+x21+x18+x16+x14+x13+x4+1) 计算、发送方16 位CRC循环冗余校验码 (采用多项式x16+x11+x4+1) 计算、发送方通道1 系统校验字 (0x AE390B5A) 运算、 发送方通道2 系统校验字 (0x C103589C) 运算、发送方通道1 源标识符运算、发送方通道2 源标识符运算、 发送方通道1 时间戳 ( 采用多项式x32+x27+x26+x25+x24+x23+x22+x17+x13+x11+x10+x9+x8+x7+x2+x+1) 增量计算和发送方通道2时间戳 ( 采用多项式x32+x31+x30+x25+x24+x23+x22+x21+x19+x15+x10+x9+x8+x7+x6+x5+1) 增量计算, 将计算结果打包至实时安全数据帧 (RSD) 后发送;接收方收到数据后, 需要进行通道1 的32 位CRC循环冗余校验码 (采用多项式x32+x28+x19+x18+x16+x14+x11+x10+x9+x7+x6+x+1) 计算、通道2 的32 位CRC循环冗余校验码 (采用多项式x32+x31+x27+x26+x23+x22+x21+x18+x16+x14+x13+x4+1) 计算、16 位CRC循环冗余校验码 (采用多项式x16+x11+x4+1) 计算、通道1 同步校验值 (去除了时间戳、系统校验字和发送方源标识符, 只与节点标识有关) 计算并等于接收方通道1 同步校验初值、通道2 同步校验值计算并等于接收方通道2 同步校验初值, 并保持接收方与发送方时间计数器同步。在满足以上全部条件时, 应用数据才能认为是安全的。
4 结论
该项目通过铁道部质检中心产品检验和系统功能测试, 满足运基信号[2010]537 号《基于光通信的站间安全信息传输系统应用技术条件 (暂行) 》中的所有要求及规定, 允许上道运用。
传输设备在我们铁路信号系统站间信息传输方面的运用前景很可观。基于光通信技术取代传统以电缆及继电器联锁方式实现两站间的闭塞站联信息的传输, 是信号技术发展的又一项创新, 既能提高系统可靠性、又降低投资成本, 必将在越来越多的铁路信号工程中应用。
摘要：随着铁路光缆网络的普及, 以及铁路信号安全信息传输技术标准的出台, 利用光通道通信技术代替原始的架空明线或电缆模拟信号传输, 将成为技术改造的必然趋势。
关键词：站间安全信息传输,光纤通信,安全防御技术
参考文献
[1]运基信号[2010]267号铁路信号安全通信协议技术规范.
[2]运基信号[2010]537号《基于光通信的站间安全信息传输系统应用技术条件 (暂行) 》.
光电转换 篇6
太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源,而对其的利用率却不是很高,在目前倡导绿色能源节能减排的环境下,能够充分利用好太阳能是一件利国利民的事情[1]。本文论述了将太阳能转换为电能并作为系统的能量来源,实现最大光强采集,供给负载能量,清洁、稳定可靠、功耗小、效率高,具有一定的实际意义。
在教室、仓库、大棚等一些场所需要实时监测温湿度情况并对其分析,以便做出相应的措施。本系统从实际出发,实现对温湿度、时间等数据的采集显示和控制,使设计更有应用价值。
1 系统总体方案设计
系统以51单片机为控制核心,通过最大光强点追踪实现将太阳能转换为电能给负载供电,以温湿度传感器SHT11为测量元件,构成智能温湿度测量系统;利用DS1302时钟芯片采集时间量;同时把采集到的数据通过RS-232总线上传给电脑分析,并在LCD1602显示出来。通过按键调整时间,并对温湿度超限值进行模拟报警等。系统设计方案如图1所示。
具体讲,本系统主要包括两个部分:一是寻求最大太阳辐射的光电能量转换系统,这是设计的重点和特色;另一个是数据采集系统,包括温湿度和时间信息采集,另外为叙述方便,也将外围模块如RS-232通信、键盘、显示、报警等归入采集系统。下面将对两个系统做具体介绍。
2 光电能量转换系统
利用太阳能电池把太阳能转换成电能并存储在蓄电池里,通过单片机控制获得最大的太阳辐射并给单片机供电。该模块框图如图2所示。
2.1 可行性与创新性说明
利用太阳能作为系统能量的来源,不仅解决了断电或者电网异常带来的问题,而且对最大光强点追踪策略的实现,使得太阳能的利用率得到提高,符合当今环保低碳的主题,并易于推广,对提高太阳能的利用率有参考意义。
单片机消耗的功率小,用太阳能板吸收的能量经过控制转换得到的电能适宜作为系统的供电来源,关键是如何使系统简单方便又能提高效率。本设计在控制方法选取上,考虑到季节、天气等影响,排除固定坐标转动太阳能板的方法,而是利用光敏器件跟踪和程序控制的方法,让太阳能板自动随最大光强点转动,简单可靠。经过分析调试,把构建的电路放在各种环境下进行测试,结果环境亮度不影响电路的准确控制,能够达到预期的性能指标。
2.2 设计原理
利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理,将四个相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西南北方向边沿处,两个舵机分别控制太阳能板的横纵轴转动。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时,四个光敏电阻接收到的光照强度相同,它们的阻值相等,此时舵机不转动;当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时,接收光强多的光敏电阻阻值减小,经过比较器输出高低电平,驱动舵机转动,偏过一定角度。直至两个光敏电阻上的光照强度相同,此时舵机钳住,等待下一次偏差量。硬件示意图如图3所示。
2.3 数据处理部分
采用LM393比较器来处理数据,电路原理图如图4所示。零电位调整单元以抵消零点漂移的直流信号。比较器对输入信号进行判断,将光敏电阻的变化值转化为电压值,当输出信号的强度大于一定值时,给单片机高电平信号;反之,提供低电平信号,这样能屏蔽一些微小信号的扰动,使系统稳定工作。
2.4 控制单元
根据比较器送来的数字量,控制舵机的工作状态。本系统选择用舵机来控制太阳能电池板的转向,原因有三个:一是舵机可以达到对角度较准确的控制;二是舵机可以钳住已给定的角度,不易受外界因素的影响;三是舵机的控制比较简单,只需改变占空比就能改变舵机的角度,减轻单片机的工作量。图5为舵机的控制接线图。
舵机的控制一般需要一个20 ms左右的时基脉冲,该脉冲的高电平部分一般为0.5～2.5 ms范围内的角度控制脉冲部分。以180。角度伺服为例,那么对应的控制关系如图6所示。
根据采集到的光强的情况决定舵机偏转一定的角度,那么相应地调整输入信号脉冲宽度即改变占空比的大小,就能调整太阳能板的方向。
3 数据采集系统设计
3.1 温湿度采集电路
SHT11数字温湿度传感器采用CMOSens技术,将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、二线串行接口全部集成于一个芯片,无需外围器件,具有高度的可靠性和长时间的稳定性。SHTll通过两线串行接口电路与单片机连接,该电路如图7所示[2]。
其中,串行时钟输入线SCK用于单片机控制器与SHT11之间的通信同步,串行数据线DATA用于内部数据的输出和外部数据的输入,上拉电阻保证传输的稳定性。
3.2 时钟电路模块
实时时钟电路DS1302是一种具有涓细电流充电能力的电路,采用串行数据传输,具有掉电保护功能[3]。采用32.768 k Hz晶振。电路图如图8所示。
3.3 单片机外围电路的设计
单片机外围电路主要包括RS-232通信电路、键盘输入电路以及报警电路、复位电路、显示电路等。在此简单介绍键盘输入模块[4]。
本系统采用独立式键盘,表1为按键功能表,图9为线路示意图。能实现对时间数据的修改和对温湿度上下限值的设定。
4 软件设计及Proteus仿真
4.1 主程序流程
软件开发环境为KEIL4,程序用C语言编写。初始化子程序含:时钟、I/O端口和液晶显示等模块。功能子程序含:舵机控制、温湿度测量并转化、时钟数据采集并转化、键盘处理、延时、中断输出控制等。主程序的流程图如图10所示。
4.1.1 舵机控制子程序
程序算法(X轴和Y轴的控制方法一样,这里只介绍X轴):X轴的两个光敏电阻采集到的光强分别经比较器得到数字量送给单片机,单片机对两个量进行分析,如出现差值则驱动舵机,否则返回等待下一次出现差值。程序流程图如图11所示。
4.1.2 测温湿度子程序流程图
温湿度采集子程序如图12所示[2]。SHT11温度检测值线性好,当单片机供电为5 V时,其分辨率为14位,用公式T=-40+0.01M,将温度读数M转换成温度值T;SHT11相对湿度输出呈非线性,SHT11里面是12位湿度传感器,用公式补偿相对湿度读数N的非线性:RHL=(-4+0.040 5N-2.8×10-6N2)%。
4.1.3 按键控制子程序流程图
通过S1进入调整温湿度模式或者时间模式,通过S2和S3对设定值进行加减操作,或者对时间进行调整。按键控制子程序图如图13所示。
4.2 系统调试与仿真
系统用Proteus实现仿真,与KEIL结合进行程序调试。调试过程中先进行硬件电路检查,确定无误后对各部分子电路编写程序进行调试。通过搭建实际电路调试,结果温度误差不超过0.1℃,湿度控制在2%之内;太阳能板能够循着最大光强方向转动,经过控制单元的电池板提高了对太阳能利用率。表2和表3分别为实际电路测试所得的结果[5,6]。
注:太阳能电池板额定电压6.2 V,电流140 m A,测量时负载为电阻,光照强度的测量仪器为佳信的LX-1010B,分别在一天的不同时段测得。
5 结语
基于单片机的光电能量转化数据采集系统安装简单方便,系统稳定可靠,可维护性好,抗干扰性能好,能够满足温室环境的设计要求。在后续程序设计中,可以增加和上位机的联机通信及对不同组数据的存储计算等。系统可拓展性强,具有实用价值。
参考文献
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光电转换 篇7
采用尝试采用氯苯二氯苯和混合溶剂对活性层影响的方法来探索改进电池效率的方法,并且取得显著效果。发现混合溶剂给出最好的表现( sola performance) 这种光电转换效率的提高主要是由于短路电流密度的提高引起的,同时研究了活性层AFM高度图和相图的区别及其吸收曲线。
1 材料与方法
1. 1 实验材料
聚3-己基噻吩(Poly-3-)购买于西格玛药品公司;
PCBM购买于Nano-C药品公司;
氯苯购买于西格玛药品公司;
邻二氯苯购买于西格玛药品公司。
1. 2 实验仪器
旋转镀膜仪( spin coater) 为Shinu + 仪器公司生产;
太阳光模拟器( solar simulator) 某仪器公司生产;
分子力显微镜AFM为Veeco仪器公司生产。
2 实验方法
如图1 所示,有机太阳能电池是做在有ITO镀层的玻璃板上,结构是ITO/PEDOT: PSS /P3HT:PCBM / Li F / Al。
2. 1 溶液制备
分别配制氯苯、邻二氯苯和混合溶剂( 氯苯: 邻二氯苯= 1∶ 3) 的20 mg /m L的PCBM和P3HT溶液;然后将PCBM和P3HT溶液按照1∶ 1的体积比混合。
2. 2 旋涂
将ITO玻璃分别置于超声振荡器中用去离子水、丙酮、和乙二醇中清洗后烘干备用,将ITO放置于紫外臭氧( UV-ozone) 处理20 min。然后将PEDOT: PSS( Clevios P VP 4083) 以厚度为40 nm旋涂到ITO玻璃基板上后放置到150 ℃ 环境中加热30 min。在充满氩气保护的手套箱中将上述已配制好的三种活性层溶液均以100 nm厚度分别旋涂到以覆有PEDOT层的ITO玻璃基板上。
2. 3 负极材料蒸镀和退火
将Li F和Al先后按照1 nm和100 nm的厚度蒸镀到上述已旋涂过活性层的基板上后送入烘箱以150 ℃ 的温度加热30 min后再自然冷却致室温。至此,实验制作部分完成。最后将制成的样品分别用原子力显微镜、可见光吸收光谱以及太阳光模拟器来检测其表面形貌、吸收光谱以及转换效率以分析不同溶剂对转换效率的影响结果。
3 结果与讨论
3. 1 伏安曲线的绘制
图2 为三种不同溶剂的活性层电池的伏安曲线,由此可以看出,混合溶剂组的转化效率达到2. 948% ,明显高于氯苯组的2. 474% 和邻二氯苯组的2. 602% 。相比氯苯为溶剂的参比试验,二氯苯和混合溶剂设备的转化效率分别提高了5. 26% 和19. 43% . 我们用氯苯作为参比试验( control) ,开路电压Voc是0. 617 V,短路电流密度Jsc是7. 180m A / cm2,填充因子FF是0. 559,最终效率是2. 474% ,邻二氯苯的Voc是0. 615 V,短路电流密度Jsc是7. 673 m A / cm2,填充因子FF是0. 552,PCE是2. 602% ; 混合溶剂的Voc是0. 619,短路电流密度Jsc是8. 264 m A/cm2,填充因子FF是0. 570,PCE是2. 948% 。从表1 可以看出,使用邻二氯苯的Voc和FF与氯苯情况类似,但是Jsc有6. 87% 的提高。从而使PCE有5. 17% 的提高。混合溶剂的效果最好,最终混合溶剂组的PCE的19. 43% 提高主要是由于短路电流密度Jsc的15. 04% 和FF的3. 04% 的改善引起的。
3. 2 原子力显微镜( AFM)
图3 是通过原子力显微镜( atomic force microscope,AFM) 测得旋涂后的活性层表面形貌和相分布情况。很显然,二氯苯组的表面比氯苯表面要平整,而相比于单纯氯苯和邻二氯苯组,混合溶剂组的样品具有更加平整的表面; 平整的表面有利于活性层跟电极的完好接触,增大有机活性层与Al电极的接触面积。
另一方面,从相图上来看,三组表面均有小的突起,表面的突起是聚合物的不同聚集形态造成的[10]; 很明显,这种突起的粒径从上往下也是逐渐减小的,混合溶剂组的相图突起的粒径更小,这样利于激子的扩散和电荷的分离; 因为通常激子的扩散距离只有大约10 nm更小更均匀的表面形态能够提高电流和填充因子[11]。
3. 3 吸收光谱图
图4 三条曲线为三种不同溶剂的活性层可见光吸收光谱,从图中可以看到混合溶剂组的活性层吸收光谱在400 ~ 520 nm之间的可见光吸收强度明显大于另外两组,而这个区间的吸收主要是由于聚合物P3HT引起的; 分析认为,聚合物的聚集形态能够影响到能带分布,从而影响到最终的吸收曲线。所以,混合溶剂能够让P3HT形成更好的聚集形态从而更好的吸收光,提高了光的利用效率。
4 结论
分别试验了以氯苯、邻二氯苯及这两种溶剂按照1: 3 的比例混溶物作为溶剂来进行旋涂制作薄膜太阳能电池。通过对比这三种不同溶剂所制成的电池的活性层的表面形态、紫外- 可见光吸收谱、以及伏安曲线,发现氯苯和二氯苯互溶物组的产物可见光吸收强度和光电转换效率明显优于单纯的氯苯组和邻二氯苯组; 其中,二氯苯的情况又稍好于氯苯组。通过AFM的分析认为,在混溶物组中由于两种溶剂的作用,使得P3HT和PCBM之间形成了更好的相分离,而且这两相的分离后的尺度都为纳米级,比较均匀和平整。从而提高了激子的分离效率致使产生更多的载流子,提高了光的利用率,因而会产生明显的光电转换效率。该结果同时探索出了通过尝试不同活性层旋涂溶剂的方式来探索提升有机异质结太阳能电池效率的方法。
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