Разработка и исследование оптико-электронных измерительных устройств на основе многоэлементного фотоприемника мультискана

• Автор: Осипов, Николай Иванович
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 169 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ

РАЗРАБОТКИ И ВНЕДРЕНИЯ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ

1.1. Обзор методов и устройств, предназначенных для автоматизации процессов контроля, обработки н

анализа первичной информации

1.2. Обзор существующих развертывающих фотоприемников

* для измерения параметров объектов

1.3. Выбор и обоснование цели работы

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ДИСКРЕТНОСПЛОШНОЙ СТРУКТУРЫ МУЛЬТИСКАНА ПРИ ОБРАБОТКЕ ОПТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
2.1. Сравнительный анализ схем включения мультискана
и их функциональных возможностей
2.2. Выбор и обоснование модели мультискана
2.3. Вывод уравнений видеосигнала с мультискана
2.4. Выводы

ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ МОДУЛЯЦИИ ПАРАМЕТРОВ МУЛЬТИСКАНА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ ЕГО РАБОТЫ
3.1. Анализ режима работы мультискана при модулированном световом потоке
3.2. Исследование режима работы мультискана с модуляцией напряжения развертки
3.3. Особенности выделения реперных импульсов
с дискретной линейки мультискана
* 3.4. Выводы

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РАБОТЫ МУЛЬТИСКАНА КАК
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
* 4.1. Применение мультискана для первичного съема
и обработки оптической информации
4.2. Определение местоположения и освещенности световых зон по максимуму видеосигнала, точкам перегиба, точкам
на пропорциональных уровнях
4.3. Использование мультискана в качестве датчика с дискретным отсчетом. Определение местоположения и характеристик световых зон по реперным импульсам
4.4. Анализ метрологических характеристик мультискана
в сравнении со сканистором
4.5. Методы повышения точности измерений развертывающим фотоэлектрическим преобразователем мультисканом
4.6. Выводы
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ МУЛЬТИСКАНА
5.1. Устройства для измерения координаты световой зоны
с формированием аналогового видеосигнала
5.2. Устройства для измерения координат и размеров Р световых зон с формированием видеосигнала
в форме импульсов фототока от ячеек структуры
5.3. Устройства для измерения координат и размеров
световых зон с использованием реперных сигналов
5.4. Анализ погрешностей измерительных устройств на
основе мультискана
5.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИИ И ОБОЗНАЧЕНИИ
БВВС - блок выделения видеосигнала
БОВС - блок обработки видеосигнала
БС - блок синхронизации
ВАХ - вольтамлерная характеристика
ВП - выходной преобразователь
ВС - видеосигнал
Г- генератор
1 ПН - генератор пилообразного напряжения ГР - генератор развертки ГСТ - граница "свет-тень"
Д—амплитудный детектор
ИИ — источник излучения
КХ - координатная характеристика
КЧФ - координатно-чувствительный фотоприемник
М - мультискан
МК - микроконтроллер
О - объект
ОПФ - оптическая передаточная функция
ОС - оптическая система
ОУ - операционный усилитель
ОЗУ - оптико-электронное устройство
ПЗС - приборы с зарядовой связью
ПП - первичные преобразователи
ПТН— преобразователь ток-напряжение
ПФ - полосовой Фильто
СЗ - световая зона
СИД - светоизлучающие диоды
УПЗ - усилительно-преобразующее звено
ФВЧ - фильтр высоких частот
ФДЛ - фотодиодная линейка
ФИИ-формирователь измерительных импульсов
ФНЧ - фильтр низких частот
ФП - фотоприемник
ЦОС - цепь обратной связи
ЧЭ - чувствительный элемент
ЭДС - электродвижущая сила
ЭЛНП - эквипотенциальная линия нулевого потенциала

/ = ,>(^-1), (2.2.1) где /' - ток через переход; 4 - обратный ток насыщения; и - напряжение на р-п -переходе; Х= «о '. Щ~ "температурный потенциал", и0=акТ°/д0', ос - коэффициент "неидеальности" перехода, а=1...3 (для кремниевых структур сс=1...2); к - постоянная Больцмана, £=1,38-10"23 дж/к; Т° - температура р-п-перехода по Кельвину, °К, д0 - заряд электрона, д0= 1,60-10'19 кул. При комнатной температуре (7!=293 °£) а=1 и щ=25 мВ. Для мультискана величина тока насыщения 4 ~ 10',4-10'13 А на один переход [28, 149].
При освещении р-п перехода происходит генерация электронно-дырочных пар неосновных носителей (электронов в /^-области и дырок в и-области), при этом фототок /6 обусловленный движением этих носителей, совпадает по направлению с обратным током р-н-перехода. Поэтому ВАХ освещенного р-н-перехода можно записать в виде
/ = 4-(>-1)-г/ (2.2.2)
При большом обратном напряжении на переходе фототок не зависит от него, а определяется только интенсивностью засветки /= —4-с-Б-Ф (где с-коэффициент, характеризующий параметры р-п перехода; 5 - площадь фотоприемной поверхности; Ф - поток излучения).
2.3. Вывод уравнений видеосигнала с мультискана
Рассмотрим процесс получения видеосигналов мультискана для наиболее известных схем включения: "бабочка", "слепое пятно" и "сканистор" [160].
2.3.1. Схема включения "бабочка".
На рис. 2.7 изображены полная (а), и упрощенная (б), эквивалентные схемы ]-ой элементарной ячейки мультискана, включенного по схеме "бабочка".
На эквивалентных схемах обозначено: £у1=£о-Д 1 П/(Я 1 ‘+Я 1 “)=£0-х/С, Еу2=Е0 Н2п/(Я21+112п}=Е0-х/Ь - напряжения на коммутационных диодах;
их=Ео-{11Т), «,2=£о-(г/7}-лообразные напряжения развертки; /ь /2, с3 -токи через коммутационные диоды и фотодиод; щ, и2, ы3-напряжения на них; £н -сопротивление нагрузки (поскольку в качестве нагрузки обычно используется малое входное сопротивление преобразователя ток-напряжение, примем Яц =0).
Для определения токов через диоды {предполагая их одинаковыми, примем равными и их темновые токи 41=4г=4з=4) составим системы уравнений для напряжений и токов ветвей эквивалентной схемы ячейки: