[发明专利]一种新型三象限光电传感器及其控制策略

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型光电传感器，还涉及一种新的传感器控制策略。

背景技术

目前，对于空间中光强或者电磁波的追踪常用的方式是通过光电传感器判别方向，并控制追踪系统进行追踪。以对太阳光追踪为例，常见的有重力式、电磁式和电动式，这些光电跟踪装置都使用光敏传感器如硅光电管。

以视日追踪装置为例，传统的追踪系统控制策略，光电管的安装靠近遮光板，调整遮光板的位置使遮光板对准太阳、硅光电管刚好被阳光照射；当太阳西移时遮光板的阴影偏移，光电管输出电压减小，作为偏差信号，经放大电路放大，经控制器采集后年由伺服机构调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪。

为保障精度，光电传感器通常采用四象限位置传感器来完成。四象限位置传感器内部采用四块光电池按矩形排列，每块光电池受光照能独立输出电压值，通过外接简易光学系统，让光源投影到阵列上，比较每块光电池电压就可得到光源角度。

在此方法中，其输出的信息要足以解算出精确的相对角度。方案中采取传感器与执行机构独立方式，处理器不断从传感器获取光源信息，也不断从执行机构获取其角度信息，通过运算得到相应的控制信号。由四象限传感器原理图可以看出，控制四象限传感器，需要单片机能够实时进行四路A/D采样，通常的单片机都不能提供四个A/D传感器，所以传统的追踪控制策略有改进的空间。

发明内容

本发明提供一种新型三象限光电传感器装置。本发明还提供一种新的传感器控制策略。

一种新型三象限光电传感器装置的构成，还是以视日追踪装置为例，选择性能比较熟悉，成本也比较低的光敏电阻作为光电传感器。光敏电阻的其工作原理是基于内光电效应。一般的光敏电阻特性是入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

追踪机构由三只光敏电阻以正三角排列，它们之间又三块夹角为120度的挡板分隔开，三只光敏电阻处于挡板根部，我们可以称其为三象限位置传感器。

通过这样的改进，控制系统需要采集模拟量由原先的四个变成了三个，节省了硬件开销，简化了控制逻辑。通过三个电阻反馈的电压差值，可算出光源的相对位置，进而控制机械机构进行追踪。

一种新的传感器控制策略是对上面提到的三象限传感器进行控制的新策略。三象限传感器控制电路设计上采用三个光敏电阻串联的方式。利用差分效果将需采集的模拟量减少到两个分别是U1和U2，当测量得到U1和U2电压后，可算出三只光敏电阻的分压，进而得到每只光敏电阻的相对受光情况，从而得到光源的偏差方向，完成测向功能。

光敏电阻其内部电阻随光照射而变化，光度越强阻值越小（负光敏电阻）。输出电压U1，U2分别送到处理器的ADC通道0和通道1进行采样，并通过算法计算出光源偏离方向。当太阳光从左侧入射时，R3受光照最强，其电阻最小，分压最低，对应U_R3最小；当太阳光从右侧入射时，R1受光照最强，其电阻最小，分压最低，对应U_R1最小；当太阳光从中间入射时，此时为方位上对准，R1，R3受等量光照，其电阻相同，分压相等，对应U_R1=U_R3。仰角判断则直接判断U_R2是否为 1/3VCC。其推导结果如下：

V_CC-U₁>U₂ R₃光照强，R₁光照弱，光源偏左

V_CC-U₁<U₂ R₃光照弱，R₁光照强，光源偏右

U₁-U₂>1/3V_CCR₂光照弱，光源偏上

U₁-U₂<1/3V_CCR₂光照强，光源偏下

根据推导结果，控制可动机构调整传感器方向，传感器再反馈控制信号，形成闭环控制。

这样设计的目的是利用差分效果，当其中的某只电阻的阻值变化（光照变化）时，其余电阻即使光照未变化，它们的分压也会进行互补性改变，这样就提高U1，U2的动态输出范围，并进一步改善跟踪精度，而且没有固定电阻，光照强度适应能力好，同时使用器件少，控制系统需要采集模拟量也由改进后的三个进一步优化成了两个，硬件实现大大简化，性能也能得到保证。