[發明專利]一種新型三象限光電傳感器及其控制策略

在審

• 申請號: 201711179176.8
• 申請日: 2017-11-23
• 公開（公告）號: CN107992096A
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 劉瀟;張容;岳超
• 申請（專利權）人: 劉瀟
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12;G01J1/42
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種新型光電傳感器，還涉及一種新的傳感器控制策略。

背景技術

目前，對于空間中光強或者電磁波的追蹤常用的方式是通過光電傳感器判別方向，并控制追蹤系統進行追蹤。以對太陽光追蹤為例，常見的有重力式、電磁式和電動式，這些光電跟蹤裝置都使用光敏傳感器如硅光電管。

以視日追蹤裝置為例，傳統的追蹤系統控制策略，光電管的安裝靠近遮光板，調整遮光板的位置使遮光板對準太陽、硅光電管剛好被陽光照射；當太陽西移時遮光板的陰影偏移，光電管輸出電壓減小，作為偏差信號，經放大電路放大，經控制器采集后年由伺服機構調整角度使跟蹤裝置對準太陽完成跟蹤。

為保障精度，光電傳感器通常采用四象限位置傳感器來完成。四象限位置傳感器內部采用四塊光電池按矩形排列，每塊光電池受光照能獨立輸出電壓值，通過外接簡易光學系統，讓光源投影到陣列上，比較每塊光電池電壓就可得到光源角度。

在此方法中，其輸出的信息要足以解算出精確的相對角度。方案中采取傳感器與執行機構獨立方式，處理器不斷從傳感器獲取光源信息，也不斷從執行機構獲取其角度信息，通過運算得到相應的控制信號。由四象限傳感器原理圖可以看出，控制四象限傳感器，需要單片機能夠實時進行四路A/D采樣，通常的單片機都不能提供四個A/D傳感器，所以傳統的追蹤控制策略有改進的空間。

發明內容

本發明提供一種新型三象限光電傳感器裝置。本發明還提供一種新的傳感器控制策略。

一種新型三象限光電傳感器裝置的構成，還是以視日追蹤裝置為例，選擇性能比較熟悉，成本也比較低的光敏電阻作為光電傳感器。光敏電阻的其工作原理是基于內光電效應。一般的光敏電阻特性是入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。

追蹤機構由三只光敏電阻以正三角排列，它們之間又三塊夾角為120度的擋板分隔開，三只光敏電阻處于擋板根部，我們可以稱其為三象限位置傳感器。

通過這樣的改進，控制系統需要采集模擬量由原先的四個變成了三個，節省了硬件開銷，簡化了控制邏輯。通過三個電阻反饋的電壓差值，可算出光源的相對位置，進而控制機械機構進行追蹤。

一種新的傳感器控制策略是對上面提到的三象限傳感器進行控制的新策略。三象限傳感器控制電路設計上采用三個光敏電阻串聯的方式。利用差分效果將需采集的模擬量減少到兩個分別是U1和U2，當測量得到U1和U2電壓后，可算出三只光敏電阻的分壓，進而得到每只光敏電阻的相對受光情況，從而得到光源的偏差方向，完成測向功能。

光敏電阻其內部電阻隨光照射而變化，光度越強阻值越小（負光敏電阻）。輸出電壓U1，U2分別送到處理器的ADC通道0和通道1進行采樣，并通過算法計算出光源偏離方向。當太陽光從左側入射時，R3受光照最強，其電阻最小，分壓最低，對應U_R3最小；當太陽光從右側入射時，R1受光照最強，其電阻最小，分壓最低，對應U_R1最小；當太陽光從中間入射時，此時為方位上對準，R1，R3受等量光照，其電阻相同，分壓相等，對應U_R1=U_R3。仰角判斷則直接判斷U_R2是否為 1/3VCC。其推導結果如下：

V_CC-U₁>U₂ R₃光照強，R₁光照弱，光源偏左

V_CC-U₁<U₂ R₃光照弱，R₁光照強，光源偏右

U₁-U₂>1/3V_CCR₂光照弱，光源偏上

U₁-U₂<1/3V_CCR₂光照強，光源偏下

根據推導結果，控制可動機構調整傳感器方向，傳感器再反饋控制信號，形成閉環控制。

這樣設計的目的是利用差分效果，當其中的某只電阻的阻值變化（光照變化）時，其余電阻即使光照未變化，它們的分壓也會進行互補性改變，這樣就提高U1，U2的動態輸出范圍，并進一步改善跟蹤精度，而且沒有固定電阻，光照強度適應能力好，同時使用器件少，控制系統需要采集模擬量也由改進后的三個進一步優化成了兩個，硬件實現大大簡化，性能也能得到保證。