摘 要

四象限光电探测器(Four Quadrant Detector, QPD)是由四个完全一致的光电二极管按直角坐标系组合而成的一种光电器件。四象限光电探测器拥有十分广泛的用途，几乎涉及各个领域。但是，随着互联网的技术逐步深入发展，传统的四象限探测器已经不能满足人们对于设备更加功能多样化、操作人性化的要求了。借此时机，计算机技术与传统测量仪器技术实现了结合，也就出现了最新的测试仪器——虚拟仪器。本文主要针对WHUTQPD-II型四象限探测器综合实验仪设计出一种基于四象限光电探测器的定位系统,采用LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）这一款经典的图形化编程软件搭建四象限光电探测器的上位机系统。该上位机系统包括前面板用户操作界面和底层驱动程序两部分，前面板供实验者进行实验操作，底层驱动程序供编程者设计、拓展、维护系统。该上位机系统能够对激光光斑进行实时定位并通过坐标图直观地显示出来，还能对实验获取的数据进行处理从而对光斑坐标进行校准，为实验者提供了一个功能完善化、界面友好化的实验平台。

关键词：四象限光电探测器；LabVIEW；定位系统

Abstract

The four quadrant photoelectric detector (QPD) is the photoelectric device which is composed of four exactly the same photoelectric diode according to the Cartesian coordinate system. The four quadrant photoelectric detector has been widely used, almost involved in all fields. However, with the technology of Internet developed deeply, the traditional four quadrant detector cannot meet the requirements of diversified functions and user-friendly operation. Under the background, the combination of computer technology and the traditional measuring instrument technology result in latest test instrument, virtual instrument. For WHUTQPD-II type comprehensive experimental instrument, this paper designs a positioning system based on four quadrant photoelectric detector. We adopt the graphical programming software LabVIEW to build the computer system of four quadrant photoelectric detector. The computer system comprises a front panel user interface and a underlying drive program. The front panel is for the experimenters’ experimental operation. The underlying driver is for programmers to design, expand, maintenance system. The computer system can locate the laser spot in real time and display it directly. It can also carry out some data and error analysis. It can provide with perfect functions and friendly interface.

Key Words：four quadrant detector； LabVIEW； PC system

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

第2章 四象限探测器基本原理与虚拟仪器 2

2.1 四象限探测器的结构 2

2.2 四象限探测器的工作原理 2

2.3 虚拟仪器简介 4

2.4 LabVIEW简介 5

第3章 四象限探测器定位系统 7

3.1四象限探测器定位系统的总体结构 7

3.2四象限探测器定位系统硬件部分 7

3.3四象限探测器定位系统软件部分 8

3.3.1 上位机系统前面板 8

3.3.2 上位机系统底层驱动程序 9

第4章 四象限探测器定位系统底层驱动程序的设计与实现 10

4.1 通讯模块的设计与实现 10

4.2信号处理模块的设计与实现 11

4.3数据显示模块的设计与实现 12

4.4结果处理模块的设计与实现 13

第5章 四象限探测器定位系统调试结果与分析 15

5.1 四象限探测器定位系统运行与调试 15

5.2四象限探测器定位系统调试结果分析 17

第6章 结论 19

参考文献 20

致 谢 21

第1章 绪论

作为一类经典的非成像光电探测器件，四象限探测器因其自身有较高的分辨率、响应速度较快等等特点^[1]，而在国防、生物学、通信等领域^[3]得到了一定的应用与发展，如激光寻的制导技术、细胞生物学方面的光镊技术(Optical Tweezers)、自由空间通信技术等等^[4]。本次课题是针对我校自主研制的WHUTQPD-Ⅱ型四象限探测器综合试验仪，拟采用NI(National Instruments)公司的图形化编程软件LabVIEW设计一种基于四象限光电探测器的定位系统，以实现上下位机的数据通信与数据处理，从而更好地进行实验箱的后期维护以及并未系统功能的进一步拓展做好准备。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究设计的一款四象限光电探测器数据采集系统，能够对激光信号进行采集，并在计算机上使用LabVIEW进行模块编程，可以对信号进行一定的处理和直观的显示^[8]；北京理工大学研究设计的一款基于LabVIEW的四象限探测器光电参数系统，也能够对激光信号进行图形化显示和简单的处理^[9]。但是，以上两个上位机系统的数据处理功能都稍微显得有些简陋。据调研，湖北众友科技实业股份有限公司、武汉光驰科技有限公司、天津港东科技发展股份有限公司以及德国First Sensor公司、美国Electro-Optical Systems Inc公司、加拿大的Excelitas（原Perkinelmer）公司等企业也都对四象限探测器光电定向有一定的研究，但却都没有搭建相配套的上位机系统。

从上述研究现状，不难看出各大高校企业对传统的四象限探测器在性能方面都是有所提升的，但是只有几个高校为四象限探测器搭建了上位机系统，如中国科学院长春光学精密机械与物理研究所和北京理工大学。随着计算机技术的高速发展，计算机技术与传统测量仪器技术实现了结合，也就出现了我们最新的测试仪器——虚拟仪器(这里所要搭建的上位机系统也就是虚拟仪器的有序组合)。虚拟仪器的出现，对于传统测量仪器无论实在后期维护还是功能拓展方面都带来了质的飞跃，当然除了某些高速、高带宽领域。另外与传统测量仪器相比，虚拟仪器具有开发和维护费用低，技术更新周期短，可重复使用、重复配置，可用网络联络周边各仪器等优势^[7]。因此，基于LabVIEW的四象限探测器上位机定位系统的开发研究无论是对于现阶段实验室更好的为实验者服务，还是以后更好的维护试验箱、开发新功能都有着重要意义。