基于光电倍增管(PMT)的高速在线检测控制方法

0 引言

随着现代社会工业化程度的高度发展，高速智能化生产问题亟待解决。为此，本文介绍了一种光电传感器在自动化生产线上的应用技术。该技术是一种高速在线测控技术，它以光电倍增管为基本器件，体积小，系统中的传感器结构简单，并具有精度高、反应快，非接触等优点。由于该系统采用全硬件结构，因而避免了软硬件的接口及复杂的编程过程。

1 系统总体结构

当待测物体经过器件时，其产生的微弱光将进入光电倍增管阴极，从而在阳极产生一串电脉冲信号，由此即可检测有无待测物体通过，然后由计数器记录其检测数目n，再与预设数量m相比较。若n<m，则继续检测，一旦n=m，则启动单稳态触发器555动作，并阻止物体通过。之后，在延时后重新启动传动装置进行检测。其系统总体设计框图如图1所示。

2 系统硬件电路设计

　　2.1 光电倍增管传感电路

图2所示是光电倍增管的传感电路。由图可见，当光照射到光阴极时，光阴极将向真空中激发出光电子。这些光电子将按聚焦极电场进入倍增系统，同时在加速后再次打到打拿极上并产生能量更大、数量更多的光电子，这样，经过多个打拿极的反复放大，最后在阳极产生电脉冲信号。该信号经前置放大器放大，再经比较器去除噪声信号，最后由分频器转换为一次高电平输出，从而完成一次计数过程。

图3给出了光电倍增管的测量电路设计方案。其光电倍增管的阳极输出示意图如图4所示，该输出为很小的电流信号，且混杂有暗电流、宇宙线等干扰信号(介于LLD和ULD之间的为检测到的有用信号)。因此，图3电路通过逐级放大，并用一个负载电阻来完成电流／电压的转换，同时设置信号比较电路来对有用信号进行区分(该电路使用迟滞比较器)，从而得到一串合适的脉冲信号。其中迟滞比较器的作用如图5所示。而使用分频器(经多级计数器串联分频)的目的是将方波转换为高电平输出。

2.2 计数器及LED显示电路

用两片4位二进制加法计数器74161并采用同步级联方式构成的8位二进制同步加法计数器的模为16×16=256。图6是由两片74161级联构成的计数电路。这样，当分频器每产生一个高电平脉冲到计数器的CP端口时，74161的输出就加1。其八位输出端可作两路输出，一路接LED显示器(七段显示译码器7448)。一路接ADC0808输出模拟电压信号。

2.3 待测数量设定及储存电路

设计时，可用DAC0808将待测数量转换为模拟电压信号(8位输入对应十进制最大数256)。图7所示是其具体电路。其输出电压可用下式计算：

2.4 比较及驱动电路

图8所示是一种实用的比较及驱动电路。其中比较器可利用差动式减法器来实现，555定时器可连接到单稳态触发器。这样，若：

若取比较器误差容限为DAC最小位(LSB)模拟输出的一半，那么，其比较结果如下：

(1)若|u0| >0.039 V，等效于输出高电平，即555输入端2为高电平，此时单稳态555的3端无输出。

(2)若|u0|<0.039V，等效于输出低电平，即555输入端2为低电平，此时555的3端输出一段高电平(持续时间由RC参数确定)，以驱动传动装置，阻止物体通过，同时对各计数器清零，以便为下次计数作准备。

3 结束语

利用光电倍增管的光子计数法可探测极微弱的光信号。该器件具有极高的灵敏度和极低的噪声，同时还具有响应快速、成本低、阴极面积大等特点。由于该系统采用全硬件结构，因而避免了软硬件接口及复杂的编程过程。此外，此系统还具有原理简单、系统稳定、价格低廉、操作简便等优点。