光电转换率范文

光电转换率范文（精选7篇）

光电转换率 第1篇

应用物理学及材料学教授HarryAtwater和HowardHughes表示:“这些太阳能电池首次突破了传统的吸光材料的光捕获极限。”新型太阳能电池所采用的硅线阵列对单一波长的入射光的吸收率高达96%, 对全波长阳光的捕获率可达85%。

Atwater指出:“许多材料对光线的捕获能力很好, 但是却无法转换成电能, 比如黑涂料。对于太阳能电池来说, 吸收的光子能否转换为电荷载子 (Chargecarrier) 也非常重要。”而他们研发的硅线阵列太阳能电池则可以将所吸收光子的90%～100%转换为电子。从技术上讲, 这种阵列拥有几近完美的内部量子效率 (Internalquantumefficiency) 。

Atwater总结说:“对光的高吸收率和较好的转换能力成就了这种太阳能电池的高质量。”

浅析光电转换的工作原理及应用 第2篇

关键词：光电效应,伏安特性,运放

1、引言

光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件, 它是构成光电传感器的主要部件。光电器件工作的物理基础是光电效应。在光线作用下, 物体的电导性能改变的现象称为内光电效应, 如光敏电阻、光敏二极管等就属于这类光电器件。在光线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。在光线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应, 即阻挡层光电效应, 如光电池、光敏晶体管等就属于这类光电器件。

光电检测技术及系统, 也是国际、国内前沿的应用课题。主要应用于光电信息与图像检测技术及系统、光衍射检测技术及系统、光学扫描检测技术及系统、嵌入式图像检测技术及系统、光纤传感检测技术及系统等。

本文主要介绍光敏晶体管的原理及应用, 并介绍相应器件的选型比较。

2、原理分析

对于光敏二极管而言, 其结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中, 其PN结装在管的顶部, 可以直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态, 如图1所示。在没有光照射时, 反向电阻很大, 反向电流很小, 这反向电流称为暗电流。当光照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, 使PN结附近产生光生电子和光生空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动, 形成光电流。光的照度越大, 光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时, 处于截止状态, 受光照射时, 处于导通状态。图2为NPN型光敏晶体管的结构简图和基本电路。大多数光敏晶体管的基极无引出线, 当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时, 集电结就是反向偏压;当光照射在集电结上时, 就会在结附近产生电子-空穴对, 从而形成光电流, 相当于三极管的基极电流。由于基极电流的增加, 因此集电极电流是光生电流的β倍, 所以光敏晶体管有放大作用。

以硅为材料的光敏管 (图2所示电路) 在不同照度下的伏安特性曲线如下图3。

通过温度试验, 发现温度变化对光电流影响很小, 而对暗电流影响很大, 所以在电子线路应用中应该对暗电流进行温度补偿, 否则将会导致输出误差。

此外, 把光敏管作为测量元件时, 应把它当作电流源的形式来使用, 不能用作电压源。

3、应用

光电转化的应用非常广泛, 本文就内光电效应的应用略做总结。被测物发出的光投射到光电器件上, 光电器件输出反映光源的参数 (如光照度计) ;恒光源穿过, 部分吸收, 部分由光电器件吸收, 吸收量反应被测物参数;恒光源投射到被测物体, 反射被接受 (粗糙程度的检测) ;恒光源照射过程中部分被遮, 光电器件的接受情况反映尺寸。当然, 还有其它一些对上述应用的变换, 例如在高压电力行业, 用光纤环绕在高压线路上, 光纤一端接激光发生器, 另一端用光电转换电路做监测, 利用供电线路上交流工频电流产生的磁场可以影响光的偏转角度, 从而光束的传播方向发生变化 (与原传播方向产生夹角) , 使的光束在原方向的光强因偏斜而减小, 从而影响产生的光电流, 可以利用电流大小变化造成的最终电路电流、电压的变化逆推光束角度的变化, 进而知晓线路电流的变化。在高压 (110kV以上) 取代现在的传统油绝缘电流互感器, 产生新一代的磁光电流互感器。

在具体的应用中, 因为通常情况下能够利用的光强都较弱, 在合理的放大电路处理后, 信号才可以作为进一步处理的基础, 否则运放自身的噪音, 零飘, 器件的精度都会影响到信号的检测。

图4是采用硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路图。硫化铅光敏电阻的暗电阻为1MΩ, 亮电阻为0.2MΩ (光照度0.01W/m2下测试的) , 峰值响应波长为2.2μm。硫化铅光敏电阻处于V1管组成的恒压偏置电路, 其偏置电压约为6V, 电流约为6μΑ。V2管集电极电阻两端并联68μF的电容, 可以抑制100Hz以上的高频, 使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。V2、V3构成二级负反馈互补放大器, 火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后, 器件阻值的变化不致于影响输出信号的幅度, 保证火焰报警器能长期稳定地工作。

4、光电转换器件的选型

光电转换的核心是光电管。选择时要考虑以下三点: (1) 材料对其的影响表现在可测光的频段范围上, In (铟) 、Ga (镓) 、As (砷) 材料的光电转换器件适用于800~1700nm的光谱范围, Si (硅) 材料的大约在450nm, Se (硒) 材料的只能在0.34~0.57nm范围内适用; (2) 半导体材料工作的噪声及温漂对其测量范围的影响; (3) 光电转换器件的输出曲线特性最差时误差。

5、结语

光电信息技术是将光学技术、电子技术、计算机技术以及材料技术相结合而形成的一门高新技术。光电信息技术的发展不仅改变了人们的工作、学习和生活方式, 也推动了新的产业革命和新兴学科的形成。光电检测技术及系统是光电信息技术的主要技术之一, 它以其非接触、高精度、高速度、实时等特点成为现代检测技术最重要的手段和方法之一, 在工业、农业、军事、航空航天以及日常生活中皆有着具有良好的应用前景。

参考文献

[1]陈家壁等编.激光原理及应用[M].北京:电子工业出版社, 2010.

[2]贾伯年等.传感器技术[M].江苏:东南大学出版社, 2007.

[3]刘斌, 张秋蝉.光电检测前置放大电路的设计[J].燕山大学学报, 2003, 27 (3) :194-196.

光电转换率 第3篇

自从2003年以来，某电网的继电保护通道便进行了大面积的光纤化改造，并且使全省500kV的线路都能实现了双光纤通道，同时，220kV线路的继电保护通道都实现了百分之九十的光纤覆盖率。通过几年不断地完善和调整，通信和继电保护人员对整个系统中的薄弱环节采取了相应的完善措施，现如今，光纤保护通道已经能良好运行，从而为该电网的安全运行创造了条件。

1 光纤继电保护通道的运行现状

现如今，该电网的光纤继电保护通道采取的主要形式为光纤2Mb/s和64kb/s复用通道以及专用的纤芯通道，其中2Mb/s复用通道也是未来技术的发展方向。不管是2Mb/s，还是64kb/s的复用通道都使用了能进行双电源供电的继电通道切换装置。通过对不同光端机、光缆路由以及由不同通信电源设备构成的两个独立2Mb/s的电路传输加以利用，不管是光设备、光缆，还是电源设备故障，都能够确保继电保护通道迅速恢复正常，进而使通道可靠性得到提升。光纤继电保护的信号传输，必须通过光电转换装置将之转换成非成帧的2Mb/s或64kb/s电信号，然后通过继电保护通道切换装置的两条独立光通道来完成。然而，在光纤继电保护的复用通道里面，有一个重要环节非常薄弱，也就是在通信机房中安装的光电转换装置使用了单48V电源的供电形式。通常情况下，由于通信站的电源出现问题，造成该电源供电下的转换装置出现停电情况，与此同时，导致多线路的保护通道被中断。在近几年的运行过程中，已经出现了很多与之相似的通道中断事故。

2 对比光电转换装置的供电方式

现如今，该电力通信网的继电保护通道切换装置、主网通信PCM、主干SDH/2.5G等的电源都采用双48V电源模式，虽然调度程控的交换机设备的接入形式为单电源，但它也使双48V电源改造为双电源的供电形式得到了增加，从而使运行的可靠性得到了极大的提升。但通信机房附近的转换器仍旧采用单路供电方式，该站的第一套保护装置的转换设备电源分配模块由通信电源的空气开关提供。

随着变电站不断增加其保护通道，致使光电转换装置的设备也在不断增多。现如今，大多数变电站的光距和光差通道已经接近二十条，假如其中任何一套电源产生故障，都会导致十台光电转换装置一起断电，进而使得十条线路的继电保护全都变成单通道形式，从而给电网造成极大的安全隐患。由此可知，在继电保护的光电转换装置中使用双电源的供电形式已成为必然趋势。

目前采用的转换设备仅仅提供一路供电接口，我们需要探讨的便是怎样在此基础上使双电源的供电模式得以实现。

除开第一套电源之外，双重化的配置电源供电方式可由第二套电源同时供给该模块的48V电源。同第一路电源一起构成双电源的供电形式，能使一路电源因为故障而造成的转换装置无法正常运作的现象得以避免。在双重化配置电源中使用双直流的电源供电形式。其供电模式如右图所示：

通信机房的二套开关电源供电由二路220V/380V交流电源来完成，在整流开关电源之后变成48V，双重化配置的电源由二套开关电源提供一路48V电源。二路输入电源在双重配置电源的作用下经两个大功率的二极管隔离，以便让光电转换设备能够使用。这种方式能使供电可靠性得到极大的提升，并能将一个机柜里同类设备供电安全问题得到解决。

按照双重配置电源的要求，根据实际状况，使用双路直流配电箱。其工作原理如下：此设备的正极直流输入为二路48V，二路负极直流输入端串联了大功率二极管，电流为200A，耐压是100V，反向电压则为1200V。在二路直流输入正常的情况下，由电压比较高的一路或者二路为负载供电，如果一路供电产生问题，那么就由二路来进行正常的供电。

3 双电源供电形式的模拟实验

3.1 测试电路的组成为保证接入的双电源供电是可靠和可行的，同时对双电源设备的实用性和技术指标进行验证，通信人员通过在机房进行模拟测试平台的搭建，它的目的就在于在隔离二极管被损坏之后，检测双直流配电箱是否会对电源设备以及所带负载形成不良影响。

两只20A的空气开关与两只大功率的隔离二极管共同构成测试电路，其负载则属于直流电阻。

3.2 对二路48V电源进行模拟并正常供电在负载中接入直流配电箱，两路电源试验中所用的两只20A开关全都处在开路状态。第一路的输入电压介于53.9至52.8之间，并逐渐降低;第二路的电压则一直处在52.8V，这时其负载电流是3A，而负载电压则由53.2V开始随着第一路电压的降低而降低。起初第一路电流是3A，也就是说二极管能正常导通，第二路电流则为0A，也就是二极管的正反向都截止。在第一路与53V接近时，第二路便产生正向导通的电流，直到电压在52.8V正常导通为止。由此可知，在电压维持一致的情况下，二路电源的二极管都正向导通并且一起工作，当二路电压的压差超过0.2V时，具备较高电压的线路工作，而另一路则产生正向截止，这时二路电源的二极管都出现反向截止的情况，也就是二路电源产生隔离。

3.3 对第一路二极管的击穿进行模拟第一路的输入电压为53.9V，而第二路的电压则为52.8V，这时的负载电压是53.2V，负载电流是3A。当第一路20A空开处在闭合模拟状态下时，第一路二极管被击穿，这时的负载电压是53.9V，而第二路52.8V电压的正反向都出现截止现象。由此可见，具有较高电压的二极管击穿，其负载电压也由53.2V上升至53.9V，此时正向导通电压下降0.7V，没有对负载以及第二路形成不良影响。

3.4 对第二路二极管的击穿进行模拟第一路的输入电压是53.9V，而第二路电压的输入电压则为52.8V，这时的负载电压是53.2V，负载电流是3A。在第二路20A空开处在闭合模拟时，第二路的二极管被击穿，这时的负载电压还是53.2V，并且第一路的二极管是处在正向导通状态的，对其进行反向截止，则第二路形成反向电流。由此可知，具有较低电压的二极管击穿，其负载电压依旧是具备较高电压的第一路。因为第一路电压比第二路电压大，所以只会对第二路进行反向充电，而不会对负载形成不良影响。

3.5 模拟的两路二极管全被击穿第一路的输入电压是53.9V，而第二路电压的输入电压则为52.8V，这时的负载电压是53.2V，负载电流是3A。在第一路和第二路的20A空开都处在闭合模拟状态时，对第二路二极管的击穿进行模拟，这时两路都有电流通过，并且负载电压还是53.9V。由此可得知，二路二极管均消失，并且负载工作正常，并且由二路电源电压比较高的位置向一路电压较低的地方进行反向充电，但其并未对负载形成任何不良的影响。

4 结语

在光纤继电保护的光电转换装置中使用双电源方式进行供电，无论产生任何工况，此种运行方式都不会对负载造成任何不良影响，就算是二路二极管被全部击穿也只会导致二套电源的高压电源向低压电池进行反向充电的情况。由此便可得知，此种方式能使继电保护通道提升可靠性和安全性。总而言之，要想解决问题，要想使电网得到发展，就必须对双电源供电方式加以正确使用，同时对电力通信网络资源加以合理利用，并采取科学的网络理论来进行问题的分析，进而使双电源供电方式得以正确建立，并最终达到使双电源供电方式运行效率得到提升的目的。

参考文献

[1]马伟东.继电保护装置电源监测及持续供电系统的研究[D].华北电力大学, 2012.

[2]王志亮.光纤保护通道故障处理及方法[J].电力系统通信, 2010, 09:70-73.

[3]刘凯里.数字化变电站继电保护优化配置研究[D].华南理工大学, 2013.

[4]张德民, 刘洪锦, 高强, 王旭.电梯双电源供电装置PLC控制系统设计[J].电气传动, 2012, 08:68-72.

光电转换率 第4篇

随着航空电子设备数据处理能力和综合化程度的发展,机载电子设备的数量日益增多,连接各种设备的线缆的数量也在增加,造成的机身重量增加、电磁干扰加重、电缆传输高速数据不理想等问题。以往传统的以同轴电缆为传输介质的机载物理链路已经难以满足当前机载网络的通信需求[1]。光纤通信抗电磁干扰能力强,体积小、重量轻,完全可解决电缆在飞机内传输信息所遇到的问题,但基于当前光纤通道技术的发展状况,在机载网络中,光纤并未完全取代同轴电缆、双绞线等传统媒介,因此需要一种面向机载网络的光电信号转换设备来实现光纤与同轴电缆的对接。

航空电子全双工交换式以太网(AFDX)是一种实时的、确定的全双工交换式以太网[2],是当前国际公认的运输机主流机载网络。网络延迟是AFDX网络一个非常重要的性能指标,在AFDX网络设计和数据流分配时,必须考虑网络系统的延迟特性,保证数据流在确定的延迟范围内传输[3]。本论文设计了一种面向AFDX网络的低时延光电信号转换设备,既实现了光纤与同轴电缆的对接,又满足了AFDX网络的实时性和可靠性要求。

2 架构设计

AFDX网络在物理层与普通以太网相同,本文讨论的光电信号转换设备完全基于以太网物理层进行设计,设计架构如图1所示。

光电信号转换设备主要由单纤双向光收发一体模块、以太网变压器、物理层PHY芯片、晶振、复位芯片和直流电源芯片组成。

3 转换原理

光纤中信号编码方式一般为4B5B码[4],同轴电缆、双绞线中信号编码一般为MLT3码,光电信号转换设备的转换原理框图如图2所示。

3.1 电信号转换光信号原理

电信号转换为光信号的原理如下:

a.光电信号转换设备通过同轴电缆接收来自电接口机载AFDX端系统或AFDX交换机传播的MLT3码;

b.经过以太网变压器隔离并去除电磁干扰后由工作在100BASE-TX模式下的物理层PHY芯片将MLT3码转换成4B5B码;

c . 工作在1 0 0 B A S E - T X模式下的P H Y芯片将4B5B编码通过RMII接口发送给工作在100BASE-FX模式下的PHY芯片;

d.光收发一体化模块将该信号转换成同种码制的光纤信号,通过光纤发送给光接口机载AFDX端系统或AFDX交换机。

3.2 光信号转换电信号原理

光信号转换为电信号的原理如下:

a.光电信号转换设备通过光纤接收来自光接口机载AFDX端系统或AFDX交换机传播的4B5B码;

b.经过光收发一体化模块将该信号转换成同种码制的电信号后发送给工作在100BASE-TX模式下的PHY芯片;

c.工作在100BASE-FX模式下的物理层PHY芯片通过RMII接口将数据发送给工作在100BASE-TX模式下的物理层PHY芯片;

d . 工作在1 0 0 B A S E - T X模式下的P H Y芯片将4B5B编码转换为MLT3码发送给以太网变压器;

e.以太网变压器将该信号通过同轴电缆发送给电接口机载AFDX端系统或AFDX交换机。

4 时延分析

AFDX网络是一种实时、可靠的机载网络,为了满足AFDX网络的实时性和可靠性,光电转换时延性能是光电信号转换设备设计的重点和核心。

根据图2转换原理框图分析,光电转换时延主要集中在两片物理层PHY芯片发送和接收过程中,PHY芯片的发送和接收过程时延可通过时序关系进行分析。PHY芯片在RMII接口下发送和接收时序关系如图3和图4所示。

根据PHY芯片发送时序图分析,数据从RMII接口的数据线(TXD[1:0])进入PHY芯片,经PHY芯片处理后转发到差分信号线(PMD Output Pair)需要的时延为T2.24.2+T2.24.4,查找手册可知在100BASE-TX和100BASE-FX模式下,T2.24.4的典型值均为110ns。

根据PHY芯片接收时序图分析,数据从差分信号线(PMD Input Pair)进入PHY芯片,经PHY芯片处理后转发到RMII接口的数据线(RXD[1:0])需要的时延为T2.26.5,查找手册可知在100BASE-TX模式下,T2.26.5的典型值为380ns,在100BASE-FX模式下,T2.26.5的典型值为270ns。

在光信号到电信号的转换过程中,光信号从光收发一体模块进入,经由100BASE-FX模式的PHY芯片通过RMII接口转发至100BASE-TX模式的PHY芯片,再通过以太网变压器发出,总延时约为380ns。在电信号到光信号的转换过程中,电信号从以太网变压器进入,经由100BASE-TX模式的PHY芯片通过RMII接口转发至100BASE-FX模式的PHY芯片,再通过以太网变压器发出,总延时约为490ns。

5 测试与验证

结合光电信号转换设备的设计原理和时延分析,采用一台插有光接口AFDX端系统板卡的测试平台、一台插有电接口AFDX端系统板卡的测试平台和一台示波器对光电信号转换设备的转换功能和时延性能进行测试,测试验证环境如所示。

5.1 转换功能测试验证

光电信号转换设备转换功能测试验证方法如下:

a.插有电接口AFDX端系统板卡的测试平台向光电信号转换设备线速发送100000个数据帧;

b.同时,插有光接口AFDX端系统板卡的测试平台向光电信号转换设备线速发送100000个数据帧;

c.检查经过光电信号转换设备转发后,电接口AFDX端系统板卡和光接口AFDX端系统板卡接收到的数据帧内容和数量。

测试验证结果如下所示:

a.光电信号转换设备支持100Mbit/s速率线速转发;

b.光电信号转换设备支持全双工工作模式;

c.光电信号转换设备能够将AFDX数据帧由电信号无丢包、无故障转换为光信号;

d.光电信号转换设备能够将AFDX数据帧由光信号无丢包、无故障转换为电信号。

经测试验 证 , 光电信号 转换设备 能够在100Mbit/s的速率下满负荷无故障进行AFDX数据帧的光电信号相互转换。

5.2 时延性能测试验证

光电信号转换设备时延性能测试验证方法如下:

a.插有电接口AFDX端系统板卡的测试平台向光电信号转换设备发送AFDX数据帧;

b.使用示波器同时测量光电信号转换设备电接口的接收触发信号和光接口的发送触发信号;

c.计算两个触发信号上升沿之间的时间差,得出AFDX数据帧由电信号转换为光信号的延时;

d.插有光接口AFDX端系统板卡的测试平台向光电信号转换设备发送AFDX数据帧;

e.使用示波器同时测量光电信号转换设备光接口的接收触发信号和电接口的发送触发信号;

f.计算两个触发信号上升沿之间的时间差,得出AFDX数据帧由光信号转换为电信号的延时。

测试验证结果如下所示:

a.AFDX数据帧由电信号转换为光信号的延时为496ns;

b.AFDX数据帧由电信号转换为光信号的延时为403ns;

经验证,光电转换时延基本控制在400ns~500ns之间。通常情况下AFDX网络中的端系统发送和接收时延均为μs级别,因此,本文设计的光电信号转换设备能够满足AFDX网络的实时性和可靠性要求。

6 结语

论文设计了一种面向AFDX网络的低时延光电信号转换设备。根据原理分析、设计保证和测试验证结果,该光电信号转换设备能够保证AFDX网络的传输性能和机载环境要求。

论文设计的光电信号转换设备在同时拥有同轴电缆和光纤作为传输媒介的机载网络环境中起着桥梁的作用,也是机载网络发展过程中必不可少的过渡型产品。

摘要：网络延时是机载网络一个非常重要的性能指标,随着光纤通道设备在机载环境应用的普及,为了保证AFDX网络能够在光纤介质和铜缆介质间的正常通信,设计了一种面向AFDX网络的低时延光电信号转换设备。论文从该设备的架构设计、原理分析和测试等方面,详细论述了光电信号转换设备的设计架构、转换原理,深入分析了光电信号转换设备的延时性能,并针对传输介质转换和延时指标进行了测试。与同类产品相比,该设备可有效的降低数据流在光介质和铜缆之间的转换延时,保证了机载AFDX网络的传输性能。

光电转换率 第5篇

目前多型号的飞机已采用光信号的DVI数字视频信号进行平显及下显画面输出, 优点在于信号传输稳定、画面分辨率高、图像稳定性好。但由于属于光信号输出, 而通用的采集器只能采集电信号的DVI数字视频, 使用已往的测试设备已无法满足光信号DVI数字视频的抽引与采集测试需求, 需要采用新研设备光线视频光电转换分配器, 将机上DVI视频光信号转换为DVI视频电信号与VGA视频电信号, 再进入采集器进行抽引与记录, 完成机载视频测试任务。

1 概述

光纤视频光电转换器 (以下简称“光电转换器”) 主要功能包括如下两方面。

(1) DVI视频光信号的光电转换功能。光纤视频光电转换器可接收3路DVI视频光信号, 实现3路DVI视频光信号的光电转换功能。每路DVI视频光信号传输链路由4芯多模光纤组成, 共输出3路接口相同的DVI视频电信号、3路VGA视频电信号 (75Ω阻抗, 幅值1Vpp) 。

(2) DVI视频电信号的D/A转换功能。光纤视频光电转换器可接收1路DVI视频电信号, 并原样输出1路DVI视频电信号和转换输出1路VGA视频电信号 (75Ω阻抗, 幅值1Vpp) 。

2 技术要求

(1) 信号输入:3路DVI视频光信号, 1路视频电信号, 分辨率不低于1 280×1 024@60Hz, 向下兼容1024×768@60Hz;

(2) 信号输出:4路DVI视频电信号和4路VGA视频电信号两种模式;

(3) 视频信号经转换后无偏色、抖动和拖尾;

(4) 当输入视频信号异常中断且恢复后, 设备应立即自动扫描、锁定、捕获信号, 并重新输出视频信号;

(5) 无信号输入时, 设备输出彩条或测试画面;

(6) 波长:850nm;

(7) DVI视频光信号输入插座针脚定义为:1 (B) 、2 (G) 、3 (R) 、4 (CLK) ;

(8) 工作电压:+18~32VDC;

(9) 具有大于50ms掉电保持, 具有过压、过流保护功能。

3 工作原理

光纤视频光电转换器主要实现两个功能。

一是对DVI光信号的接收与处理:接收3路DVI光信号, 并将每路DVI光信号转换为1路DVI电信号和1路VGA电信号;

二是对DVI电信号的接收与处理:接收1路DVI电信号, 并将其转换为1路DVI电信号、1路VGA电信号。

4 分配器设计

4.1 光纤视频光电转换器硬件电路设计

如图1所示, 光纤视频光电转换器硬件电路主要包括电源转换模块、光电转换模块、FPGA高速信号分流模块、DVI解码模块以及VGA数模转换模块。

4.1.1 电源转换模块电路设计

电源模块主要是转换外部输入电源后, 为光纤视频光电转换器内部元器件提供所需的电源。选用的是DC-DC电源模块, 对本方案外部输入电源进行转换处理。该模块电源特性如下。

(1) 输入电压:18~36VDC;

(2) 输出电压:5VDC;

(3) 输出电流:10A;

(4) 输出功率:50W;

(5) 具有短路保护功能;

(6) 效率:≥80%。

在DC-DC电源模块输入端串联一个肖特基二极管, 可以有效防止电源反接, 同时在电源模块输入端并联一个瞬态抑制二极管, 可有效抑制输入电源浪涌以及瞬时电压过大。

4.1.2 光电转换电路设计

光电转换模块主要是将接收到的DVI光信号转换为DVI电信号, 以便后面的FPGA电路进行信号分流处理。光电转换模块选用12路并行接收光模块。此光模块还具有以下特点:

(1) 中心波长:850nm;封装:SANP12;

(2) 接收灵敏度:≤-16d Bm;

(3) 传输速率:3.125Gbps;

(4) 工作温度:-40℃~+85℃。

4.1.3 FPGA高速分流电路设计

利用FPGA解码得到的RGB、HS、VS、DE, 不能直接传递至VGA数模转换芯片进行D/A变换。VGA数模转换芯片需与DVI解码芯片配合才能将DVI转换为VGA信号。分析其原因, DVI解码芯片在DVI信号解码时对得到的数字信号进行色度空间变换, 现在利用FPGA仅仅实现分流功能, 不去实现将DVI信号解码成能被后一级利用的多路数字信号。

对于接收到的高速TMDS差分信号 (约1Gbps) , 由于其速率太高, 不能对其进行直接的分流, 必须将该信号进行串并转换, 降为低速信号后分别进行并串转换, 则可得到两路TMDS信号。分别对四路TMDS差分信号进行该功能处理后便可得到两路DVI视频信号, 为后续的处理提供信号支持。

为了满足该项目所要求的高分辨率和高传输速率等指标, 主要采用FPGA作为信号处理的核心器件。FPGA器件的特点是具有丰富的连接功能、低功耗、低成本、低风险。该器件支持高达150K逻辑密度, 4.8Mb存储器, 可提供多达8个3.125Gbps收发器和一个集成的PCI Express兼容内核, 同时采用了创新的基于开放标准的配置, 尤其是具有极强的嵌入式系统处理能力和终极互联能力, 可灵活构建高带宽接口, 强大的功能确保了设计余量。

4.1.4 DVI解码电路设计

经过FPGA芯片后, 一路DVI信号转换输出两路DVI信号。其中一路DVI信号经过DVI解码芯片转换为RGB、HS、VS、DE共27位数字信号, 另一路DVI信号通过接口连接器输出至显示设备。

对于DVI解码部分, 选用DVI专用视频解码芯片, 将1路DVI视频数字信号解码为24位的R、G、B信号, 以及行场频和像素时钟信号, 以便对后面的VGA数模转换芯片进行处理。

4.1.5 VGA数模转换电路设计

经过DVI解码芯片后, DVI信号转换为24位的R、G、B信号, 以及行场频和像素时钟信号, 经过数模转换将数字VGA信号转换为模拟VGA信号。

数模转换模块负责将DVI解码模块输出的VGA数字信号转换为VGA模拟信号, 并且通过VGA接口与显示器相连, 实现VGA图像信号的同步显示。VGA视频信号是由计算机输出的R、G、B三基色信号和行、场同步信号组成。其中R、G、B信号是模拟信号, 电平为0.7~1.0VPP, 行同步信号HS和场同步信号VS为TTL电平。该部分选用专用的视频图像解码芯片完成。该芯片是一款单片三路高速模数转换器, 它包含三路具有补偿输出的高速8bits视频DAC, 广泛应用于数字视频系统、高分辨率图像、图像处理以及视频信号重建等系统中。24位的RGB数字分量必须通过D/A模数转换为模拟信号, 330MSPS的转换吞吐率完全可以满足1 280×1 024@60Hz的数字图像视频转换为VGA信号的模拟带宽需求。

4.2 光纤视频光电转换器软件设计

FPGA芯片在该项目中具备重要的功能, 主要实现高速信号的分流功能, 对于接收到的高速TMDS差分信号, 由于其速率太高, 不能对其进行直接分流, 必须将该信号进行串并转换, 降为低速信号后分别进行并串转换, 则可得到两路TMDS信号。分别对四路TMDS差分信号进行该功能处理后便可得到两路DVI视频信号, 为后续的处理提供信号支持。

同时FPGA在信号输入端对DVI的时钟信号有无进行判断, 当无法检测到时钟信号或者时钟信号异常时, 在FPGA内部进行处理并输出彩条信号。

4.2.1 DVI解码模块

在DVI解码模块, 要完成几个功能, 首先是对于时钟的处理, 将输入时钟由差分信号解码为单端时钟信号, 然后送进DCM对其进行倍频, 生成输入时钟的5倍和10倍时钟以供TMDS信号解码时用, 然后是对于像素信号TMDS进行处理, 用10倍像素时钟对该TMDS信号进行串并转换, 将TMDS信号解码为1/10速率的10位并行信号。由于蓝色10位并行数据中包含着场频、行频、消隐信号DE和蓝色像素数据, 因此, 在解码时要对其进行特殊处理, 在10位并行数据中按照TMDS解码规则对其进行解码, 得到场频、行频、消隐信号DE和8位蓝色像素数据。对其他两路像素信息 (红色和绿色) 进行相同的处理, 将10位并行数据按照解码规则解码为8位并行数据。至此, 则得到27位并行数据 (B (7:0) , G (7:0) , R (7:0) , HS, VS, CLK) , 其速率为串行信号的1/10, 可以直接将其连接到两个编码模块。

需要强调的是, 在对时钟进行处理的过程中, 使用了FPGA芯片所带的硬件资源, 即锁相环, 用来生成像素时钟的2倍、5倍和10倍频时钟信号, 该锁相环支持对固定时钟进行相应分频或者倍频操作, 当输入时钟发生变化时, 就会出现失锁的情况, 此时必须给锁相环一个复位信号, 让锁相环重新工作, 对于新输入的时钟信号重新进行相应的分频或倍频处理, 对应的实际的情况就是, 当像素时钟发生变化时 (即分辨率发生变化时) , 锁相环出现失锁的情况, 根据此时检测到的信号状态, 生成一个锁相环复位信号, 让锁相环重新工作。考虑到如果是外部复位按钮的话, 复位时间大约为几十毫秒。所以在设计该复位信号时, 为了保证锁相环工作的稳定可靠性, 通过固定晶振产生时钟的计数, 将复位时间的延时控制在50ms左右。

通过串并转换将高速串行信号转换为低速并行信号后, 根据TMDS解码规则, 可以将10位并行数据解码为10位控制数据或者是像素数据, 对于蓝色像素数据的处理和红色绿色像素数据的处理稍有不同, 主要表现在对控制信息的处理上, 按照约定, 蓝色像素数据中包含相应的控制信息, 其他两种像素数据中则不包含相应的控制信息。对应于软件处理流程, 三种像素数据的处理流程完全相同, 通过解码器均可将10位并行数据解码得到10位控制信号和8位像素数据, 不同的是, 保留蓝色像素数据解码得到的控制信号作为整个像素数据的控制信号, 丢弃其他两种像素数据解码得到的控制信号。

至此, 通过软件处理, 可以把接收到的TMDS高速差分信号进行串并转换和TMDS解码, 最终可以得到R[7:0]、G[7:0]、B[7:0]和控制信息以及像素时钟等较低速信号。

4.2.2 DVI编码模块

对于DVI编码模块, DE信号 (消隐信号) 有着极其重要的作用, 当DE为1时, 为有效时间区域, 输入的视频信号是有效的数据, 在这个时间内, DVI编码器编码的是视频信号, 此时的控制信号被忽略。而当DE为0时, 为消隐时间区, 在这段时间内, 控制信号的输入是有效的输入, 也就是说在这段时间内DVI编码器编码的是控制信号, 该时间长度要求为最少128个时钟周期, 在这段时间内视频信号被忽略。DVI编码器主要完成的任务是, 将R、G、B和控制信号以及像素时钟信号按照编码器的规则进行DVI编码, 编码为10位并行数据, 最后再经过并串转换模块, 将10位并行数据变为高速串行TMDS差分信号, 然后输出。

对于DVI编码模块中的TMDS编码部分, 主要是按照最小变化码的规则进行处理的, 即最低有效位与像素数据位的最低有效位相同, 第9位为变换方式标志位;0表示对像素数据进行异或非 (XNOR) 变换, 1表示进行异或 (XOR) 变换;将8位并行数据转为9位并行数据, 然后在第二个阶段生成10bit的直流平衡码。如果上一次编码中传输了过多的1, 而且将要传输的编码中的1比0多, 则将此次编码的低8位取反, 并在第10位置1, 否则, 在第10位置0, 第一阶段的9位编码将不做处理, 直接传输。

这种编码方式, 保证了数据在光缆上传输的条件, 同时也降低在串行电缆上传输数据时产生的视频辐射。

5 电磁兼容性设计

电源端采用专用电源转换模块, 隔离外部电源干扰;信号传输线上增加磁环, 抑制传输线引入干扰;集成电路电源引脚旁接去耦电容, 去耦电容尽量靠近芯片放置;模拟、数字器件分区放置, 抑制数字器件对模拟器件的干扰。

电源采用专用的电源模块, 外部的信号地与系统内部的地是分开的, 所以系统内的电源与外部电源相互隔离。

6 机载测试与试飞测试

对光纤视频光电转换器进行地面测试, 有DVI信号输入时, 工作正常, 无DVI信号输入时, 显示彩条。经过多次机载飞行试验, 测试设备工作正常, 采集器稳定采集到光纤视频光电转换器输出的DVI视频电信号, 满足机载座舱视频抽引、采集测试需求, 为试飞测试提供了直观的数据显示画面, 为飞行安全提供了安全保障。

7 结语

飞机座舱视频抽引采集在飞行试验中发挥着不可替代的作用。为适应新一代飞机光信号舱室视频的抽引采集测试需求, 本文介绍了一种新型光纤视频光电转换分配器, 在某型号飞机上得到了充分的验证, 转换信号稳定、连续, 能够满足科研试飞任务的型号需求。同时, 还具有十分广阔的应用空间。

参考文献

[1]刘彬, 张秋婵.光电检测前置放大电路的设计[J].燕山大学学报, 2003 (3) .

[2]缪立山, 乔桂兰, 缪德俊, 等.650nm塑料光纤传输系统的光电转换器[P].中国专利:CN1790953, 2006.

[3]张石锐, 郑文刚, 黄丹枫, 等.微弱信号检测的前置放大电路设计[J].微计算机信息, 2009 (23) .

光电转换率 第6篇

众所周知,中微子是组成自然界的最基本的粒子之一,在自然界广泛存在。太阳、宇宙线、核电站等都能产生大量中微子,它是一种难以捉摸的基本粒子,质量非常小,不带电,几乎不与其它物质作用。也正由于中微子只参与非常微弱的弱相互作用,具有最强的穿透力,在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应,因此,中微子是一种极难被探测到的基本粒子。但同时,对中微子的研究将揭开宇宙演变的诸多奥秘,中微子科学已经成为粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉与热点学科,也是国际各领域研究的热点。近20多年,世界上有6位研究中微子的科学家获得诺贝尔奖[1]。

本项目重在研制一种新型的转换效率更高的微通道板光电倍增管,可作为大球面的中微子探测器件[2],该探测器通过大尺寸球面结构的光电阴极接收由中微子产生的光信号,以MCP代替传统的打拿极作为电子倍增极,采用全新的结构设计,最终由一体化的同轴 结构实现 脉冲电信 号的管内 阳极50Ω阻抗同轴传输,管外同轴输出。

1工作原理、结构及工艺路径

1.1工作原理

本项目研究的同轴输出型大面积球面微通道板光电倍增管(简称:MCP-PMT),整管主要由以下几部分组成:大面积近全球面光电阴极、电子光学系统、MCP电子倍增器、阳极同轴输出组件、一体式管壳。其结构示意图如图1所示:

如图1所示:光电倍增管工作原理可简述为:器件工作时,通过电子光学系统将来自近全球面的光电子聚焦到MCP输入面,由MCP进行电子倍增,进而形成与光信号相对应的电信号,再通过阳极同轴电极引出。图2为本光电倍增管的实物照片。

在本研究设计中,使管芯置于近管颈处,扩大了光阴极的发射面积,获得了比普通半球面光阴极更高的转换效率。电子光学结构M≈0.1,阴极工作面可达半球以下近40°的面积。

本新型MCP-PMT的特点具有:

(1)器件采用增大透射式光电阴极面积使上半球透射式光电阴极与下半球反射式光电阴极相结合、MCP作为电子倍增极的结构设计,可提高光阴极的有效面积,而小型电子倍增极微通道板的引入,可实现对接近全球面内的所有光阴极的利用,大大提高光电子探测效率;

(2)用MCP代替传统的打拿极作为电子倍增极,可减小电子在倍增过程中的渡越时间,提高了时间分辨能力,同时,也由于MCP体积小,减少了被阻挡的光阴极面积,从而有效地提高收集效率;

(3)采用管内阳极同轴传输、管外同轴 输出结构,形成一体的50Ω同轴线,输出端为SMA接头,具有10 MHz~2.5GHz的传输带宽,能够有效降低干扰,实现输出脉冲电信号的良好传输。

1.2整管工艺路径

工艺流程图如3所示:

2设计与研究:

2.1整管结构

整管设计的重点是进行电子光学系统的设计。该电子光学系统由聚焦极、全球面形光电阴极以及微通道板构成,即通过进行电子光学系统的模拟试验,解决了大面积近全球形、宽电子束的聚集问题。同时确定了整管结构及整管尺寸,确定了电极引出方式及结构。

首先,介绍一下电子光学系统的设计[3,4,5],课题组通过电子光学系统模拟试验,确定了合理的结构和距离,解决了超大面积近全球形光电阴极产生的电子发射、将宽电子束的聚焦在有效直径Φ18mm微通道板上的难题,通过反复试验对比最终确定选用膜孔型的平片作为聚焦极,再与光电阴极和微通道板输入面(极)构成电子光学系统的主体结构,图4为电子光学系统模拟试验装置示意图。接着,确定了适当的电子光学系统的放大率,如果放大率过大,由巨大的光阴极面产生的边缘的光电子就不能全部进入MCP有效接收面,从而造成光电子的丢失,影响探测信号的收集及转换效率,而另一方面,如果放大率太小,光阴极产生的光电子又会被MCP有效面中一部分区域所收集到,而微通道板典型的饱和特性就会使微通道板工作在非线性区域或者使微通板道增益达到饱和。因此,我们在进行理论计算设计的初始条件下,再通过对物距、像距、光阴极到微通道板输入间的电压等参数进行调整修正,并改进了不同电极引出结构的形状和接触收集方式,以确保从光电阴极有效面上任何一点发射的光电子都能够被MCP输入面所收集。最终,确定将电子光学系统放大率控制在0.1左右,阴极工作面可达半球以下近40°的面积。

2.2全新的微通道板电子倍增系统结构与处理技术研究

这是我们这个器件的一大创新点,我们以微通道板作为电子倍增极,减少电子渡越时间,有利于时间更短的光脉冲信号的探测。在本研究中,通过引入MCP预处理工艺,进行MCP预处理试验,确定合理预处理规范,实现管外预处理后转移装入管内。进行MCP倍增结构的设计,对电压引入方式、级联方式、电子引出结构进行了重点设计并进行了试验验证,以满足整管对电子增益的要求,实现MCP对打拿极的替代,同时降低暗噪声,提升器件的时间响应特性;

MCP是一种集成的薄形盘片状倍增系统,即以玻璃薄片为基底,在基片上以数微米到十几微米的空间周期以六角形周期排布孔径比空间周期略小的微孔结构。一块MCP上约有上百万微通道,二次电子可以通过通道壁上碰撞倍增放大,从某种意义上说,我们可以将每个通道都看作是一个独立的电子倍增器。由于MCP厚度仅为0.3~0.4mm,因此它比传统打拿极的倍增极结构具有更快的时间响应特性,另外,当MCP被用在多阳极输出的光电倍增管中作为倍增级 时,器件则具 有更好的 二维探测能力。

由于微通道板的结构特性,致使吸附在其孔径极微小的内壁表面的气体,很难在一般的制管除气工艺中被较好地排除,所以通道内残余的气体分子也会与光电子一起,在每个微小通道内光电子产生倍增时,残余气体产生电离,并一定程度地损伤光阴极,使噪声增大甚至导致真空度下降、影响光电倍增管的性能。因而,我们在制管过程中,增加了MCP预冲刷工艺,对MCP在进入系统前就进行预除气处理,通过合理的烘烤、冲刷工艺达到去除通道内壁吸附的气体分子的目的,再将处理过的MCP再装管进行整管制作,大大降低了暗噪声。

2.3暗电流控制技术研究

通过结构设计,对MCP、芯柱、电极引线间采取屏蔽及隔离措施降低极间漏电,对MCP采用二次电子冲刷,在光电阴极制作前高温高真空烘烤除气,减少阴极氛围对MCP的污染,通过优化阴极制作技术,降低热发射。

一般而言,阳极灵敏度越高,暗电流越小,则光电倍增管就能测量更为微弱的光信号。PMT产生暗电流的原因很多,主要是由阳极与各极间的漏电流、光电阴极和二次发射引起的热电子发射、离子反馈、光反馈等。其中,前两点为暗电流产生的主要因素。

在本研究中,主要通过以下方式减少漏电流及场致发射:

通过创新的结构设计对阳极、地电极均采用点支撑,大大减小漏电的通道,从而减少漏电流;

阳极作为最终的收集极,它与其它电极之间产生的场致发射电流或噪声会直接进入阳极回路或经MCP倍增后再进入阳极回路。而这些场致发射随着工作电压的提高会呈现雪崩式增大。我们将对阳极的屏蔽由阴极(两者间的电压差为1.6~2KV)设计改为地电极(两者间的电压差≈0V),大大减少了场致发射;

通过对所有电极间设计并安装屏避挡片来有效地减少整管及光电阴极制作过程中碱源对管芯处的污染,有效地降低暗电流。

2.4同轴传输结构研究:

设计几种不同结构的全同轴信号引出线结构,测试同轴线的传输带宽,解决了同轴线经过玻璃芯柱时无法连续,在管内至管外通过芯柱时,同轴线须尽可能保证50Ω传输阻抗的问题。由管内至管外连通成一体的50Ω同轴线,输出端为SMA接头。有效地屏蔽外界电磁场对信号的干扰,提高信噪比。SMA输出头则更方便使用。

光脉冲使光电阴极发射的光电子经过MCP倍增后被阳极接收形成相应的电脉冲信号。由阳极输出的电信号,必须真实地再现光输入信号的波形,然后传输到电子电路部分,才能获得光信号的准确测量结果。这种再现能力受到电子渡越时间、阳极信号传输线的脉冲上升时间和电子渡越时间分散的影响。当渡越时间和渡越时间分散确定后,管内至管外信号的同轴传输线就成为MCP-PMT能否实现精确测量的的关键。

课题组设计并试制几种不同结构的同轴线,在网络分析仪上进行测试和比较。最终确定了满意的结构并装管进行了整管制作。图5为同轴结构的带宽测试图

1)管内至管外的同轴接头其传输带宽10 MHz~2 GHz时为 -1.5 dB,10 MHz~3 GHz为-2dB;

2)由阳极至管外SMA输出头,整条阳极信号传输线的传输带度1.3GHz为-1dB,2.23GHz为-3dB(详细数据见图5)。

由稳态与瞬态计算公式:计算得到,该同轴线可以传输上升时间0.16ns的脉冲信号,提高了整管的时间特性。另外,采用同轴线结构可有效地屏蔽外界电磁场对信号的干扰,提高信噪比。

2.5大面积的球形光电阴极研制

进行光电阴极均匀性试验及光电阴极基底结构试验,完成透射式和反射式光电阴极组合的近全球面光电阴极结构设计及工艺流通。进行阴极制作工艺的优化,通过确定正确的阴极各组分比例、控制阴极反应速率,提高系统真空度等手段提升阴极灵敏度、阴极均匀性、降低阴极热电子发射,提高探测效率;

光阴极均匀性的保证:由于器件尺寸大,要制作超大面积的光电阴极,提高阴极探测效率,阴极的均匀性也至关重要,在本器件中,先计算出锑球的蒸散角以及蒸散距离,确定锑球的装架位置,再根据锑球大小、装架的情况进行调整,确保在光阴极制备过程中锑球均匀蒸散,在球壳内表面形成厚度分布均匀的锑膜,从而获得灵敏度均匀的光阴极。

降低热电子发射、提高阴极灵敏度:首先按照传统的真空器件制作工艺对管壳及内部的各组件、材料进行一系列的处理,并通过光阴极制备过程中对阴极反应的温度、碱源蒸发速率的控制以及对碱金属组份比例、交替次数的调整等方法,有效地降低了热电子发射并保证了较高的阴极灵敏度。

3结论

表1列出了本研制样品的主要技术指标.

器件首次在大尺寸的球面管内实现MCP电子倍增、大尺寸的近全球面光电阴极研制、同轴信号引出,将有效提高器件的探测效率、脉冲信号传输能力、降低暗噪声。目前该类光电倍增管国外产品也均采用打拿极结构,且未实现信号的管内同轴传输、管外同轴传输,因此,本器件的研究对超大尺寸光电倍增管的发展提供了一条全新的思路和技术途径。目前大尺寸的光电倍增管全球需求较大,尤其是大型科学实验装置的建造,将带动多款新型的PMT的研发和生产。因此本项目的研究,不仅可以进一步进行200mm探测器样管的生产和应用,满足目前较大的市场需求,产生较高的经济效益,还将为研发及生产更大尺寸(500mm)的静电聚焦结构的光电探测器的提供重要的理论基础、实验验证和技术路径。

参考文献

[1]王贻芳.中微子物理及其在中国的前景[J].科学热点,2006,1(5):4.

[2]中国科学院高能物理研究所,一种聚焦型光电倍增管[P],中国00910147915.4,2009.

[3]杜秉初,汪健如.电子光学[M].北京:清华大学出版社,2002.

[4]周立伟.宽束电子光学[M].北京:北京理工大学出版社,1993.

光电转换率 第7篇

而TiO2禁带过宽(Eg≈3.2eV),对光的利用效率低[2],同时光生电子与空穴复合几率大,光生载流子量子化效率低,限制了材料对可见光吸收。因此,改进TiO2材料,提高其对可见光的吸收和提高它的光电转换效率成为重要的课题。研究发现掺杂可有效提高材料的光生载流子量子化效率。研究者们在TiO2材料中掺杂各种物质对其改性,如在TiO2材料掺入贵金属纳米颗粒[3]、有机染料[4],聚合物[5]、半导体[6]以及对TiO2纳米材料表面进行还原处理等,研究发现掺杂物质能成为光生电子和空穴的捕获阱,有效降低电子和空穴对的复合几率,此外,还能有效降低TiO2禁带宽度,增强TiO2对可见光的吸收。有关TiO2中掺杂离子的报道很多,如阴离子N、S、C、F[7,8,9,10,11,12]和金属离子等,其中,金属离子的掺杂研究最为透彻,例如Cr、V、Fe、Mn、Cu、Co、Ni及其氧化物等[13,14,15,16,17]。TiO2与贵金属的复合具有显著的光学性质,贵金属纳米颗粒在入射光的照射下其自由电子会发生振荡,电子因振荡偏离原子核,继而原子核与电子之间的库伦吸引力会致使自由电子集体振荡,形成局域表面等离激元共振(SPR),从而引起强烈的光学吸收,此外,还可显著降低TiO2禁带宽度,可有效提高材料对可见光的吸收,并提高光生电子的数量。相比于昂贵的Pt、Pd、Rh和Au、Ag掺杂的TiO2纳米纤维材料更具应用前景[18,19]。此外,为了降低光生电子和空穴重合的几率,研究者们还将碳纳米管(CNTs)沉积到TiO2材料表面,CNTs具有优异的导电性能,光生电子可迅速通过CNTs导出。

近来,有关Ag/TiO2和TiO2/CNTs纳米复合材料报道很多,而关于Ag/TiO2/CNTs复合纳米材料却鲜有报道。并且沉积的纳米Ag颗粒或者CNTs容易从材料表面脱落,难以均匀进入材料内部。静电纺丝技术在制备复合纳米纤维方面与传统方法相比具有较多优点,易于制备均匀稳定的复合材料[20,21]。

本研究基于静电纺丝技术将纳米Ag颗粒和CNTs同时掺入TiO2纳米纤维中,可控制备了Ag-CNTs-TiO2复合纳米纤维。并考察其在可见光区的光电转换性能,重点研究了CNTs含量对TiO2纤维光电转换效果的影响,为拓展TiO2在可见光区的应用奠定良好的基础。

1 实验部分

1.1 试剂

钛酸四丁酯(C16H36O4Ti),阿拉丁公司;聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、硝酸银溶液(AgNO3),百灵威公司;无水乙醇、冰醋酸,均为分析纯。

1.2 TiO2纳米纤维的制备

配置纺丝液:将1mL钛酸四丁酯加入1mL冰醋酸中,搅拌至溶解,再将一定量PVP乙醇溶液逐滴加入上述溶液,搅拌6h,静置,至气泡完全消失,得到棕黄色、透明、均一的前驱体溶液。

将配制好的前驱体纺丝液移入注射器中,设置进样速度和纺丝距离,针头接入正极,铝箔接到负极,调节电压数值,在铝箔上收集白色纤维毡。将纤维毡,80℃干燥0.5h。随后将纤维毡放入马弗炉中,升温速率2℃/min,至500℃保持2h,得白色粉末。

1.3 Ag-CNTs-TiO2复合纳米纤维的制备

用浓KNO3和浓H2SO4(体积比1∶3)混合溶液对CNTs进行处理。

分别称取2.2、4.4、6.6和8.8mg CNTs及60mg硝酸银固体加入10mL无水乙醇中磁力搅拌使其溶解(溶液1);将1mL钛酸四丁酯溶入1mL冰醋酸中,磁力搅拌1h(溶液2)。将溶液1逐滴加入到溶液2中,加入适量PVP,在室温下搅拌5h,得到前驱体溶液。将配制好的前驱体溶液移入注射器中,设置进样速度为0.4mL/h,纺丝间距为15cm,设置电压为16kV,收集复合纳米纤维毡。将纤维毡在80℃干燥0.5h。随后置于马弗炉中,升温速率2℃/min,至500℃保持2h,得灰白色粉末。

1.4 光电转换

1.4.1 玻碳电极的预处理与活化

先用砂纸将玻碳电极抛光,依次用0.3、0.1μm氧化铝抛光粉将玻碳电极打磨至镜面,洗去表面污物,在超声水浴中清洗4min。之后将电极放入H2SO4(0.5mol/L)溶液中用循环伏安法活化,扫描范围在1.0~-1.0V,扫描得到稳定的循环伏安图。随后在KNO3(0.20mol/L)中记录K3Fe(CN)6(1×10-3mol/L)溶液的循环伏安曲线,用来测试电极性能,扫描速度50mV/s,扫描范围0.6~-0.1V。控制循环伏安图中的峰电位差在80mV以下。最后,用蒸馏水充分冲洗,氮气吹干。

1.4.2 纳米纤维复合膜修饰电极及光电实验

将实验制备的纳米纤维分散在乙醇中,之后将分散液旋涂到预处理及活化后的洁净玻碳电极(GCE)表面,自然干燥。

光电化学实验采用电化学工作站(CHI660D型),三电极体系:玻碳电极(Φ=3mm)及其纳米纤维修饰的电极为工作电极,铂丝电极为对电极,Ag/AgCl电极为参比电极。电解质溶液为10mL Na2SO4(1mol/L),实验所用入射光为模拟可见光,所有实验均在室温条件下进行。

2 结果与讨论

2.1 复合纳米纤维形貌

纺丝距离15cm,纺丝速度0.3mL/h,纺丝电压16kV下所得纤维的SEM图片[图1(a)和图1(c)]。电场力使前驱液带上同种电荷,静电排斥力克服溶液粘滞力,分叉成为纤维。图1(b)和图1(d)展示了掺杂10%(wt,质量分数,下同)Ag纳米颗粒和4%CNTs的复合纳米纤维在500℃烧结后的SEM图。图1(a)和1(c)分别是低倍镜和高倍镜下煅烧之前的复合纳米纤维图,图1(b)和1(d)则是低倍镜和高倍镜下煅烧之后的复合纳米纤维图。掺入杂质对纳米纤维的形态几乎无影响,煅烧前,纤维直径都在200~400nm[图1(c)],而煅烧前后的纤维形貌略有变化,从图1(d)中可以看出,纤维煅烧后直径变小,由于煅烧后PVP逃逸和TiO2结晶,纤维直径降低至100nm左右。此外,从图1(d)中可以明显的看到Ag纳米粒子镶嵌在纳米纤维材料上,直径在十几纳米左右。

2.2 复合纳米纤维的成分分析

图2(a)为复合纤维在空气中450℃下焙烧2h所得样品的XRD谱图,依据锐钛矿TiO2(84-1286)和Ag(87-0720)的JCPDS卡片,可以看出,在空气里450℃焙烧2h后,在2θ=25.33°处的强峰为锐钛矿型TiO2(101)晶面的衍射峰,另外2θ=37.86处的特征衍射峰对应其(004)晶面的衍射峰。除了锐钛矿型TiO2的特征衍射峰外,2θ=38.30、44.50和64.36°则分别对应Ag结构(111)、(200)和(220)晶面的特征衍射峰,其中对应于(111)晶面Ag衍射峰刚好与锐钛矿型TiO2的2θ=37.84°处特征衍射峰重叠在一起。由于CNTs在复合材料中的含量偏少(质量分数低于6%),且CNTs在复合材料制备过程中经过强酸处理后导致其结晶性变差,所以XRD谱图中CNTs的衍射峰没有显现。图2(b)为复合纤维的EDS谱图,结果显示复合材料中分别含有C、O、Ag和Ti 4种元素,且含量分别为5%、42%、10%和43%。以上分析表明在450℃焙烧条件下,成功制备了Ag-CNTs-TiO2复合纳米纤维。

2.3 Ag-CNTs-TiO2复合纳米纤维的光电催化性能

由于EDS只是半定量的分析方法,本研究以实验中投入的CNTs含量为准。将纳米Ag颗粒的含量固定在10%,从图3(a)中可以看出,Ag-CNTs-TiO2复合材料的光电转换性能最高,可达到0.7μA/cm2,TiO2-Ag纳米纤维的光电转换率为0.5μA/cm2,而未掺杂的TiO2纳米纤维光电转换率仅为0.25μA/cm2。这表明,Ag和CNTs的共同掺杂显著提高了材料的光电转换性能,光电转换效率提高到近3倍。图3(b)给出了含10%纳米Ag颗粒15%CNTs的Ag-CNTs-TiO2复合材料循环使用性能,可知10次循环后材料的光电转换效率稳定在90%以上,说明该复合材料催化剂具有良好的重复使用性和稳定性,具有良好的应用前景。这可能是因为纳米纤维材料不易团聚的原因。图3(c)显示了不同含量CNTs掺杂的TiO2纳米纤维的光电转换性能比较,CNTs掺杂量15%的复合纳米纤维光电转换效率最高,达到0.7μA/cm2,CNTs掺杂量10%的复合纳米纤维光电转换效率为0.55μA/cm2,CNTs掺杂量20%的复合纳米纤维光电转换效率仅为0.4μA/cm2,而过量的CNTs反而会降低材料的光电转换性能。其原因可能是TiO2和纳米Ag颗粒两种材料接触形成异质结,电子从高费米能级移向低费米能级,形成肖特基势垒,分离了光生电子和空穴,且纳米Ag颗粒的SPR效应促进了材料对光的吸收。掺入适量的CNT后,在可见光激发下,光生载流子累积在TiO2的低能导带或者CNTs上,由于CNTs优异的导电能力,光生载流子被迅速转移至表面,当两段加上电压,则有电流产生。过多的CNTs会捕获TiO2纤维表面的空穴甚至会吸收光,使光生载流子密度下降。

[(a)TiO2、TiO2-Ag和Ag-CNTs-TiO2光电转换性能;(b)Ag-CNTs-TiO2光电转换循环性能;(c)不同CNTs含量的Ag-CNTs-TiO2复合材料光电转换性能]

3 结论