（物理電子學(xué)專(zhuān)業(yè)論文）石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用.pdf

石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 摘要 石英玻璃是由單純的二氧化硅組成的玻璃，二氧化硅含量通?？梢赃_(dá)到9 9 9 以上，具有一系列優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，所以被大量用作照明光源的泡殼材 料，比如各類(lèi)汞燈、金鹵燈、汽車(chē)燈等等。工業(yè)上生產(chǎn)石英玻璃的過(guò)程中由于工 藝的原因不可避免地會(huì)在玻璃中引入羥基，而羥基含量的多少則對(duì)石英燈管的壽 命和質(zhì)量有嚴(yán)重的影響。因此國(guó)家對(duì)于各種產(chǎn)品燈管中的羥基含量都規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)。 測(cè)量羥基含量一般采用傅立葉紅外光譜儀對(duì)石英玻璃進(jìn)行光譜掃描，得到光 譜圖后利用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)法或者g e 方法畫(huà)線(xiàn)計(jì)算羥基含量，但是傅立葉光譜儀成本 昂貴，而且掃描出光譜圖后要手工畫(huà)線(xiàn)進(jìn)行計(jì)算，不可避免會(huì)引入人為誤差。所 以本文嘗試研究設(shè)計(jì)了一種測(cè)量羥基含量的儀器，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量快速， 成本低，測(cè)量精度高的特點(diǎn)。 本文概述了石英玻璃羥基含量測(cè)量的基本原理，詳細(xì)介紹了測(cè)量系統(tǒng)的組成。 硬件部分詳述了調(diào)制電路、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)接收電路和電源電路的結(jié)構(gòu)和 設(shè)計(jì)考慮。軟件部分則介紹了p c 機(jī)和單片機(jī)的通信以及對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理。最后 是對(duì)三個(gè)樣品進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高的特點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)中主要采用了以下幾項(xiàng)新技術(shù)： 1 、采用鎖相放大技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)。 2 、用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤(pán)來(lái)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，有控制方便，調(diào)制精度高的 特點(diǎn)。 3 、用相敏檢測(cè)模塊配合單片機(jī)c 8 0 5 1 f 3 4 0 構(gòu)成一個(gè)鎖相放大電路，電路結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省成本。 關(guān)鍵字：石英玻璃鎖相放大器 微弱信號(hào)檢測(cè)羥基 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 a b s t r a c t q u a r t zg l a s si sc o m p o s e do fp u r es i 0 2 ，t h ep e r c e n t a g eo fs i 0 2i su s u a l l ym o r e t h a n9 9 9 ，s oi th a sm a n ye x c e l l e n tq u a l i t i e sa n di sw i d e l yu s e df o r t h el a m ps u c ha s v a r i o u sm e r c u r yl a m p 、h i de t c w h e nt h eq m r t zg l a s si sm a n u f a c t u r e d ，i tw i l lb r i n g h y d r o x yi n t oi ti n e v i t a b l ya n dt h eh y d r o x y h a sab a di n f l u e n c eo ni t sq u a l i t ya n dl i f eo f q u a r t zg l a s s ，s ot h en a t i o nh a s ac r i t e r i o no f i t t h ec o n t e n to fq u a r t zg l a s si su s u a l l ym e a s u r e db yg em e t h o do rn a t i o nc r i t e r i o n m e t h o dw h e nw eh a v et h es p e c t r o g r a mw h i c hi sg o tb yf t i rs p e c t r o p h o t o m e t e r ，b u t t h ef t i r sc o s ti se x p e n s i v ea n dc o m p l e x ，s oi nt h i sp a p e r ，an e vm e a s u r i n gs y s t e mi s r e s e a r c h e da n dd e m g n e dw i t ht h ea d v a n t a g e so f s i m p l es t r u c t u r e ，h i g h - p r e c i s i o n ，r a p i d a n d l o w c o s t i nt h i sp a p e r ，t h ew o r k i n g p r i n c i p l eo f h y d r o x y sm e a s u r e n l e n ti ss u m m a r i e da n d e s p e c i a l l yi n t r o d u c et h em o d u l a t i o nc i r c u i t 、d r i v i n gc i r c u i t 、r e c e i v i n gc i r c u i ta n dp o w e r s u p p l yc i r c u i t t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c et h ec o m m u n i c a t i o nb e f w e e l lp ca n dm c u a n d t h ed a t ap r o c e s s i n g f i n a l l yr e p e a t e de x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h es y s t e mi ss t a b l ea n d s i m p l es t r u c t u r e h lt 1 1 i sd e s i g n ，t h em a i nn e wt e c h n i q u e sa r e ： ( 1 ) p h a s ed e t e c t e dt e c h n i q u ei su s e df o rt h ew e a ks i g n a l ( 2 )u s c ds t e p b y - s t e pm o t o rt od r i v et h ep l a t e ，i ti sv e r yc o n v e n i e n ta n d l l i g hp r e c i s i o n ( 3 )u s e dp h a s ed e t e c t e dm o d u l ea n dc 8 0 5 1 f 3 4 0t om a k eu po f ac i r c u i t ，i t i ss i m p l es t r u c t u r ea n dl o wc o s t k e y w o r d s ：q u a r t zg l a s s l o c k - i na m p l i f i e r d e t e c t i n go f w e a ks i g n a lh y d r o x y 論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。論文中除 了特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或其它機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的 研究成果。其他同志對(duì)本研究的啟發(fā)和所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的聲明 并表示了謝意。 作者簽名： 論文使用授權(quán)聲明 日期： 本人完全了解復(fù)旦大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留 送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi) 容，可以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。保密的論文在解密后遵守此 規(guī)定。 作者簽名：導(dǎo)師簽名：日期： 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 引言 石英玻璃是由單純的二氧化硅組成的玻璃，二氧化硅含量通?？梢赃_(dá)到9 9 9 以上，具有一系列優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)。所以被大量用作照明光源的燈管材 料，比如鹵鎢燈、金鹵燈等h d 光源。 工業(yè)上生產(chǎn)石英玻璃的過(guò)程中由于工藝的原因不可避免地會(huì)在玻璃中引入羥 基，而羥基含量的多少則對(duì)金鹵燈等燈管的壽命和質(zhì)量有嚴(yán)重的影響。這是因?yàn)?燈泡在點(diǎn)燃時(shí)，高溫使得羥基從管壁中逸出到燈內(nèi)與燈泡中的鹵素循環(huán)劑起化學(xué) 反應(yīng)生成水，水在高溫下迅速分解成氫氣和氧氣，繼而氧氣與鎢反應(yīng)生成的氧化 鎢在高溫下立即蒸發(fā)，并在較冷的泡壁上沉積下來(lái)，使泡壁發(fā)黑，縮短燈泡的使 用壽命。這一現(xiàn)象在h d 光源中尤為普遍存在，因此國(guó)家對(duì)于各種產(chǎn)品燈管中的 羥基含量都有各自的合格標(biāo)準(zhǔn)。下表列出各種產(chǎn)品燈管中羥基含量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)： 表l各種產(chǎn)品羥基含量( 單位p p m ) 燈管品種 羥基含量 金屬鹵化物燈 l 汞燈8 紫外殺菌燈1 0 h 4 汽車(chē)燈 1 0 為此，本課題對(duì)石英玻璃中羥基含量測(cè)量的儀器化進(jìn)行了研究，該課題的研 究對(duì)于光源企業(yè)快速測(cè)定羥基含量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 石英玻璃羥基含量的傳統(tǒng)測(cè)量方法一般是采用傅立葉紅外光譜儀對(duì)樣品掃描 出其吸收光譜圖，再根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)法或者通用電氣公司方法對(duì)光譜圖做出基線(xiàn)和 零線(xiàn)后根據(jù)公式計(jì)算得出羥基含量。由于傅立葉光譜儀的成本昂貴，體積笨重， 而且測(cè)量得出譜圖后需要手動(dòng)畫(huà)線(xiàn)進(jìn)行計(jì)算，不可避免會(huì)引入人為誤差。所以本 課題嘗試研究出一種較低成本的羥基測(cè)量?jī)x器，并且在數(shù)據(jù)處理方面采用軟件直 接計(jì)算，避免由于手動(dòng)畫(huà)線(xiàn)引入的人為誤差。 儀器測(cè)試羥基含量的理論依據(jù)是根據(jù)通用電氣公司的公式。采用中紅外可調(diào) 諧波長(zhǎng)激光二極管作為光源，其帶寬在幾個(gè)r f f n 范圍之內(nèi)，波長(zhǎng)分別為2 6 0 u r n 和 2 7 3 u r n ，其發(fā)出的光經(jīng)調(diào)制后射在樣品上，再通過(guò)紅外探測(cè)器后光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電 信號(hào)，用單片機(jī)采集相應(yīng)信號(hào)后再用p c 機(jī)軟件進(jìn)行運(yùn)算。為了提高接收靈敏度， 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 采用了高探測(cè)率的碲鎘汞( h g c d t e ) 探測(cè)器。為了抑制噪聲，采用了鎖相放大技 術(shù)提高信噪比。采用單片機(jī)控制的a d 轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。系統(tǒng)工作在p c 機(jī)的控制之下，p c 控制軟件采用最流行的面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方法。整個(gè)系統(tǒng)具 有測(cè)試方便，測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 第一章石英玻璃羥基含量測(cè)量原理 1 1 郎伯比爾定律 每種物質(zhì)都有獨(dú)特的分子和原子結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和相應(yīng)的能級(jí)分布，物質(zhì)運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)會(huì)形成這種物質(zhì)所特有的分子光譜或者原子光譜，根據(jù)光譜形成的 機(jī)理不同，光譜分析可以分為發(fā)射光譜分析、吸收光譜分析、散射光譜分析、熒 光光譜分析等幾大類(lèi)。 本系統(tǒng)是根據(jù)光的吸收原理來(lái)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)成分的檢測(cè)，即利用每種物質(zhì)具有確 定的光譜吸收特性來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。由于不同的物質(zhì)分子原子結(jié)構(gòu)不同，其特征吸收 波長(zhǎng)也不同。同時(shí)在特征吸收波長(zhǎng)處，其所吸收的光能取決于被測(cè)成分的含量。 圖1 - 1郎伯比爾定律示意圖 如圖1 - 1 所示當(dāng)一束強(qiáng)度為p o 的光射入樣品后， 足如下關(guān)系式： a ；1 l l 墮= 動(dòng)c p 或者：p=p o e 一“ 其中：a 為吸光度 測(cè)得其出射光強(qiáng)為p ，則滿(mǎn) ( 1 1 ) ( 1 2 ) e 為吸光系數(shù) b 為樣品厚度 c 為成分濃度 這就是朗伯比爾定律，它指出了透射光的強(qiáng)度與物質(zhì)濃度成指數(shù)關(guān)系，其中 吸光系數(shù)e 取決于輻射波長(zhǎng)和樣品的性質(zhì)，如果樣品不吸收某種波長(zhǎng)的光，則樣 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 品對(duì)這種波長(zhǎng)的光的吸收系數(shù)e = 0 ，即光的透過(guò)率為1 0 0 ，如果樣品吸收某 種波長(zhǎng)的光，則樣品對(duì)這種波長(zhǎng)的光的吸收系數(shù)e 0 ，當(dāng)光通過(guò)距離b 后，光能 的衰減量取決于樣品的濃度c 和入射光的光強(qiáng)p o 。 根據(jù)光譜學(xué)研究可以確定各種吸收物質(zhì)的吸收光譜，并可找到該物質(zhì)在特定 波長(zhǎng)處的吸收峰以及相應(yīng)的特征峰值處的波長(zhǎng)值，根據(jù)朗伯比爾定律就可以由所 測(cè)光的透過(guò)率求出石英玻璃中羥基的濃度，這就是整個(gè)系統(tǒng)的基本檢測(cè)原理。 1 2 測(cè)量羥基含量的國(guó)標(biāo)法和g e 方法 石英玻璃中的羥基在2 7 3 u r n 處有吸收峰，當(dāng)羥基含量越大，此處吸收值越大， 峰型越典型。因此，人們利用石英玻璃的紅外光譜譜圖檢測(cè)其中的羥基含量。目 前主要有兩種檢測(cè)方法得到普遍認(rèn)可。 1 2 1根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)g b t 1 2 4 4 2 - - 1 9 9 0 石英玻璃羥基含量檢 測(cè)方法檢測(cè) 用紅外光譜儀測(cè)出樣品在2 5 0 u r n s 3 5 0 u r n 范圍內(nèi)的光譜透過(guò)率曲線(xiàn)，在曲線(xiàn) 上劃出基線(xiàn)，分別測(cè)量出2 7 3 u r n 處基線(xiàn)到零線(xiàn)、吸收峰到零線(xiàn)的距離，用下面公 式計(jì)算： c = 9 6 sx 吉g 爭(zhēng)s ) 式中： c ：試樣的羥基含量，p p m ( 1 0 6 ) d ：試樣的厚度，f f t t l i d ：2 7 3 u r n 處基線(xiàn)到零線(xiàn)的距離，n l l n i ：2 7 3 u r n 處吸收峰到零線(xiàn)的距離，i n n l 基線(xiàn)：光譜透過(guò)曲線(xiàn)上吸收峰兩肩邊的連線(xiàn) 零線(xiàn)：光譜透過(guò)曲線(xiàn)上透射比為0 的線(xiàn) 其中各量如圖1 - 2 所示： 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 w 9 。8 1 8 “g t h ( “m ) 1 - - - - 圖1 2國(guó)標(biāo)法測(cè)羥基示意圖 1 2 2 根據(jù)美國(guó)通用電氣公司( g e 公司) 方法檢測(cè) 0 同樣檢測(cè)該樣品在2 5 0 u m 3 5 0 u m 范圍內(nèi)的光譜透過(guò)率曲線(xiàn)，并直接讀出樣 品在2 6 0 u r n 和2 7 3 u r n 處的透過(guò)率值，利用下列公式計(jì)算： c ：9 1 0x1 1 9 墨( 1 4 ) d9 瓦 式中： c ：試樣的羥基含量，p p m ( 1 0 6 ) d ：試樣的厚度，l l l i n t a ：2 6 0 u m 波長(zhǎng)處的透過(guò)率值， t b ：2 7 3 u r n 波長(zhǎng)處的透過(guò)率值， 同樣的，g e 方法測(cè)羥基含量如圖1 - 3 所示： 0 g 8 7 b 5 4 3 2 1 1 ( t 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 t ( ) w e v e l e n g t h ( u m ) 圖1 - 3g e 方法測(cè)羥基示意圖 1 2 3兩種方法的比較 0 在準(zhǔn)確地測(cè)出樣品的紅外光譜透射率前提下，這兩種方法各有利弊。國(guó)家標(biāo) 準(zhǔn)方法可根據(jù)透過(guò)率曲線(xiàn)的形狀作基線(xiàn)，并且當(dāng)羥基的吸收峰在2 7 3 u r n 有偏離 時(shí)，可進(jìn)行微調(diào)尋找最佳的吸收值，從而計(jì)算出羥基含量。缺點(diǎn)是所作基線(xiàn)不正 確時(shí)會(huì)影響計(jì)算值。g e 方法不需要作基線(xiàn)，避免了由此引起的誤差。但是，這種 方法將透過(guò)率值固定在2 6 0 u r n 、2 7 3 u r n 處來(lái)計(jì)算羥基含量，實(shí)際上，各種樣品 在2 5 0 u m 3 5 0 u m 處透過(guò)率曲線(xiàn)不盡相同，有時(shí)2 6 0 u m 、2 7 3 u m 處透過(guò)率值并 不能全部代表因羥基而產(chǎn)生的吸收。這樣會(huì)帶來(lái)一些誤差。 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 第二章系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 2 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 整個(gè)系統(tǒng)包括：?jiǎn)紊t外光發(fā)射系統(tǒng)光接收系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。其 中單色紅外光發(fā)射系統(tǒng)包括中紅外激光二極管、調(diào)制盤(pán)及步進(jìn)電機(jī)和聚光透鏡等 部分。光接收系統(tǒng)包括碲鎘汞探測(cè)器、接收電路、數(shù)據(jù)采集等部分。計(jì)算機(jī)控制 系統(tǒng)包括p c 機(jī)上運(yùn)行的控制軟件系統(tǒng)，單片機(jī)控制系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如下圖3 - 1 所示： 圖2 - 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 中紅外激光二極管發(fā)出的單色激光具有發(fā)散角很小的特性，在短距離內(nèi)近似 平行光束，經(jīng)光纖引出后射在樣品上再經(jīng)過(guò)透鏡聚光射在探測(cè)器的光敏接收面上。 根據(jù)光的吸收定律，檢測(cè)出被測(cè)樣品的羥基含量。 在檢測(cè)系統(tǒng)中，為了抑制背景光和放大器帶來(lái)的低頻噪聲( 主要在幾百赫茲 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 以下比較嚴(yán)重) ，要對(duì)紅外光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn) 對(duì)光束的調(diào)制，調(diào)制頻率為2 5 0 h z 。 系統(tǒng)工作置于p c 機(jī)的控制之下。通過(guò)軟件控制調(diào)制盤(pán)的運(yùn)轉(zhuǎn)和電信號(hào)的數(shù)據(jù) 采集。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，即可獲得石英玻璃中羥基的含量。 2 2鎖相放大器的原理 2 2 1鎖相放大器的工作原理 由于中紅外激光二極管發(fā)出的光強(qiáng)度很弱，經(jīng)過(guò)探測(cè)器后轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)是 很弱的( 一般是u v 甚至n v 級(jí)別) ，而電子元器件產(chǎn)生的噪聲如低頻噪聲等均遠(yuǎn) 遠(yuǎn)大于有效信號(hào)，所以要想檢測(cè)出有用的信號(hào)，需要采用弱信號(hào)檢測(cè)的方法。常 用的弱信號(hào)檢測(cè)方法有鎖相放大法，下面介紹其基本原理。 通常對(duì)于幅度較小的直流信號(hào)或慢變信號(hào)，為了防止低頻噪聲和直流放大的 直流漂移( 例如運(yùn)放輸入失調(diào)電壓的溫度漂移) 的不利影響，一般都使用調(diào)制器 或斬波器將其變換成頻率為6 0 0 的交流信號(hào)后，再進(jìn)行放大和處理，用中心頻率 為。o 的帶通濾波器抑制寬帶噪聲，提高信噪比，之后再進(jìn)行解調(diào)和低通濾波， 以得到放大了的被測(cè)信號(hào)。但是要達(dá)到足夠的信噪比，用于提高信噪比的帶通濾 波器的帶寬必須非常窄，q 值( q = 。o 8 ，b 為帶寬) 必須非常高，這在實(shí)際上 往往很難實(shí)現(xiàn)。而且q 值太高的帶通濾波器往往不穩(wěn)定，溫度，電源電壓的波動(dòng) 均會(huì)使濾波器的中心頻率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其通頻帶不能覆蓋信號(hào)頻率，使得 測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定可靠地進(jìn)行測(cè)量。在這種情況下，利用鎖相放大器能很好地解 決上述問(wèn)題。 鎖相放大器抑制噪聲有三個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)： 、用調(diào)制器將直流或慢變信號(hào)的頻譜遷移到調(diào)制頻率6 0 0 處，再進(jìn)行選頻 放大，以避開(kāi)低頻噪聲的不利影響。 、利用相敏檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)過(guò)程，可以同時(shí)利用頻率m o 和相 角0 進(jìn)行檢測(cè)，噪聲與信號(hào)同頻又同相的概率很低。 、用低通濾波器而不是用帶通濾波器來(lái)抑制寬帶噪聲。低通濾波器的頻帶 可以做的很窄，而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于帶通濾 波器。 鎖相放大器對(duì)信號(hào)頻譜進(jìn)行遷移的過(guò)程如圖2 2 所示。為了便于理解，設(shè)被 測(cè)信號(hào)為： x ( t ) = v 。c o s ( t o o t + 曰) ( 2 1 ) 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 參考信號(hào)為： r ( t ) = v 舯s ( t ) ( 2 2 ) 式中。o 是被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的頻率，0 是它們之問(wèn)的相位差，0 可能是 由信號(hào)頻率的變化量造成的。將式( 2 - i ) 和( 2 - 2 ) 相乘可以得到： u p ( t ) = x ( t ) r ( t ) = v s c o s ( ( 0 0 t + 口) v i c o s ( ( 0 0 t ) = 0 5 v ，v , c o s 口+ 0 5 v , v , c o s ( 2 c o o t + 口) ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 結(jié)果的第一項(xiàng)為乘積的差頻分量，第二項(xiàng)為和頻分量，式( 2 - 3 ) 說(shuō)明經(jīng)過(guò)相敏檢測(cè)器后，原來(lái)頻率為。o 的信號(hào)的頻譜遷移到了6 0 = 0 和t o - - - - = 2 o 處，如圖2 2 ( b ) 所示( 圖中未畫(huà)出2 o 處頻譜曲線(xiàn)) ，頻譜遷移后保持原譜形 狀，幅度取決于被測(cè)信號(hào)的幅度v 。和參考信號(hào)的幅度v r 。 ；( m ) |湍 弓 ( a ) 0 0 功茫1!i 圖2 2鎖相放大器對(duì)信號(hào)頻譜進(jìn)行遷移的過(guò)程 ( a ) 調(diào)制過(guò)程( b ) 相敏檢測(cè)過(guò)程 在上圖中首先調(diào)制過(guò)程將低頻信號(hào)v 。乘以頻率為u0 的余弦載波( 參式2 1 ) ， 從而將其頻譜遷移到調(diào)制頻率6 00 兩邊，之后選取交流特性好的運(yùn)放對(duì)信號(hào)進(jìn)行 選頻放大，這樣就不會(huì)把低頻噪聲和低頻漂移也放大了，如圖2 - 2 ( a ) 所示。圖 中的虛線(xiàn)表示低頻噪聲和白噪聲的功率譜密度。經(jīng)交流放大后，再用相敏檢測(cè)器 ( p s d ) 將其頻譜遷移到直流( = o ) 的兩邊，用窄帶低通濾波器( l p f ) 濾除 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 噪聲，就得到高信噪比的放大信號(hào)，如圖2 2 ( b ) 所示，圖中用虛線(xiàn)表示l p f 的 頻率響應(yīng)曲線(xiàn)。只要l p f 的帶寬足夠窄，就能有效地改善信噪比。相敏檢測(cè)器的 輸出u p ( t ) 在經(jīng)過(guò)圖2 2 中的低通濾波器l p f 后式( 2 3 ) 中的和頻分量被濾除， l p f 通帶之外的噪聲也被濾除，得到的輸出為： u o ( t ) = 0 5 v & c o s 矽 ( 2 4 ) 式2 4 說(shuō)明，l p f 的輸出正比于被測(cè)信號(hào)的幅度v 。，同時(shí)正比于被測(cè)信號(hào)與 參考信號(hào)的相位差0 的余弦函數(shù)。當(dāng)口= o 時(shí)，輸出u o ( t ) 最大，從而實(shí)現(xiàn)了鑒 幅又鑒相。 2 2 2 鎖相放大器的基本結(jié)構(gòu) 鎖相放大器的基本結(jié)構(gòu)如圖2 3 所示，包括信號(hào)通道、參考通道、相敏檢測(cè) 器( p s d ) 和低通濾波器( l p f ) 等。 信號(hào)通道對(duì)調(diào)制后交流信號(hào)輸入進(jìn)行交流放大，將微弱信號(hào)放大到足以推動(dòng) 相敏檢測(cè)器工作的電平，并且要濾除部分干擾和噪聲，以提高相敏檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范 圍。因?yàn)閷?duì)不同的測(cè)量對(duì)象要采用不同的傳感器，傳感器的輸出阻抗各不相同。 為了得到最佳噪聲特性，信號(hào)通道的輸入阻抗要能與相應(yīng)的傳感器輸出阻抗相匹 配。 參考輸入一般是等幅正弦信號(hào)或者方波開(kāi)關(guān)信號(hào)，它可以是從外部輸入的某 種周期信號(hào)，也可以是系統(tǒng)內(nèi)原先用于調(diào)制的載波信號(hào)或用于斬波的信號(hào)。本系 統(tǒng)中的參考信號(hào)由單片機(jī)c 8 0 5 1 f 3 4 0 產(chǎn)生。參考通道對(duì)參考輸入進(jìn)行放大或衰減， 以適應(yīng)相敏檢測(cè)器對(duì)幅度的要求。參考通道的另一個(gè)重要功能是對(duì)參考輸入進(jìn)行 移相處理，以使各種不同相移信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果達(dá)到最佳。 p s d 其實(shí)就是一個(gè)模擬乘法器，將參考信號(hào)r ( t ) 和有用信號(hào)x ( t ) 相乘進(jìn) 行相敏檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)圖2 2 所示的頻譜遷移過(guò)程。將x ( t ) 的頻譜從u = 。o 處 遷移到( 1 ) = 0 處，再經(jīng)l p f 濾除噪聲，其輸出u o ( t ) 對(duì)x ( t ) 的幅度和相位都敏 感，這樣就達(dá)到了既鑒幅又鑒相的目的。因?yàn)閘 p f 的頻帶可以做的很窄，所以可 使鎖相放大器達(dá)到較大的信噪比。 信號(hào)輸入 參考輸入 圖2 - 3鎖相放大器的基本結(jié)構(gòu) 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 2 3整體電路設(shè)計(jì) 2 3 1電路整體結(jié)構(gòu) 信號(hào) 圖2 - 4電路整體結(jié)構(gòu)圖 1 i i l i i i i i i j 電路整體結(jié)構(gòu)如上圖所示，包括調(diào)制電路，探測(cè)器電路，接收電路三大塊， 調(diào)制電路用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤(pán)對(duì)輸入光信號(hào)進(jìn)行斬波調(diào)制，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈 沖信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，調(diào)制頻率取2 5 0 h z 。光電檢測(cè)電路用一個(gè)5 0 0 m a 的恒流源 驅(qū)動(dòng)碲鎘汞探測(cè)器的制冷器，使碲鎘汞探測(cè)器工作在低溫狀態(tài)下，提高器件的探 測(cè)率，用一個(gè)l m a 的恒流源來(lái)直流偏置探測(cè)器芯片，使光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換為電壓 的變化。接收電路則包括前置放大器，動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大電路和相敏檢測(cè)電路三部分， 動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大電路是在事先不知道信號(hào)大小的情況下對(duì)其放大范圍進(jìn)行智能調(diào)整 的電路，相敏檢測(cè)功能則由相敏檢波模塊c d 5 0 5 r 2 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中參考信號(hào)由 單片機(jī)的可編程陣列p c a 來(lái)產(chǎn)生，其在硬件上完全獨(dú)立，可以同步輸出與被測(cè)信 號(hào)同頻同相的參考信號(hào)。最后得到直流輸出電壓由a d 采集后送入單片機(jī)中存儲(chǔ)， 并用p c 機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。 2 3 2調(diào)制電路 2 3 2 1 電路綜述 為了將直流信號(hào)變?yōu)榻涣餍盘?hào)，需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制的原則是越早越好， 盡量避免引入更多噪聲。所以調(diào)制要在入射光射入探測(cè)器之前進(jìn)行，這樣比起對(duì) 當(dāng)光信號(hào)進(jìn)入探測(cè)器后轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)進(jìn)行調(diào)制要大大降低噪聲。由于步進(jìn)電機(jī) 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 具有定位精確，而且無(wú)累積誤差，可用單片機(jī)進(jìn)行控制等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)中采用了步 進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤(pán)的方式來(lái)對(duì)入射光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。綜合考慮到步進(jìn)電機(jī)的特性 和調(diào)制盤(pán)的尺寸還有低頻噪聲的特點(diǎn)，選取調(diào)制頻率為2 5 0 h z ，下面具體討論器 件的選擇和參數(shù)的確定。 2 3 2 2 步進(jìn)電機(jī)的選擇和調(diào)制盤(pán)參數(shù)確定 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或者線(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件，在非超 載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速，停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不 受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，這一線(xiàn) 性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使得在速 度位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變得非常簡(jiǎn)單。 步進(jìn)電機(jī)有下面兩個(gè)最重要的參數(shù)： 1 、電機(jī)固有步距角： 它表示控制系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí) 都固定給出了一個(gè)步距角的值，如本次所選的2 3 h 2 8 0 - - 0 1 e a 型電機(jī)給出的值為 1 8 0 ( 表示半步工作時(shí)為0 9 0 、整步工作時(shí)為1 8 0 ) ，這個(gè)步距角可以稱(chēng)之為電機(jī) 固有步距角，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器 有關(guān)。 2 、矩頻曲線(xiàn) 電機(jī)在某種測(cè)試條件下測(cè)得運(yùn)行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線(xiàn)稱(chēng)為運(yùn)行矩頻 特性。2 3 h 2 8 0 - - 0 1 e a 的矩頻特性曲線(xiàn)如下所示： 2 羽您_ o l 譬d i p o l s rb 讎a l l e l ) 3 o a p h u e 聰2 甜 一d c 嚷孵 02 0 0 4 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 s p e e d b l i 幻 圖2 5步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線(xiàn) 上圖是步迸電機(jī)的矩頻特性曲線(xiàn)，從圖中可以看出在d c 為2 4 v 供電時(shí)，當(dāng) 疆撼描黔鰣 營(yíng)。蛩爹囂一 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 步進(jìn)電機(jī)以每分鐘6 0 0 轉(zhuǎn)( 也就是每秒鐘2 0 0 0 步) 的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩也 能達(dá)到約為o 6 n m ，對(duì)于本系統(tǒng)中選用的調(diào)制盤(pán)，能夠很輕易的驅(qū)動(dòng)。 接下來(lái)討論調(diào)制盤(pán)參數(shù)的確定，本系統(tǒng)中采用了一塊直徑為8 5 m m ，厚度為 2 m m 的調(diào)制盤(pán)，上面等間隔開(kāi)有2 5 個(gè)小孔，小孔的直徑為4 8 m m ，小孔中心到 圓盤(pán)中心間距為3 5 m m ，每個(gè)小孔對(duì)應(yīng)圓盤(pán)中心的張角為7 2 0 ，剛好是步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)4 步的角度。 確定的依據(jù)有如下兩條： l 、激光光源是通過(guò)光纖接口輸入并被調(diào)制的，光纖頭內(nèi)部直徑約為1 2 m m 左右，若是將調(diào)制盤(pán)小孔直徑取為4 8 m m ，則在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)4 步的角度內(nèi)光纖 頭出來(lái)的光都能通過(guò)調(diào)制盤(pán)被探測(cè)器接收，然后在下4 步光被調(diào)制盤(pán)擋住，探測(cè) 器沒(méi)有接收到光信號(hào)。從而對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率和光調(diào)制頻率 的關(guān)系如圖2 - 6 所示，若是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率為2 0 0 0 h z ( 也就是2 0 0 0 步秒 = 6 0 0 轉(zhuǎn)分) ，則光調(diào)制頻率為2 0 0 0 8 = 2 5 0 h z 2 、調(diào)制盤(pán)在所開(kāi)的孔直徑為4 8 m m ，而孔兩邊切線(xiàn)對(duì)圓盤(pán)中心張角為7 2 0 情況下可以算出圓盤(pán)直徑約為8 5 m m ，由于圓盤(pán)采用鋁板制作，重量很輕，步進(jìn) 電機(jī)在6 0 0 轉(zhuǎn)分的轉(zhuǎn)速下其輸出力矩較大，能輕易帶動(dòng)調(diào)制盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)而不會(huì)失步。 圖2 - 6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率和光調(diào)制頻率的關(guān)系 2 3 2 3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī)要加上合適的驅(qū)動(dòng)電路才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電路中采用了與2 3 1 - 1 2 8 0 - - 0 l e a 步進(jìn)電機(jī)配套的c w 2 3 0 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它的性能特點(diǎn)如下： 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 電源電壓1 0 4 0 v 單電壓直流供電 輸入信號(hào)與r r l 電平兼容 有1 2 個(gè)引腳其功能如下： v c c + ，g n d 端為外接直流電源 a 十，a - 端接步進(jìn)電機(jī)a 相 b + ，b 端接步進(jìn)電機(jī)b 相 c p + 、c p 端為步進(jìn)脈沖輸入端，接單片機(jī)來(lái)控制 c w + 、c w - 端控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向，通過(guò)控制端子電平可改變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 方向 r e s t + ，r e s t - 是急停復(fù)位端，可以讓步進(jìn)電機(jī)復(fù)位到初始位置 能控制電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)，有2 、4 、8 、1 6 、3 2 、“等細(xì)分?jǐn)?shù)選擇 2 3 2 4 實(shí)現(xiàn)電路 整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電路如下圖所示： 圖2 7步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 如圖2 7 所示，用單片機(jī)的三個(gè)i o 口p 2 0 ，p 2 1 ，p 2 2 分別產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的 脈沖信號(hào)、方向信號(hào)和復(fù)位信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)采用兩相四線(xiàn)的并聯(lián)接法。 2 3 3探測(cè)器電路 2 3 3 1 碲鎘汞探測(cè)器的使用 目前，紅外探測(cè)器主要有硫化鉛( p b s ) 、銻化銦( i n s b ) 和碲鎘汞( h g c d t e ) 等。本系統(tǒng)中采用了碲鎘汞紅外探測(cè)器。 碲鎘汞是一種應(yīng)用非常廣泛的紅外光電導(dǎo)探測(cè)器。根據(jù)材料組分的變化，可 以制作出適宜不同波長(zhǎng)窗口的探測(cè)器，如1 3 t l m ，3 5 u m ，8 1 4 u m 。隨著激光 通信、遙感、測(cè)距等應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，對(duì)著三個(gè)大氣透明窗口的開(kāi)拓和利用顯得 越來(lái)越重要，所以碲鎘汞探測(cè)器受到特別重視，成為目前光電導(dǎo)探測(cè)器中研究最 多、發(fā)展最快的器件之一。光電導(dǎo)碲鎘汞探測(cè)器具有內(nèi)增益m 較大( 可達(dá)5 0 1 0 0 ) 、響應(yīng)率高、響應(yīng)頻帶寬、并且易于與前置放大器連接等優(yōu)點(diǎn)。截止波長(zhǎng)為 4 u m 時(shí)，工作于室溫的探測(cè)器峰值探測(cè)率d ?？蛇_(dá)1 0 1 0 瓊斯，在制冷的條件下， 探測(cè)器的探測(cè)率d ?？商岣遧 2 個(gè)數(shù)量級(jí)，峰值波長(zhǎng) 。向長(zhǎng)波延伸。因此，碲鎘 汞探測(cè)器特別適合于本設(shè)計(jì)中微弱激光信號(hào)的檢測(cè)。 光電導(dǎo)探測(cè)器的特性受工作溫度影響很大，主要原因是溫度升高時(shí)，熱激發(fā) 載流予增多，除了使熱噪聲增加外，還使光生載流子壽命下降( 復(fù)合率增大) ，從 而使光電導(dǎo)器件靈敏度降低。此外，隨著工作溫度的升高，光譜響應(yīng)的峰值將向 短波方向移動(dòng)。因此，為了保證這種光電導(dǎo)探測(cè)器具有較高靈敏度，大多數(shù)情況 下都需要制冷。尤其對(duì)在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)工作的器件，則需要深低溫工作條件，以減小 熱激發(fā)所引起的熱噪聲。 系統(tǒng)選用來(lái)探測(cè)微弱激光的是3 5 u m 窗1 2 1 碲鎘汞紅外探測(cè)器，峰值波長(zhǎng) 。 - - - - 2 5 u m ，截止波長(zhǎng) 。- - - - 4 2 u m 。其他參數(shù)見(jiàn)下表： 表2碲鎘汞紅外探測(cè)器參數(shù)表 光敏面積：8 0 0 8 0 0 u r n 2制冷：二級(jí)半導(dǎo)體 工作溫度：2 6 6 k電阻：3 9 0 kq 輻照度：8 7 6 u w c m 2輻射孔：中= o 8 c m黑體溫度= 5 0 0 k 測(cè)試頻率：1 k h z 距離：4 0 c m ( 輻射孔與探測(cè)器問(wèn)) i b 蟛v n ( 1 k h z ) s n r沁d + 1 0 l o ( i r a ) 1 0 4 v1 0 。v啪c m v h z 廠w 1 02 44 4 35 4 24 23 1 3 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 其中：k ：偏置電流：信號(hào)電壓 s n r ：信噪比沁：截止波長(zhǎng) v n ：噪聲電壓 d ：比探測(cè)率 探測(cè)器自身集成了微型熱電制冷器制冷，來(lái)提供敏感元件與環(huán)境的溫差。具 有室溫工作、靈敏度高、響應(yīng)快、高可靠與穩(wěn)定性、制冷快、方便易用等特點(diǎn)。 另外，在制冷器的冷面上還裝有測(cè)溫元件，以便于測(cè)定和控制芯片的工作溫度。 當(dāng)對(duì)制冷器通以5 0 0 m a 的恒流時(shí)能將芯片制冷至一1 8 ，充分發(fā)揮其優(yōu)異的探測(cè) 性能。 此外，使用碲鎘汞紅外探測(cè)器有如下注意事項(xiàng)： ( 1 ) 探測(cè)器有三組引線(xiàn)，每組用顏色標(biāo)識(shí)，第一組是鉑電阻引線(xiàn)( 無(wú)極性) ， 第二組是制冷器引線(xiàn)( 有正負(fù)極性) ，第三組是探測(cè)器引線(xiàn)( 無(wú)極性) ，引線(xiàn)不能 錯(cuò)接，否則會(huì)損傷器件。 ( 2 ) 探測(cè)器采用二級(jí)半導(dǎo)體制冷器，制冷器需加5 0 0 m a 直流電流，加電有極 性，不能錯(cuò)接( 引線(xiàn)有正負(fù)標(biāo)志) ，否則不是制冷而是加熱。在5 0 0 m a 偏流下，如 果散熱良好，可把探測(cè)器制冷到一1 8 ( 即2 5 5 k ) 左右，環(huán)境溫度和制冷溫度的 最大溫差能達(dá)到5 5 。 ( 3 ) 鉑電阻引出線(xiàn)是用來(lái)測(cè)量制冷溫度的，可以用數(shù)字萬(wàn)用表電阻檔測(cè)量電 阻，在室溫下鉑電阻在1 0 0q 左右，電阻隨溫度下降而下降，參見(jiàn)表3 。 ( 4 ) 由于半導(dǎo)體制冷器有功耗，因此需要在集成探測(cè)器上外加散熱片。散熱 片面積越大散熱效果越好，一般制冷器工作后溫度穩(wěn)定在一1 8 c 左右，散熱片接 近室溫即可。散熱效果差會(huì)影響制冷溫度。在散熱片與探測(cè)器之間涂一層導(dǎo)熱硅 膠可以改善散熱效果。 ( 5 ) 探測(cè)器引線(xiàn)( 器件引線(xiàn)) 與前放輸入線(xiàn)連接。使用電烙鐵連接或者斷開(kāi) 探測(cè)器引線(xiàn)進(jìn)行焊接時(shí)，電烙鐵不能帶電操作( 拔掉電源插頭) ，否則容易損壞探 測(cè)器。 ( 6 ) 器件外殼接地、采用屏蔽電纜等可保護(hù)探測(cè)器不受額外噪聲源的影響， 另外將芯片一端與制冷器一端相接( 共地) ，可有效減少干擾。 表3p t l 0 0 鉑電阻值( q ) 溫度( ) 對(duì)照表 溫度 一l一23 4 56 78 ( ) 鉑電阻 9 9 6 19 9 2 29 8 8 39 8 4 49 8 0 49 7 6 59 7 2 69 6 8 7 ( q ) 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 2 3 3 2 探測(cè)器電路的實(shí)現(xiàn) 碲鎘汞探測(cè)器的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)。在一定光照下，加在碲鎘汞探 測(cè)器兩端的電壓與流過(guò)光電導(dǎo)探測(cè)器的亮電流之間的關(guān)系稱(chēng)為碲鎘汞探測(cè)器的伏 安特性，常用曲線(xiàn)表示，如圖2 8 所示： 由圖可知，這是一組以輸入光功率為參量的通過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)組，在一定范圍 內(nèi)碲鎘汞探測(cè)器阻值不隨外電壓改變，僅取決于光照度e 。圖中的虛線(xiàn)為額定功 耗線(xiàn)p 。使用碲鎘汞探測(cè)器時(shí)，應(yīng)不使電阻的實(shí)際功耗超過(guò)額定值，即不使靜態(tài) 工作點(diǎn)居于虛線(xiàn)以外的區(qū)域。按這一要求，在設(shè)計(jì)負(fù)載電阻時(shí)，應(yīng)不使負(fù)載線(xiàn)與 額定功耗線(xiàn)相交。 圖2 8碲鎘汞探測(cè)器的伏安特性關(guān)系曲線(xiàn) 碲鎘汞探測(cè)器通常用半導(dǎo)體材料制成。入射光子的能量被探測(cè)器內(nèi)部的載流 子吸收后，改變載流子的濃度，從而使探測(cè)器的電阻值發(fā)生改變。為了使光輻射 引起的碲鎘汞探測(cè)器電阻的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，必須給碲鎘汞探測(cè)器施加一定的 電偏置，從而得到與入射光輻射信號(hào)相應(yīng)的電信號(hào)。通常，碲鎘汞探測(cè)器的直流 偏置電路原理如圖2 - 9 所示。 ： 圖2 - 9碲鎘汞探測(cè)器的直流偏置電路原理 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 圖中，凡為光電導(dǎo)探測(cè)器的暗電阻，用一個(gè)恒流源作為其偏置電流，這個(gè)電 流值受探測(cè)器的額定功率限制，必須折中考慮響應(yīng)率和安全性。在本系統(tǒng)中取其 值為l m a 。它基本上不隨心值變化( 即光輻射變化) 而變化。信號(hào)從a 點(diǎn)取出， 送到前置放大器進(jìn)行后續(xù)處理。 整個(gè)探測(cè)器部分電路分成兩個(gè)模塊，一個(gè)模塊是5 0 0 m a 的恒流源，用來(lái)對(duì)探 測(cè)器的制冷器進(jìn)行制冷偏置，另外一個(gè)模塊是l m a 的恒流源，用來(lái)作為探測(cè)器的 偏置電流。具體電路如下所示： 5 0 0 m a 恒流源電路如圖2 1 0 所示，電路中用到了三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器 l m 3 1 7 ，它是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路，是使用極 為廣泛的一類(lèi)串連集成穩(wěn)壓器。l m 3 1 7 有三只引腳，即輸入端v i n 、輸出端v o 。 和調(diào)整端a d j ，l m 3 1 7 并沒(méi)有固定的輸出電壓，但是它控制v o 。和a d j 引腳間的 電位差為1 2 5 v 。在圖中，只要調(diào)節(jié)可變電阻器r l 的阻值，使其阻值變?yōu)? 5 q ， 則流過(guò)r 1 的電流就會(huì)是穩(wěn)定的5 0 0 m a ，而a d j 端會(huì)有大約5 0 u a 的電流流出， 可以忽略不計(jì)，則流過(guò)負(fù)載r l 的電流就是穩(wěn)定的5 0 0 m a ，這個(gè)電流剛好用來(lái)給探 測(cè)器的制冷器偏置進(jìn)行制冷。圖中兩個(gè)電容的加入能大幅度提高抗紋波的能力， 二極管起保護(hù)作用，當(dāng)三端穩(wěn)壓器輸出端對(duì)地短路時(shí)，提供一個(gè)放電通路，從而 保護(hù)三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器。 圖2 1 05 0 0 m a 恒流源 l m a 恒流源電路如圖2 - 1 1 所示，圖中l(wèi) m 3 3 4 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 三端可調(diào)恒流源器件，恒流特性非常好， 工作電流內(nèi)恒流源可調(diào)范圍比為1 0 0 0 0 ： 具有1 v 到4 0 v 的寬動(dòng)態(tài)電壓范圍。在 1 ，輸出恒定電流的調(diào)節(jié)范圍是1 u a 1 0 m a ，電流調(diào)整率達(dá)o 0 2 c ，僅接外部設(shè)定電阻時(shí)電流溫度系數(shù)為+ o 3 3 ， 若再增加一只硅二極管和一只電阻，利用硅p n 結(jié)的溫度系數(shù)對(duì)l m 3 3 4 的正溫度 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，即可構(gòu)成接近零溫漂的恒流源。它有三個(gè)引腳，第一腳r 是電流 設(shè)定端，第二腳v + 接電源，第三腳v 一接恒流電源輸出。圖中硅二極管i n 4 5 7 的的正向偏壓為負(fù)溫度系數(shù)( 約為一2 5 m v c ) ，而l m 3 3 4 為正溫度系數(shù)( 約+ o 2 3 m v ) ，通過(guò)查l m 3 3 4 的d a t a s h e e t 可知，當(dāng)r 2 r 1 = 1 0 1 時(shí)，恒流源的溫度 系數(shù)為0 。而當(dāng)r 2 = 1 3 4 0 q 時(shí)，電路就構(gòu)成一個(gè)非常穩(wěn)定的l m a 恒流源。 2 3 4接收電路 圖2 1 1l m a 恒流源 2 3 4 1 電路總體結(jié)構(gòu) 電信號(hào) 圖2 1 2接收電路整體結(jié)構(gòu) 如上圖所示是接收電路的總體結(jié)構(gòu)，光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)后進(jìn)入前置放大器進(jìn) 行放大，這里前置放大器是與碲鎘汞探測(cè)器相配合的低噪聲前置放大器模塊，抗 干擾能力非常強(qiáng)，噪聲電壓典型值小于1 5 n v h z 怩，放大倍數(shù)為1 3 6 7 倍，只能 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 放大交流信號(hào)。由于光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)一般是u v 級(jí)別甚至更小比如n v 級(jí)別， 所以通過(guò)前放放大后往往電壓值還是很小，還需要進(jìn)行二級(jí)放大，所以電信號(hào)在 經(jīng)過(guò)前置放大器放大后通過(guò)一個(gè)可編程放大電路，以調(diào)節(jié)其動(dòng)態(tài)范圍，使輸出的 電壓值盡量靠近a d 采集芯片的最大量程，便于后續(xù)數(shù)據(jù)的處理。相敏檢測(cè)模塊 是電路的核心部分，這里選用了日本n f 公司的c d 5 0 5 r 2 芯片，只要外接少量的 阻容元件就能方便構(gòu)成一個(gè)鎖相放大器，這里鎖相放大器的參考信號(hào)是由單片機(jī) 來(lái)提供的，電信號(hào)與參考信號(hào)相關(guān)運(yùn)算后的輸出信號(hào)直接進(jìn)入a d 采集芯片進(jìn)行 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后用單片機(jī)存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)。 2 3 4 2 微控制器的選用 本系統(tǒng)中微控制器采用了s i l a b s 公司的c 8 0 5 1 f 3 4 0 增強(qiáng)型單片機(jī)。c 8 0 5 1 單 片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片( s o c ) ，具有與8 0 5 1 兼容的高速c i p 一5 1 內(nèi)核，與m c s 5 1 指令集完全兼容。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8 0 5 1 的數(shù)字外設(shè)部件之外，片 內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。 這些外設(shè)或功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、a d c 、d a c 、電 壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、s m b u s 、i 2 c 、u a r t 、s p i 、定時(shí)器、可編 程計(jì)數(shù)器、定時(shí)器陣列( p c a ) 、數(shù)字i o 端口、電源監(jiān)視器、看門(mén)狗定時(shí)器( w d t ) 和時(shí)鐘振蕩器等。下圖所示就是c 8 0 5 1 f 3 4 0 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 圖2 1 3c 8 0 5 1 f 3 4 0 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 c 8 0 5 1 f 3 4 0 在本系統(tǒng)中用到的一些特性如下： 1 、有五個(gè)i o 口p o 、p l 、p 2 、p 3 、p 4 ，而這些口除了作為i o 口使用外，大 多數(shù)引腳都具有第二功能，這些功能的使用是通過(guò)芯片內(nèi)部的交叉開(kāi)關(guān)配置寄存 器來(lái)進(jìn)行配置的，在開(kāi)始一定要先列出希望使用的功能，然后根據(jù)優(yōu)先級(jí)別將這 些功能分配給某幾個(gè)引腳，一旦分配好后就不能再更改了。優(yōu)先權(quán)交叉開(kāi)關(guān)的譯 碼表如下圖所示： 圖2 1 4c 8 0 5 1 f 3 4 0 引腳分配表 在圖中第一列里面p i ni o 中列出的就是引腳的第二功能，對(duì)于這些功能的優(yōu) 先級(jí)別是從上到下依次降低的，比如說(shuō)如果選中了串口通信功能t x 0 和r x 0 ，則 這兩個(gè)功能就被分配給p 0 4 和p o 5 引腳，若沒(méi)有用這兩個(gè)功能的話(huà)則p 0 4 和p o 5 引腳可能就被分配給s d a 和s c l 功能。 2 、有一個(gè)可編程的1 6 位計(jì)數(shù)器定時(shí)器陣列( p c a ) ，這部分在硬件上是單獨(dú) 集成的一個(gè)模塊，只需要c p u 少數(shù)的干預(yù)就能工作，通過(guò)簡(jiǎn)單的幾條指令就能將 其配愛(ài)為一個(gè)占空比為1 ：1 的方波發(fā)生器，其輸出的方波做為后面相敏檢測(cè)模塊 c d 5 0 5 r 2 的參考方波輸入和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，使二者嚴(yán)格同頻同 相。 3 、集成了串行外設(shè)接口s p i ，提供了一個(gè)非常靈活的4 線(xiàn)全雙工串行總線(xiàn)。 石英玻璃羥基含量測(cè)量方法的研究與應(yīng)用 在本系統(tǒng)中s p i 功能用來(lái)設(shè)定數(shù)字電位器m a x 5 4 3 6 的電阻值 4 、支持片內(nèi)j t a g 調(diào)試，能夠非常方便的進(jìn)行在線(xiàn)仿真，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于使用 i c e 芯片、目標(biāo)仿真頭和插座的仿真器。 5 、引腳數(shù)目比較多，可以直接和a d 采集芯片m a x l 7 4 進(jìn)行非復(fù)用方式的 連接，節(jié)省了硬件上的額外開(kāi)銷(xiāo)。 2 3 4 3 動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)大 由于在本系統(tǒng)中傳感器感知信號(hào)很微弱，光電轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)一般是u v 甚 至n v 級(jí)別的信號(hào)，對(duì)這樣的信號(hào)進(jìn)行采集，為了保證精度，需用信號(hào)調(diào)理電路對(duì) 傳感器輸出的大動(dòng)態(tài)模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行壓縮，將信號(hào)的變化幅度調(diào)整到 j 切) 電路所需要的范圍。 為了提高測(cè)量精度，滿(mǎn)足傳感器輸出的微小信號(hào)在各種狀態(tài)下放大調(diào)節(jié)的要 求，同時(shí)也為了能夠有效地抑制干擾信號(hào)和可靠地檢測(cè)出有用信號(hào)，常常需要根 據(jù)測(cè)量信號(hào)的特點(diǎn)、選用高精度的測(cè)量放大器和合適的濾波器。在事先不知道被 測(cè)信號(hào)大小的情況下，一般用微控制器進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)控制放大器的放大倍數(shù) 使信號(hào)調(diào)到最佳，從而獲得最佳的測(cè)量數(shù)據(jù)。 本系統(tǒng)中直接利用集成程控增益放大器p g a 2 0 2 來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理電路。 p g a 2 0 2 是美國(guó)b u r r - b r o w n 公司生產(chǎn)的一款程控儀表放大器，該芯片的 性能特點(diǎn)如下： 數(shù)字可編程控制增益： 增益倍數(shù)為1 ，1 0 ，1 0 0 ，1 0