紫外輻射測量電學定標裝置的製作方法
2023-04-29 18:48:21 1
專利名稱：紫外輻射測量電學定標裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及測量技術，特別是涉及一種用於測量紫外光輻射功率的電學定標精確測量技術。
背景技術：
我國現有的輻射測量標準是基於探測器的腔型熱電堆，另一個標準是基於光源的黑體，但它們都難以用於紫外波段，並且測量的誤差也較大。目前對紫外輻射功率的測量有兩種方法，一是使用標準光源，一是使用標準探測器。這兩種方法都要經過一系列的量值，從而使得傳遞的累積誤差不斷增加，影響了最終測量的結果。
實用新型內容針對上述現有技術中存在的缺陷，本實用新型要解決的技術問題是提供一種具有精度高，靈敏度高，光譜測量範圍廣的紫外輻射測量電學定標裝置。
為了解決上述技術問題，本實用新型所提供的一種紫外輻射測量電學定標裝置，包括主測量電路部分、高穩定光學斬波器和紫外增強型熱釋電探頭；其中，主測量電路部分光電自動平衡系統以及數據採集和功率計算系統組成；光電自動平衡系統，由前置放大器、選頻放大器、同步整流器、補償積分器、方波調製器和平衡驅動器組成，其輸入端的前置放大器連接熱釋電探頭，其輸出端的平衡驅動器連接並控制熱釋電探測器以電學方式加熱，其功能是用於完成對輸入光信號的轉換和對電信號的調理，實現系統對信號變換的控制。
數據採集和功率計算系統，由電流電壓轉換電路、A/D模數轉換電路和單片機控制電路組成，其輸入端的電流電壓轉換電路連接光電自動平衡系統的電加熱輸出端，其功能是用於與光功率值相等的電功率值數據的採集、轉換、修正、存儲和顯示。
高穩定光學斬波器使用高精度，高穩定性的同步電機，以保證調製盤的平衡；不僅能夠將光信號進行調製後照射到熱釋電探測器，而且能夠為鎖相電路提供參考信號；當斬波器通光時，紫外光輻射到紫外增強型熱釋電探測器金黑層表面上，使得探測器輸出相應的電信號；當斬波器切斷光路時，紫外光輻射不再加熱探測器表面，而伺服系統(光電自動平衡系統)產生的電流脈衝通過探測器表面的金黑層，這時由電加熱作用導致熱釋電探測器產生信號。伺服系統(光電自動平衡系統)隨光加熱信號不斷增加而使加熱電流幅度也不斷增加，當兩種加熱信號相等時，也就是說探測器表面的溫度達到平衡，這時探測器輸出為零。此刻，光加熱功率就等於電加熱功率，由數據採集和功率計算系統測量電功率值就可以得到光功率值，最後將電功率進行數位化處理並顯示出來。當然由於各種誤差的存在，進行綜合考慮後，對測量值進行分析修正，就得到了最終測量結果。
進一步地，在所述整個定標測量系統中，使用了自動調零的鎖定探測系統，採用50％負載周期和一個窄帶前置放大器，並僅使用電加熱和光加熱的基頻成份匹配；入射輻射和加熱電功率均被調製成14Hz的方波，兩者頻率相同，相位差180度，交替加熱元件，元件輸出的信號的大小與光加熱和電加熱的功率差成正比；測量電加熱功率大小，就可得到光功率值。
進一步地，所述數據採集和功率計算系統的結構包括一電流電壓轉換電路，用於電功率信號的採集、放大、轉換；一A/D模數轉換電路，輸入端連接電流電壓轉換電路的輸出端，用於電功率信號的模數轉換；一單片機控制電路，輸入端連接A/D模數轉換電路的輸出端，用於功率計算和功率修正所述單片機控制電路的輸出端分別連接鍵盤和顯示控制電路、列印輸出電路和接口電路等；一數據存儲電路，與單片機控制電路連接，用於數據採集和功率計算系統的數據存儲。
進一步地，所述紫外增強型熱釋電探頭為懸空結構設計，其材料選用熱釋電係數很高的PMNT弛豫鐵電單晶。
利用本實用新型提供的紫外輻射測量電學定標裝置，由於該裝置可直接把光輻射度量和電量聯繫起來，通過測量電量得到光功率值(注這裡測量的是電加熱探測器和光加熱探測器平衡時的電功率，而不是探測器輸出的電信號值)。而且由於電功率的測量能夠有很高的精度，因此這也就提高了對光功率測量的精度，使測量精度達到1％的不確定度。紫外輻射測量電學定標裝置具有精度高，靈敏度高，光譜範圍可擴展到紫外區等特點。使用這種方法就可以將光學定標的溯源問題轉化為對電學標準的溯源，而不是使用如黑體這種光學標準。這樣就大大提高了精確度。紫外增強型電學定標熱釋電輻射測量裝置可應用於標定探測器、標準燈、輻射黑體、雷射功率計、UV曝光計等許多場合。實際應用中，由於紫外輻射測量電學定標裝置具有高的精度，並能夠很方便的儀器化生產，所以它具有很好的商業化前景和應用推廣價值。
圖1是本實用新型實施例的紫外輻射測量電學定標裝置系統結構示意框圖；圖2是本實用新型實施例中光電自動平衡系統的結構示意框圖；圖3是本實用新型實施例基於單片機的數據採集和功率計算系統的結構示意框圖；圖4是本實用新型實施例中熱釋電靈敏元的結構圖。
具體實施方式
以下結合附圖說明對本實用新型的實施例作進一步詳細描述，但本實施例並不用於限制本實用新型，凡是採用本實用新型的相似結構及其相似變化，均應列入本實用新型的保護範圍。
本實用新型實施例所提供的一種紫外輻射測量電學定標裝置的基本原理是當斬波器通光時，紫外光輻射到紫外增強型熱釋電探測器金黑層表面上，金黑吸收光熱，使得探測器輸出相應的電信號；當斬波器切斷光路時，紫外光輻射不再加熱探測器表面，而伺服系統產生的電流脈衝通過探測器表面的金黑層，這時由電加熱作用導致熱釋電探測器產生信號。伺服系統隨光加熱信號不斷增加而使加熱電流幅度也不斷增加，當兩種加熱信號相等時，也就是說探測器表面的溫度達到平衡，這時探測器輸出為零。此刻，光加熱功率就等於電加熱功率，測量電功率值就可以得到光功率值，最後將電功率進行數位化處理並顯示出來。當然由於各種誤差的存在，進行綜合考慮後，對測量值進行分析修正，就得到了最終測量結果。在整個定標測量系統中，使用了自動調零的鎖定探測系統，採用50％負載周期和一個窄帶前置放大器，並僅使用電加熱和光加熱的基頻成份匹配。入射輻射被調製成14Hz的方波，被探測器表面上的金黑吸收，加熱電功率也被調製成14Hz方波，在金黑電阻上產生電壓，兩者頻率相同，相位差180度，交替加熱元件，元件輸出的信號的大小與光加熱和電加熱的功率差成正比。測量電加熱功率大小，就可得到光功率值。
本實用新型實施例所提供的一種紫外輻射測量電學定標裝置的原理框圖參見圖1所示，其電路結構包括主測量電路部分、高穩定光學斬波器和紫外增強型熱釋電探頭；其中，主測量電路部分由作為模擬伺服系統的光電自動平衡系統以及基於單片機的數據採集和功率計算系統組成；光電自動平衡系統，由前置放大器、選頻放大器、同步整流器、補償積分器、方波調製器和平衡驅動器組成，其輸入端連接熱釋電探頭，其功能是用於完成對輸入光信號的轉換和對電信號的調理，實現系統對信號變換的控制。
光電自動平衡系統原理方框圖如圖2所示；包括
一熱釋電器件，用於輸出功率差電信號；一前置放大器，輸入端連接熱釋電器件，用於功率差電信號的放大；一選頻放大器，輸入端連接前置放大器的輸出端，用於功率差電信號的選頻濾波，選頻放大器調在基波頻率上，以濾除通帶外的噪聲，減小同步整流器的過載；並濾除信號中的高次諧波；一同步整流器，輸入端連接選頻放大器的輸出端，對信號進行同步整流；一補償積分器，輸入端連接同步整流器的輸出端，對信號進行補償積分，補償積分器決定著系統的頻率響應，並以很高的直流增益來穩定系統；一方波調製(電加熱)器，輸入端連接補償積分器的輸出端，用於將補償積分器輸出的直流信號轉變為極性交變的電加熱信號；一平衡(激勵)驅動器，輸入端連接方波調製(電加熱)器的輸出端，參考輸入端連接參考信號源，並由參考信號源輸入參考方波，平衡激勵驅動器產生兩路波形對稱的電壓輸出，進行推挽激勵，給熱釋電(探測)器件以電學加熱；當熱釋電器件接受到輻射時，補償積分器輸出直流電壓升高，電加熱功率也隨之上升，當兩個加熱功率相等時，熱釋電器件無信號輸出，補償積分器輸入電流為零，其輸出保持不變，從而自動調節電功率等於光功率。
為了測量輻射光功率的大小，可通過測量光電交替加熱靈敏元表面平衡後的電功率值獲得；基於單片機的數據採集和功率計算系統的原理框圖如圖3所示，其結構包括一電流電壓轉換電路，用於電功率信號的採集、放大、轉換；一A/D模數轉換電路，輸入端連接電流電壓轉換電路的輸出端，用於電功率信號的模數轉換；一單片機控制電路，輸入端連接A/D模數轉換電路的輸出端，用於功率計算和功率修正所述單片機控制電路的輸出端分別連接鍵盤和顯示控制電路、列印輸出電路和接口電路等一數據存儲電路，與單片機控制電路連接，用於數據採集和功率計算系統的數據存儲。
高穩定光學斬波器光學斬波器的頻率穩定性很高，以保證測量的穩定性，它不僅能夠將光信號進行調製後照射到熱釋電探測器，而且能夠為鎖相電路提供參考信號。高穩定光學斬波器使用高精度，高穩定性的電機，同時保證調製盤的平衡。採用高精度同步電機，採用單片機頻率可調控制電路，通過RS232和計算機通訊。
紫外增強型熱釋電探頭熱釋電探頭採用紫外增強型器件，結構見圖4所示，材料選用熱釋電係數很高的PMNT弛豫鐵電單晶，面積10×10mm2，具有良好的均勻性和平坦的光譜響應曲線，採用懸空結構設計。
權利要求1.一種紫外輻射測量電學定標裝置，其特徵是，包括主測量電路部分、高穩定光學斬波器和紫外增強型熱釋電探頭；其中，主測量電路部分由光電自動平衡系統以及數據採集和功率計算系統組成光電自動平衡系統，由前置放大器、選頻放大器、同步整流器、補償積分器、方波調製器和平衡驅動器組成，其輸入端的前置放大器連接熱釋電探頭，其輸出端的平衡驅動器連接並控制熱釋電探測器以電學方式加熱，其功能是用於完成對輸入光信號的轉換和對電信號的調理，實現系統對信號變換的控制；數據採集和功率計算系統，由電流電壓轉換電路、A/D模數轉換電路和單片機控制電路組成，其輸入端的電流電壓轉換電路連接光電自動平衡系統的電加熱輸出端，其功能是用於與光功率值相等的電功率值數據的採集、轉換、修正、存儲和顯示；高穩定光學斬波器使用高精度、高穩定性的同步電機；不僅能夠將光信號進行調製後照射到熱釋電探測器，而且能夠為鎖相電路提供參考信號；測量時，光電自動平衡系統調節熱釋電探測器的電加熱功率，使其等於探測器的光加熱功率，再由數據採集和功率計算系統測量電加熱功率值，最後將電功率值進行數位化處理並存儲和顯示。
2.根據權利要求1所述的紫外輻射測量電學定標裝置，其特徵在於，在所述整個定標測量系統中，設有自動調零的鎖定探測系統，採用50％負載周期和一個窄帶前置放大器，並僅使用電加熱和光加熱的基頻成份匹配；入射輻射和加熱電功率均被調製成14Hz的方波，兩者頻率相同，相位差180度，交替加熱元件，元件輸出的信號的大小與光加熱和電加熱的功率差成正比。
3.根據權利要求1所述的紫外輻射測量電學定標裝置，其特徵在於，所述數據採集和功率計算系統的結構包括一電流電壓轉換電路，用於電功率信號的採集、放大、轉換；一A/D模數轉換電路，輸入端連接電流電壓轉換電路的輸出端，用於電功率信號的模數轉換；一單片機控制電路，輸入端連接A/D模數轉換電路的輸出端，用於功率計算和功率修正所述單片機控制電路的輸出端分別連接鍵盤和顯示控制電路、列印輸出電路和接口電路；一數據存儲電路，與單片機控制電路連接，用於數據採集和功率計算系統的數據存儲。
4.根據權利要求1所述的紫外輻射測量電學定標裝置，其特徵在於，所述紫外增強型熱釋電探頭為懸空結構，其材料為PMNT弛豫鐵電單晶。
專利摘要一種紫外輻射測量電學定標裝置，包括主測量電路部分、高穩定光學斬波器和紫外增強型熱釋電探頭；其中，主測量電路部分由光電自動平衡系統以及數據採集和功率計算系統組成光電自動平衡系統是用於完成對輸入光信號的轉換和對電信號的調理，實現系統對信號變換的控制是用於與光功率值相等的電功率值數據的採集、轉換、修正、存儲和顯示。測量時，光電自動平衡系統調節熱釋電探測器的電加熱功率，使其等於探測器的光加熱功率，再由數據採集和功率計算系統測量電加熱功率值，最後將電功率值進行數位化處理並存儲和顯示。本實用新型的紫外輻射測量電學定標裝置具有精度高，靈敏度高，光譜範圍可擴展到紫外區等特點。
文檔編號G01J1/18GK2876738SQ20062004041
公開日2007年3月7日 申請日期2006年3月23日 優先權日2006年3月23日
發明者莊松林, 瑚琦, 顧鈴娟, 蘇錦文, 侯建偉 申請人:上海理工大學