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研 究 生 学 位 论 文 题 目 作作 者 姓 名 者 姓 名 吉 林 大 学 分分 类类 号：号： tn219 单位代码：单位代码：10183 研究生学号：研究生学号： 2008512060 密密 级：秘密级：秘密 吉 林 大 学 硕士学位论文 红外湿度检测仪的光源驱动电路研究红外湿度检测仪的光源驱动电路研究 research on driving circuits of light source of infrared detection instrument for moisture 作者姓名：贾佳作者姓名：贾佳 专专 业：微电子学与固体电子学业：微电子学与固体电子学 研究方向：光电检测研究方向：光电检测 指导教师：王一丁指导教师：王一丁 教授教授 培养单位：电子科学与工程学院培养单位：电子科学与工程学院 年年 月月 红外湿度检测仪的光源驱动电路研究 research on driving circuits of light source of infrared detection instrument for moisture 作者姓名：贾佳 专业名称：微电子学与固体电子学 指导教师：王一丁 教授 学位类别：工学硕士 答辩日期： 年 月 日 未经本论文作者的书面授权， 依法收存和保管本论文书 面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全 部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改 编等有碍作者著作权的商业性使用 （但纯学术性使用不在此 限） 。否则，应承担侵权的法律责任。 吉林大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 中国优秀博硕士学位论文全文数据库投稿声明 研究生院： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程的内 容，愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊（光盘版） 电子杂志社的 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 投稿， 希望 中 国优秀博硕士学位论文全文数据库给予出版，并同意在中国博硕 士学位论文评价数据库和 cnki 系列数据库中使用，同意按章程规 定享受相关权益。 论文级别：硕士 博士 学科专业： 微电子学与固体电子学 论文题目： 红外湿度检测仪的光源驱动电路研究 作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 作者联系地址（邮编） ： 吉林省长春市前进大街 2699 号 （130012） 作者联系电话内容提要内容提要 近几年来冰冻雨雪灾害不断，给国家和人民带来了严重的影响。准确、及时 的气象预报显得尤为重要，特别是对大气中湿度的测量，这是气象预报过程中最 关键的步骤之一。传统的湿度检测仪器在测量范围、精度、响应时间等方面存在 不足。因此，我们应开发出具有高精度、快速响应等优点的湿度检测仪。 本文从朗伯-比尔定律出发，主要利用红外光谱吸收技术和可调谐半导体二 极管激光吸收光谱技术（tdlas）实现高精度的湿度的检测。这种方法的优点 在于响应速度快、检测灵敏度高、消除背景噪声、稳定性好。本文针对红外湿度 检测仪器的光源驱动电路进行研究及讨论，主要包括三个部分：激光器的驱动电 路设计、电路的仿真及实验、实验分析。设计了一种可调谐半导体激光器的驱动 电路，本文设计的驱动可产生频率为 10hz 幅值为 4060ma 的锯齿波调谐电流 信号， 并在其上面叠加了的频率为 1khz 峰峰值为 2ma 的正弦波调制电流信号， 实现了对激光器的调谐和调制。其中的电路主要包括：正弦波发生电路、锯齿波 发生电路、慢启动电路、恒流源电路等。经过仿真及实验测试，本驱动电路基本 达到了预先设定的指标。 最后对程序设计过程中遇到的一些问题进行了深刻的思 考，并对驱动电路进行了带负载检测及分析。 关键字关键字：近红外，吸收光谱，半导体激光器，电调制 i 目录 第一章 绪论.1 1.1 引言.1 1.2 湿度检测方法的研究 .2 1.3 湿度检测的国内外发展现状及研究意义.4 1.4 本论文开展的主要工作 .5 第二章 分子光谱及水分子的红外光谱分析.7 2.1 分子光谱 .7 2.1.1 分子的内部运动及能级结构.7 2.1.2 分子光谱的形成 .7 2.2 水分子的红外吸收光谱分析 .10 2.2.1 水分子的红外光谱 .10 2.2.2 激光器发光波长的选择.16 第三章 原理及系统设计 .18 3.1. lambert-beer 理论.18 3.2 tdlas 技术 .19 3.3 系统设计 .20 3.3.1.光源 .21 3.3.2. 电路的设计思路 .21 第四章 电路的具体设计、仿真/实验及实验分析.22 4.1 主要器件介绍 .22 4.2 具体电路设计分析及实验 .25 ii 4.2.1 正弦波波形发生电路 .25 4.2.2 锯齿波波形发生电路 .28 4.2.3 恒流源电路设计 .29 4.2.4 正弦波叠加锯齿波电路 .30 4.2.5 慢启动电路 .30 4.3 具体实验产生的波形图 .31 4.4 实验分析 .34 4.4.1 关于正弦波信号频率的讨论.34 4.4.2 ltc1451 产生锯齿波的程序及其分析.37 4.2.3 关于驱动电源所带负载范围的仿真分析及实验分析.38 第五章 总结.44 参考文献.45 后记和致谢.50 摘 要.1 abstract.3 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 冰雪灾害是一种常见的气候灾害，给人民及国家带来了相当严重的影 响。如：房屋倒塌、人畜伤亡、通讯及电力系统中断、交通受到阻塞等。 暴风雪影响面积广， 降雪幅度大， 使得它所带来的危害十分严重。 例如 1989 年 11 月份到 1990 年 2 月份，西藏那曲地区受到暴风雪的袭击，造成当地 养殖的牲畜大面积冻伤，使当地经济遭到重创。1995 年 2 月，藏北高原气 温突然下降，积雪达 20cm 以上，使当地乡镇地区 13 万人、将近 300 万的 牲畜冻伤。有的地方积雪严重，甚至造成交通严重阻塞。此外，青藏、川 藏公路每年都会有大量的积雪，给当地本就不便的交通运输雪上加霜。在 建国后的 50 年里，在北方出现的大范围强降雪就达 10 多次，给我国的经 济造成了重大的损失，严重影响了人民的工作和生活。 特别要说明的是：最近几年冰雪灾害尤为严重。如：2008 年 1 月、2 月， 我国南方出现了近几十年非常罕见的持续大范围低温、雨雪和冰冻的恶劣天气， 导致部分交通、 通信中断， 部分地区停水、 停电。 人们的生产生活受到极大影响。 受灾的省区达 14 个，其中湖北、湖南、贵州、江西、安徽、和广西 6 个省区的 受灾情况最为严重。 随着经济的发展及人民生活水平的提高，人们有能力进行准确、详尽、 实时的天气的预报工作。这就需要对大气中的温度、压力、湿度等参数进 行准确无误的测量，而对大气中湿度的测量尤为重要。传统的检测湿度方 法已经不能满足现代社会的需要，因此开发新型的湿度检测仪器就显得非 常必要。 进行湿度检测新原理以及新型检测方法的研究，可以使湿度测量的范 围、精度、稳定性等指标大幅度提升。由此可以准确、快速地测量湿度的 变化，使气象预报的准确性提高，减少国家、人民的损失，从而促进经济 第一章 绪论 2 的稳固发展。 本课题的研究来源是国家高科技研究发展计划（863 项目） ，项目名称：关 于量子阱激光器的气体检测系统关键技术的研究 （项目编号：2009aa03z442 ） 1.2 湿度检测方法的研究湿度检测方法的研究 湿度检测方法有如下几种：伸缩方法、电磁波方法、红外吸收光谱方法、露 点方法、双压方法、电特性方法等。根据不同的测量范围、响应时间、应用领域 等具体需求，使用不同检测原理的测量方法来检测湿度。如下重点介绍一下具体 的检测方法1： （1）伸缩方法 这种是比较传统的检测湿度方法， 主要是利用材料的长度随环境的水蒸气的 含量变化而产生变化。这种材料主要是尼龙、纤维等。优点是：这种检测方法装 置相对简单、使用方便、历史久远。但其缺点在于：在测量湿度过程中，尤其是 在小于 10%或大于 90%rh 这样的环境湿度的情况下，会出现响应慢的现象。 （2）露点方法 露点检测方法是利用如果物体周围的空气冷却使围绕其的的空气中的水蒸 气冷凝至结露，得到物体表面的露点温度，可以通过公式计算得到湿度值。露点 检测在检测湿度时候也有缺点，基于露点方法的有些仪器的结构复杂。 （3）蒸发方法 这种是利用水蒸气在蒸发过程中吸热原理的方法。 具体是将两个相同的湿度 传感器分别放入以下两个湿度场中，分别是被测的湿度场、饱和的湿度场，测量 空气中的相对湿度的变化。如果相对湿度发生变化，两个湿度传感器的数值就会 不同。如：干湿球湿度计的准确度还取决于湿球和干球这样两支湿度计自身 的精度，且其必须处于通风状态，但是这个干湿球湿度计准确度很低，即 只有 5到 7rh。 这种检测方法实验设备简单，价格低廉，使用也方便，易于操作。其缺点在 于不能直接显示 rh 值，可通过别的方法对其进行改进。 （4）双压方法 第一章 绪论 3 双压方法是以热力学中压强、体积、温度三者之间的平衡原理2为基础 的。优点在于：测量精度十分高，可以达到2%rh。缺点在于：设备复杂、 价格昂贵等问题阻碍了其大范围的应用。 （5）电特性方法 这种方法是利用一些物体吸收水蒸气之后，其电特性发生变化。包括有电容 方法、电阻方法等。 电容方法 3,4,5湿度检测主要是利用水蒸气被吸湿性材料吸收之后，吸湿性 材料的介电常数发生变化，使其电容值发生改变的原理。其优点在于灵敏度高， 温度漂移小，因此得到广泛应用。 电阻方法 6,7湿度检测与电容方法类似，结果是其电阻率发生变化引起的材 料的相对湿度变化。 但其测量范围有限， 大概在 40%rh 以下等领域不利于检测。 （6）红外光谱吸收方法8 红外光谱吸收方法主要是通过检测水蒸气对红外光吸收而引起的光强变化 来检测水蒸气浓度的变化。具体来说就是光源发出一定波长的入射光，如果气体 的吸收谱线范围峰值在其波长范围内，气体就会吸收一定的光强，使得探测器测 得的信号衰减。 表1.1给出了目前湿度检测的几种方法的不同方面的比较， 从表中可以看出， 红外吸收方法检测湿度具有测量范围大，精度高等优点，因此研制出红外湿度检 测仪器很重要。 表 1.1 不同检测湿度方法对比 测量方法 测量范围 精度 响应时间 稳定性 灵敏度 伸缩方法 10%-90%rh 低 慢 低 低 蒸发方法 小 低 慢 低 低 露点方法 大 低 慢 低 低 电特性 方法 大 高 快 低 一般 红外吸收 方法 大 高 快 高 高 第一章 绪论 4 1.3 湿度检测的国内外发展现状及研究意义湿度检测的国内外发展现状及研究意义 1768 年，德国人朗伯开发出“羊肠线湿度表” 。15 年之后，瑞士人索絮尔发 明了“毛发湿度计” ，这样第一台湿度计就问世了。 在 18 世纪的时候，人们就发明了如蒸发方法、伸缩方法等较为传统的湿 度检测方法，但是它们在精度及响应时间等方面都存在缺陷。 随着社会经济的不断发展，对湿度检测研究也有了一定的进展，如露点检测 方法。六十年代初，ballinger 制成了第一台露点计，主要原理是通过粒子的辐射 实现对低密度薄层物的测量。之后国内外的很多公司企业研制了新型的露点计。 国内如：天津大学的冯亚云等人于 1993 年，研制了一种新型的湿度计9， 实现车辆尾气的实时检测，主要是利用测量干燥空气中的湿度来实现的，结果比 较理想。此外，长春气象仪器厂于 2005 年生产了毛发湿度计10（已申请专 利） 。此湿度计的适用范围是空气中的相对湿度在 30%到 100%之间，可用于 气象领域。国外如：美国 general eastern 公司11开发了耐腐蚀型的镜面冷凝 传感器，可以实现高精度的、长时间的湿度监测。和其公司开发的 1211b 型的光电露点湿度计。 近几十年电子方法测湿度才发展起来的， 特别是近20年迅猛发展。 2001 年，辽宁轻工业学院，林敏等人研制了hs1100/ hs1101 电容式的湿度传感器 12， 设计了结构是固态聚合物， 且有两种封装产品， 分别是hs1100封装和hs1101 封装，其特点是高的可靠性，达到长期稳定工作，实现快速响应，使其在制造流 水线上自动插件的过程等得到了大范围的应用。还有国内生产的msc型湿度传 感器13属于“半导体陶瓷型的湿度传感器”。 湿敏传感器现在正向集成方向14、多参数检测15方向等迅速发展，为 研制新型的湿度检测16仪器创造了有利的条件。 2003年，东南大学的顾磊,、秦明等人研制了一种集成化的湿度传感器17。 该湿度传感器采用互补金属氧化物半导体工艺，应用感湿介质、铝电极结构等制造 而成。 2004年，北京航空航天大学夏继强等人设计了一种智能化的湿度检测单元 18。主要是利用can总线的通信接口来实现的。具体由有测量模块、单片机、 第一章 绪论 5 接口等部分构成。2005年，华侨大学的房怀英等人设计了一种可同时检测温度 和湿度的传感器19，利用集成的湿度传感器测得了相对湿度等参数，实现了湿 度传感器的多参数化的检测。该传感器的湿度测量范围是上限为100%rh，下限 为0%rh，准确度为2 %rh，温度测量范围为- 40到12520。 目前，较为先进的检测方法是红外方法等，主要是应用于食品加工等行业。 如 2006 年， 重庆大学硕士马号兵论文 21利用红外吸收方法及朗伯比尔定律等方 法进行了双波段湿度的检测。红外湿度检测仪器虽然目前很少应用于大气研究， 但是其实现简单， 测量精度高的优点赋予了红外湿度检测仪器在此领域中的无限 生命力。使用窄线宽的 1.877 微米分布反馈激光器，利用 tdlas 实现高精度的 激光湿度检测仪的研制， 该检测仪依靠水蒸气在近红外范围内对特定波长的激光 有吸收来检测湿度，而且由于采用了二次谐波等适当的检测技术，消除了背景信 号等影响。 图 1.1 红外湿度系统的总体结构设计 1.4 本论文开展的主要工作本论文开展的主要工作 本论文工作分为以下三部分： (1) 详尽阐述了红外吸收方法的检测原理，特别是对谐波检测方法进行了着重 的讨论。 第一章 绪论 6 (2) 理论分析出水分子的红外吸收特性，并利用 hitran 数据库软件绘制出其在 近红外、中红外波段的光谱图，分析其吸收强度大小，最终确定本实验水 的测量波长选在 1.877m。 (3) 提出了一种可调谐半导体激光器的驱动电路的制作方法，对其中所涉及到 的各个电路 （包括正弦波发生电路、 锯齿波发生电路、 滤波电路、 衰减电路、 加法电路、恒流源电路、慢启动电路）进行了分块设计、分析和理论推导。 并对设计过程中出现的问题进行了深刻的思考和讨论。 在理论和仿真的基础 上分析了这种驱动电路的带负载能力。 （4）对所设计的电路进行了带负载实验和检测，在实验的基础上确定了驱动电 路的带负载范围。 第二章 分子光谱及水分子的红外光谱分析 7 第二章第二章 分子光谱及水分子的红外光谱分析分子光谱及水分子的红外光谱分析 2.1 分子光谱分子光谱 2.1.1 分子的内部运动及能级结构分子的内部运动及能级结构 一个原子是由两部分组成： 原子核和核外电子。 所有的电子围绕原子核运动。 我们利用单电子近似理论能很好的分析这种运动。 当原子由特殊的相互作用联系 在一起就形成了分子，原子的内部结构显然没有分子的内部结构复杂。我们近似 将分子的运动分解为三部分22：电子的运动、原子之间的转动、振动运动。 将以上三种运动单独考虑，总能量分别由这三种运动产生的能量组成，总的 能量 e 包括：振动运动形成的能量 v e 、电子运动形成的能量 e e 、转动运动形成 的能量 r e ，e 的表达式为： vre eeee （2.1） 由量子力学可得，微观粒子的运动能量都是量子化的，也就是说微观粒子的 能量不是连续的，且只能取一些特定的值，将其称之为能级。 分子若发生跃迁的时候，将会吸收能量或者释放能量，这样其跃迁时的频率 可写为： vre vre h eee h e h ee （2.2） 其中：e 是跃迁之前的能量； e 为跃迁之后的能量。 2.1.2 分子光谱的形成分子光谱的形成 1. 吸收和发射光谱 当原子受到光照、电子碰撞等外界条件激发之后，原子的运动状态就会发生 改变，使其从能量较低状态跃迁到较高的能量状态。发射谱的形成：原子被激发 之后是不稳定的，且可以跃迁回能量较低的基态（如辐射跃迁） ；吸收光谱的形 成：将光谱连续的光束通过原子蒸气23，原子受到激发，原子蒸气将吸收一些 特定波长的光。 第二章 分子光谱及水分子的红外光谱分析 8 2. 原子光谱 原子的核外电子运动状态发生改变，会发射或者吸收特定波长的光，这些光 构成的谱线24就叫原子光谱。原子光谱是一些线状光谱，且比较稀疏。 。 图 2.1 原子的线光谱和带光谱 3. 分子光谱 分子光谱是分子从一种能量状态改变到另一种能量状态的时候，吸收 或发射光的谱线。分子光谱可分为大概四部分：电子光谱、转动光谱25、 振动光谱26、振动和转动相互作用的光谱。下面以纯转动光谱为例。 纯转动光谱是电子的振动状态与平动的状态在跃迁的过程中都不改 变，只有转动态发生改变的而产生的光谱。以双原子分子为例说明纯转动。 双原子分子在纯转动中，最简单的模型就是刚性转子。分子绕质心转 动的角动量的幅值为： irm （2.3） 其中： i 是分子转动惯量；r 是核间距；是分子的折合质量。 因此，转动能量可写为： 2 2 2 2 2 21 r m i m ier （2.4） 第二章 分子光谱及水分子的红外光谱分析 9 总角动量的模的平方是量化的，它的值为： 2 ) 1 ( jj （2.5） 所以，转动能量可以写为： , 2 , 1 , 0 ) , 1 ( 2 2 2 jjj r er （2.6） 图 2.2（a）刚性转子的能级、允许 图 2.3 分子的能级结构 的跃迁（b）吸收光谱（c）发射光谱 h2o 分子是非线型分子,属于不对称陀螺分子，有 3 种简谐振动，如下图 2.4 所示。 图 2.4 水分子的简谐振动方式 第二章 分子光谱及水分子的红外光谱分析 10 分子的振动能量是各个简谐振动能量的和，可以表示成 6 3 1 ) 21 ( n k kk he （2.7） 其中： k 是 k 种简谐振动的量子数目。 . . . 3 , 2 , 1 , 0 k 3n-6 个 k 组成的一组振动量子数( 1 ， 2 ， k ， 6 3 n ) 来描述分子的 一个振动状态和所对应的振动能级。若能级数三个方向全为 0，即（0，0，0） 为基态能级。若三个方向只有一个量子态为 1，如（0，0，1），我们将其称为 基频能级。有一个量子数大于 2，其他两个都为 0，这样的能级称为泛频能级。 当两个以上的量子数不为 0 的能级称之为组合能级。 h2o 的部分的振动能级 （基 频、泛频能级等）如图 2.5 所示 图 2.5 水分子的部分振动能级（波数表示） 能在红外光谱中观测到的简谐振动满足一下条件： 只有使分子的电偶极距发 生变化的简谐振动，即具有红外活性。相反，就观测不到了。特别地，红外光的 不同波段分别是：近红外：0.753m；中红外：330m；远红外：301000 m。 2.2 水分子的红外吸收光谱分析水分子的红外吸收光谱分析 2.2.1 水分子的红外光谱水分子的红外光谱 第二章 分子光谱及水分子的红外光谱分析 11 oh 2 气体分子由两个氢原子与氧原子键合而成， 呈现 v 形状。 气态单个oh 2 的键长为 95.7pm，键角为104.5、属于 v c 2 点群27，为非线性分子，振动模式有 三种（以上已经介绍过） 。基频为 2.67m、2.74m、6.27m，波数分别是 3756.3 1 cm， 3656.6 1 cm，1595.9 1 cm。 图 2.6 水分子的结构图 使用hitran200428数据库应用软件javahawks可以得到选定波长范围内各 种气体的吸收谱线及吸收强度等数据。此数据库主要用于大气中的红外气体分 析，是 20 世纪 60 年代后期由剑桥空气动力研究室研制的。在此软件中，设定温 度为 296k 等基本条件，得到水分子较强吸收带的光谱图。分析如下： （1）水分子在 1.38m附近的吸收光谱 水分子在 1.38m附近的的吸收光谱图，图中横坐标是波数，单位为 1 cm， 纵坐标为吸收谱线强度，单位是cmmoleculecm / 1 。 第二章 分子光谱及水分子的红外光谱分析 12 图 2.7 oh 2 在 1.38m附近的吸收谱线 表 2.1 分别写出了上图的几处吸收较强处的波数和其分别所对应的波长。 表 2.1 图 2.7 中吸收较强波数处的强度 编号 波数 1 cm 强度cmmoleculecm / 1 1 7230.052170 1.174e-21 2 7230.913940 5.406 e-21 3 7231.872300 1.977 e-21 4 7232.211950 1.460 e-21 5 7232.525620 4.034 e-21 6 7242.370750 1.190 e-20 7 7243.075260 1.610 e-20 8 7252.844030 3.941 e-21 9 7253.893830 1.819 e-21 10 7254.056660 1.343 e-21 （2）水分子在 1.87m附近的吸收光谱 水分子在 1.87m附近处的吸收光谱。 第二章 分子光谱及水分子的红外光谱分析 13 图 2.8 水分子在 1.87m附近处的吸收光谱 表 2.2 写出了上图的几处吸收较强处的波数和其分别所对应的波长 表 2.2 是图 2.8 中吸收较强波数处的强度 编号 波数 1 cm 强度cmmoleculecm / 1 1 5337.699600 3.486e21 2 5338.754420 2.485 e-21 3 5343.400000 3.841 e-21 4 5344.524490 1.872 e-20 5 5347.300360 1.182 e-21 6 5352.611300 1.658 e-21 7 5353.069620 1.355 e-21 8 5353.311990 1.255 e-21 9 5353.867800 3.098 e-21 10 5354.870860 4.922e21 （3）水分子在 2.67m处的吸收光谱 水分子在 2.67m附近处的吸收光谱。 第二章 分子光谱及水分子的红外光谱分析 14 图 2.9 水分子在 2.67um 附近处的吸收光谱 表 2.3 写出了上图的几处吸收较强处的波数和其分别所对应的波长 表 2.3 表示图 2.9 水分子几处较强的吸收强度 编号 波数 1 cm 强度cmmoleculecm / 1 1 3732.134350 1.303e-19 2 3734.272620 1.662e-20 3 3734.644950 1.460e-20 4 3735.444730 1.263e-20 5 3735.492590 2.360e-20 6 3736.682690 2.937e-20 7 3741.306100 2.191e-20 8 3749.329150 1.743e-19 9 3752.500740 2.251e-20 10 3756.616370 3.647e-20 （4）水分子在 2.74m处的吸收光谱 水分子在 2.74m附近处的吸收光谱。 第二章 分子光谱及水分子的红外光谱分析 15 图 2.10 分子在 2.74m附近处的吸收光谱 表 2.4 写出了上图的几处吸收较强处的波数和其分别所对应的波长。 表 2.4 表示图 2.10 水分子几处较强的吸收强度 编号 波数 1 cm 强度cmmoleculecm / 1 1 3633.843420 2.945e-20 2 3639.933720 1.214e-21 3 3643.329160 1.126e-21 4 3645.931170 1.214e-21 5 3646.463640 1.412e-20 6 3647.138260 3.574e-20 7 3647.553010 4.236e-20 8 3649.283000 1.581e-19 9 3650.635990 5.043e-20 10 3651.365100 5.285e-20 （5）水分子在 6.27m处的吸收光谱 水分子在 6.27m附近处的吸收光谱。 第二章 分子光谱及水分子的红外光谱分析 16 图 2.11 水分子在 6.27m附近处的吸收光谱 表 2.5 写出了上图的几处吸收较强处的波数和其分别所对应的波长。 表 2.5 表示图 2.11 水分子几处较强的吸收强度 编号 波数 1 cm 强度cmmoleculecm / 1 1 1591.671850 1.606e-21 2 1594.496720 6.656e-21 3 1596.275620 1.000e-21 4 1596.275620 1.000e-21 5 1601.207850 2.642e-21 6 1602.883790 1.404e-21 7 1603.319780 4.236e-21 8 1606.716310 9.843e-22 9 1607.049510 1.727e-21 10 1609.440440 1.105e-20 2.2.2 激光器发光波长的选择激光器发光波长的选择 基频对吸收光吸收最强， 所以在测量水蒸气的时候应尽量选择基频。oh 2 的 第二章 分子光谱及水分子的红外光谱分析 17 基频为 2.67m、2.74m、6.27m、 （中红外） 。但是我们不选基频的理由是： （1）2.67m和 2.74m的水基频和二氧化碳 2.7m处的吸收波段接近，会造成 互相干扰。 （2）只有量子级联激光器（qcl）在低于或接近室温下工作所发射激光的波段 才能达到 6.27m，但量子级联激光器价格昂贵。 因此，只能选择泛频和组合频的吸收峰，即 1.877m。在此谱线附近没有其 它气体干扰。下图为以上几个波段的整体对比图。可通过如下图来查看水分子几 处吸收较强的波长，经上述分析选定 1.877m。 图 2.11 水分子的吸收光谱图，其中有几处吸收较强 6.27m 2.67m 2.74m 1.877m1.38m 第三章 原理及系统设计 18 第三章第三章 原理及系统设计原理及系统设计 3.1. lambert-beer 理论理论 lambert-beer 理论29具体内容是：当一束光照射进如气室这样的封闭区域 内，光在气室内会被相应波长范围的气体吸收，从而产生光强的衰减。 lambert-beer 理论表示成如下形式： 图 3.1 lambert-beer 理论示意图 lck eii ) ( 0 ) ( （3.1） 其中 ) (0 i：入射的光强 ) ( i：经气室之后衰减的光强 l：气室的长度 c：被测气体的浓度 ) ( k：吸收系数，是波长的函数 根据式（3.1）可以得出： i i lk c )( ln )( 1 0 （3.2） 由上述式子可知：可以根据光强的衰减情况来检测气体的浓度。光通过一定 浓度的气体，如果其波长范围内含有气体的吸收峰，光强因被气体吸收而减弱， 这样对比入射光和出射光的光强的关系可以算出气体的浓度， 这种方法称为直接 吸收方法。它比较简单，是一种应用范围十分广泛的检测气体的方法。本文应用 的是比较先进的检测气体浓度的方法，即可调谐半导体激光吸收光谱技术。下面 进行具体介绍这种方法的原理及应用等知识。 第三章 原理及系统设计 19 3.2 tdlas 技术 tdlas 技术 本论文以基于 lambert-beer 理论的 tdlas 技术为原理， 实现对光源的调制 和调谐，实现气体浓度的检测。本文所应用的光源是可调谐半导体激光器。如果 气室中气体的吸收波长在激光器发出的波长范围之内， 通过气室的激光就会因被 吸收而衰减，因此可以通过检测激光光强的变化，来算出被测气体的浓度。 可调谐半导体激光器的波长被电流、温度调谐，温度的作用主要是实现将半 导体激光器的发出的激光波长稳定在气体吸收峰附近， 之后通过电流的调谐使其 逐渐扫描过气体的吸收峰。再通过正弦波的调制，使其经过探测器、锁相放大电 路可解调出一、二次谐波。之后经过后续电路分析光强的衰减程度。下面是谐波 检测的理论推导过程30,31,32,33。 根据 lambert-beer 定律的积分形式得出: )(kexp( 0 0 l dxxii ) (3.3) 其中：l 是通过吸收气体的光程； k是吸收系数。 穿过单一气体吸收区域： cpgtsk abs )()( （3.4） 其中：)(ts是谱线强度，)(g是吸收谱线线型函数， c 是气体浓度， abs p是总 体压强。 当系统达到均匀的时候： )()(exp()(kexp( 00 clpgtsdxx i i abs l (3.5) 通过对光源的注入电流正弦调制，光源的频率和输出光强也将受到正弦调制： ft m 2sin 0 2sin1 0 0 ftii (3.6) 其中： 0 是光源未经调制时的中心频率 ; m 是频率调制幅度; 是光强调制系数 f是电流调制频率。 将(3.6)带入(3.5)得到： )2sin()(exp(2sin1 00 clpftgtsftii absm (3.7) 用lorentz曲线来描述吸收谱线： 第三章 原理及系统设计 20 22 0 c ) 2 ()( 2 1 )( c g (3.8) 令 2/ c 0 x 2/ c m m ，将(3.8)带入(3.7)得到： )2sin(1 12 )(2sin1 2 0 ftmx lcptsftii abs (3.9) 傅里叶级数展开： 一次谐波： 0f ii (3.10) 二次谐波：),( 202 mxhii f （3.11) 4 4 44 4 4)1( 2 )(2 ),( 2 22 22 22 222 2 2 m xm mxmx xm xmmxm m tsclp mxh c abs 其中 22 1mxm 经上述式子，我们可以看出一次谐波在中心处，信号为0，不利于检测。而 二次谐波在中心处，信号不受幅度调制，影响较小这样利用二次谐波方法可以在 实现检测湿度的时候可以避免了灰尘、结露等对仪器的影响。 3.3 系统设计系统设计 此系统的设计分为四个部分，分别是光源系统、气室系统、探测系统、信息 处理系统。如下图3.2所示。 图 3.2 光源驱动系统的设计 第三章 原理及系统设计 21 主要介绍一下光源驱动系统。 光源系统是由光源、 驱动电路、 温控电路组成。 信号处理系统包括锁相放大、a/d转换电路、显示电路设计。这里主要介绍光源 驱动系统的设计。 3.3.1.光源光源 本实验所用的光源均为北京半导体物理所提供的可调谐半导体激光器34。 可调谐半导体激光器调制波长有很多形式，本文应用的是电流和温度调谐。 温控主要是将光源（本文用的是半导体激光器）的波长稳定在气体吸收吸收峰附 近。电流调谐主要是让光源的波长的尖峰扫过气体吸收峰。本实验因为前面已经 介绍选择 1.877um 波段的可调谐半导体激光器的原因，这里就不多说了。 3.3.2. 电路的设计思路电路的设计思路 为了实现对红外湿度检测仪35,36,37,38的光源，即可调谐半导体激光器的驱 动，根据谐波检测39,40,41,42原理和lambert-beer理论，我们设计了如下的电路并 进行简单介绍，下章针对具体电路进行介绍，详细电路图的设计在下章讨论。 （1）正弦波发生电路：主要是实现对光源波长的调制。具体说是非线性效应， 利用正弦波调制激光光强的频率43，利用洛伦兹函数，并进行傅里叶 变换得到一次二次谐波的表达式。 （2） 锯齿波发生电路：温度控制系统将激光的波长稳定在气体吸收峰附近，锯 齿波44,45或者三角波电路的设计使光源谱线的峰值在一定范围内逐渐扫 过气体吸收峰，从而实现对激光器发出激光的光强衰减的检测。 （3）滤波电路：利用模拟电路上学过的基本的滤波电路，设计的二阶滤波电路， 实现波形的平滑，对于激光器的驱动电路产生稳定波形是十分必要的。 （4）衰减电路：利用运算放大器的基本功能实现电压衰减功能。 （5）压控恒流源电路46,47,48,49：实现压流变换，且输出电流为恒流，即与负载 电阻无关。 （6）慢启动电路50,51,52：实现电流从零开始的慢增长，以保护激光器免受损伤。 第四章 电路的具体设计、仿真/实验及实验分析 22 第四章第四章 电路的具体设计、仿真电路的具体设计、仿真/实验及实验分析实验及实验分析 本章中，将介绍上述电路具体芯片的选择，电路的设计，并进行详尽的理论 分析和仿真实验，之后是电路实验，器件频率、数值分析，及带负载分析。通过 反复实验， 验证了驱动电路的稳定性， 精确性。 本电路实现了对光源的良好驱动， 为后续的实验工作打下良好而坚实的基础。 4.1 主要器件介绍主要器件介绍 1. dac0832 dac0832是由cmos工艺制成的数模转换电路，分辨率为8位，供电电压 为+5v+15v，典型输出电流稳定时间是1s，低功耗，温漂为0.0002%fs/。 dac0832为电流输出型的 d/a 转换器件，内有两个输入寄存器、一个8位 d/a 转换器构成。其内含一个与 1out i相连的参考电阻，为15k，以方便用户进 行电流电压转换。下面介绍一下几个主要管脚的基本功能。 fb r是内部反馈的电 阻引出端， ；di7 di0是八位数字信号的输入端， 分别对应八位数字信号的一位； _ _ cs和 _ _ _ 1 wr共同控制输入寄存器，仅当ile为高电平， _ _ cs为低电平， _ _ _ 1 wr为低 电平时， 输入寄存器的八位输出端才分别等于相应位数字输入信号。 _ _ _ 2 wr和 _ fer x 共同控制 da 转换寄存器，仅当 _ _ _ 2 wr为低电平， _ fer x为低电平时，由输入寄存器 传来的信号才能够锁存进此寄存器进而完成数字信号到模拟信号的转换。 1 out i为 电流输出端，其值为 2 5 6 2 5 5 1 5