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石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 摘要 石英玻璃是由单纯的二氧化硅组成的玻璃，二氧化硅含量通常可以达到9 9 9 以上，具有一系列优良的物理和化学性质，所以被大量用作照明光源的泡壳材 料，比如各类汞灯、金卤灯、汽车灯等等。工业上生产石英玻璃的过程中由于工 艺的原因不可避免地会在玻璃中引入羟基，而羟基含量的多少则对石英灯管的寿 命和质量有严重的影响。因此国家对于各种产品灯管中的羟基含量都规定了标准。 测量羟基含量一般采用傅立叶红外光谱仪对石英玻璃进行光谱扫描，得到光 谱图后利用国家标准法或者g e 方法画线计算羟基含量，但是傅立叶光谱仪成本 昂贵，而且扫描出光谱图后要手工画线进行计算，不可避免会引入人为误差。所 以本文尝试研究设计了一种测量羟基含量的仪器，系统具有结构简单，测量快速， 成本低，测量精度高的特点。 本文概述了石英玻璃羟基含量测量的基本原理，详细介绍了测量系统的组成。 硬件部分详述了调制电路、探测器驱动电路、信号接收电路和电源电路的结构和 设计考虑。软件部分则介绍了p c 机和单片机的通信以及对采集数据的处理。最后 是对三个样品进行反复实验，分析了实验结果。实验表明，系统具有结构简单、 稳定性好、测量精度高的特点。 本设计中主要采用了以下几项新技术： 1 、采用锁相放大技术实现对弱信号的检测。 2 、用步进电机带动调制盘来对光信号进行调制，有控制方便，调制精度高的 特点。 3 、用相敏检测模块配合单片机c 8 0 5 1 f 3 4 0 构成一个锁相放大电路，电路结 构简单，节省成本。 关键字：石英玻璃锁相放大器 微弱信号检测羟基 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 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 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名： 论文使用授权声明 日期： 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：导师签名：日期： 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 引言 石英玻璃是由单纯的二氧化硅组成的玻璃，二氧化硅含量通常可以达到9 9 9 以上，具有一系列优良的物理和化学性质。所以被大量用作照明光源的灯管材 料，比如卤钨灯、金卤灯等h d 光源。 工业上生产石英玻璃的过程中由于工艺的原因不可避免地会在玻璃中引入羟 基，而羟基含量的多少则对金卤灯等灯管的寿命和质量有严重的影响。这是因为 灯泡在点燃时，高温使得羟基从管壁中逸出到灯内与灯泡中的卤素循环剂起化学 反应生成水，水在高温下迅速分解成氢气和氧气，继而氧气与钨反应生成的氧化 钨在高温下立即蒸发，并在较冷的泡壁上沉积下来，使泡壁发黑，缩短灯泡的使 用寿命。这一现象在h d 光源中尤为普遍存在，因此国家对于各种产品灯管中的 羟基含量都有各自的合格标准。下表列出各种产品灯管中羟基含量的国家标准： 表l各种产品羟基含量( 单位p p m ) 灯管品种 羟基含量 金属卤化物灯 l 汞灯8 紫外杀菌灯1 0 h 4 汽车灯 1 0 为此，本课题对石英玻璃中羟基含量测量的仪器化进行了研究，该课题的研 究对于光源企业快速测定羟基含量具有重要的现实意义。 石英玻璃羟基含量的传统测量方法一般是采用傅立叶红外光谱仪对样品扫描 出其吸收光谱图，再根据国家标准法或者通用电气公司方法对光谱图做出基线和 零线后根据公式计算得出羟基含量。由于傅立叶光谱仪的成本昂贵，体积笨重， 而且测量得出谱图后需要手动画线进行计算，不可避免会引入人为误差。所以本 课题尝试研究出一种较低成本的羟基测量仪器，并且在数据处理方面采用软件直 接计算，避免由于手动画线引入的人为误差。 仪器测试羟基含量的理论依据是根据通用电气公司的公式。采用中红外可调 谐波长激光二极管作为光源，其带宽在几个r f f n 范围之内，波长分别为2 6 0 u r n 和 2 7 3 u r n ，其发出的光经调制后射在样品上，再通过红外探测器后光信号转换为电 信号，用单片机采集相应信号后再用p c 机软件进行运算。为了提高接收灵敏度， 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 采用了高探测率的碲镉汞( h g c d t e ) 探测器。为了抑制噪声，采用了锁相放大技 术提高信噪比。采用单片机控制的a d 转换实现数据的自动采集。系统工作在p c 机的控制之下，p c 控制软件采用最流行的面向对象的软件设计方法。整个系统具 有测试方便，测量精度高的优点。 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 第一章石英玻璃羟基含量测量原理 1 1 郎伯比尔定律 每种物质都有独特的分子和原子结构、运动状态和相应的能级分布，物质运 动状态变化时会形成这种物质所特有的分子光谱或者原子光谱，根据光谱形成的 机理不同，光谱分析可以分为发射光谱分析、吸收光谱分析、散射光谱分析、荧 光光谱分析等几大类。 本系统是根据光的吸收原理来实现物质成分的检测，即利用每种物质具有确 定的光谱吸收特性来进行检测。由于不同的物质分子原子结构不同，其特征吸收 波长也不同。同时在特征吸收波长处，其所吸收的光能取决于被测成分的含量。 图1 - 1郎伯比尔定律示意图 如图1 - 1 所示当一束强度为p o 的光射入样品后， 足如下关系式： a ；1 l l 堕= 动c p 或者：p=p o e 一“ 其中：a 为吸光度 测得其出射光强为p ，则满 ( 1 1 ) ( 1 2 ) e 为吸光系数 b 为样品厚度 c 为成分浓度 这就是朗伯比尔定律，它指出了透射光的强度与物质浓度成指数关系，其中 吸光系数e 取决于辐射波长和样品的性质，如果样品不吸收某种波长的光，则样 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 品对这种波长的光的吸收系数e = 0 ，即光的透过率为1 0 0 ，如果样品吸收某 种波长的光，则样品对这种波长的光的吸收系数e 0 ，当光通过距离b 后，光能 的衰减量取决于样品的浓度c 和入射光的光强p o 。 根据光谱学研究可以确定各种吸收物质的吸收光谱，并可找到该物质在特定 波长处的吸收峰以及相应的特征峰值处的波长值，根据朗伯比尔定律就可以由所 测光的透过率求出石英玻璃中羟基的浓度，这就是整个系统的基本检测原理。 1 2 测量羟基含量的国标法和g e 方法 石英玻璃中的羟基在2 7 3 u r n 处有吸收峰，当羟基含量越大，此处吸收值越大， 峰型越典型。因此，人们利用石英玻璃的红外光谱谱图检测其中的羟基含量。目 前主要有两种检测方法得到普遍认可。 1 2 1根据国家标准g b t 1 2 4 4 2 - - 1 9 9 0 石英玻璃羟基含量检 测方法检测 用红外光谱仪测出样品在2 5 0 u r n s 3 5 0 u r n 范围内的光谱透过率曲线，在曲线 上划出基线，分别测量出2 7 3 u r n 处基线到零线、吸收峰到零线的距离，用下面公 式计算： c = 9 6 sx 吉g 争s ) 式中： c ：试样的羟基含量，p p m ( 1 0 6 ) d ：试样的厚度，f f t t l i d ：2 7 3 u r n 处基线到零线的距离，n l l n i ：2 7 3 u r n 处吸收峰到零线的距离，i n n l 基线：光谱透过曲线上吸收峰两肩边的连线 零线：光谱透过曲线上透射比为0 的线 其中各量如图1 - 2 所示： 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 w 9 。8 1 8 “g t h ( “m ) 1 - - - - 图1 2国标法测羟基示意图 1 2 2 根据美国通用电气公司( g e 公司) 方法检测 0 同样检测该样品在2 5 0 u m 3 5 0 u m 范围内的光谱透过率曲线，并直接读出样 品在2 6 0 u r n 和2 7 3 u r n 处的透过率值，利用下列公式计算： c ：9 1 0x1 1 9 墨( 1 4 ) d9 瓦 式中： c ：试样的羟基含量，p p m ( 1 0 6 ) d ：试样的厚度，l l l i n t a ：2 6 0 u m 波长处的透过率值， t b ：2 7 3 u r n 波长处的透过率值， 同样的，g e 方法测羟基含量如图1 - 3 所示： 0 g 8 7 b 5 4 3 2 1 1 ( t 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 t ( ) w e v e l e n g t h ( u m ) 图1 - 3g e 方法测羟基示意图 1 2 3两种方法的比较 0 在准确地测出样品的红外光谱透射率前提下，这两种方法各有利弊。国家标 准方法可根据透过率曲线的形状作基线，并且当羟基的吸收峰在2 7 3 u r n 有偏离 时，可进行微调寻找最佳的吸收值，从而计算出羟基含量。缺点是所作基线不正 确时会影响计算值。g e 方法不需要作基线，避免了由此引起的误差。但是，这种 方法将透过率值固定在2 6 0 u r n 、2 7 3 u r n 处来计算羟基含量，实际上，各种样品 在2 5 0 u m 3 5 0 u m 处透过率曲线不尽相同，有时2 6 0 u m 、2 7 3 u m 处透过率值并 不能全部代表因羟基而产生的吸收。这样会带来一些误差。 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 第二章系统硬件的设计 2 1系统结构 整个系统包括：单色红外光发射系统光接收系统计算机控制系统。其 中单色红外光发射系统包括中红外激光二极管、调制盘及步进电机和聚光透镜等 部分。光接收系统包括碲镉汞探测器、接收电路、数据采集等部分。计算机控制 系统包括p c 机上运行的控制软件系统，单片机控制系统。结构如下图3 - 1 所示： 图2 - 1系统结构图 中红外激光二极管发出的单色激光具有发散角很小的特性，在短距离内近似 平行光束，经光纤引出后射在样品上再经过透镜聚光射在探测器的光敏接收面上。 根据光的吸收定律，检测出被测样品的羟基含量。 在检测系统中，为了抑制背景光和放大器带来的低频噪声( 主要在几百赫兹 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 以下比较严重) ，要对红外光信号进行调制，系统采用步进电机带动调制盘来实现 对光束的调制，调制频率为2 5 0 h z 。 系统工作置于p c 机的控制之下。通过软件控制调制盘的运转和电信号的数据 采集。经数据处理后，即可获得石英玻璃中羟基的含量。 2 2锁相放大器的原理 2 2 1锁相放大器的工作原理 由于中红外激光二极管发出的光强度很弱，经过探测器后转换成的电信号是 很弱的( 一般是u v 甚至n v 级别) ，而电子元器件产生的噪声如低频噪声等均远 远大于有效信号，所以要想检测出有用的信号，需要采用弱信号检测的方法。常 用的弱信号检测方法有锁相放大法，下面介绍其基本原理。 通常对于幅度较小的直流信号或慢变信号，为了防止低频噪声和直流放大的 直流漂移( 例如运放输入失调电压的温度漂移) 的不利影响，一般都使用调制器 或斩波器将其变换成频率为6 0 0 的交流信号后，再进行放大和处理，用中心频率 为。o 的带通滤波器抑制宽带噪声，提高信噪比，之后再进行解调和低通滤波， 以得到放大了的被测信号。但是要达到足够的信噪比，用于提高信噪比的带通滤 波器的带宽必须非常窄，q 值( q = 。o 8 ，b 为带宽) 必须非常高，这在实际上 往往很难实现。而且q 值太高的带通滤波器往往不稳定，温度，电源电压的波动 均会使滤波器的中心频率发生变化，从而导致其通频带不能覆盖信号频率，使得 测量系统无法稳定可靠地进行测量。在这种情况下，利用锁相放大器能很好地解 决上述问题。 锁相放大器抑制噪声有三个基本出发点： 、用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频率6 0 0 处，再进行选频 放大，以避开低频噪声的不利影响。 、利用相敏检测器实现调制信号的解调过程，可以同时利用频率m o 和相 角0 进行检测，噪声与信号同频又同相的概率很低。 、用低通滤波器而不是用带通滤波器来抑制宽带噪声。低通滤波器的频带 可以做的很窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也远远优于带通滤 波器。 锁相放大器对信号频谱进行迁移的过程如图2 2 所示。为了便于理解，设被 测信号为： x ( t ) = v 。c o s ( t o o t + 曰) ( 2 1 ) 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 参考信号为： r ( t ) = v 舯s ( t ) ( 2 2 ) 式中。o 是被测信号和参考信号的频率，0 是它们之问的相位差，0 可能是 由信号频率的变化量造成的。将式( 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 ) 结果的第一项为乘积的差频分量，第二项为和频分量，式( 2 - 3 ) 说明经过相敏检测器后，原来频率为。o 的信号的频谱迁移到了6 0 = 0 和t o - - - - = 2 o 处，如图2 2 ( b ) 所示( 图中未画出2 o 处频谱曲线) ，频谱迁移后保持原谱形 状，幅度取决于被测信号的幅度v 。和参考信号的幅度v r 。 ；( m ) |湍 弓 ( a ) 0 0 功茫1!i 图2 2锁相放大器对信号频谱进行迁移的过程 ( a ) 调制过程( b ) 相敏检测过程 在上图中首先调制过程将低频信号v 。乘以频率为u0 的余弦载波( 参式2 1 ) ， 从而将其频谱迁移到调制频率6 00 两边，之后选取交流特性好的运放对信号进行 选频放大，这样就不会把低频噪声和低频漂移也放大了，如图2 - 2 ( a ) 所示。图 中的虚线表示低频噪声和白噪声的功率谱密度。经交流放大后，再用相敏检测器 ( p s d ) 将其频谱迁移到直流( = o ) 的两边，用窄带低通滤波器( l p f ) 滤除 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 噪声，就得到高信噪比的放大信号，如图2 2 ( b ) 所示，图中用虚线表示l p f 的 频率响应曲线。只要l p f 的带宽足够窄，就能有效地改善信噪比。相敏检测器的 输出u p ( t ) 在经过图2 2 中的低通滤波器l p f 后式( 2 3 ) 中的和频分量被滤除， l p f 通带之外的噪声也被滤除，得到的输出为： u o ( t ) = 0 5 v & c o s 矽 ( 2 4 ) 式2 4 说明，l p f 的输出正比于被测信号的幅度v 。，同时正比于被测信号与 参考信号的相位差0 的余弦函数。当口= o 时，输出u o ( t ) 最大，从而实现了鉴 幅又鉴相。 2 2 2 锁相放大器的基本结构 锁相放大器的基本结构如图2 3 所示，包括信号通道、参考通道、相敏检测 器( p s d ) 和低通滤波器( l p f ) 等。 信号通道对调制后交流信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动 相敏检测器工作的电平，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范 围。因为对不同的测量对象要采用不同的传感器，传感器的输出阻抗各不相同。 为了得到最佳噪声特性，信号通道的输入阻抗要能与相应的传感器输出阻抗相匹 配。 参考输入一般是等幅正弦信号或者方波开关信号，它可以是从外部输入的某 种周期信号，也可以是系统内原先用于调制的载波信号或用于斩波的信号。本系 统中的参考信号由单片机c 8 0 5 1 f 3 4 0 产生。参考通道对参考输入进行放大或衰减， 以适应相敏检测器对幅度的要求。参考通道的另一个重要功能是对参考输入进行 移相处理，以使各种不同相移信号的检测结果达到最佳。 p s d 其实就是一个模拟乘法器，将参考信号r ( t ) 和有用信号x ( t ) 相乘进 行相敏检测，从而实现图2 2 所示的频谱迁移过程。将x ( t ) 的频谱从u = 。o 处 迁移到( 1 ) = 0 处，再经l p f 滤除噪声，其输出u o ( t ) 对x ( t ) 的幅度和相位都敏 感，这样就达到了既鉴幅又鉴相的目的。因为l p f 的频带可以做的很窄，所以可 使锁相放大器达到较大的信噪比。 信号输入 参考输入 图2 - 3锁相放大器的基本结构 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 2 3整体电路设计 2 3 1电路整体结构 信号 图2 - 4电路整体结构图 1 i i l i i i i i i j 电路整体结构如上图所示，包括调制电路，探测器电路，接收电路三大块， 调制电路用步进电机带动调制盘对输入光信号进行斩波调制，步进电机的驱动脉 冲信号由单片机产生，调制频率取2 5 0 h z 。光电检测电路用一个5 0 0 m a 的恒流源 驱动碲镉汞探测器的制冷器，使碲镉汞探测器工作在低温状态下，提高器件的探 测率，用一个l m a 的恒流源来直流偏置探测器芯片，使光强度的变化转换为电压 的变化。接收电路则包括前置放大器，动态范围扩大电路和相敏检测电路三部分， 动态范围扩大电路是在事先不知道信号大小的情况下对其放大范围进行智能调整 的电路，相敏检测功能则由相敏检波模块c d 5 0 5 r 2 芯片来实现，其中参考信号由 单片机的可编程阵列p c a 来产生，其在硬件上完全独立，可以同步输出与被测信 号同频同相的参考信号。最后得到直流输出电压由a d 采集后送入单片机中存储， 并用p c 机软件进行数据处理和显示。 2 3 2调制电路 2 3 2 1 电路综述 为了将直流信号变为交流信号，需要对其进行调制，调制的原则是越早越好， 尽量避免引入更多噪声。所以调制要在入射光射入探测器之前进行，这样比起对 当光信号进入探测器后转换成的电信号进行调制要大大降低噪声。由于步进电机 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 具有定位精确，而且无累积误差，可用单片机进行控制等优点，系统中采用了步 进电机带动调制盘的方式来对入射光信号进行调制。综合考虑到步进电机的特性 和调制盘的尺寸还有低频噪声的特点，选取调制频率为2 5 0 h z ，下面具体讨论器 件的选择和参数的确定。 2 3 2 2 步进电机的选择和调制盘参数确定 步进电机是将电脉冲信号转换成角位移或者线位移的开环控制元件，在非超 载的情况下，电机的转速，停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不 受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角，这一线 性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速 度位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。 步进电机有下面两个最重要的参数： 1 、电机固有步距角： 它表示控制系统每发出一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时 都固定给出了一个步距角的值，如本次所选的2 3 h 2 8 0 - - 0 1 e a 型电机给出的值为 1 8 0 ( 表示半步工作时为0 9 0 、整步工作时为1 8 0 ) ，这个步距角可以称之为电机 固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器 有关。 2 、矩频曲线 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频 特性。2 3 h 2 8 0 - - 0 1 e a 的矩频特性曲线如下所示： 2 羽您_ o l 譬d i p o l s rb 雠a l l e l ) 3 o a p h u e 聪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 图2 5步进电机的矩频特性曲线 上图是步迸电机的矩频特性曲线，从图中可以看出在d c 为2 4 v 供电时，当 疆撼描黔鲥 营。蛩爹嚣一 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 步进电机以每分钟6 0 0 转( 也就是每秒钟2 0 0 0 步) 的速度旋转时，其输出转矩也 能达到约为o 6 n m ，对于本系统中选用的调制盘，能够很轻易的驱动。 接下来讨论调制盘参数的确定，本系统中采用了一块直径为8 5 m m ，厚度为 2 m m 的调制盘，上面等间隔开有2 5 个小孔，小孔的直径为4 8 m m ，小孔中心到 圆盘中心间距为3 5 m m ，每个小孔对应圆盘中心的张角为7 2 0 ，刚好是步进电机 转动4 步的角度。 确定的依据有如下两条： l 、激光光源是通过光纤接口输入并被调制的，光纤头内部直径约为1 2 m m 左右，若是将调制盘小孔直径取为4 8 m m ，则在步进电机转动4 步的角度内光纤 头出来的光都能通过调制盘被探测器接收，然后在下4 步光被调制盘挡住，探测 器没有接收到光信号。从而对光信号进行调制。步进电机驱动频率和光调制频率 的关系如图2 - 6 所示，若是步进电机驱动脉冲频率为2 0 0 0 h z ( 也就是2 0 0 0 步秒 = 6 0 0 转分) ，则光调制频率为2 0 0 0 8 = 2 5 0 h z 2 、调制盘在所开的孔直径为4 8 m m ，而孔两边切线对圆盘中心张角为7 2 0 情况下可以算出圆盘直径约为8 5 m m ，由于圆盘采用铝板制作，重量很轻，步进 电机在6 0 0 转分的转速下其输出力矩较大，能轻易带动调制盘转动而不会失步。 图2 - 6步进电机驱动脉冲频率和光调制频率的关系 2 3 2 3 步进电机驱动器 步进电机要加上合适的驱动电路才能正常运转，电路中采用了与2 3 1 - 1 2 8 0 - - 0 l e a 步进电机配套的c w 2 3 0 步进电机驱动器，它的性能特点如下： 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 电源电压1 0 4 0 v 单电压直流供电 输入信号与r r l 电平兼容 有1 2 个引脚其功能如下： v c c + ，g n d 端为外接直流电源 a 十，a - 端接步进电机a 相 b + ，b 端接步进电机b 相 c p + 、c p 端为步进脉冲输入端，接单片机来控制 c w + 、c w - 端控制电机运转方向，通过控制端子电平可改变电机运转 方向 r e s t + ，r e s t - 是急停复位端，可以让步进电机复位到初始位置 能控制电机的细分数，有2 、4 、8 、1 6 、3 2 、“等细分数选择 2 3 2 4 实现电路 整个系统实现电路如下图所示： 图2 7步进电机驱动电路 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 如图2 7 所示，用单片机的三个i o 口p 2 0 ，p 2 1 ，p 2 2 分别产生步进电机的 脉冲信号、方向信号和复位信号，步进电机采用两相四线的并联接法。 2 3 3探测器电路 2 3 3 1 碲镉汞探测器的使用 目前，红外探测器主要有硫化铅( p b s ) 、锑化铟( i n s b ) 和碲镉汞( h g c d t e ) 等。本系统中采用了碲镉汞红外探测器。 碲镉汞是一种应用非常广泛的红外光电导探测器。根据材料组分的变化，可 以制作出适宜不同波长窗口的探测器，如1 3 t l m ，3 5 u m ，8 1 4 u m 。随着激光 通信、遥感、测距等应用技术的发展，对着三个大气透明窗口的开拓和利用显得 越来越重要，所以碲镉汞探测器受到特别重视，成为目前光电导探测器中研究最 多、发展最快的器件之一。光电导碲镉汞探测器具有内增益m 较大( 可达5 0 1 0 0 ) 、响应率高、响应频带宽、并且易于与前置放大器连接等优点。截止波长为 4 u m 时，工作于室温的探测器峰值探测率d 。可达1 0 1 0 琼斯，在制冷的条件下， 探测器的探测率d 。可提高l 2 个数量级，峰值波长 。向长波延伸。因此，碲镉 汞探测器特别适合于本设计中微弱激光信号的检测。 光电导探测器的特性受工作温度影响很大，主要原因是温度升高时，热激发 载流予增多，除了使热噪声增加外，还使光生载流子寿命下降( 复合率增大) ，从 而使光电导器件灵敏度降低。此外，随着工作温度的升高，光谱响应的峰值将向 短波方向移动。因此，为了保证这种光电导探测器具有较高灵敏度，大多数情况 下都需要制冷。尤其对在长波长区工作的器件，则需要深低温工作条件，以减小 热激发所引起的热噪声。 系统选用来探测微弱激光的是3 5 u m 窗1 2 1 碲镉汞红外探测器，峰值波长 。 - - - - 2 5 u m ，截止波长 。- - - - 4 2 u m 。其他参数见下表： 表2碲镉汞红外探测器参数表 光敏面积：8 0 0 8 0 0 u r n 2制冷：二级半导体 工作温度：2 6 6 k电阻：3 9 0 kq 辐照度：8 7 6 u w c m 2辐射孔：中= o 8 c m黑体温度= 5 0 0 k 测试频率：1 k h z 距离：4 0 c m ( 辐射孔与探测器问) 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 厂w 1 02 44 4 35 4 24 23 1 3 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 其中：k ：偏置电流：信号电压 s n r ：信噪比沁：截止波长 v n ：噪声电压 d ：比探测率 探测器自身集成了微型热电制冷器制冷，来提供敏感元件与环境的温差。具 有室温工作、灵敏度高、响应快、高可靠与稳定性、制冷快、方便易用等特点。 另外，在制冷器的冷面上还装有测温元件，以便于测定和控制芯片的工作温度。 当对制冷器通以5 0 0 m a 的恒流时能将芯片制冷至一1 8 ，充分发挥其优异的探测 性能。 此外，使用碲镉汞红外探测器有如下注意事项： ( 1 ) 探测器有三组引线，每组用颜色标识，第一组是铂电阻引线( 无极性) ， 第二组是制冷器引线( 有正负极性) ，第三组是探测器引线( 无极性) ，引线不能 错接，否则会损伤器件。 ( 2 ) 探测器采用二级半导体制冷器，制冷器需加5 0 0 m a 直流电流，加电有极 性，不能错接( 引线有正负标志) ，否则不是制冷而是加热。在5 0 0 m a 偏流下，如 果散热良好，可把探测器制冷到一1 8 ( 即2 5 5 k ) 左右，环境温度和制冷温度的 最大温差能达到5 5 。 ( 3 ) 铂电阻引出线是用来测量制冷温度的，可以用数字万用表电阻档测量电 阻，在室温下铂电阻在1 0 0q 左右，电阻随温度下降而下降，参见表3 。 ( 4 ) 由于半导体制冷器有功耗，因此需要在集成探测器上外加散热片。散热 片面积越大散热效果越好，一般制冷器工作后温度稳定在一1 8 c 左右，散热片接 近室温即可。散热效果差会影响制冷温度。在散热片与探测器之间涂一层导热硅 胶可以改善散热效果。 ( 5 ) 探测器引线( 器件引线) 与前放输入线连接。使用电烙铁连接或者断开 探测器引线进行焊接时，电烙铁不能带电操作( 拔掉电源插头) ，否则容易损坏探 测器。 ( 6 ) 器件外壳接地、采用屏蔽电缆等可保护探测器不受额外噪声源的影响， 另外将芯片一端与制冷器一端相接( 共地) ，可有效减少干扰。 表3p t l 0 0 铂电阻值( q ) 温度( ) 对照表 温度 一l一23 4 56 78 ( ) 铂电阻 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 ) 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 2 3 3 2 探测器电路的实现 碲镉汞探测器的工作原理是基于光电导效应。在一定光照下，加在碲镉汞探 测器两端的电压与流过光电导探测器的亮电流之间的关系称为碲镉汞探测器的伏 安特性，常用曲线表示，如图2 8 所示： 由图可知，这是一组以输入光功率为参量的通过原点的直线组，在一定范围 内碲镉汞探测器阻值不随外电压改变，仅取决于光照度e 。图中的虚线为额定功 耗线p 。使用碲镉汞探测器时，应不使电阻的实际功耗超过额定值，即不使静态 工作点居于虚线以外的区域。按这一要求，在设计负载电阻时，应不使负载线与 额定功耗线相交。 图2 8碲镉汞探测器的伏安特性关系曲线 碲镉汞探测器通常用半导体材料制成。入射光子的能量被探测器内部的载流 子吸收后，改变载流子的浓度，从而使探测器的电阻值发生改变。为了使光辐射 引起的碲镉汞探测器电阻的变化转换成电信号，必须给碲镉汞探测器施加一定的 电偏置，从而得到与入射光辐射信号相应的电信号。通常，碲镉汞探测器的直流 偏置电路原理如图2 - 9 所示。 ： 图2 - 9碲镉汞探测器的直流偏置电路原理 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 图中，凡为光电导探测器的暗电阻，用一个恒流源作为其偏置电流，这个电 流值受探测器的额定功率限制，必须折中考虑响应率和安全性。在本系统中取其 值为l m a 。它基本上不随心值变化( 即光辐射变化) 而变化。信号从a 点取出， 送到前置放大器进行后续处理。 整个探测器部分电路分成两个模块，一个模块是5 0 0 m a 的恒流源，用来对探 测器的制冷器进行制冷偏置，另外一个模块是l m a 的恒流源，用来作为探测器的 偏置电流。具体电路如下所示： 5 0 0 m a 恒流源电路如图2 1 0 所示，电路中用到了三端可调集成稳压器 l m 3 1 7 ，它是美国国家半导体公司生产的三端可调正稳压器集成电路，是使用极 为广泛的一类串连集成稳压器。l m 3 1 7 有三只引脚，即输入端v i n 、输出端v o 。 和调整端a d j ，l m 3 1 7 并没有固定的输出电压，但是它控制v o 。和a d j 引脚间的 电位差为1 2 5 v 。在图中，只要调节可变电阻器r l 的阻值，使其阻值变为2 5 q ， 则流过r 1 的电流就会是稳定的5 0 0 m a ，而a d j 端会有大约5 0 u a 的电流流出， 可以忽略不计，则流过负载r l 的电流就是稳定的5 0 0 m a ，这个电流刚好用来给探 测器的制冷器偏置进行制冷。图中两个电容的加入能大幅度提高抗纹波的能力， 二极管起保护作用，当三端稳压器输出端对地短路时，提供一个放电通路，从而 保护三端可调集成稳压器。 图2 1 05 0 0 m a 恒流源 l m a 恒流源电路如图2 - 1 1 所示，图中l m 3 3 4 是美国国家半导体公司生产的 三端可调恒流源器件，恒流特性非常好， 工作电流内恒流源可调范围比为1 0 0 0 0 ： 具有1 v 到4 0 v 的宽动态电压范围。在 1 ，输出恒定电流的调节范围是1 u a 1 0 m a ，电流调整率达o 0 2 c ，仅接外部设定电阻时电流温度系数为+ o 3 3 ， 若再增加一只硅二极管和一只电阻，利用硅p n 结的温度系数对l m 3 3 4 的正温度 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 系数进行补偿，即可构成接近零温漂的恒流源。它有三个引脚，第一脚r 是电流 设定端，第二脚v + 接电源，第三脚v 一接恒流电源输出。图中硅二极管i n 4 5 7 的的正向偏压为负温度系数( 约为一2 5 m v c ) ，而l m 3 3 4 为正温度系数( 约+ o 2 3 m v ) ，通过查l m 3 3 4 的d a t a s h e e t 可知，当r 2 r 1 = 1 0 1 时，恒流源的温度 系数为0 。而当r 2 = 1 3 4 0 q 时，电路就构成一个非常稳定的l m a 恒流源。 2 3 4接收电路 图2 1 1l m a 恒流源 2 3 4 1 电路总体结构 电信号 图2 1 2接收电路整体结构 如上图所示是接收电路的总体结构，光信号变为电信号后进入前置放大器进 行放大，这里前置放大器是与碲镉汞探测器相配合的低噪声前置放大器模块，抗 干扰能力非常强，噪声电压典型值小于1 5 n v h z 怩，放大倍数为1 3 6 7 倍，只能 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 放大交流信号。由于光电转换后的电信号一般是u v 级别甚至更小比如n v 级别， 所以通过前放放大后往往电压值还是很小，还需要进行二级放大，所以电信号在 经过前置放大器放大后通过一个可编程放大电路，以调节其动态范围，使输出的 电压值尽量靠近a d 采集芯片的最大量程，便于后续数据的处理。相敏检测模块 是电路的核心部分，这里选用了日本n f 公司的c d 5 0 5 r 2 芯片，只要外接少量的 阻容元件就能方便构成一个锁相放大器，这里锁相放大器的参考信号是由单片机 来提供的，电信号与参考信号相关运算后的输出信号直接进入a d 采集芯片进行 数据转换，然后用单片机存储和处理数据。 2 3 4 2 微控制器的选用 本系统中微控制器采用了s i l a b s 公司的c 8 0 5 1 f 3 4 0 增强型单片机。c 8 0 5 1 单 片机是完全集成的混合信号系统级芯片( s o c ) ，具有与8 0 5 1 兼容的高速c i p 一5 1 内核，与m c s 5 1 指令集完全兼容。除了具有标准8 0 5 1 的数字外设部件之外，片 内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。 这些外设或功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、a d c 、d a c 、电 压比较器、电压基准、温度传感器、s m b u s 、i 2 c 、u a r t 、s p i 、定时器、可编 程计数器、定时器阵列( p c a ) 、数字i o 端口、电源监视器、看门狗定时器( w d t ) 和时钟振荡器等。下图所示就是c 8 0 5 1 f 3 4 0 的内部结构图。 图2 1 3c 8 0 5 1 f 3 4 0 内部结构图 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 c 8 0 5 1 f 3 4 0 在本系统中用到的一些特性如下： 1 、有五个i o 口p o 、p l 、p 2 、p 3 、p 4 ，而这些口除了作为i o 口使用外，大 多数引脚都具有第二功能，这些功能的使用是通过芯片内部的交叉开关配置寄存 器来进行配置的，在开始一定要先列出希望使用的功能，然后根据优先级别将这 些功能分配给某几个引脚，一旦分配好后就不能再更改了。优先权交叉开关的译 码表如下图所示： 图2 1 4c 8 0 5 1 f 3 4 0 引脚分配表 在图中第一列里面p i ni o 中列出的就是引脚的第二功能，对于这些功能的优 先级别是从上到下依次降低的，比如说如果选中了串口通信功能t x 0 和r x 0 ，则 这两个功能就被分配给p 0 4 和p o 5 引脚，若没有用这两个功能的话则p 0 4 和p o 5 引脚可能就被分配给s d a 和s c l 功能。 2 、有一个可编程的1 6 位计数器定时器阵列( p c a ) ，这部分在硬件上是单独 集成的一个模块，只需要c p u 少数的干预就能工作，通过简单的几条指令就能将 其配爱为一个占空比为1 ：1 的方波发生器，其输出的方波做为后面相敏检测模块 c d 5 0 5 r 2 的参考方波输入和步进电机驱动器的驱动脉冲信号，使二者严格同频同 相。 3 、集成了串行外设接口s p i ，提供了一个非常灵活的4 线全双工串行总线。 石英玻璃羟基含量测量方法的研究与应用 在本系统中s p i 功能用来设定数字电位器m a x 5 4 3 6 的电阻值 4 、支持片内j t a g 调试，能够非常方便的进行在线仿真，性能远远优于使用 i c e 芯片、目标仿真头和插座的仿真器。 5 、引脚数目比较多，可以直接和a d 采集芯片m a x l 7 4 进行非复用方式的 连接，节省了硬件上的额外开销。 2 3 4 3 动态范围的扩大 由于在本系统中传感器感知信号很微弱，光电转换后的电压信号一般是u v 甚 至n v 级别的信号，对这样的信号进行采集，为了保证精度，需用信号调理电路对 传感器输出的大动态模拟信号的动态范围进行压缩，将信号的变化幅度调整到 j 切) 电路所需要的范围。 为了提高测量精度，满足传感器输出的微小信号在各种状态下放大调节的要 求，同时也为了能够有效地抑制干扰信号和可靠地检测出有用信号，常常需要根 据测量信号的特点、选用高精度的测量放大器和合适的滤波器。在事先不知道被 测信号大小的情况下，一般用微控制器进行检测，并通过控制放大器的放大倍数 使信号调到最佳，从而获得最佳的测量数据。 本系统中直接利用集成程控增益放大器p g a 2 0 2 来实现信号调理电路。 p g a 2 0 2 是美国b u r r - b r o w n 公司生产的一款程控仪表放大器，该芯片的 性能特点如下： 数字可编程控制增益： 增益倍数为1 ，1 0 ，1 0 0 ，1 0