专利名称：紫外增强型电学定标热释电辐射计的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量技术，特别是涉及一种用于测量紫外光辐射功率的电学定标的精确测量技术。
背景技术：
一般来讲，对紫外辐射功率的测量有两种方法，一种是使用标准光源，一种是使用标准探测器。这两种方法都要经过一系列的量值，从而使得传递的累积误差不断增加，影响了最终测量的结果。我国现有的辐射测量标准是基于探测器的腔型热电堆，另一个标准是基于光源的黑体，但它们都难以用于紫外波段，并且测量的误差也较大。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有精度高，灵敏度高，光谱测量范围广的紫外增强型电学定标热释电辐射计。
为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种紫外增强型电学定标热释电辐射计，包括主测量电路部分、高稳定光学斩波器和紫外增强型热释电探头；其中，主测量电路部分光电自动平衡系统以及数据采集和功率计算系统组成；光电自动平衡系统，由前置放大器、选频放大器、同步整流器、补偿积分器、方波调制器和平衡驱动器组成，其输入端的前置放大器连接热释电探头，其输出端的平衡驱动器连接并控制热释电探测器以电学方式加热，其功能是用于完成对输入光信号的转换和对电信号的调理，实现系统对信号变换的控制。
数据采集和功率计算系统，由电流电压转换电路、A/D模数转换电路和单片机控制电路组成，其输入端的电流电压转换电路连接光电自动平衡系统的电加热输出端，其功能是用于与光功率值相等的电功率值数据的采集、转换、修正、存储和显示。
高稳定光学斩波器使用高精度，高稳定性的同步电机，以保证调制盘的平衡；不仅能够将光信号进行调制后照射到热释电探测器，而且能够为锁相电路提供参考信号；当斩波器通光时，紫外光辐射到紫外增强型热释电探测器金黑层表面上，使得探测器输出相应的电信号；当斩波器切断光路时，紫外光辐射不再加热探测器表面，而伺服系统(光电自动平衡系统)产生的电流脉冲通过探测器表面的金黑层，这时由电加热作用导致热释电探测器产生信号。伺服系统(光电自动平衡系统)随光加热信号不断增加而使加热电流幅度也不断增加，当两种加热信号相等时，也就是说探测器表面的温度达到平衡，这时探测器输出为零。此刻，光加热功率就等于电加热功率，由数据采集和功率计算系统测量电功率值就可以得到光功率值，最后将电功率进行数字化处理并显示出来。当然由于各种误差的存在，进行综合考虑后，对测量值进行分析修正，就得到了最终测量结果。
进一步地，在所述整个定标测量系统中，使用了自动调零的锁定探测系统，采用50％负载周期和一个窄带前置放大器，并仅使用电加热和光加热的基频成份匹配；入射辐射被调制成14Hz的方波，被探测器表面上的金黑吸收，加热电功率也被调制成14Hz方波，在金黑电阻上产生电压，两者频率相同，相位差180度，交替加热元件，元件输出的信号的大小与光加热和电加热的功率差成正比；测量电加热功率大小，就可得到光功率值。
进一步地，所述数据采集和功率计算系统的结构包括一电流电压转换电路，用于电功率信号的采集、放大、转换；一A/D模数转换电路，输入端连接电流电压转换电路的输出端，用于电功率信号的模数转换；
一单片机控制电路，输入端连接A/D模数转换电路的输出端，用于功率计算和功率修正所述单片机控制电路的输出端分别连接键盘和显示控制电路、打印输出电路和接口电路等；一数据存储电路，与单片机控制电路连接，用于数据采集和功率计算系统的数据存储。
进一步地，所述紫外增强型热释电探头为悬空结构设计，其材料选用热释电系数很高的PMNT弛豫铁电单晶。
本发明提供的紫外增强型电学定标热释电辐射计是测量紫外光辐射功率的一种高精度绝对辐射计，它属于高精度电替代绝对辐射计。由于电定标辐射计可直接把光辐射度量和电量联系起来，通过测量电量得到光功率值(注这里测量的是电加热探测器和光加热探测器平衡时的电功率，而不是探测器输出的电信号值)。由于电功率的测量能够有很高的精度，因此这也就提高了对光功率测量的精度。紫外增强型电学定标热释电辐射计是在紫外增强型热释电器件的基础上，把测量光辐射的范围引申到了紫外区域。它将光功率的测量标准溯源到电功率的标准上来，因此测量具有很高的精度，可以达到1％的不确定度。紫外增强型电学定标热释电辐射计具有精度高，灵敏度高，光谱范围可扩展到紫外区等特点。使用这种方法就可以将光学定标的溯源问题转化为对电学标准的溯源，而不是使用如黑体这种光学标准。这样就大大提高了精确度。紫外增强型电学定标热释电辐射计可应用于标定探测器、标准灯、辐射黑体、激光功率计、UV曝光计等许多场合。实际应用中，由于电学定标热释电辐射计具有高的精度，并能够很方便的仪器化生产，所以它具有很好的商业化前景和应用推广价值。
图1是本发明实施例的紫外增强型电学定标热释电辐射计(ECPR)系统结构示意框图；
图2是本发明实施例中光电自动平衡系统的结构示意框图；图3是本发明实施例基于单片机的数据采集和功率计算系统的结构示意框图；图4是本发明实施例中热释电灵敏元的结构图。
具体实施例方式
以下结合
对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
本发明实施例所提供的一种紫外增强型电学热释电辐射计测量系统的基本原理是当斩波器通光时，紫外光辐射到紫外增强型热释电探测器金黑层表面上，金黑吸收光热，使得探测器输出相应的电信号；当斩波器切断光路时，紫外光辐射不再加热探测器表面，而伺服系统产生的电流脉冲通过探测器表面的金黑层，这时由电加热作用导致热释电探测器产生信号。伺服系统随光加热信号不断增加而使加热电流幅度也不断增加，当两种加热信号相等时，也就是说探测器表面的温度达到平衡，这时探测器输出为零。此刻，光加热功率就等于电加热功率，测量电功率值就可以得到光功率值，最后将电功率进行数字化处理并显示出来。当然由于各种误差的存在，进行综合考虑后，对测量值进行分析修正，就得到了最终测量结果。在整个定标测量系统中，使用了自动调零的锁定探测系统，采用50％负载周期和一个窄带前置放大器，并仅使用电加热和光加热的基频成份匹配。入射辐射被调制成14Hz的方波，被探测器表面上的金黑吸收，加热电功率也被调制成14Hz方波，在金黑电阻上产生电压，两者频率相同，相位差180度，交替加热元件，元件输出的信号的大小与光加热和电加热的功率差成正比。测量电加热功率大小，就可得到光功率值。
本发明实施例所提供的一种紫外增强型电学定标热释电辐射计的原理框图参见图1所示，其电路结构包括主测量电路部分、高稳定光学斩波器和紫外增强型热释电探头；其中，
主测量电路部分主测量电路部分由作为模拟伺服系统的光电自动平衡系统以及基于单片机的数据采集和功率计算系统组成；光电自动平衡系统，由前置放大器、选频放大器、同步整流器、补偿积分器、方波调制器和平衡驱动器组成，其输入端连接热释电探头，其功能是用于完成对输入光信号的转换和对电信号的调理，实现系统对信号变换的控制。
光电自动平衡系统原理方框图如图2所示；包括一热释电器件，用于输出功率差电信号；一前置放大器，输入端连接热释电器件，用于功率差电信号的放大；一选频放大器，输入端连接前置放大器的输出端，用于功率差电信号的选频滤波，选频放大器调在基波频率上，以滤除通带外的噪声，减小同步整流器的过载；并滤除信号中的高次谐波；一同步整流器，输入端连接选频放大器的输出端，对信号进行同步整流；一补偿积分器，输入端连接同步整流器的输出端，对信号进行补偿积分，补偿积分器决定着系统的频率响应，并以很高的直流增益来稳定系统；一方波调制(电加热)器，输入端连接补偿积分器的输出端，用于将补偿积分器输出的直流信号转变为极性交变的电加热信号；一平衡(激励)驱动器，输入端连接方波调制(电加热)器的输出端，参考输入端连接参考信号源，并由参考信号源输入参考方波，平衡激励驱动器产生两路波形对称的电压输出，进行推挽激励，给热释电(探测)器件以电学加热；当热释电器件接受到辐射时，补偿积分器输出直流电压升高，电加热功率也随之上升，当两个加热功率相等时，热释电器件无信号输出，补偿积分器输入电流为零，其输出保持不变，从而自动调节电功率等于光功率。
光电自动平衡系统可自动跟踪光辐射大小，并同时产生可自动调节的电功率脉冲去加热热释电探测器表面，当探测器表面受到的光加热和电加热达到热平衡时，探测器输出为零。也就是说，该光电自动平衡系统能够自动实现电加热探测器表面和光加热探测器表面具有相同效应，而使探测器达到热平衡。
为了测量辐射光功率的大小，可通过测量光电交替加热灵敏元表面平衡后的电功率值获得；基于单片机的数据采集和功率计算系统的原理框图如图3所示，其结构包括一电流电压转换电路，用于电功率信号的采集、放大、转换；一A/D模数转换电路，输入端连接电流电压转换电路的输出端，用于电功率信号的模数转换；一单片机控制电路，输入端连接A/D模数转换电路的输出端，用于功率计算和功率修正所述单片机控制电路的输出端分别连接键盘和显示控制电路、打印输出电路和接口电路等一数据存储电路，与单片机控制电路连接，用于数据采集和功率计算系统的数据存储。
高稳定光学斩波器光学斩波器的频率稳定性很高，以保证测量的稳定性，它不仅能够将光信号进行调制后照射到热释电探测器，而且能够为锁相电路提供参考信号。高稳定光学斩波器使用高精度，高稳定性的电机，同时保证调制盘的平衡。采用高精度同步电机，采用单片机频率可调控制电路，通过RS232和计算机通讯。
紫外增强型热释电探头热释电探头采用紫外增强型器件，结构见图4所示，材料选用热释电系数很高的PMNT弛豫铁电单晶，面积10×10mm2，具有良好的均匀性和平坦的光谱响应曲线，采用悬空结构设计。
权利要求
1.一种紫外增强型电学定标热释电辐射计，其特征是，包括主测量电路部分、高稳定光学斩波器和紫外增强型热释电探头；其中，主测量电路部分由光电自动平衡系统以及数据采集和功率计算系统组成光电自动平衡系统，由前置放大器、选频放大器、同步整流器、补偿积分器、方波调制器和平衡驱动器组成，其输入端的前置放大器连接热释电探头，其输出端的平衡驱动器连接并控制热释电探测器以电学方式加热，其功能是用于完成对输入光信号的转换和对电信号的调理，实现系统对信号变换的控制；数据采集和功率计算系统，由电流电压转换电路、A/D模数转换电路和单片机控制电路组成，其输入端的电流电压转换电路连接光电自动平衡系统的电加热输出端，其功能是用于与光功率值相等的电功率值数据的采集、转换、修正、存储和显示；高稳定光学斩波器使用高精度、高稳定性的同步电机；不仅能够将光信号进行调制后照射到热释电探测器，而且能够为锁相电路提供参考信号；测量时，光电自动平衡系统调节热释电探测器的电加热功率，使其等于探测器的光加热功率，再由数据采集和功率计算系统测量电加热功率值，最后将电功率值进行数字化处理并存储和显示。
2.根据权利要求1所述的紫外增强型电学定标热释电辐射计，其特征在于，在所述整个定标测量系统中，设有自动调零的锁定探测系统，采用50％负载周期和一个窄带前置放大器，并仅使用电加热和光加热的基频成份匹配；入射辐射和加热电功率均被调制成14Hz的方波，两者频率相同，相位差180度，交替加热元件，元件输出的信号的大小与光加热和电加热的功率差成正比。
3.根据权利要求1所述的紫外增强型电学定标热释电辐射计，其特征在于，所述数据采集和功率计算系统的结构包括；一电流电压转换电路，用于电功率信号的采集、放大、转换；一A/D模数转换电路，输入端连接电流电压转换电路的输出端，用于电功率信号的模数转换；一单片机控制电路，输入端连接A/D模数转换电路的输出端，用于功率计算和功率修正所述单片机控制电路的输出端分别连接键盘和显示控制电路、打印输出电路和接口电路；一数据存储电路，与单片机控制电路连接，用于数据采集和功率计算系统的数据存储。
4.根据权利要求1所述的紫外增强型电学定标热释电辐射计，其特征在于，所述紫外增强型热释电探头为悬空结构，其材料为PMNT弛豫铁电单晶。
全文摘要
本发明公开一种紫外增强型电学定标热释电辐射计，包括主测量电路部分、高稳定光学斩波器和紫外增强型热释电探头；其中，主测量电路部分由光电自动平衡系统以及数据采集和功率计算系统组成光电自动平衡系统是用于完成对输入光信号的转换和对电信号的调理，其他部分是用于实现对与光功率值相等的电功率值的数据采集、转换、修正、存储和显示。测量时，光电自动平衡系统调节热释电探测器的电加热功率，使其等于探测器的光加热功率，再由数据采集和功率计算系统测量电加热功率值，最后将电功率值进行数字化处理并存储和显示。本发明的紫外增强型电学定标热释电辐射计具有精度高，灵敏度高，光谱范围可扩展到紫外区等特点。
文档编号G01J1/42GK1818574SQ200610024989
公开日2006年8月16日 申请日期2006年3月23日 优先权日2006年3月23日
发明者庄松林, 瑚琦, 顾铃娟, 苏锦文, 侯建伟, 殷森余 申请人:上海理工大学