专利名称：光电信号自动测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光电信号测量，是一种关于电脑控制的光电信号全自动测量装 置，该装置利用矩阵实验软件(以下简称为MATLAB软件，MATLAB软件是matrix 和laboratory的縮写合成)编写的M程序，以实现光电信号全自动测量并直接对 信号数据进行多种数学运算和分析处理，适用于实验中自动测量和处理各种光电信 号，应用于需要测量光电信号的实验研究领域。
技术背景随着科学技术的发展与进步，电脑控制的自动化应用越来越广泛，它的优越性 在于首先大大提高了工作效率，可节省大量的人力资源；其次，提高了操作精度， 可避免人工操作的误差第三，大大縮短了实验时间，可提高实验数据的可靠性， 因为大部分信号都会随着环境参数的变化而发生起伏变化，例如实验室的温度、湿 度变化，甚至设备本身长时间工作的不稳定性等都会引起所测数据的不稳定，因此 实验测量完成越快，实验数据引入的误差越小。最初在实验室中人们利用示波器显示和测量光电信号，人工记录信号数据，并 采用多次重复测量求平均值，以降低测量误差，然后手动调节坐标位置，再进行下 一个位置的测量和记录工作，等到所有位置的信号数据测量完成后，实验操作才算 完成。接下来的任务是实验数据的处理挑选出有效数据，并将有效数据录入电脑， 利用数学处理软件进行数据的分析运算，或作图拟合等。 一般的较大规模的科研实 验，测量操作和数据记录需要相当长的时间，数据的整理、录入和分析运算处理需 要更长的时间，比如一天以上，工作效率低下。此外，人为的差错和实验时环境条 件变化的影响，还不能保证实验数据的可靠性。随着电脑和自动化控制技术的发展，将电脑自动化控制引入光电信号的测量控 制领域，条件日渐成熟，而且易于实现和普及。这种方法的优越性在于可大大提高 工作效率，避免传统方法所带来的种种弊端和不足；不仅实现了测量控制的自动化， 而且实现了数据测量和分析处理一体化，可大大加快工作进程。 发明内容本实用新型的目的是为了克服上述传统实验方法所带来的种种弊端和不足，提 供一种光电信号自动测量装置，以实现光电信号的全自动测量和实验数据的分析处 理一体化，实现光电信号测量的高精度控制和数据的即时运算处理，快速地获得想 要的最终的实验结果。本实用新型将电脑自动化控制引入光电信号系统的測量研究领域，利用歩进电 机改变该光电信号系统的某个元部件的实验参数(自变量坐标位置)，利用探测器 探测反映该光电信号系统的物理量变化的光电信号，利用该装置的控制处理程序(以 下简称M程序)实现测量控制自动化，并实现测量、运算、分析--体化，直接得到 最终实验结果。所述的M程序是采用具有强大数学处理功能的矩阵实验软件(以下简称为 MATLAB软件，MATLAB软件是matrix和laboratory的縮写合成)来编写的程 序，该M程序的特点是易于直接进行编程、修改且数据处理功能强大。M程序可避 免传统方法所带来的种种弊端和不足。本实用新型的技术解决方案如下一种光电信号自动测量装置，特征在于其构成包括装有矩阵实验软件 (MATLAB软件)的电脑、示波器、 一个或一个以上探测器、电机控制器、 一个或 一个以上电机驱动器和一个或一个以上步进电机，所述的电脑的输入端和所述的示 波器的输出短相连；所述的电脑的输出端和所述的电机控制器的输入端相连，所述 的电机控制器的输出端和所述的电机驱动器的输入端相连，所述的探测器和所述的 示波器相连；所述的步进电机由相应的电机驱动器驱动；所述的歩进电机供待测光 电信号系统的待驱动元件安置，所述的探测器安装在待测光电信号系统的待测光电 信号的输出位置。所述的待测光电信号系统的待驱动元件为位置调节控制元件。所述的位置调节控制元件为直线平移调节控制元件或角度旋转调节控制元件。所述的探测器是光电管，或电信号探头。利用上述的光电信号自动测量装置对待测光电信号系统的待测光电信号的测 量处理方法，其特征在于包括下列步骤① 对待测实验系统的测量物理量进行设计确定待测的元件及其相应的坐标位 置变量第一坐标位置变量、第二坐标位置变量、—一-:② 根据光电信号数据处理要求，采用MATLAB软件编制M程序，M程序采用 MATLAB软件的.m文件格式； ③将待测实验系统的待驱动的元件与相应的步进电机相安置，进一歩将所述的电脑的输入端和示波器的输出短相连；所述的电脑的输出端和电机控制器的输入端相连，所述的电机控制器的输出端和电机驱动器的输入端相连，所述的探测器和示波器相连；所述的步进电机由相应的电机驱动器驱动；所述的探测器安装在待测 光电信号系统的待测光电信号的输出位置。 开启示波器、电机控制器和电脑，并做好相关的设置 打开MATLAB软件和M程序文件，运行M程序；⑥测量结束后，就可以到指定目录査看、读取原始数据和最终处理结果。所述的M程序的流程如下① 先对程序进行初始化，设定测量次数、坐标位置，设定歩进电机的运行模 式、步长、速度和行程；② 创建电脑与电机控制器的串行通讯模块和示波器的通讯控件，并设置其属 性，建立程序，建立电脑和示波器、电机控制器之间的通讯连接；③ 调整坐标位置，并读取和处理信号数据，多次测量求平均；④ 接着判断是否测量下一组，如果是，则计算和调整坐标位置进行下一组的测量；⑤ 测量结束后，对所有实验数据进行分析运算或作图拟合等整体处理，得出实验结果，并将原始数据和处理结果保存到某个文件中。 本实用新型与传统方法相比，具有以下显著的特点(1) 电脑直接读写数据，避免了人工读取和录入数据的繁琐，可大大节省工 作时间，提高工作效率。(2) 电脑精确控制坐标位置，可避免人工操作所带来的不慎错误和误差。(3) 大大縮短实验时间和仪器工作时间，可提高数据的可靠性。(4) 实现了测量控制自动化和运算处理一体化，大大加快了实验进度。
图l为本实用新型的光电信号自动测量装置示意图。图2为本实用新型的光电信号自动測量装置的直线平移控制装置示意图。图3为本实用新型的光电信号自动測量装置的角度旋转控制装置示意图。 图4为本实用新型的M程序控制原理示意图。 图5为本实用新型的M程序流程图。图6为本实用新型装置的一个具体应用的实验装置图，应用在分子取向自动 检测实验。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明。先请参阅图l，图1为本实用新型的光电信号自动测量装置示意图。由图可见， 本实用新型光电信号自动测量装置，其构成包括装有MATLAB软件的电脑1、示 波器2、一个或一个以上探测器3、 14、电机控制器4、 一个或一个以上电机驱动器 5、 15和一个或一个以上步进电机6、 16,所述的电脑1的输入端和所述的示波器2 的输出短相连；所述的电脑l的输出端和所述的电机控制器4的输入端相连，所述 的电机控制器)的输出端和所述的电机驱动器5、 15的输入端相连，所述的探测器 3、 14和所述的示波器2相连所述的步进电机6、 16由相应的电机驱动器5、 15 驱动；所述的步进电机6、 16供待测光电信号系统11的待驱动元件安置，所述的探 测器3、 14安装在待测光电信号系统11的待测光电信号的输出位置。6和16是歩进电机，根据实验系统需改变的变量数，可安装单个或多个电机， 调节单个或多个坐标位置7是示波器联机线；8和12是信号数据线9是串行线； 10和14是电机控制线；11是需要控制测量的实验系统。电脑1是本实用新型的控制/运算中心，有两大作用 一是自动化控制，通过 电机控制器4调节步进电机6、 16的坐标位置，通过示波器2读取探测器3、 13探 测到的光电信号；二是即时数据处理，将测到的信号数据进行数学运算或分.析处理 等，即时得到实验结果。示波器2带有控制接口 (串行口RS232或网口RJ45)，用 于和电脑l联机，探测器3、 13是光电管，用于探测光信号，然后将光信号转换成 电信号传送给示波器2。步进电机6、 16需要电机驱动器5、 15来驱动，电机驱动 器5、 15受电机控制器4的控制，电机控制器4通过串行线9与电脑1联机，从而 完成对步进电机6、 16的位置调节控制。需要注意的是坐标位置的调节，既有直线平移调节，又有角度旋转调节。直线平移调节如图2所示，19是需要改变光程(即延时时间)的信号光，3是 探测器，5是电机驱动器，6是步进电机，n是电动平移台，歩进电机6通过控制 电动平移台17来实现光信号的光程调节，电动平移台17上装有两片角度成90'的 全反镜，其前后平移时即可改变光束的光程，从而实现直线平移调节控制。角度旋转调节如图3所示，19是需要改变偏振方向的信号光,5是电机驱动器， 6是步进电机，18是电动旋转盘，步进电机6通过控制电动旋转盘18来实现光信号 的偏振方向旋转，电动旋转盘18上装有半波片，当电机驱动旋转盘18旋转半波片 时，信号光经过旋转的半波片后，其偏振方向也跟着旋转，从而实现角度旋转调节 控制。在本实用新型中，装有MATLAB软件软件的电脑1是本实用新型装置的核心 部分，选用MATLAB软件作为程序开发平台是因为MATLAB软件编程的灵活性和 数据处理功能的强大性，用它编写的M程序易于修改和移植，更重要的是,MATLAB 软件具有强大的数学处理功能，很容易调用科学函数来进行数据的分析运算，或作 图拟合等。'电脑的控制原理如图4所示具有M程序的电脑1是整个过程的控制处理中 心，负责对控制指令的处理和发送，对信号数据的接收和运算，对整个流程的控制-控制指令由电脑1通过串行通讯模块发送给电机控制器4，电机控制器4根据接收 到的指令控制电机驱动器5、 15驱动相应的步进电机6、 16运动，歩进电机6、 16 改变坐标位置，而坐标位置变化引起待测光电信号变化；光电信号变化由所述的探 测器3、 13记录并将该光电信号传输给示波器2,示波器2的信号数据通过通讯控 件被电脑1接收。这样就完成了测量的循环控制。M程序流程图如图5所示，程序流程说明如下1、 先对程序进行初始化设置，如设定测量次数、初始坐标位置，设定歩进电 机的运行模式、步长等；2、 再创建电机控制器的串行通讯模块对象和示波器的通讯控件对象，并设置其属性，建立程序和仪器之间的通讯连接；3、 调节坐标位置，并读取和处理信号数据，多次测量求出平均值。4、 接着判断是否测量下一组，如果是，则计算和调整坐标位置进行下一组的 测量，如果否，则退出循环结束测量；5、 测量结束后，对所有实验数据进行分析运算或作图拟合，即时得出实验结果，并将原始数据和处理结果保存到某个文件中。利用上述的光电信号自动测量装置对待测光电信号系统11的待测光电信号的测量处理方法，其特征在于包括下列步骤① 对待測实验系统的测量物理量进行设计确定待测的元件及其相应的坐标位 置变量第一坐标位置变量、第二坐标位置变量、 一—；② 根据光电信号数据处理要求，采用MATLAB软件编制M程序，M程序采用 MATLAB软件的.m文件格式；③ 将待测实验系统的待驱动的元件与相应的步进电机相安置，进一歩将所述 的电脑1的输入端和示波器2的输出短相连所述的电脑1的输出端和电机控制器 4的输入端相连，所述的电机控制器4的输出端和电机驱动器5、 15的输入端相连， 所述的探测器3、 13和示波器相连所述的歩进电机6、 16由相应的电机驱动器5、 15驱动所述的探测器3、 13安装在待测光电信号系统的待测光电信号的输出位置。④ 开启示波器2、电机控制器4和电脑1，并做好相关的设置； 打开MATLAB软件和M程序文件，运行M程序； ⑥测量结束后，就可以到指定目录査看、读取原始数据和最终处理结果。图6为本实用新型装置的一个具体应用的实验装置图，应用在分子取向自动 检测实验。图中l为装有MATLAB软件的电脑，用双绞线7联机控制示波器2，再用串 行线9联机控制电机控制器4。双绞线7采用网线反接法，这样示波器2和电脑1 就能实现直连，也可以将电脑l和示波器2分别接入局域网，通过网络来访问和控 制示波器2。示波器2为美国LeCroy公司生产的ws42xs型示波器，用于接受来自 探测器3和13的光电信号。3为光电二极管，用于探测聚焦前的光场信号，13为光 电倍增管，用于探测聚焦后的光场信号。4为上海斯达普公司生产的STMC-02S型 电机控制器，通过控制电机驱动器5来驱动电动平移台17，平移台17的移动改变 了两束光的延时位置。虚线框部分20是分子取向自动检测实验系统，其原理是当一 束泵浦光对分子气体聚焦时，焦点处的强场使该处的分子进行取向排列，而分子的 取向排列又会反作用于探测光，因此用探测光在不同延时位置处探测其聚焦前后的 光场变化，就能推出焦点处分子的取向趋势。完成上述准备后，再根据图4所示的控制原理和图5所示的程序流程编写该实 验的M程序，步骤如下1、首先进行测量的初始化设置，如设定测量次数、初始坐标位置，设定步进 电机的运行模式、步长等。在该实验中将步进电机6的坐标位置(即两束光的延时 区间)细分为70个点，每个点采集信号20次，每次测4个信号数据分别为聚焦
前后光场信号的最小值和脉冲面积分，共测70*20*4=5600个数据。2、 然后创建电机控制器4的串行通讯模块(Serial对象)和示波器2的网络通 讯控〗牛(ActiveDSO对象)，并设置其属性(具体属性参考控制器和示波器的公司开 发手册)，建立电脑程序和仪器之间的通讯连接。电机控制器4的控制指令通过Serial 对象的RS232通讯协议来接受和发送，示波器2的信号数据通过ActiveDSO对象的 TCP/IP协议来接收。其中指令的具体语法和格式参考公司产品的开发手册。3、 接着编写程序的循环控制部分电脑1先发送指令给电机控制器4，调节 坐标位置，再读取和处理该位置处的信号数据，并多次测量求出平均值。接着判断 是否测量下一组，如果是，则计算和调整坐标位置进行下一组的测量，如果否，则 退出循环，结束测量。4、 测量循环结束后，根据实验的要求，调用MATLAB软件的数学函数对所有 实验数据进行运算，如求最大值，最小值、积分等，或进行实验数据的某种作图， 如曲线拟合等处理，输出最终实验结果，并将原始数据和处理结果保存到某个文件 中。需要注意的是，运行程序前，要先对示波器2和电脑1进行IP地址设置，IP 为同一个网络的不同IP地址，否则ActiveDSO对象读取数据会出错。 使用情况比较如下先前， 一实验小组用传统方法，即人工记录示波器数据，手动调节两束光的延 时(需要三个人 一个读数据， 一个记录数据， 一个调节延时位置)，花了 12个小 时才将实验数据测量完毕，后又花了 20个小时将数据抄录到电脑和进行数据的相关 处理。传统方法因为实验时间过长，环境温度和湿度的变化，仪器长时间工作的不 稳定性，使得实验数据并非十分可靠。采用本实用新型的装置和方法后， 一小时不 到即完成全部的测量和运算工作，即时得到实验最终结果，不仅大大提高了工作效 率，而且数据的可靠性和精确度远高于传统方法。
权利要求1、一种光电信号自动测量装置，特征在于其构成包括装有MATLAB软件的电脑(1)、示波器(2)、一个或一个以上探测器(3、14)、电机控制器(4)、一个或一个以上电机驱动器(5、15)和一个或一个以上步进电机(6、16)，所述的电脑(1)的输入端和所述的示波器(2)的输出短相连；所述的电脑(1)的输出端和所述的电机控制器(4)的输入端相连，所述的电机控制器(4)的输出端和所述的电机驱动器(5、15)的输入端相连，所述的探测器(3、14)和所述的示波器(2)相连；所述的步进电机(6、16)由相应的电机驱动器(5、15)驱动；所述的步进电机(6、16)供待测光电信号系统(11)的待驱动元件安置，所述的探测器(3、14)安装在待测光电信号系统(11)的待测光电信号的输出位置。
2、 根据权利要求l所述的光电信号自动测量装置，其特征在于所述的待测光 电信号系统(11)的待驱动元件为位置调节控制元件。
3、 根据权利要求2所述的光电信号自动测量装置，其特征在于所述的位置调 节控制元件为直线平移调节控制元件或角度旋转调节控制元件。
4、 根据权利要求l所述的光电信号自动测量装置，其特征在于所述的探测器 是光电管，或电信号探头。
专利摘要一种光电信号自动测量装置，该装置的构成包括装有矩阵实验软件的电脑、示波器、一个或一个以上探测器、电机控制器、一个或一个以上电机驱动器和一个或一个以上步进电机，所述的电脑的输入端和示波器的输出短相连；电脑的输出端和电机控制器的输入端相连，电机控制器的输出端和电机驱动器的输入端相连，探测器和示波器相连；步进电机由相应的电机驱动器驱动；步进电机供待测光电信号系统的待驱动元件安置，探测器安装在待测光电信号系统的待测光电信号的输出位置。本实用新型可用于实验中自动测量和处理各种光电信号，优点是光电信号测量控制自动化，运算处理一体化，可大大节省人力，提高工作效率，而且装置易于实现和普及化。
文档编号G01D5/26GK201043898SQ20072007069
公开日2008年4月2日 申请日期2007年6月6日 优先权日2007年6月6日
发明者乔玲玲, 鹏 刘, 尉鹏飞, 曾志男, 李儒新, 李跃勋 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所