一种探测器探头、光功率计以及光功率测量方法与流程

本发明属于光功率测试设备技术领域，具体涉及一种探测器探头、光功率计以及光功率测量方法。

背景技术：

光功率计是测量入射光的辐射能功率及功率密度，检测入射光强弱的一种精密光学测量仪器，广泛应用于太阳辐射、人造光源、光化学及光物理测试等技术领域，是测试光功率、光辐射特性必不可少的测量仪表。

光电型探测器主要有光电倍增管和光电池及光电二极管。光电池及光电二极管的光功率计由于受到暗电流的影响，误差较大。光功率探测器根据其光谱响应特性，即对不同波长入射光的响应特性，可以分为中性(非选择性)和非中性(选择性)探测器。一般光电型探测器是非中性的，对不同波长的入射光的响应是不一致的，其整体灵敏度较高；而光热型探测器大多为中性探测器，但是灵敏度较低，不适于微弱光的检测。目前的光功率计主要存在以下缺陷：一是在测量过程中容易受到由其他所有因素(诸如热噪声和其他噪声影响)引起的相应的电流变化，导致测量结果不够准确，二是波谱可选择性差，只能针对单一波长光源或者经过实验校正的特定光谱进行相对精确的测量。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种探测器探头、光功率计以及光功率测量方法，通过设置受光面光电池和背光面光电池，以及差分I/V转换模块，将两个光电池的输出差分处理来实现暗电流补偿的效果，结果准确，能够很好的排斥功率测量过程中的噪声干扰，提高了检测精度。

为达到上述目的，本发明所述一种探测器探头包括探头壳体、光电池模块和余弦校正器，光电池模块设置在探头壳体内，余弦校正器设置在受光面光电池上方，光电池模块包括电路板和分别设置在电路板上下两侧的受光面光电池和背光面光电池，受光面光电池和背光面光电池的输出端均与电路板连接，电路板上设置有输出线。

进一步的，受光面光电池和背光面光电池完全相同，且受光面光电池的受光面朝上，背光面光电池的受光面朝下。

进一步的，受光面光电池和背光面光电池为硅光电池、硫化镉光电池或红外光电池。

进一步的，所述光功率计包括探测器和功率计主机两大模块，探测器包括依次连接的探测器探头、差分I/V转换模块、A/D转换模块、CPU及接口转换电路；功率计主机包括与主板CPU连接的键盘、显示屏、温度压力采集模块、电源模块以及第二接口转换电路，第一接口转换电路的输出端与第二接口转换电路的输入端连接，主板CPU内部存储有其光功率计探测器的经过校准的光谱响应度数据库和若干个已知光源经过校正的特征波长参数，以及计算光功率的公式。

进一步的，主板CPU内置的公式包括：

光量子数密度(mmol/cm²/h)＝3.009365×10^-5×光功率密度(mW/cm²)×λ(nm)；

上式中：K＝1/R，R为光谱响应度，3.009365×10^-5为换算系数、λ为待测光源特征波长。

进一步的，差分I/V转换模块用于将电流信号转换为电压信号，它由一个共模信号输入的差分放大电路来实现，用两个相对独立的对称I/V转换放大电路做差分处理完成，两个I/V转换放大电路由探测器探头内的受光面光电池和背光面光电池的输出电流信号分别作为输入源；

A/D转换模块用于将经过差分I/V转换模块得到的电压模拟量信号转换成数字信号；

CPU用于控制整个探测器的采样、A/D转换模块及接口转换电路的动作；

主板CPU用于接收数据收集、运算以及指令输出，具体为接收第二接口转换电路和温度压力采集模块的数字信号，接收键盘的输入参数及选择指令并执行，运算结束后将运算结果输出至显示屏；

键盘作为输入模块用来完成参数设置、显示界面、工作模式选择及指令输入等功能；

显示屏作为人机交互式的输出界面，用于接收CPU传递的指令及信号，并将相应的数值显示出来，展示整个光功率计的数据输出；

温度压力采集模块用来实时采集工作环境的温度及压力，并将采集到的信息传递至主板CPU；

电源模块采用可充电锂电池，用于为整个光功率计提供工作电流。

进一步的，探测器探头前端设置有光片、准直器或光纤转换器中的一种或多种。

进一步的，探测器和功率计主机采用分体式设计，探测器可用的检测方式包括光电式和光热式，根据检测方式选择对应的传感器。

一种光功率测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对光功率计整机初始化，然后进行待测光源特征波长的设定，通过键盘输入待测光源的通用波长，如果待测光源是光功率计系统内置的已知特征波长的光源，则可以直接通过键盘按键选择对应光源选项，参数设定完成后，主板CPU会根据设置好的特征波长内部的光谱响应度数据库中匹配，得出该待测光源在其特征波长下的光谱响应度R并计算出相应的光功率修正系数K，K＝1/R。

步骤2、用探测器检测待测光源，光源发出的光经过余弦校正器衰减后射入受光面光电池，受光面光电池将光信号转化为电流信号，电流信号经过I/V转换放大电路做差分处理，对电流信号进行校正并将电流信号转换为电压信号，电压信号经过A/D转换模块后转化为数字信号并传递至CPU，CPU将数字信号传递至第一接口转换电路，第一接口转换电路将数字信号增强后通过通信协议传递至第二接口转换电路，由第二接口转换电路将信号传递至主板CPU，主板CPU根据键盘输入的指令，通过内置的公式和数据进行计算，然后通过显示屏显示测量和计算的结果。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，探测器中运用两个光电池在同等条件下受光和背光情况下的光电反应结果的不同，消除噪声干扰，结果准确。工作时探测光源先透过余弦校正器，然后进入光电池模块，受光面光电池接受光源，产生光电反应，引起其电流变化；背光面光电池在同样的背光条件下，由其他所有因素引起相应的电流变化。差分I/V转换模块用于将电流信号转换为电压信号，它由一个共模信号输入的差分放大电路来实现，用两个相对独立的对称I/V转换放大电路做差分处理完成，两个I/V转换放大电路由探测器探头内的受光面光电池和背光面光电池的输出电流信号分别作为输入源，即可以认为是单纯光能量引起的变化，此差分处理本质上是将没有光照条件下的检测器电流值人为地认定或记忆为透光率0点，因此也可称为“校正暗电流”；在选用光电式检测探头时，运用两个同样光电池在同等条件下受光和背光情况下的光电反应结果的不同，将两个输出差分处理来实现暗电流补偿的效果，结果准确，可以很好的排斥功率测量过程中的噪声干扰。

每个光源都会输出一定波谱，该波谱中光子平均能量所对应的波长为其特征波长。光谱响应度是光电探测器的基本性能参数之一，它表征了光电探测器对不同波长入射辐射的响应。本发明将特征波长和光谱响应度曲线结合起来，对光功率计检测的功率值进行校正后，可以使光功率计更广泛的应用于不同光源的波谱。

进一步的，探测器探头前端设置有滤光片、准直器或光纤转换器中的一种或多种，可以实现对不同类型光源入射的前处理，增加光纤转换器后的功率计即可以实现普通光纤光功率计的功能。

进一步的，探测器和功率计主机采用分体式设计，探测器模块化设计，与功率计主机相对独立。探测器可以根据需要选择不同受光尺寸的传感器；检测方式可变，可以是光电式或者光热式，根据检测方式选择对应的传感器。从而使得探测器系统兼容性增强，可以兼容同类不同规格，以及不同类型的传感器。

附图说明

图1为光功率计硬件功能模块图；

图2为探测器探头示意图；

图3为光电池模块示意图；

图4为主测试页面示意图；

图5为光功率计工作流程图；

图6为时间测试模式界面；

图7为空间测试模式界面；

图8为时序测试模式界面；

附图中：1、探头壳体、2、光电池模块，21、受光面光电池，22、电路板，23、背光面光电池，24、输出线，3、余弦校正器、4、光电池卡座、5、余弦校正器卡座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，一种光功率计包括探测器和功率计主机两大模块，功率计探头包括依次连接的探测器探头、差分I/V转换模块、A/D转换模块、CPU及接口转换电路，A/D转换模块集成在CPU上，CPU及第一接口转换电路集成在同一个电路板上，称为探测器电路模块；功率计主机包括与主板CPU连接的键盘、显示屏、温度压力采集模块、电源模块以及第二接口转换电路，功率计探头与功率计主机之间采用RS485或RS232作为通信方式，对应地，接口采用RS485或RS232接口，并采用相应的接口转换电路和接口，第一接口转换电路的输出端与第二接口转换电路的输入端连接。探测器探头的采样周期为500ms。

差分I/V转换模块用于将电流信号转换为电压信号，它由一个共模信号输入的差分放大电路来实现，用两个相对独立的对称I/V转换放大电路做差分处理完成。两个I/V转换放大电路由探测器探头内的受光面光电池和背光面光电池的输出电流信号分别作为输入源，两部分信号做差分处理，即可以认为是单纯光能量引起的变化。此差分处理本质上是将没有光照条件下的检测器电流值人为地认定或记忆为透光率0点，因此也可称为“校正暗电流”。在选用光电式检测探头时，运用两个同样光电池在同等条件下受光和背光情况下的光电反应结果的不同，将两个输出差分处理来实现暗电流补偿的效果，结果准确、简单，可以很好的排斥功率测量过程中的噪声干扰。

A/D转换模块用于将经过差分I/V转换模块得到的电压模拟量信号转换成数字信号；

CPU用于控制整个探测器的采样、A/D转换模块及接口转换电路的动作。

主板CPU用于接收数据收集、运算以及指令输出，具体为接收第二接口转换电路和温度压力采集模块的数字信号，接收键盘的输入参数及选择指令并执行，运算结束后将运算结果输出至显示屏。

键盘作为输入模块用来完成参数设置、显示界面、工作模式选择及指令输入等功能；

显示屏作为人机交互式的输出界面，用于接收CPU传递的指令及信号，并将相应的数值显示出来，展示整个光功率计的数据输出；

温度压力采集模块用来实时采集工作环境的温度及压力，并将采集到的信息传递至主板CPU。

电源模块采用可充电锂电池，用于为整个光功率计提供工作电流。

参照图2、图3，探测器探头包括探头壳体1、光电池模块2、余弦校正器3、光电池卡座4和余弦校正器卡座5，光电池模块2设置在探头壳体1内，光电池模块2自电路板以上外侧设置有光电池卡座4，光电池卡座4通过螺纹连接安装在探头壳体1内并与光电池模块2卡接限位；余弦校正器3设置在受光面光电池21上方，通过余弦校正器卡座5固定位置，余弦校正器卡座5通过螺纹连接设置在光电池卡座4上，光电池模块2包括电路板22和设置在电路板22上下两侧的受光面光电池21和背光面光电池23，受光面光电池21和背光面光电池23的输出端均与电路板连接，电路板22上设置有输出线24，输出线24与差分转换模块的输入端连接。工作时探测光源先透过余弦校正器，然后进入光电池模块，受光面光电池接受光源，产生光电反应，引起其电流变化；背光面光电池在同样的背光条件下，由其他所有因素引起的相应的电流变化。

优选的，探测器探头前端能够根据需要增加不同的光学附件，例如：滤光片、准直器或光纤转换器，可以实现对不同类型光源入射的前处理。增加光纤转换器后的所述功率计即可以实现普通光纤光功率计的功能。

优选的，探测器和功率计主机采用分体式设计，探测器探头尺寸大小可以根据需要设定，检测方式可变，可以是光电式、也可以是光热式，本发明优选光电式探测器探头，探测器探头采用光电池作为光源接收器。

优选的，受光面光电池21和背光面光电池23完全相同，且受光面光电池21的受光面朝上设置，背光面光电池23的受光面朝下设置，受光面光电池21和背光面光电池23可以选用硅光电池、硫化镉光电池及红外光电池等。

本发明中，主板CPU将所述探测器的经过校准的光谱响应度曲线转换为一个光谱响应度数据库存储。工作时通过设置该待测光源的光谱的特征波长，根据所述特征波长从主板CPU内部的光谱响应度数据库中匹配，得出该待测光源在其特征波长下的光谱响应度并计算出相应的光功率修正系数。主板CPU内部存储有该光功率计探测器的经过校准的光谱响应度数据库，主板CPU内部还存储有若干个已知光源经过校正的特征波长参数，可供测试者直接选择。

参照图4，本功率计的工作过程为：

步骤1：首先在键盘按下开机键，对光功率计整机初始化，初始化完成后进行待测光源特征波长的设定。

参照图5，在主测试页面通过键盘手动输入待测光源的通用波长，如果待测光源是光功率计主板CPU系统内置的已知特征波长的光源，则可以直接通过键盘按键选择对应光源选项。本发明所述光功率计有特定的有效波长范围，该范围取决于光功率计采用的探测器探头，在本实施例中，所述光功率计采用硅光电池，它的有效波长范围为200nm﹣1100nm，当设置的参数越界后主板CPU会将参数自动调整到最大值或最小值。参数设定完成后，主板CPU会根据设置好的特征波长内部的光谱响应度数据库中匹配，得出该待测光源在其特征波长下的光谱响应度R并计算出相应的光功率修正系数K，K＝1/R。

步骤2：用探测器检测待测光源，光源发出的光经过余弦校正器3衰减f后射入受光面光电池21，受光面光电池21将光信号转化为电流信号，电流信号经过I/V转换放大电路做差分处理，对电流信号进行校正并将电流信号转换为电压信号，电压信号经过A/D转换模块后转化为数字信号并传递至CPU，CPU将数字信号传递至第一接口转换电路，第一接口转换电路将数字信号增强后通过通信协议传递至第二接口转换电路，由第二接口转换电路将信号传递至主板CPU，最后主板CPU通过键盘输入的指令，进行计算，并通过显示屏显示测量和计算的结果。

参照图5，主板CPU通过以下三个公式计算光功率、光功率密度、光量子数密度，然后在主测试页面显示光功率值(单位μw)、光功率密度(单位mW/c m²)、光量子数密度(mmol/c m²/h)、温度和气压；

光量子数密度(mmol/cm²/h)＝3.009365×10^-5×光功率密度(mW/cm²)×λ(nm)；

上式中：K＝1/R，R为光谱响应度，3.009365×10^-5为换算系数、λ为待测光源特征波长。

步骤3：选择需要的测量模式，进入模式页面，在分模式输入参数，得出该模式下的结果显示在页面。

本功率计提供3种模式，根据测量需要可以选择不同的测量模式，通过键盘的输入实现不同模式的转换，包括：时间测试模式、空间测试模式和时序测试模式。

A.时间测试模式，参照图6，首先用键盘选择时间测试模式页面，页面上会实时显示当前的光功率密度值；然后在页面上设置需要测试的时间周期。周期时间有效范围10～1800秒，当设置的参数越界后系统会将自动调整到最大值或最小值；再然后设置好后用键盘按下测试开始，主板CPU将测量并修正后的测量值在该页面输出。瞬时测量栏下显示输出的是主板CPU经过计算的每0.5s内的平均采样功率的最大值、最小值和平均值；周期均值栏下显示输出的主板CPU经过计算的设定周期内的采样功率的数据处理均值，包括周期内最大值、最小值和平均值。

B.空间测试模式，参照图7，首先用键盘选择时间测试模式页面，页面上会实时显示当前的光功率密度值；第二，用键盘在光斑形状栏选择待测光源光斑的形状，圆形或矩形。并设置相应的光斑采样直径R，采样点数，以及单个点的采样时间间隔。第三，设置完后，将探测器移至第一个采样点，用键盘确定，主板CPU将测量的第一个采样点光功率密度值显示出来；接着将探测器移至第二个采样点，用键盘确定，主板CPU将测量的第一个采样点光功率密度值显示出来；以此类推，直至所有采样点都测完显示出来后，主板CPU会将所有采样点的光功率密度值计算处理，算出它们的平均密度，总光功率和不均匀性。

平均密度＝所有采样点光功率密度值之和/采样点数N；

总光功率＝平均密度×光斑总面积；

不均匀度＝(最大光功率密度－最小光功率密度)/平均光功率密度。

光斑直径或长度宽度的设置范围0cm-99cm，当设置的参数越界后系统会将自动调整到最大值或最小值。

C.时序测试模式，参照图8，首先需要用键盘在时序测试页面上设置采样时间间隔t，设置好后键盘按确定开始。每隔时间t，主板CPU会将的光功率值显示在页面上，直至显示完自开始后的50个数据。在此模式下，主板CPU还会在页面上用点阵绘制一个以时间为横坐标，光功率密度值为纵坐标的光功率密度随时间分布曲线。该曲线中，最初始的数据作为0基准，图线幅值范围为初始值的±50％。时间间隔取值范围1秒-3600秒，当设置的参数越界后系统会将自动调整到最大值或最小值。