一种光谱仪制造技术

本实用新型专利技术涉及一种光谱仪。包括一个用于将被测光线分成单色光的单色仪，一个用于接收单色光的光电倍增管，单色仪与光电倍增管光学连接，所述的光电倍增管通过一个信号处理电路与微控制器电连接，其特征在于，它还包括一个用于产生参考光的参考光源，参考光源与微控制器相联，且所述的参考光源为发光二极管。与现有的技术相比，本光谱仪的优点在于：１．设计合理，结构简单，测量动态范围大；２．由于对光电倍增管的绝对灵敏度进行了合理的校正，仪器的响应线性好；３．对参考探测器、参考光源和光电倍增管都进行了恒温控制，有效提高了其工作稳定性；４．在少量增加成本的条件下实现了光谱仪性能的大幅度提高。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及光谱辐射测试领域，尤其是涉及一种能够将 光电倍增管的绝对灵敏度在大动态范围内进行校正的光谱仪。
技术介绍
光谱仪测量光谱辐射的原理一般为被测入射光照射在单色 仪的入射狭缝中，单色仪将被测光分成在一定波长范围内的单色 光后，让一定带宽内的单色光从出射狭缝依次射出并照射到光电 传感器件上，光电传感器件所产生的信号与照射在其上的光线的 强度成正比。此信号与已知光谱功率分布的标准光源的信号相比 较，便可得到被测光的光谱功率分布。由于光谱仪可以用来测量 光的光谱功率分布，因此，被广泛应用于颜色测量、元素鉴定、 化学分析等领域。光谱仪中的光电传感器件一般为光电倍增管(PMT)，它具有 低噪声、高灵敏度、快速响应等优点，非常适合作为光谱仪中的 光电传感器件。但是，光电倍增管对温度的影响比较敏感，其稳 定性较差，并且负高压电源的不稳定也会造成光电倍增管响应的 不稳定；另外，在实际使用中光电倍增管的绝对灵敏度(即信号 与光线强度的比值)存在非线性的问题，绝对灵敏度会随入射光 强度变化而变化，信号不与光线强度成严格正比关系，这些都会 给光谱辐射测量带来误差。为了提高光谱仪的测量精度，人们进行了长期的探索，提出 了各种各样的实施方案。例如，美国专利文献公开了一种提高光 电倍增管稳定性的方法及其实施装置〔U.S. Pat. No. 5,079,424〕， 该方案在光电倍增管旁边设置了一个发光二极管，发光二极管发出恒定的参考光照射在光电倍增管上，用以调节光电倍增管灵敏 度使其稳定。该方案提高了光电倍增管的工作稳定性，但是由于 其采用的基准是恒定的，因而无法解决光电倍增管响应非线性的 问题，也无法实现大的动态测量范围。
技术实现思路
本技术的目的是针对上述问题，提供一种设计合理，结 构简单，能够有效提高工作稳定性，对光电倍增管的绝对灵敏度 进行线性校正，进而提升测量准确度，实现大动态测量范围的光谱仪；解决了现有技术中所存在的光电倍增管响应不稳定、绝对 灵敏度存在非线性、动态范围小，测量精确度差等技术问题。为达到上述目的，本技术采用了下列技术方案本光谱 仪，包括一个用于将被测光线分成单色光的单色仪， 一个用于接 收单色光的光电倍增管，单色仪与光电倍增管光学连接，所述的 光电倍增管通过一个信号处理电路与微控制器电连接，其特征在 于，它还包括一个用于产生参考光的参考光源，参考光源与微控 制器相联，且所述的参考光源为发光二极管。发光二极管是一种基于PN结的半导体器件，是一种宽禁带量 子发光器件，其优点在于光谱功率分布比较狭窄，是一种准单 色光， 一般光电传感器件的光谱灵敏度在发光二极管发射光谱范 围内都相对比较平坦；发光二极管的光输出功率与其驱动电流具 有较好的线性关系，大功率的发光二极管可实现较大动态范围的 光输出；随着光输出功率的变化，在结温控制的条件下发光二极 管的相对光谱功率分布基本不变；并且只要驱动电流稳定，发光 二极管的光输出能保持非常稳定。这些特性都是其他光源无法比 拟的，因此在这里发光二极管是理想的参考光源，可大大减少校 正过程中的系统误差。在上述的光谱仪中，在上述的光谱仪中，还包括一个用于接收参考光的参考探测器，参考探测器与所述的参考光源光学连接， 所述的参考探测器为硅光电二极管。在工作时，参考探测器的信 号通过一信号处理电路处理和转换后传送到微控制器。硅光电二极管是一种基于PN结的半导体感光器件，其灵敏度 一般比光电倍增管小，而单色仪的出射光的强度一般较弱，因此 一般情况下硅光电二极管难以替代光电倍增管作为光谱仪的光电 传感器件。但硅光电二极管具有非常低的温度敏感性(好的硅光 电二极管可达到约0. 1%/°C)和长期稳定性(好的硅光电二极管 可达到<1%/年)，并且具有大跨度范围内良好的线性响应(好的 硅光电二极管可达到7个数量级范围内线性〈0. 2%)，因此在这里 也可以使用硅光电二极管作为一个理想的参考探测器。将恒温控 制的硅光电二极管作为光量子比例接收参考探测器，配合大范围 光功率输出的大功率发光二极管，可实现对光电倍增管绝对灵敏 度在大跨度动态范围内的精确校正。上述的光谱仪可由两种方案实现(1)不设置参考探测器， 参考光源的参考光强度通过其工作电路的电流等电参数获得； (2)设置参考探测器，参考光源的参考光强度通过参考探测器测 量得到。在上述的光谱仪中，在单色仪的入射狭缝前活动设有一个用 以改变入射光和参考光方向的光学镜片，该光学镜片的一面为反 射镜。光学镜片可移到入射光和参考光的光路中间，使入射光不 进入单色仪的入射狭缝，而参考光通过光学镜片的反射面反射进 单色仪的入射狭缝，也可移离入射光和参考光的光路，使入射光 直接入射进单色仪的入射狭缝而参考光不进入单色仪的入射狭 缝。光学镜片的移动由可以由电机实现，并受微控制器控制。作为另一种方案，在上述的光谱仪中，在单色仪的入射狭缝 前固定设置有一个用以改变光源入射光和参考光方向的光学镜 片，该光学镜片为半透半反镜，并且在光源前面设置一个用以阻 挡或通过入射光的快门。当快门打开时入射光通过光学镜片透射 入单色仪的入射狭缝中，快门关闭时入射光被阻挡，而参考光的 一部分则通过光学镜片反射入单色仪的入射狭缝中。在上述的光谱仪中，所述的参考探测器和参考光源分别安装 在两个控温器内，所述的控温器都包括半导体制冷器。控温器是 为了保证参考探测器和参考光源能够在恒温状态下稳定工作，消 除温度变化带来的误差。在上述的光谱仪中，所述的参考光源和微控制器之间连接有 一个可调节参考光源光线强度的驱动控制电路。在工作时，驱动 控制电路提供给参考光源以稳定驱动电流，微控制器可以控、制驱 动控制电路工作，通过驱动控制电路来调节参考光源的驱动电流 大小，以实现其输出光线强度的调节。与现有的技术相比，本光谱仪的优点在于l.设计合理，结 构简单，测量动态范围大；2.由于对光电倍增管的绝对灵敏度进 行了合理的校正，仪器的响应线性好；3.对参考探测器、参考光 源和光电倍增管都进行了恒温控制，有效提高了其工作稳定性； 4.在少量增加成本的条件下实现了光谱仪性能的大幅度提高。附图说明图1是本技术提供的实施例1的结构框图。图2是本技术提供的一种驱动控制电路结构示意图。图3是本技术提供的一种与光电倍增管连接的信号处理电路的结构示意图。图4是本技术提供的实施例2的结构框图。图5是本技术提供的一种与参考探测器连接的信号处理电路的结构示意图。图中，光谱仪100、光学镜片10、单色仪1、控温器11、快门12、电脑20、光电倍增管2、阳极2m、信号处理电路3、放大器3a、 A/D转换器3b、电阻3c、微控制器4、参考光源5、参考 探测器6、控温器7、驱动控制电路8、 D/A转换器8a、放大器8b、 电阻8c、晶体管8d、信号处理电路9、放大器9a、 A/D转换器9b、 电阻9c。具体实施方式实施例1:如图1所示，本光谱仪由单色仪1、光电倍增管2、信号处理 电路3、微控制器4和参考光源5等部件组成。图中虚线部分为 光谱仪100的结构。单色仪1将由入射狭缝导入的待测光分为单 色光，光电倍增管2感应单色仪1出射的单色光以测量待测光的 光谱功率分布，光电倍增管2通过信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光谱仪，包括一个用于将被测光线分成单色光的单色仪（１），一个用于接收单色光的光电倍增管（２），单色仪（１）与光电倍增管（２）光学连接，所述的光电倍增管（２）通过一个信号处理电路（３）与微控制器（４）电连接，其特征在于，它还包括一个用于产生参考光的参考光源（５），参考光源（５）与微控制器（４）相联，且所述的参考光源（５）为发光二极管。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：潘建根，沈海平，
申请(专利权)人：杭州远方光电信息有限公司，
类型：实用新型
国别省市：86[中国|杭州]