专利名称：自适应型高灵敏度硅光二极管微光检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种信号检测装置，尤其是一种基于一种硅光二极管的可对低于10-8Lx光照度级的微光进行检测的自适应型高灵敏度硅光二极管微光检测装置。
(2)背景技术环境科学与环境监测是一门新兴的科学研究领域。早期大量采用并沿用至今的基本研究方法是现场采样→样品送检测实验室→用相关检测仪器对样品进行检测。这种做法得到的检测数据是非实时的结果。同时由于采样到检测的时间差及采样环境与检测环境的不同，待测样品的一些信息已经丢失甚至大部分丢失。极端的情况是待测样信息根本无法脱离现场环境而存在。因为气体的逃逸性与有害病毒的易死性决定了只有在现场对海水或空气中的CO2分压进行检测、在现场对江河湖海的有害病毒进行检测才是有意义的。
已有的能够进行现场采样与检测的仪器是一些符合现场环境条件的，同时满足人工现场操作条件的常用物理、化学信息的检测仪器，如深海采样器对流速、盐度、流向的检测，常用的pH计、温度计、湿度计等。
我们能够见到的对低至10-8Lx光照度级的微光进行检测的仪器都是基于光电倍增管的实验室仪器，如Varian GC CP-3800(气相色谱/美国瓦里安公司)、HP6890 GC(气相色谱/美国惠普公司)的火焰检测器；最新型的激光激发萤光对细胞进行分析的‘流式细胞仪’(Epics Altra II/Beckman coulter/美国)等。由于硅光二极管的光电转换灵敏度仅为光电倍增管的几万分之一，实际采用硅光二极管作为光电检测器件对低至10-8Lx光照度级的微光进行检测的仪器未见有过报道(高雅允等，光电检测技术，国防工业出版社)，仅存在模拟器件公司(ANALOG CORP.)对其集成运放在硅光二极管的应用中(参考网站www.analog.com/Input Bias Currunt Operatiannal Amplifier-AD549/Voltage-to-Freq-uency and Frequency-to-Voltage Converter-AD650)的理论数据(2.6×10-8Lx转化为最大26μV的集成运放电压输出。/注这种理论数据仅存在于严格的实验室恒温条件以及给定忽略本底漂移实验条件下的检测结果。另外，对26μV至10V满量程电压进行模/数转换必须是系统较复杂的16位以上A/D转换装置。)。尚处初级发展阶段的环境科学与环境监测领域中的满足现场采样与长期无人值守条件的现场检测仪器更是空白。
光电倍增管体积庞大、易老化、阴极(受光面)受较强光照射后灵敏度急剧下降，亦即它对工作环境条件要求较为苛刻。最为致命的是需在1000V左右负高压条件下工作的光电倍增管，在可能有较高的盐度或酸度、较高的湿度的现场检测环境下，电极间极易产生跳火和漏电，直接造成负高压电源工作的不稳定，严重情况下，将烧毁高压电源。为此，它并不适用于环境科学领域中的现场采样与长期现场检测要求。采用光电倍增管组成的检测仪器对现场进行采样与检测的实例仅见于车载(或船载)流动检测系统，但它并非实际意义上的现场采样与检测系统，因为它不能在无人操作与值守的情况下工作，同时，车载流动检测系统的环境是模拟的实验室环境条件。
(3)发明内容本发明旨在提供一种可对低于10-8Lx光照度级的微光进行现场检测的自适应型高灵敏度硅光二极管微光检测装置。
本发明的另一目的在于在现场恶劣的环境条件下，在无人操作与值守的情况下，在现场对微光变量(10-8～10-4Lx)进行长期可行、稳定的采样与监测。
自适应型高灵敏度硅光二极管微光检测装置设有硅光二极管和光电转换前置跨阻(Vp/Ip)放大器，两者设于电磁屏蔽盒内，电磁屏蔽盒设窗口，硅光二极管接收来自屏蔽盒窗口外的微光变量，硅光二极管接跨阻放大器的输入端。
设有电压频率(V/F)转换器，其电压信号输入端接跨阻放大器的电压输出端。
设有至少6位的十进制真值数据采集器，真值数据采集器设有采集频率计数器、采集寄存器和计数门时基发生器，本底频率计数器和本底寄存器，或门，全减器。本底频率计数器与本底寄存器用于完成漂移本底的数值读取与存储功能。或门用于控制本底寄存器的数据刷新(送数)功能。全减器用于对采集寄存器寄存的并行数据作减去本底寄存器中的并行数据的减法操作。
采集频率计数器的频率输入端和本底频率计数器的频率输入端接电压频率转换器的频率信号输出端，采集频率计数器的并行数据输出端接采集寄存器的输入端，本底频率计数器的并行数据输出端接本底寄存器的输入端，采集寄存器并行数据输出端与本底寄存器的并行数据输出端分别接全减器的输入端，全减器的采集数据实时真值输出端接微处理器。计数门时基发生器的输出端分别接采集频率计数器、本底频率计数器、采集寄存器和二输入或门的一端，或门的另一输入端外接采集控制信号源，或门的输出端接本底寄存器。
本发明围绕限制硅光二极管应用于对低至10-8Lx光照度进行检测的两个重要因素进行处理与设计1)精心挑选与互相匹配的硅光二极管等组成Vp/Ip放大器，对电磁干扰具有很好抑制作用的特别的屏蔽盒，使得该光电转换前置放大器能达到检测硅光二极管自身水准的微光下限(10-8Lx级)。同时，采用非传统的V/F转换器(传统为A/D转换器)作为模拟信号到数字信号的转换，不仅具备小型、电路组成简单的特点，还具有与同级性/价比的A/D转换器更高得多的采集数据分辨率(本发明的最小采集数据分辨率可为120—对应于10-8Lx光照度)；2)为满足无人操作与无人值守的条件下工作，设计出‘嵌入自适应无反馈自动调零电路的至少6位十进制频率计数器’作为‘真值数据采集器’，取代我们能见到的基于现场人工操作的反馈式调零方式的‘数据采集器’，用于实现实时自动调零(仪器上电期与采集功能间断期)功能，去除包括温漂在内的一切检测系统前置级引起的误差对检测数据的影响。本发明可应用于任何场合下，对微光变量为10-8～10-4Lx范围、光频率为0～58Hz(上限值＝1÷(2×π×Rf×10pF)+0.293×144)的检测。
与已有的检测设备相比，本发明的优点是1)可在现场恶劣的环境条件下，长期可靠、稳定地工作。
2)采集数据的准确率与精确度基本不随环境条件的变化而改变。
3)自启动与自适应，能满足在无人操作与值守的情况下工作。
4)能满足长距离数据传输的要求。
5)小型、低功耗。
(4)
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明实施例的电路原理图。
(5)具体实施方式
以下实施方式将结合附图对本发明作进一步的说明。
为满足对现场检测仪器的要求，设计出基于硅光二极管的可对低至10-8Lx光照度级的微光进行检测的自适应型高灵敏度硅光二极管微光(10-8Lx级)检测系统，本发明采用与一般实验室检测仪器在方式、方法上截然不同的调零原理(实验室检测仪器的调零原理是基于人工操作的方式)，实现对温度漂移本底(硅光二极管、集成运算放大器及前置电路所有造成温度漂移的本底)的自动限制。这种实时自调零自动限制温度漂移本底与时间漂移本底的新技术，配合本发明采用的其它技术措施，可保证硅光二极管从一般的检测应用领域(＞10-4Lx光照度)延伸应用于低至10-8Lx光照度级的检测。本发明检测系统的实施，不仅可提供实用检测仪器利用硅光二极管对低至10-8Lx的光照度进行检测，同时它完全适合在无人值守的情况下，在现场对微光变量(10-8至10-4Lx)进行长期监测与采样。
参见图1，2，自适应型高灵敏度硅光二极管微光(10-8Lx级)检测装置的组成原理为
1.光电转换前置跨阻(Vp/Ip)高增益放大器1与电压频率(V/F)转换器3硅光二极管(S1337系列，日本滨松公司产)D接收来自屏蔽盒2窗口的微光变量L，转变为表征其光照强度(或辐射光功率)的光电流Ip，经由集成运放(AD549型ANALOG公司产)组成的两级高阻、高增益、低噪音有源T型Vp/Ip放大器，得到正比于Ip的电压输出信号Vp(负电压输出)。在本实施例中，它们之间的换算关系是Vp＝{Rf×(R1+R2)÷R1}×Ip＝{109×(199K+1K)÷1K}×Ip＝1.2×1011×Ip当采用S1337-1010B自适应型高灵敏度硅光二极管微光检测装置型硅光二极管时，由使用手册得到光照度为10-8Lx时，Ip＝-10fA，此时Vp＝1.2×1011×(-10fA)＝-1.2(mV)由此可见，上述装置具有极高的灵敏度与稳定度。此装置可探测低至硅光二极管自身噪声等效功率(NEP)水平的微光(有关NEP的定义，可参见(高雅允等，光电检测技术，国防工业出版社))。
采用的硅光二极管对10-8Lx光照度有响应，同时它自身的NEP小于(或等于)10-8Lx光照度级。
集成运放AD549具有同级放大器中较低的输入失调电流、失调电压与工作噪音。在本装置工作中，它自身产生的噪音低于S1337硅光二极管的NEP。
本发明采用严格的电、磁屏蔽技术措施，用于保证光电转换前置放大器不会产生额外的电、磁干扰噪音与‘工频感应(50/60Hz)’。
本装置采用的有源T型两级放大器是高增益型放大器中最为稳定的一种，因为它对温漂本底具有‘互补’作用，可抵消一部分温漂本底的影响。
光电转换前置放大器输出的电压信号输入由集成运放AD650组成的电压频率转换器3中。经过集成运放AD650，输入的电压信号转变为与之成正比的数字频率信号，输出供频率计数器使用。在本装置中，0～-10V的输入电压经AD650的转换，得到0～1000.000KHz的数字频率信号。对应于本系统的光电检测下限10-8Lx微光照度，光电转换前置放大器的输出为-1.2mV，则AD650相应的输出频率数值是f＝1000.000÷10000×1.2＝0.120(KHz)＝120(Hz)由于本系统后级采用的频率计数器的最小显示数据分辨率为1Hz，为此，该级的采集数据分辨率高达120，十分有利于计算机数据处理与分析系统对采集数据的细节分析。
通常，对模拟信号转变为数字信号的过程都是基于模/数(A/D转换器)的设计。在本发明中，若用A/D转换器，12位的A/D仍然不能分辩检测下限值1.2mV(10V÷4095＝2.44mV)。更高位的A/D，性能/价格比差，同时，系统组成趋于复杂，基于以上原因，本发明完成上述功能采用了非传统的V/F转换器.
2.嵌入‘自适应无反馈自动调零电路’的6位十进制频率计数器对一个6位(***.***；单位KHz)的十进制频率计数器进行改造增添一路串/并计数单元与舍弃最高位及最低位的4位十进制并行寄存器，构成本底频率计数器4与本底数据寄存器5，完成漂移本底的数值读取与存储功能；加入一个‘或门’器件6，控制本底寄存器5的数据刷新(送数)功能；加入一个6位的十进制全减器7，对采集频率计数器8中的6位十进制寄存器9寄存的并行数据作减去本底寄存器5中的并行数据的减法操作(注本底寄存器5已舍弃最高位及最低位，所以本底寄存器5寄存的数据作为减数送入全减器7必须对齐原位，最高位与最低位置“0”)，完成已扣除本底数值的6位十进制并行数据的输出功能。计数门时基发生器10的输出端分别接采集频率计数器8、本底频率计数器4、采集寄存器9和二输入或门6的一端。
由V/F转换器3输出的频率信号输入经上述改造过的本底频率计数器8中，并分成两路分别进行频率计数。由原理图可知1)当来自微处理器的采集控制信号为“0”时，‘或门’开启，两路计数单元处于完全一样的频率计数状态。即，当计数门时基为“1”时，两路串/并计数器同时进行计数，两个并行寄存器同时保持闭锁(保持原寄存数不变)状态；当计数门时基为“0”时，两路串/并计数器同时闭锁，两个并行寄存器同时开启(接受并刷新寄存的数据)，两路串/并计数器计数得到的并行数据，分别被送入相应的并行寄存器中寄存。如此反复进行。2)当采集控制信号S1为“1”时，‘或门’闭锁，输出的“1”电平限制本底寄存器的数据刷新功能，使得本底寄存器寄存的原数据在采集控制信号保持“1”状态期间维持不变。而上述另三个单元器件因不受控于采集控制信号，继续保持1)的工作状态不变。
将采集频率计数器8与本底频率计数器4合并为6位十进制的真值数据采集器。根据上述的功能描述，当采集控制信号为“0”时(关闭光源或授光窗口，使硅光二极管在此功能态时不受光)，6位十进制的真值数据采集器在此功能态的十进制数据输出值读数总为000.000。显然，该功能态的系统含义(实际意义)是令光电转换器件(硅光二极管D)不受光时(此时系统采集工作关闭)，对来自真值数据采集器之前的所有“采集”到的漂移误差(温度漂移本底与时间漂移本底之和)、系统误差(理想电路与实际电路之间存在的非零输出偏差)，在数据采集器中进行实时自动调零工作。由于计数门时基独立于采集控制信号，所以只要系统不进行采集工作，这种实时自动调零工作将一直进行下去。
当采集控制信号由“0”态翻转为“1”态时，启动系统进行光电检测并采集检测到的数据。由于本底寄存器的数据受到闭锁，本底寄存器寄存的数据将是采集控制信号由“0”态翻转为“1”态时的最新的漂移误差值，并在整个系统采集期间维持不变，所以在整个采集数据过程中，数据采集器除完成数据采集工作外，还对采集的数据进行扣除漂移本底信号的处理，并以“真值”采集数据S2输出形式，输送给后面的微处理系统(单板机)进行数据存储与传输。
综上所述，本系统认定6位十进制的真值数据采集器为嵌入‘自适应无反馈自动调零电路’的6位十进制频率计数器是合适的，因为它既包含着对系统漂移本底造成的采集数据误差的无反馈形式、实时自动的修正，又包含着采集真值检测数据的功能。
最后，实时自动调零功能是发生在系统加电后的任何非采集时间内，任何时间内系统“检测”到的采集数据误差值代表着最近、最新的环境变量对整个微光光电检测系统的影响。
在图2中，电阻R11K，R2119K，R314.3K，R4、R7510，R53.6K，R6250K，Rf1G；电位器W15K，W220K；电容C1～C70.1μ，C810P，C91000P，C1051P，C111μ，C12、C13100μ，C14、C1510μ。
权利要求
1.自适应型高灵敏度硅光二极管微光检测装置，其特征在于设有硅光二极管和光电转换前置跨阻放大器，两者设于电磁屏蔽盒内，电磁屏蔽盒设窗口，硅光二极管设于电磁屏蔽盒窗口处，硅光二极管接跨阻放大器的输入端；设有电压频率转换器，其电压信号输入端接跨阻放大器的电压输出端；设有至少6位的十进制真值数据采集器，真值数据采集器设有采集频率计数器、采集寄存器和计数门时基发生器，本底频率计数器和本底寄存器，或门，全减器；采集频率计数器的频率输入端和本底频率计数器的频率输入端接电压频率转换器的频率信号输出端，采集频率计数器的并行数据输出端接采集寄存器的输入端，本底频率计数器的并行数据输出端接本底寄存器的输入端，采集寄存器并行数据输出端与本底寄存器的并行数据输出端分别接全减器的输入端，全减器的采集数据实时真值输出端接微处理器；计数门时基发生器的输出端分别接采集频率计数器、本底频率计数器、采集寄存器和二输入或门的一端，或门的另一输入端外接采集控制信号源，或门的输出端接本底寄存器。
2.如权利要求1所述的自适应型高灵敏度硅光二极管微光检测装置，其特征在于设有6位的十进制真值数据采集器。
全文摘要
涉及一种基于一种硅光二极管的可对低于10
文档编号G01J1/00GK1431475SQ0310399
公开日2003年7月23日 申请日期2003年2月19日 优先权日2003年2月19日
发明者陈进顺 申请人:厦门大学