宽动态范围的紫外辐射照度计的制作方法

本发明属于光学辐射测试技术和计量领域，具体涉及一种宽动态范围的紫外辐射照度计。

背景技术：

在光学辐射探测技术领域，光源辐射照度探测是非常重要的一个环节，直接决定了目标辐射探测的测量精度。对于某个光源系统，对某处出射辐射照度值的测量对整个光学测试实验具有十分重要的作用，紫外辐射照度简称辐照度，是投射到单位接收面积的辐射通量。紫外辐射照度计是测量紫外辐照度的计量器具，通常由紫外辐射探头(探测器)、相应的电子线路和测量数据显示部分组成。紫外辐射照度计量广泛应用于航空航天、军事国防、医疗卫生、工农业、卫星遥感、光电子等行业，为这些行业的可持续性发展提供了准确可靠的量值溯源标准，确保量值的准确、可靠。随着技术的不断发展，对高准确度的紫外辐射照度计量存在更大的需求。与可见光和近红外波段的辐射照度计量相比，紫外光源的稳定度差、信号水平低、测量动态范围窄以及测量装置中分光仪器的效率和探测器灵敏度低都导致了紫外辐射计量的难度。现在市面上的紫外辐射照度计所能测量的动态范围大都较窄，无法同时实现强弱光条件下紫外辐射的同时测量。如现有的美国uvp公司uvx-36数显长波紫外线辐射照度计测试照度最低2×10^-9w/cm²，，又如spectronicsaccumaxxrp-3000数字式紫外强度计辐射照度测量范围：10^-11w/cm²-3×10^-5w/cm²，弱光条件下均较难测量，动态范围较窄。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种宽动态范围的紫外辐射照度计，克服了现在市面上的紫外辐射照度计所能测量的动态范围较窄，无法同时实现强弱光条件下紫外辐射的同时测量的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种宽动态范围的紫外辐射照度计，包括紫外光电倍增管、紫外硅光电池、控制箱、电源开关、液晶触控屏、电源接口、rs232串行接口、a/d转换芯片、高压输出模块、arm处理器控制单元、显示模块、第一微弱信号处理电路、第二微弱信号处理电路和三个接线口，控制箱，电源开关和液晶触控屏均设置于前面板上，电源接口、rs232串行接口和三个接线口均设置于后面板上，rs232串行接口用于实现计算机程控，三个接线口分别为高压信号输出接线口、倍增管输入接线口、光电池输入接线口，a/d转换芯片、高压输出模块、arm处理器控制单元、显示模块、第一微弱信号处理电路、第二微弱信号处理电路均设置于控制箱内；第一微弱信号处理电路和第二微弱信号处理电路两路并行，电源接口通过导线外接220v插座，并通过电源开关控制通断电；液晶触控屏与显示模块连接，rs232串行接口分别与arm处理器控制单元和外接计算机相连，第一微弱信号处理电路、第二微弱信号处理电路均与a/d转换芯片相连，a/d转换芯片与arm处理器控制单元相连；arm处理器控制单元分别与高压输出模块和显示模块相连；紫外光电倍增管通过倍增管输入接线口与第一微弱信号处理电路连接，紫外光电倍增管通过高压信号输出接线口与高压输出模块连接，紫外硅光电池通过光电池输入接线口与第二微弱信号处理电路连接，高压输出模块连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）可以实现紫外光电倍增管和紫外增强硅光电池两个探测器的自动切换，实现宽动态范围测试，该紫外辐射照度计测试动态范围为10^-14w/cm²-10^-5w/cm²（254nm紫外光）。

（2）电源模块采用可程控高压模块电源，输出电压范围为0~1000v(dc)，时漂稳定度≤0.1%/小时。

（3）两路微弱信号处理电路均采用了静电计级运放ad549作为主处理芯片，可以实现pa级电流测试。

附图说明

图1是本发明所述的宽动态范围紫外辐射照度计外部结构示意图，其中图（a）为主视图，图（b）为后视图。

图2是本发明所述的宽动态范围紫外辐射照度计信号处理原理框图。

图3是本发明所述的宽动态范围紫外辐射照度计紫外增强硅光电池探测信号处理电路局部图一。

图4是本发明所述的宽动态范围紫外辐射照度计紫外增强硅光电池探测信号处理电路局部图二。

图5是本发明所述的宽动态范围紫外辐射照度计紫外增强硅光电池探测信号处理电路局部图三。

图6是本发明所述的宽动态范围紫外辐射照度计紫外光电倍增管探测信号处理电路局部图一。

图7是本发明所述的宽动态范围紫外辐射照度计紫外光电倍增管探测信号处理电路局部图二。

图8是本发明所述的宽动态范围紫外辐射照度计紫外光电倍增管探测信号处理电路局部图三。

图9是本发明所述的宽动态范围紫外辐射照度计测试系统构成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1和图2，本发明的宽动态范围的紫外辐射照度计，包括紫外光电倍增管、紫外硅光电池、控制箱2、电源开关4、液晶触控屏3、电源接口5、rs232串行接口6、a/d转换芯片、高压输出模块、arm处理器控制单元、显示模块、第一微弱信号处理电路、第二微弱信号处理电路、三个接线口7和两个把手1，控制箱2由铝合金材料制成，其前面板两端分别设有两个把手1便于移动，电源开关4和液晶触控屏3均设置于前面板上，液晶触控屏3用于实现功能控制和数据显示。电源接口5、rs232串行接口6和三个接线口7均设置于后面板上，rs232串行接口6用于实现计算机程控，三个接线口7分别为高压信号输出接线口、倍增管输入接线口、光电池输入接线口，紫外光电倍增管、紫外硅光电池作为探测器分别通过导线连接倍增管输入接线口和光电池输入接线口。a/d转换芯片、高压输出模块、arm处理器控制单元、显示模块、第一微弱信号处理电路、第二微弱信号处理电路均设置于控制箱2内。第一微弱信号处理电路和第二微弱信号处理电路两路并行，电源接口5通过导线外接220v插座，并通过电源开关4控制通断电。液晶触控屏3与显示模块连接，rs232串行接口6分别与arm处理器控制单元和外接计算机相连，实现程控。第一微弱信号处理电路、第二微弱信号处理电路均与a/d转换芯片相连，a/d转换芯片与arm处理器控制单元相连；arm处理器控制单元分别与高压输出模块和显示模块相连；紫外光电倍增管通过倍增管输入接线口与第一微弱信号处理电路连接，紫外光电倍增管通过高压信号输出接线口与高压输出模块连接，紫外硅光电池通过光电池输入接线口与第二微弱信号处理电路连接，高压输出模块连接。

所述两路微弱信号处理电路均采用了静电计级运放ad549作为主处理芯片，可以实现pa级电流测试；采用了16位的a/d转换芯片ads8559；高压输出模块采用滨松的可程控高压电源；显示模块通过触控液晶屏3进行人机交互，arm处理器控制单元设有多路参数查找表，可以同时存储四种紫外波长下的标定数组。

紫外光电倍增管或紫外硅光电池探测到信号，对应的微弱信号处理电路对信号进行采集，并将信号送入a/d转换芯片，a/d转换芯片将模拟信号转换为数字信号后传输给arm处理器控制单元，arm处理器控制单元每隔10ms对数字信号进行一次数据采集，同时进行相应的背光处理，随后通过电压计算公式计算获得电压值，并根据该电压值遍历参数查找表，判断并调整当前高压输出模块输出电压至合理值，进而计算出辐射照度值并进行显示。液晶触控屏3可实现人机交互。

所述的宽动态范围紫外辐射照度计的信号处理过程如下：

arm处理器控制单元每隔10ms对经微弱信号处理电路放大后的信号进行一次数据采集，根据采集数据自动分辨强弱光情况，并根据信号强弱自动选择信号处理流程，从而实现紫外光电倍增管和紫外增强硅光电池两个探测器信号处理的自动切换。

强光情况下，紫外增强硅光电池在光源的照射下产生电流信号，电流信号输入通过第二微弱信号处理电路，并对电流信号进行放大处理，再通过a/d转换芯片对处理后的模拟信号进行模数转换处理成数字信号，并将该数字信号送入arm处理器控制单元，arm处理器控制单元每隔10ms对放大输出的数字信号进行一次数据采集，同时进行相应的背光处理；根据检测得到的光电流信号结合查找表中的数据计算出实际的紫外辐射照度值。

弱光情况下，积分球出光孔上放置的是紫外光电倍增管，arm处理器控制单元控制高压输出模块为紫外光电倍增管提供工作电压，紫外光电倍增管在弱光下产生微弱的电流信号，通过第一微弱信号处理电路对电流信号进行放大处理，再通过a/d转换芯片对处理后的模拟信号进行模数转换处理成数字信号，并将该数字信号送入arm处理器控制单元，arm处理器控制单元每隔10ms对放大后的数字信号进行一次数据采集，同时进行相应的背光处理，随后通过电压计算公式计算获得电压值，并根据该电压值遍历参数查找表，判断并调整当前高压输出模块输出的电压至合理值，进而计算出辐射照度值并进行显示。

紫外增强硅光电池探测信号处理电路和紫外光电倍增管探测信号处理电路为并行电路，互不干扰；由arm控制单元根据输入信号强弱选择对应的电路进行信号处理。

结合图3、图4、图5，所述第二微弱信号处理电路包括第五接插件u5、第十九电阻r19、第二积分电路u4、第二十电阻r20、第二跟随器u7、第二十二电阻r22、滤波电路u10、第二十五电阻r25和第二放大电路u8。

紫外增强硅光电池在光源的照射下产生电流信号，电流信号输入通过第二微弱信号处理电路，电流信号经由第五接插件u5进行传输，第五接插件u5通过第十九电阻r19将信号传输给基于ad549芯片的第二积分电路u4，第二积分电路u4将电流信号转成电压信号，并且进行放大，放大倍数一共有八个挡位，对应测试精度的八个挡位，可对应进行调节；第二积分电路u4将处理后的信号通过第二十电阻r20传输给基于ad549芯片的集成运放的第二跟随器u7，起隔离缓冲的作用，使信号能不衰减的传输到负载；然后通过第二十二电阻r22将信号传输给由uaf42通用有源滤波器构成的滤波电路u10，对信号进行滤波处理；uaf42将滤波处理后信号通过第二十五电阻r25与基于ad549芯片的第二放大电路u8相连，最后对信号进行放大并将信号通过接插口a1-in传输给a/d转换芯片。

上述第五接插件u5构成：电流信号由第五接插件u5进行传输，通过第十九电阻r19与第二积分电路u4的2脚相连，第五接插件u5的2、3、4、5脚相连并在其与第十九电阻r19之间并联第九电容c9、第一稳压管d1和第二稳压管d2，第一稳压管d1和第二稳压管d2所接正负相反；使电流信号保持一定的稳定性。第五接插件u5通过1脚接第十九电阻r19将信号传输给第二积分电路u4。

上述第二积分电路u4电路构成：第二积分电路u4的2脚与7脚之间串联第四电容c4，7脚串一个第十七电容c17后接地，7脚接正7.5v电源，4脚分别接负7.5v电源供电；5脚通过一个最大阻值为10k欧的第一可变电阻u1与1脚相连，第一可变电阻u1串联第十四电容c14后接地。第二积分电路u4可将电流信号转成电压信号，并且进行放大，放大倍数一共有八个挡位，对应测试精度的八个挡位，通过2、3、6脚接第二通用有源滤波器u2和第三通用有源滤波器u3实现完成不同电阻值的选择实现测试挡位的选择。第二积分电路u4的6脚接第二十电阻r20将信号传输给第二跟随器u7。

第二通用有源滤波器u2和第三通用有源滤波器u3采用4051芯片。

所述第二通用有源滤波器u2的12脚、13脚、14脚、15脚、1脚、5脚分别对应接第十三电阻r3、第十二电阻r12、第十一电阻r11、第十电阻r10、第一电阻r1、第四电阻r4后与第二积分电路u4的2脚相连，第二通用有源滤波器u2的2脚接并联第一电容c1和第二电阻r2后与第二积分电路u4的2脚相连，4脚接并联第三电容c3和第三电阻r3后与第二积分电路u4的2脚相连；第二通用有源滤波器u2的11脚、10脚、9脚分别对应与接插口c-a1、c-b1、c-c1相连；7脚接第十五电容c15后接地；7脚接负7.5v的电源驱动滤波电路，16脚接正7.5v的电源驱动滤波电路；3脚接第二积分电路u4的6脚；6脚接第五电阻r5后接地；16脚和8角之间接第十一电容c11，8脚接地。第三通用有源滤波器u3的接法与第二通用有源滤波器u2类似，第三通用有源滤波器u3的12、13、14、15、1、5脚分别接电阻后与第二积分电路u4的3脚相连，其他脚接法与u2近似。

上述第二跟随器u7电路构成：第二跟随器u7的2脚与6脚相连，7脚接正7.5v电源，4脚接负7.5v电源供电；7脚串接第七电容c7后接地，5脚通过一个最大阻值为10k欧的第六可变电阻u6与1脚相连，第六可变电阻u6串联第六电容c6后接地，6脚接第二十二电阻r22将信号传输给滤波电路u10。

上述滤波电路u10电路构成：滤波电路u10由uaf42通用有源滤波器构成，uaf42的7脚和14脚通过第二十三电阻r23串联，3脚接一个第二十四电阻r24后接地，13脚分别通过第三十一电阻r31和第三十二电阻r32与12脚和8脚相连，11脚接地，10脚接正7.5v电源供电，9脚接负7.5v电源供电，1脚接第二十五电阻r25将信号传输给第二放大电路u8。

上述第二放大电路u8电路构成：第二放大电路u8的7、4脚分别接正负7.5v双电源供电；7脚串联第十六电容c16后接地，5脚通过一个最大阻值为10k欧的第九可变电阻u9与1脚相连，第九可变电阻u9串联第十电容c10后接地，2脚接一个第二十六电阻r26后接地，在2脚和7角之间串联第十八电容c18和拨码开关sw，控制选择的第二十七电阻r27、第二十八电阻r28、第二十九电阻r29、第三十电阻r30；第十八电容c18和拨码开关sw并联连接；6脚接第二十一电阻r21后接第三稳压管d3负极，型号为in007，第三稳压管d3正极接地。第二十一电阻r21后端再接接插口a1-in将信号传输给a/d转换芯片。

第一电容c1、第三电容c3、第四电容c4、第六电容c6、第七电容c7、第九电容c9、第十电容c10、第十一电容c11、第十四电容c14、第十五电容c15、第十六电容c16、第十七电容c17、第十八电容c18均为0.1uf。

结合图6、图7、图8，所述第一微弱信号处理电路包括第二十接插件u20、第一积分电路u18、第四十电阻r40、第一跟随器u13、第三十七电阻r37、第一级滤波电路u12、第二级滤波电路u22、第五十六电阻r56、第一放大电路u15。

电流信号经由第二十接插件u20进行传输，第二十接插件u20将电流信号传输给基于ad549芯片的第一积分电路u18，第一积分电路u18将电流信号转成电压信号，并且进行一定的放大，放大倍数固定，第一积分电路u18将处理后的信号通过第四十电阻r40传输给基于ad549芯片的集成运放的第一跟随器u13，起隔离缓冲的作用，使信号能不衰减的传输到负载；然后通过第三十七电阻r37将信号传输给由uaf42构成的第一级滤波电路u12和第二级滤波电路u22进行信号滤波，然后将处理后信号通过第五十六电阻r56与基于ad549芯片的第一放大电路u15相连，最后对信号进行放大并将信号通过接插口a2-in传输给a/d转换芯片。

上述第二十接插件u20：电流信号由第二十接插件u20进行传输，直接与第一积分电路u18的2脚相连，第二十接插件u20的2、3、4、5脚相连，并与1脚之间接并联的330k欧的第四十六电阻r46和第四稳压管d4，第四十六电阻r46一端接地；接插件u20通过1脚将信号传输给第一积分电路u18。

上述第一积分电路u18的电路构成：第一积分电路u18的2脚与7脚之间串联一个0.1uf的第四电容c4，7脚串联一个0.1uf的第十七电容c17后接地，7、4脚分别接正负7.5v双电源供电；5脚通过一个最大阻值为10k欧的第十九可变电阻u19与1脚相连，第十九可变电阻u19串联一个0.1uf的第二十三电容c23后接地。2脚和6脚之间接一个拨码开关sw，sw连接四个电阻，控制选择阻值分别为1m欧、10m欧、22m欧、100m欧的第四十七电阻r47、第四十八电阻r48、第四十九电阻r49、第五十电阻r50中的一个，实现信号在某一固定倍数的放大，拨码开关sw另一端接330k欧的第五十一电阻r51后接地。第一积分电路u18的6脚接第四十电阻r40将信号传输给第一跟随器u13。

上述第一跟随器u13的电路构成：第一跟随器u13的2脚与6脚相连，7、4脚分别接正负7.5v双电源供电；7脚串一个0.1uf的第十九电容c19后接地，5脚串一个最大阻值为10k欧的第十四可变电阻u14与1脚相连，第十四可变电阻u14串联一个0.1uf的第二十电容c20后接地，6脚接第三十七电阻r37将信号传输给第一级滤波电路u12。

上述第一级滤波电路u12和第二级滤波电路u22的电路构成：第一级滤波电路u12的7脚和14脚通过第三十六电阻r36串联，3脚接一个47.5k欧的第三十八r38电阻后接地，13脚分别通过5.49k欧的第三十五电阻r35和2m欧第三十四电阻r34与12脚和8脚相连，11脚接地，10脚和9脚分别接正负7.5v电源供电，1脚接50k欧的第三十九电阻r39将信号传输到第二级滤波电路u22，第二级滤波电路u22的电路接法与第一级滤波电路u12的接法近似，第二级滤波电路u22的1脚通过第五十六电阻r56将信号传输给第一放大电路u15。

上述第一放大电路u15构成：第一放大电路u15的7、4脚分别接正负7.5v双电源供电；7脚串联一个0.1uf的第二十一电容c21后接地，5脚通过一个最大阻值为10k欧的第十六可变电阻u16与1脚相连，第十六可变电阻u16串联一个0.1uf的第二十二电容c22后接地，2脚接一个200k欧第四十五电阻r45后接地，在2脚和6脚之间串联一个拨码开关sw，拨码开关sw控制选择第四十二电阻r42、第四十三电阻r43、第四十四电阻r44；6脚接第四十一电阻r41后接接插口a2-in将信号传输给a/d转换芯片。

结合图9，所述紫外辐射照度计8的测试步骤如下：

步骤一：将待标定光源9放置于积分球10输入口，打开光源开关。

步骤二：将装在积分球10上的紫外光电倍增管或紫外硅光电池与紫外辐射照度计8相连接，打开紫外辐射照度计8的电源开关。

步骤三：首先采用紫外硅光电池作为探测器，如果紫外光辐射在紫外硅光电池的探测范围之内，紫外硅光电池的第二微弱信号处理电路对其输出信号进行调理，用a/d转换芯片数字化输入arm处理器控制单元。arm处理器控制单元根据查找表中的数据计算出实际的紫外辐射照度值。

步骤四：当紫外辐射微弱到一定程度时，紫外硅光电池无法探测，高压输出模块启动紫外光电倍增管，第一微弱信号处理电路对紫外光电倍增管采集的电流信号进行调理，同样通过a/d转换芯片数字化后输入arm处理器控制单元。arm处理器控制单元根据查找表中的数据计算出实际的紫外辐射照度值。

步骤五：通过液晶触控屏改变输出高压值，读取对应的输出紫外辐射照度值。