CN103781253B - 一种控制宽带光源光强稳定的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制宽带光源光强稳定的方法与装置，方法是采用聚集透镜和一分二型光纤束收集宽带光源发射的光作为反馈光，窄带带通滤光片组将反馈光分成若干个波段，使用光电探测器探测得到多个波长处的反馈光信号，将这些反馈光信号与各自波长处所期望的反馈光信号进行比较，计算出各自差值，根据各自差值计算总差值，控制系统根据总差值自动调整光源输出光强，从而使光源光强达到稳定；装置主要由宽带光源、透镜、一分二型光纤束、滤光轮，直流电机及其驱动电路、位置检测电路、光电转换电路、电压放大电路、单片机控制系统等组成。本发明克服了现有技术对控制宽带光源光强稳定存在较大误差的问题，保证了光学系统中宽带光源的稳定发光。

Description

一种控制宽带光源光强稳定的方法与装置

技术领域

本发明涉及一种光源光强控制的方法与装置，更具体地说是一种控制宽带光源光强稳定的方法与装置。

背景技术

光谱探测技术是利用物质在相应波段内的特征吸收来确定物质的种类和含量的技术，如差分吸收光谱技术、宽带腔增强吸收光谱技术、激光诱导荧光光谱技术、激光诱导击穿光谱技术等。基于光谱探测技术的探测系统，光源是其中必不可少的光学器件。从光源的带宽来看，该技术使用的光源主要有两大类：一类是宽带光源，如氙弧灯、氘灯等；另一类是窄带光源，以激光光源为主。控制光源光强稳定，对于某些光谱探测技术来说至关重要，它可以提高系统的探测灵敏度和精度。现有的一种光源光强稳定方法是通过控制光源电流或功率恒定，但随着光源的老化，光源发光效率会降低，相同的工作条件下光源光强也会不同；另一种方法是光反馈控制技术，它通过光电探测器检测光源输出光强的变化来调节光源工作电流或功率，从而实现光源输出光强稳定的目的，这种控制技术主要用于激光这样的窄带光源。对于宽带光源，其光谱强度和波长稳定性受工作条件影响较大，由于现有光反馈控制技术中光电探测器检测到的反馈信号是一定带宽（由光源带宽和光电探测器带宽决定）内所有波长处光强信号的累加，因此反馈信号不变化并不表示某波长处的光强与之前相比是稳定的，也就是说现有的光反馈控制技术用于控制宽带光源光强稳定存在较大误差。

发明内容

本发明的目的是针对宽带光源光强稳定控制的现有技术中存在较大误差的问题，提供了一种控制宽带光源光强稳定的方法与装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种控制宽带光源光强稳定的方法，利用聚集透镜和一分二型光纤束收集宽带光源发射的部分光作为反馈光，通过中心波长间隔分布在宽带光源辐射波段内或探测系统测量波段内的窄带带通滤光片组，将该反馈光按时间先后次序分成若干个波段，使用光电探测器接收滤光之后的反馈光，从而得到多个波长处的反馈光信号，初次采集的各波长反馈光信号作为期望反馈光信号，之后采集的各波长处的反馈光信号，作为当前反馈光信号，将当前反馈光信号与各自波长处的期望反馈光信号进行比较，计算出各自差值；以所有差值的均方根作为总差值的数值，以所有差值算术平均值的正负符号作为总差值的正负符号；控制系统根据总差值输出一电压控制信号给光源驱动装置，从而调整光源输出光强；反复进行反馈光收集、滤光、探测、计算总差值、调整光源输出光强等操作，致使总差值趋近零即光源光强趋于稳定。

一种控制宽带光源光强稳定的装置，主要由宽带光源、透镜、一分二型光纤束、滤光轮，直流电机及其驱动电路、位置检测电路、光电转换电路、电压放大电路、单片机控制系统等组成；一种控制宽带光源光强稳定的装置，其特征在于：包括宽带光源、透镜、一分二型光纤束、滤光轮，直流电机及其驱动电路、位置检测电路、光电转换电路、电压放大电路、单片机控制系统等，其中：

所述宽带光源后方的光路中设置透镜和一分二型光纤束，所述的透镜汇聚宽带光源发射的光到一分二型光纤束，所述的一分二型光纤束有一个接收端和两个发射端，接收端收集宽带光源发射的光，一个发射端输出反馈光，另一个发射端输出光谱测量光；输出的反馈光直接作用到滤光轮上，所述的滤光轮，是通过在由直流电机驱动的圆盘边缘均匀地设置若干个窄带带通滤光片形成的，带通滤光片的中心波长均匀地分布在宽带光源的辐射波段内或者是分布探测系统的测量波段内，且各带通滤光片按照其中心波长递减或递增次序进行设置；该反馈光被所述的滤光轮按时间先后次序分成若干个波段并被光电转换装置接收，所述的光电转换电路，是由光电二极管及其偏置电源电路组成，偏置电源电路提供光电二极管反向偏置电流，光电二极管检测各个滤光片通道的反馈光信号，并将其转换成电流信号，电流信号在经过负载电阻转化成电压信号并经过电压放大电路后输送到单片机控制系统；所述的电压放大电路，由低噪声运算放大器和电阻电容器件等构成，用于将光电转换电路输出的电压信号进行放大，以满足单片机控制系统中A/D转换的采样电压大小；

在滤光轮和单片机控制系统的直接连接之间设置有位置检测电路，所述的位置检测电路，由光电开关构成；

所述的单片机控制系统，由其最小系统、A/D采样转换电路、D/A转换电路以及拨码开关组成；

所述的单片机控制系统通过输出的PWM信号控制直流电机的驱动电路，使直流电机转动起来，从而使滤光轮旋转起来，滤光轮每旋转一周，所述的位置检测电路就输出一个脉冲信号，通过该脉冲信号确定光电转换电路的输出信号与滤光片中心波长之间的一一对应关系和滤光轮的转速；所述的驱动电路是一种MOS管桥式电路，用以驱动直流电机转动，电机转速可通过单片机控制系统进行设定；直流电机转动轴连接滤光轮，控制滤光轮高速旋转；

所述的最小系统由单片机MC9S12XS128、复位电路和时钟电路组成；

所述的A/D采集转换电路在单片机的控制下实现放大后的光电信号到数字信号的转换；单片机对采集到的数字信号进行运算，根据运算结果控制D/A转换电路输出一个电压信号，该电压信号送给宽带光源的驱动电路，从而改变光源的工作参数，单片机反复进行采集、运算和控制D/A这个过程，最终使光源光强保持稳定；滤光轮旋转的速度通过拨码开关进行设置。

相比现有技术，本发明的优点在于：

（1）本发明动态检测宽带光源多个波长处的输出光强变化情况，相比累加检测所有波长光强更加灵敏，光源光强稳定控制的误差更小。

（2）本发明采用滤光轮装置实现了宽带光源多个波长处的反馈光信号的分时检测，系统只需一个光电探测器，简化了测量装置，降低了成本。

（3）本发明采用单片机控制系统实时跟踪宽带光源光强变化，动态调整光源输出光强，避免了光源出现老化时未及时调整其工作参数导致输出光强变化的弊端。

附图说明

图1为本发明一种控制宽带光源光强稳定装置的组成框图；

图2（a）为本发明一种控制宽带光源光强稳定装置中的光电转换电路的电路原理图；

图2（b）为本发明一种控制宽带光源光强稳定装置中的电压放大电路的电路原理图；

图2（c）为本发明一种控制宽带光源光强稳定装置中的位置检测电路的电路原理图；

图2（d）为本发明一种控制宽带光源光强稳定装置中的直流电机驱动电路的电路原理图；

图2（e）为本发明一种控制宽带光源光强稳定装置中的单片机控制系统的电路原理图；

图3为本发明一种控制宽带光源光强稳定装置中的单片机控制系统程序流程图。

具体实施方式

参见图1，一种控制宽带光源光强稳定的方法，首先利用聚集透镜1汇聚光源11发出的光到一分二型光纤束2的入射端a，从光纤束2的出射端c出去的光作为反馈光，从光纤束2的出射端b出去的光作为系统测量光。将中心波长间隔分布在宽带光源辐射波段内或探测系统测量波段内的窄带带通滤光片组按波长大小均匀地安装在滤光轮3圆边上，将光纤束2的出射端c对准滤光轮3上的其中一块滤光片，在滤光轮3的另一侧安装光电转换装置4，光电转换装置4输出的电压信号经电压放大电路放大后送到单片机控制系统6中的A/D转换电路，然后单片机控制系统6采集。当滤光轮3旋转时，单片机控制系统6就得到了多个波长处的反馈光信号U₁～U_n。接下来计算所有反馈光信号U₁～U_n与各自波长处所期望的反馈光信号之间的差值△U₁～△U_n；计算所有差值△U₁～△U_n的均方根△U_RMS， $\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{(\mathrm{\Δ}{U}_1^2+\mathrm{\Δ}{U}_2^2+...+\mathrm{\Δ}{U}_n^2)/n},$ △U_RMS的大小作为总差值△U的数值；计算所有差值△U₁～△U_n的算术平均值 的正负符号作为总差值△U的正负符号。然后单片机控制系统6根据总差值△U输出一电压控制信号给光源驱动装置10，从而调整光源11的输出光强。反复进行反馈光信号U₁～U_n的采集、△U_RMS和的计算、总差值△U的获取、更新输出控制电压、调整光源输出光强等操作，致使总差值趋近零即光源光强趋于稳定。

参见图1，一种控制宽带光源光强稳定的装置，包括宽带光源11、透镜1、一分二型光纤束2、滤光轮3，光电转换电路4、电压放大电路5、单片机控制系统6、位置检测电路7、直流电机驱动电路8、直流电机9等部分。透镜1汇聚宽带光源11发出的光，一分二型光纤束2的接收端a放置在汇聚焦点上，从光纤束2出射端b出去的光作为系统测量光，从光纤束2出射端c出去的光作为反馈光，出射端c对准滤光轮3上的一块滤光片，在滤光轮3的另一侧并正对出射端c放置光电二极管探测器，该探测器在光电转换电路4中，电压放大电路5将光电转换电路4输出的小电压信号进行放大，然后送给单片机控制系统6中的A/D采样电路，单片机控制系统6就得到了一个波长处的反馈光信号，接下来单片机控制系统6通过它输出的PWM信号控制直流电机9的驱动电路8，使直流电机9转动起来，从而使滤光轮旋转起来，这样单片机控制系统6就能得到多个波长处的反馈光信号。在滤光轮3的边缘位置开有一个槽口，并在滤光轮3旋转经过的位置处安装一个光电开关，滤光轮3每旋转一周，光电开关就会导通一次，位置检测电路7就会产生一个负脉冲，单片机控制系统6捕获位置检测电路7所产生的负脉冲信号，利用该负脉冲信号单片机控制系统6确定出光电转换电路4的输出信号与滤光轮3上的滤光片中心波长之间的一一对应关系，同时在一定时间内对负脉冲进行计数，单片机控制系统6就得到滤光轮的转速。单片机控制系统6获得所有滤光片中心波长处的反馈光信号后，计算所有反馈光信号与所期望的反馈光信号的差值，以所有差值的均方根作为总差值的数值，以所有差值算术平均值的正负符号作为总差值的正负符号。单片机控制系统6根据总差值从D/A电路输出一电压控制信号给光源驱动装置10来调整光源输出光强，之后单片机控制系统6进行下一个周期操作，如此周而复始。

具体实施中的电路原理图如图2所示，包括：

图2（a）为光电转换电路4的电路原理图：

光电转换电路4由三极管Q1、电阻R1～R5、电容C1、C2、基准电压源D1和光电二极管D2等组成。基准电压源D1的1脚输出2.5V基准电压，电阻R2和R3流过相同的电流，从三极管Q1的发射极输出5V电压，作为光电二极管D2的反向偏置电压。当反馈光入射到光电二极管D2的感光区域时，从D2的阳极就会输出与入射光强大小对应的电流信号，该电流信号经电阻R5转换成电压信号U_o，然后U_o输入到电压放大电路5进行电压信号放大。

图2（b）为电压放大电路5的电路原理图：

电压放大电路5由运算放大器U1～U3、电容C3～C8、电阻R6和电位器W1等组成。其中，U1、C3和C4构成电压跟随器，来自光电转换电路4的输出电压U_o输入到U1的引脚3，然后U_o从U1的引脚6输出，并被输入到U2的引脚3，进行放大。U2、R6、W1、C5和C6构成电压放大电路，经放大后的电压从U2的引脚6输出，并再次输入到由U3、C7和C8所构成的电压跟随器输入端，最终经放大后的电压信号(AIN0)送入单片机控制系统6的A/D转换电路中。

图2（c）为位置检测电路7的电路原理图：

位置检测电路7由施密特触发器U7、电阻R13、R14和光电开关U8等组成。光电开关U8的发射端连续地发出光，当滤光轮旋转至槽口经过U8时，U8发射端的光就会照射到其光敏三极管接收端，光敏三极管就会饱和导通，此时从U8的引脚4输出一个低电平信号，低电平信号输入到U7的输入引脚1进行信号整形后从U7的引脚2输出，最终得到的位置信号（position）送入单片机控制系统6进行处理。

图2（d）为直流电机驱动电路8的电路原理图：

直流电机驱动电路8由光耦U4、U5、MOS管Q2～Q5、二极管D3～D6和电阻R7、R8等组成。其中，Q2、Q3、Q4和Q5构成H桥驱动电路，D3～D6用于保护Q2～Q5，防止它们被反向电压击穿。来自单片机控制系统6的PWM信号来控制Q2～Q5的导通与关断。当PWM0信号是高电平，而PWM1是低电平时，U4和U5的引脚4分别输出低电平和高电平，此时MOS管Q2和Q5导通，而Q3和Q4关断，直流电机正转；当PWM0信号是低电平，而PWM1是高电平时，U4和U5的引脚4分别输出高电平和低电平，此时MOS管Q3和Q4导通，而Q2和Q5关断，直流电机反转。控制PWM0和PWM1信号的占空比就可以控制直流电机的转速。

图2（e）为单片机控制系统6的电路原理图：

单片机控制系统6由单片机U6、时钟电路、复位电路、程序调试与下载接口电路、A/D转换电路、D/A转换电路以及拨码开关输入电路等组成。其中，时钟电路由电容C15、C16、电阻R9和晶体振荡器OS1组成，该电路与单片机U6的内部振荡电路相连，产生16MHz脉冲信号并经U6内部锁相环倍频后，作为U6的工作时钟。复位电路由按键K1、电阻R10、R16和电容C17组成，R10和C17构成上电复位，当系统上电时，U6的引脚30出现一个短暂的低电平，从而引起U6复位；K1、R10和R16构成手动复位，当K1接通时，U6的引脚30出现低电平，从而引起U6复位。单片机U6、时钟电路和复位电路构成单片机最小系统，最小系统保证单片机指令的执行。程序调试与下载接口电路由接口端子J2构成，J2的引脚2连接U6的引脚15，J2的引脚5连接U6的引脚30。A/D转换电路由U6内部A/D转换器和外部A/D转换器基准电压源电路组成，基准电压源电路由D7和电阻R12组成，D7的引脚2输出2.5V的稳定电压作为U6内部A/D转换器基准电压，连接到U6的引脚60。D/A转换电路由D/A转换器U9、端子J3和D/A转换器基准电压源电路组成，单片机U6通过串行方式与U9进行通信，U9的数据输入引脚1、时钟引脚2、片选引脚3和数据输出引脚4分别连接U6的I/O引脚16、17、18和19。D/A转换器基准电压源电路由D8和电阻R15组成，D8的引脚2输出5V的稳定电压作为U9的基准电压，连接到U9的引脚6。在U6的控制下，U9输出一个0～5V的电压信号，从U9的引脚7输出并连接到端子J3的引脚2，端子3与光源驱动装置10相连。拨码开关输入电路由8位拨码开关SW1和排阻RR1构成，拨码开关的8位开关信号分别输入到U6的I/O引脚41～48，供U6采集识别，U6根据8位开关状态设定滤光轮的转速。

单片机控制系统6是整个装置的控制核心，协调各个部件工作。如图3所示，系统上电后首先进行初始化操作，包括设定单片机内部总线时钟、A/D和D/A转换器的工作方式、PWM模块工作方式、计数器工作方式等。初始化操作之后，单片机读取连接拨码开关电路的输入引脚状态，根据引脚状态确定滤光轮设定转速，然后预设PWM信号控制直流电机驱动电路，使滤光轮旋转起来，接下来程序进入速度闭环控制环节，通过对单位时间内位置检测电路发出的脉冲个数确定滤光轮实际转速，比较滤光轮实际转速与设定转速并不断调整PWM信号占空比，直到滤光轮转速为设定值。待滤光轮转速稳定后，单片机根据期望的光源光强控制D/A输出，然后启动A/D转换，采集各波长处的反馈光信号，初次采集的反馈光信号作为期望反馈光信号，然后再次采集各波长处的反馈光信号，作为当前反馈光信号，计算各波长处当前反馈光信号与期望反馈光信号的差值，再计算所有这些差值的均方根和算术平均值，将均方根的数值与算术平均值的正负号相结合得到反馈光信号的总差值。之后，单片机判断总差值是否为零，若总差值不为零则根据总差值调整D/A输出来更新光源输出光强，否则保持现有光源光强不变，接下来单片机进行下一个周期的判断，不断扫描光强变化情况，始终使光源光强维持在期望光强附近。

Claims (2)

1.一种控制宽带光源光强稳定的方法，其特征在于：利用聚集透镜和一分二型光纤束收集宽带光源发射的部分光作为反馈光，通过中心波长间隔分布在宽带光源辐射波段内或探测系统测量波段内的窄带带通滤光片组，窄带带通滤光片组均匀安装到滤光轮圆边上，将收集到的反馈光对准滤光轮上的其中一块滤光片，使用光电探测器接收滤光之后的反馈光，得到一个波长处的反馈光信号；旋转滤光轮，使收集到的反馈光对准滤光轮上的其它滤光片，这样光电探测器能得到多个波长处的反馈光信号，初次采集的各波长反馈光信号作为期望反馈光信号，之后采集的各波长处的反馈光信号，作为当前反馈光信号，将当前反馈光信号与各自波长处的期望反馈光信号进行比较，计算出各自差值；以所有差值的均方根作为总差值的数值，以所有差值算术平均值的正负符号作为总差值的正负符号；控制系统根据总差值输出电压控制信号给光源驱动装置，从而调整光源输出光强；反复进行反馈光收集、滤光、光电探测、计算总差值、调整光源输出光强操作，致使总差值趋近零即光源光强趋于稳定。

2.一种控制宽带光源光强稳定的装置，其特征在于：包括宽带光源、透镜、一分二型光纤束、滤光轮，直流电机及其驱动电路、位置检测电路、光电转换电路、电压放大电路、单片机控制系统，其中： 所述宽带光源后方的光路中设置透镜和一分二型光纤束，所述的透镜汇聚宽带光源发射的光到一分二型光纤束，所述的一分二型光纤束有一个接收端和两个发射端，接收端收集宽带光源发射的光，一个发射端输出反馈光，另一个发射端输出光谱测量光；输出的反馈光直接照射到滤光轮上，所述的滤光轮，是通过在由直流电机驱动的圆盘边缘均匀地设置若干个窄带带通滤光片形成的，带通滤光片的中心波长均匀地分布在宽带光源的辐射波段内或者是探测系统的测量波段内，各窄带带通滤光片按波长大小均匀地安装在滤光轮圆边上；该反馈光经过所述的滤光轮上的窄带带通滤光片滤光后被光电转换电路接收，所述的光电转换电路，是由光电二极管及其偏置电源电路组成，偏置电源电路提供光电二极管反向偏置电流，光电二极管检测各个窄带带通滤光片通道的反馈光信号，并将其转换成电流信号，电流信号经过负载电阻转化成电压信号并经过电压放大电路后输送到单片机控制系统；所述的电压放大电路，由低噪声运算放大器和电阻电容器件构成； 在滤光轮和单片机控制系统的直接连接之间设置有位置检测电路，所述的位置检测电路，由光电开关构成； 所述的单片机控制系统，由其最小系统、A/D采样转换电路、D/A转换电路以及拨码开关组成； 所述的单片机控制系统通过输出的PWM信号控制直流电机驱动电路，使直流电机转动起来，从而使滤光轮旋转起来，滤光轮每旋转一周，所述的位置检测电路就输出一个脉冲信号，通过该脉冲信号确定光电转换电路的输出信号与窄带带通滤光片中心波长之间的一一对应关系和滤光轮的转速；所述的直流电机驱动电路是一种MOS管桥式电路，所述的直流电机转动使滤光轮旋转； 所述的最小系统由单片机MC9S12XS128、复位电路和时钟电路组成； 所述的A/D采样转换电路在单片机MC9S12XS128的控制下实现放大后的光电信号到数字信号的转换；单片机MC9S12XS128对采集到的数字信号进行运算，根据运算结果控制D/A转换电路输出一个电压信号，该电压信号送给宽带光源的驱动电路，从而改变光源的工作参数，单片机MC9S12XS128反复进行采集、运算和控制D/A这个过程，最终使光源光强保持稳定；滤光轮旋转的速度通过拨码开关进行设置。