CN106568733B - 基于闭环数字控制器的红外光源系统、调节系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于闭环数字控制器的红外光源系统、调节系统及方法。调节系统包括离轴抛物面镜、光电探测器、模数转换模块、数字控制器、数模转换模块和功率驱动放大电路，离轴抛物面镜上开有红外光源照射到探测器的通光孔；光电探测器设于离轴抛物面镜通光孔的一端，用于检测所述红外光源的辐射能量信号；模数转换模块用于将光电探测器检测到的辐射能量信号转换为数字信号；数字控制器用于将数字信号通过控制算法进行计算并调节到合适数值；功率驱动放大电路用于将输入其内的调节数字信号进行功率放大后输出到红外光源。本发明的技术方案能保证红外光谱仪具有很好的稳定性、重复性与一致性。
Description
技术领域
本发明总地涉及红外光源领域，具体涉及一种基于闭环数字控制器的红外光源系统、调节系统及方法。
背景技术
红外光源是一种热辐射源，可以近似认为是一个黑体，其向外辐射的红外光线服从普朗克黑体辐射定律，在单位立体角内的辐射率为
其中，I为辐射率，即单位时间内在单位面积和单位立体角以单位频率间隔辐射出的能量，单位为J·s-1·m-2·sr-1Hz-1；h＝6.626×10-34J·s为普朗克常数；ν为频率，单位为Hz；c为光速，单位为m/s；e＝2.7182818为自然对数的底；波尔兹曼常数k＝1.3806488×10-23J·K-1；T为黑体的温度，单位为K。如图1为不同温度时黑体的光谱分布，光源的温度越高，其辐射的能量也越大。其中横坐标为光谱的波长，纵坐标为辐射能量。
傅立叶红外光谱仪通过对红外光谱的采集与分析，来获取物质分子结构的信息，能够进行定性或定量的分析。对于工作在中红外光谱波段的光谱仪，使用一个被加热到1000-1300℃的黑体作为光源，光源在经过准直之后进入光谱仪，光谱仪经过迈克耳逊干涉仪的调制之后，入射到样品，样品与红外光产生相互作用(吸收、散射、透射等作用)，根据不同物质会与不同波长的光相互作用，以此来进行定性分析，同时能够根据比尔兰伯特吸收定律对物质进行定量分析。
在傅里叶变换红外光谱仪中，光源的辐射能量与光谱范围直接决定了仪器的信噪比与光谱工作范围，选择红外光源，需要考虑：①光谱范围；②光谱能量；③辐射稳定度；④光源尺寸与发光面积；⑤使用寿命；⑥工作温度及散热等因素。而光源的温度，直接影响光谱范围、光谱能量、辐射的稳定度与使用寿命。
一般而言，红外光源工作在空气环境中，且使用恒压源进行驱动，能够获得较为稳定的红外光谱。商用的的红外光源通常采用SiC或者SiN材料制造，使用10-13V的恒压源进行驱动，工作电流约为1-2A，且具有很高的辐射效率(大于80％)，是接近于理想黑体的一种黑体辐射光源。
红外光源使用的是一种具有较低阻值、物理性质稳定的材料(如SiC，SiN等)。然而，光源一般工作在非密封的空气环境中，光源在被加热到1000-1300℃进行正常工作时，会发生缓慢的氧化反应，使光源的性质发生变化，从而使光源的辐射能量产生不可逆转的衰减。同时，由于与光源接触的外界环境的波动(气流，外界温度等)也会使光源辐射能量会在短期内产生波动。光源本身性质的变化与外界环境的影响都会导致光源能量的波动，导致红外光谱产生畸变，从而影响红外光谱的重复性、稳定性与一致性。总之，在实际使用中，从短时间范围来看，光源的温度会随着周围环境温度、周围空气流动的影响而产生波动；另一方面，从长时间范围来看，光源在工作过程中会产生一些高温下的氧化反应而使光源性质发生改变，从而使能量出现衰减。
在实际应用中，红外光源还存在一些其他问题，比如SiC或SiN光源在制造过程中，无法保证每一个光源都具有相同的工作温度(在额定工作电压12V驱动的情况下)，这样会导致仪器的一致性差。
再如，在特殊的应用场合，测量信号很弱或者很强，原先设置好的红外光源辐射能量太强或辐射能量不够，导致吸收峰过饱和或太弱，使测量结果出现偏差，影响仪器的准确性。
再有，由于傅立叶变换红外光谱仪的检测速度很快，而在很多时候，光谱仪并没有始终保持在测量状态下，但红外光源却一直工作在额定功率下，这样不仅会造成能量的浪费，还会造成对红外光源使用寿命的严重浪费。
现有技术有一种用于红外光谱仪的红外光源系统，采用纯粹电路处理的方式，对红外光源恒功率输出进行控制，在一定程度上能够解决光源不稳定的问题，但无法对光源的输出光能量进行更加准确的控制。
综上所述，现有红外光源系统无法较好保证光源的一致性与长期稳定性，也不能解决应用中的上述其它问题。
因此，为了获得一致性、稳定性等都较好的红外光源系统，有待开发一种新的红外光源调节系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于闭环数字控制器的红外光源系统、调节系统及方法，以提供一种数字式可调功率的光源控制系统，使得系统能够获得稳定的红外光谱，保证红外光谱仪具有很好的稳定性、重复性与一致性。进一步地，本发明还能解决不同应用场合对光谱能量需求不同的问题。更进一步地，本发明还能够提高红外光源的使用寿命。
本发明旨在提供一种基于闭环数字控制器的红外光源调节系统，所述调节系统包括离轴抛物面镜、光电探测器、模数转换模块、数字控制器、数模转换模块和功率驱动放大电路，其中，所述离轴抛物面镜上开有红外光源照射到探测器的通光孔；所述光电探测器设于所述离轴抛物面镜通光孔的一端，用于检测所述红外光源的辐射能量信号；所述模数转换模块用于将所述光电探测器检测到的辐射能量信号转换为数字信号；所述数字控制器用于将所述数字信号通过控制算法进行计算并调节到合适数值后输出调节数字信号；所述功率驱动放大电路用于将输入其内的所述调节数字信号进行功率放大后输出到红外光源；所述光电探测器、模数转换模块、数字控制器、数模转换模块和功率驱动放大电路依次电连接。
上述的调节系统，所述调节系统还包括计算机，所述计算机与所述数字控制器电连接，所述计算机用于实时对所述红外光源系统的辐射能量控制参考值进行设定。
上述的调节系统，所述离轴抛物面镜的通光孔的直径为1-2mm，所述通光孔垂直于离轴抛物面镜的光轴方向。
上述的调节系统，所述光电探测器为硅光二极管。
上述的调节系统，所述数字控制器的CPU为单片机或数字信号处理器。
上述的调节系统，所述调节系统还包括离轴抛物面镜支架，用于支撑所述离轴抛物面镜。
上述的调节系统，所述光电探测器安装于所述离轴抛物面镜的通光孔内。
本发明还提供一种利用上述调节系统对红外光源进行调节的调节方法，其特征在于，所述方法包括步骤：通过离轴抛物面镜的通光孔检测所述红外光源的辐射能量信号；将所述辐射能量信号转换为数字信号；将所述数字信号通过控制算法进行计算并调节到合适数值后输出调节数字信号；将所述调节数字信号进行功率放大后输出到红外光源。
上述的方法，所述控制算法为PID算法或遗传算法；所述方法还包括步骤：随时设置所述红外光源的辐射能量控制参考值；
实时调节所述红外光源的辐射能量，使其保持恒定的输出功率；
当不进行测量时将所述红外光源的辐射能量初始值设为低于工作额定值。
本发明还提供一种包含上述调节系统的红外光源系统，所述离轴抛物面镜的焦点与所述红外光源的发光面中心重合。
本发明的有益效果在于，通过本发明中所描述的控制回路调节系统，使得利用红外光源进行检测物质时，能够实时地补偿红外光源表面温度的变化，能够准确的对光源的输出光能进行控制，克服不同光源之间存在的一致性问题，使光源的辐射能量始终处于稳定状态，从而保证光谱仪的性能与测量结果有很好的一致性。
进一步地，在特殊的应用场合，测量信号很弱或者很强，本发明通过计算机与控制器之间的通信，对光源发光强度进行设置，从而能够满足光谱仪在一些特殊的应用场合应用。
再进一步地，当红外光源在不进行测量的时候，本发明可使得红外光源进入待机状态(较低的光源表面温度)，而在需要测量时，随时达到能满足测量的能量强度，这样能够非常有效地提升光源的使用寿命与效率。
附图说明
图1为黑体辐射在不同温度下的热辐射能量分布示意图；
图2为本发明数字式可调功率红外光源工作流程结构示意图；
图3为本发明光源准直与探测器安装的结构示意图；
图4为本发明硅光二极管探测器信号转换电路示意图；
图5为本发明一种智能PID自学习控制算法原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
本发明的基本方案是，利用对红外光源辐射强度的实时监测，对光源的辐射能量进行实时的控制。
本发明基本的光学与控制工作流程结构如图2所示，光源通过一个90度的离轴抛物面镜进行准直，准直后的光束直接入射到光谱仪中。而离轴抛物面镜在垂直于光轴的位置配置了一个通光孔，通光孔的直径优选为1-2mm。光源发出的光线直接透过通光孔照射到一个光电探测器上，光电探测器能够探测到光源辐射的能量。光电探测器所探测到的信号经过AD转换后，以数字信号进入控制器，控制器通过一定的控制算法进行计算，并输出一组数字信号，再经过DA转换器将数字信号变为模拟信号，最后再通过功率驱动放大电路对光源进行驱动。而计算机可通过通信总线与控制器的CPU相连，从而能够实时地对光源的功率进行监控、显示与设置。通过这一系列的操作，构成了一种基于闭环数字控制器的可调功率红外光源系统。
上述的离轴抛物面镜，为能够对光束进行汇聚或准直的非球面反射镜，能够有效解决球面镜或透镜存在的球差问题。
黑体光源在向外辐射红外光的同时，也会向外辐射可见光。而根据黑体辐射定律，当黑体光源的温度越高时，向外辐射的短波能量会越强，且变化幅度非常显著。而且，通过对黑体辐射的一部分光谱范围的能量进行测量，无需对整个光谱波段的能量进行测量，就可以对黑体辐射的总强度进行评估。这是本方案的基本理论依据，通过对黑体光源某一段波段范围能量的测量，来评估黑体光源在红外波段范围的能量，而无须考虑光谱仪所测量的波段范围，也无需考虑探测器本身的工作光谱范围是否能够覆盖红外光谱仪的工作光谱范围。这样，在对黑体光源进行光强探测时，我们可以选择具有某一个波段范围的探测器而不需要能够探测黑体光源所辐射光谱全波段范围的探测器，即可选用价格具有优势的靠近可见光范围谱段的探测器。
一般而言，硅光二极管是一种最为常见的光电探测器，能够探测可见光到近红外波段的光谱，且具有很好的探测率，能够满足对于黑体光源辐射强度的探测需求。
如图3所示，其为光源准直与探测器安装的基本配置结构图，其中件1为光源外壳；件2为光源支撑座；件3为红外光源；件4为离轴抛物面镜支架；件5为离轴抛物面镜；件6为光电探测器。
红外光源3通过光源外壳1安装在光源支撑座2上，离轴抛物面镜5安装在抛物面镜支架4上，所述光电探测器设于所述离轴抛物面镜通光孔的一端，更具体地，光电探测器可固定在离轴抛物面镜5上，且位于通光孔内，使红外光垂直的照射到探测器的光敏面上。其中，可在离轴抛物面镜在光轴与垂直光轴的方向开有两个通光小孔，分别用作参考激光的通光孔与红外光源照射到探测器的通光孔。两小孔相互垂直，且在抛物面镜反射面上共享相同的开孔，从而最大化地利用抛物面镜的有效反射面积。应保证的主要装配关系为：抛物面镜的光轴与光谱仪的光轴重合；红外光源的发光面中心与离轴抛物面镜的焦点相重合。
红外光源作为被控单元，探测器与模拟数字转换器(ADC)作为反馈单元，控制器作为控制单元，DA转换器与功率放大器作为执行单元，构成了一个完整的闭环控制回路。控制回路中的每一个模块都非常重要，控制效果是由回路中每一个模块的性能逻辑相与决定的，所以每一个器件的精度都要严格控制。
一般而言，采用的硅光二极管探测器能够工作在可见光到近红外光波段，将光信号转换为电流信号，可以用如图4所示的电路，将探测器产生的电流信号转换为电压信号，从而对光源的辐射能量进行探测。然后，再经过一路高精度的ADC转换电路，将表征光源辐射能量的信号采集到控制器中。
图4中，输出电压Vout＝Ip×RF，GND代表接地，CF代表反馈电容,CA代表运算放大器的输入电容，RF代表反馈电,Ip为探测器输出的光电流。
可以使用单片机(MCU)或数字信号处理器(DSP)作为数字控制器的CPU，设计一个闭环的数字式控制算法，如PID算法、遗传算法等。
利用上述调节系统对红外光源进行调节的调节方法，包括步骤：通过离轴抛物面镜的通光孔检测所述红外光源的辐射能量信号；将所述辐射能量信号转换为数字信号；将所述数字信号通过控制算法进行计算并调节到合适数值后输出调节数字信号；将所述调节数字信号进行功率放大后输出到红外光源。
如图5所示为一种智能PID自学习控制算法原理图,在PID控制算法的基础之上，加入了性能评价规则，即在控制的不同过程中，根据e(t)与Δy的大小来适应不同的规则，对控制采用不同的PID参数，以实现对光源能量的精确控制。算法的入口即为光源辐射能量的实测值、预期值与控制效果评价，通过算法的计算，能够容易得到施加于受控对象(即红外光源)的信号大小。
控制器输出的信号，经过DA转换后变为模拟信号，再通过功率放大电路将信号进行功率放大，从而对红外光源进行驱动。
红外光源的能量在受到外界环境的影响使表面温度发生变化，从而使辐射光谱能量产生波动，通过发明中所描述的控制回路，能够实时地补偿光源表面温度的变化，使光源额度辐射能量始终处于稳定状态。
对于一些特殊的应用场合，测量信号很弱或者很强，这时候可以通过计算机与控制器之间的通信，对光源发光强度进行设置，即通过计算机实时设置红外光源的工作功率，从而能够满足光谱仪在一些特殊的应用场合的应用。
为了提高红外光源系统的寿命，可在红外光源不进行测量的时候，进入待机状态(具有较低的光源表面温度和较低的输出功率)，而在需要测量时，随时达到能满足测量的能量强度。比如给红外光源的初始设定值设为低于正常工作值，使其在不测量的状态处于低功率运行状态，当进入测量状态时，可通过计算机的测量输入信号指示，通过CPU对输出功率的大小进行控制使得红外光源能够满足测量需求。如此便能够非常有效地提升光源的使用寿命与效率。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于闭环数字控制器的红外光源调节系统，其特征在于，所述调节系统包括离轴抛物面镜、光电探测器、模数转换模块、数字控制器、数模转换模块和功率驱动放大电路，其中，
所述离轴抛物面镜上开有红外光源照射到探测器的通光孔；
所述光电探测器设于所述离轴抛物面镜通光孔的一端，用于检测所述红外光源的辐射能量信号；
所述模数转换模块用于将所述光电探测器检测到的辐射能量信号转换为数字信号；
所述数字控制器用于将所述数字信号通过控制算法进行计算并调节到合适数值后输出调节数字信号；
所述功率驱动放大电路用于将输入其内的所述调节数字信号进行功率放大后输出到红外光源；
所述光电探测器、模数转换模块、数字控制器、数模转换模块和功率驱动放大电路依次电连接。
2.如权利要求1所述的调节系统，其特征在于，所述调节系统还包括计算机，所述计算机与所述数字控制器电连接，所述计算机用于实时对所述红外光源系统的辐射能量控制参考值进行设定。
3.如权利要求1或2所述的调节系统，其特征在于，所述离轴抛物面镜的通光孔的直径为1-2mm，所述通光孔垂直于离轴抛物面镜的光轴方向。
4.如权利要求1或2所述的调节系统，其特征在于，所述光电探测器为硅光二极管。
5.如权利要求1或2所述的调节系统，其特征在于，所述数字控制器的CPU为单片机或数字信号处理器。
6.如权利要求1或2所述的调节系统，其特征在于，所述调节系统还包括离轴抛物面镜支架，用于支撑所述离轴抛物面镜。
7.如权利要求1或2所述的调节系统，其特征在于，所述光电探测器安装于所述离轴抛物面镜的通光孔内。
8.一种利用权利要求1至7任一项所述调节系统对红外光源进行调节的调节方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
通过离轴抛物面镜的通光孔检测所述红外光源的辐射能量信号；
将所述辐射能量信号转换为数字信号；
将所述数字信号通过控制算法进行计算并调节到合适数值后输出调节数字信号；
将所述调节数字信号进行功率放大后输出到红外光源。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述控制算法为PID算法或遗传算法；所述方法还包括步骤：
随时设置所述红外光源的辐射能量控制参考值；
实时调节所述红外光源的辐射能量，使其保持恒定的输出功率；
当不进行测量时将所述红外光源的辐射能量初始值设为低于工作额定值。
10.一种包含权利要求1-7任一项所述调节系统的红外光源系统，其特征在于，所述离轴抛物面镜的焦点与所述红外光源的发光面中心重合。
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| CN104880437A (zh) * | 2015-06-24 | 2015-09-02 | 哈尔滨工业大学 | 半透明介质材料光热特性测量系统与方法 |
| CN105048271A (zh) * | 2015-08-12 | 2015-11-11 | 山西大学 | 一种高稳定性的全固态激光器 |
| CN105953725A (zh) * | 2016-05-06 | 2016-09-21 | 哈尔滨工程大学 | 一种相位载波式激光干涉信号闭环解调方法 |
-
2016
- 2016-10-26 CN CN201610948538.4A patent/CN106568733B/zh active Active
Patent Citations (5)
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