CN106596404A - 一种直读光谱仪的信号采集与处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型直读光谱仪的信号采集与处理方法，适用于直读光谱仪周期火花光源特点。首先根据直读光谱仪的分光光路结构，确定待测光各波段对应的分光光路所处的空间位置，放置与各光路波段相对应的光探测模块；对光探测模块输出的电信号进行倒相处理后送入锁相放大器的信号通道进行带通滤波和放大，减少杂散噪声；将与待测信号频率相同的周期信号送入参考通道，调节其相位与待测信号相同；对信号通道与参考信道的输出信号进行互相关运算，抑制与参考信号不相关的噪声；提取相关器输出的低频成分，得到待测信号的幅值和相位信息。本发明可缩小光学系统的体积，减少探测器投入，探测灵敏度高，噪声低，可提高直读光谱仪的分辨率。
Description
技术领域
本发明属于光谱检测领域，更具体地，涉及一种基于光电探测器与锁相放大器结合的新型直读光谱仪的光信号采集与处理方法。
背景技术
近年来，随着钢铁行业的蓬勃发展，高精度的分析检测系统在钢铁生产及加工过程中质量控制的主要手段，而精密的分析检测必须借助精密的测试方法。其中直读光谱仪是钢铁行业主要分析检测校准仪器。现代直读光谱仪的光源采用火花激发光源，即处理器控制回路进行周期性充放电操作，从而在样品与电极间产生周期性的火花，且火花的光谱与样品中的元素含量具有密切的关系。因此，可通过探测火花光源的光谱信息来分析样品特征与元素含量。
对于实际的火花光源，包含各个波段的信息，包括可见光，紫外、以及红外波段，不同波段的光谱强度差别很大。其中，人眼可见的最亮的黄色波段的光，是金属元素受激发发射出来的，并不是直读光谱仪的探测重点，而光强十分微弱，人眼无法识别的不可见光波段，与样品中的恒量非金属元素(C、P、S等)密切相关，是直读光谱仪检测的重点。
传统的直读光谱仪一般采用步进电机驱动光栅转动对波长进行扫描，并采用倍增管接收不同波长的光信号获得光谱分布，这种光谱仪精度高、光谱范围宽，但体积大、功耗高、工作环境苛刻，越来越不符合现代测试仪器小型化、高效性、低功耗的要求。近年来，随着半导体光电器件的发展，直读光谱仪有了新的发展方向。特别是基于CCD的直读光谱仪是近年来研究的热点，CCD具有体积小、重量轻、寿命长、自扫描的优点，所以CCD直读光谱仪通常经过光学结构分光后，直接通过多路CCD进行信号采集获得光谱信号，大大缩小光谱仪结构，并可通过辅助措施获得较宽的光谱范围，但是此类光谱仪的探测精度与灵敏度仍需要进一步改进。
发明内容
针对目前现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于光电探测器与锁相放大器电路相结合的直读光谱仪信号采集与处理方法，其目的在于：一、缩小直读光谱仪体积，使得传统直读光谱仪的巨大尺寸可以被缩减，从而便于以后应用到便携领域；二、提升探测精度与检测灵敏度，相对于CCD直读光谱仪来说，本发明可以达到远高于CCD分辨率的检测精度。由此解决直读光谱仪检测系统整体集成化程度低的问题。
为实现上述目的，针对钢铁行业固定周期火花光源特点，按照本发明的一个方面，提供了一种光信号转换为电信号的检测方法。技术方案如下：
一种直读光谱仪的信号采集与处理方法，包括如下步骤：
(1)根据直读光谱仪的分光光路结构，确定待测光各波段对应的分光光路所处的空间位置，布放与各光路波段相对应的光探测模块；
(2)选择一个测试通道，对光探测模块输出的各路电信号进行倒相，送入锁相放大器的信号通道进行放大，然后对噪声作窄带滤波处理，接着对信号进一步放大，作为该光路的待测信号送入相关器输入端；
(3)引入一个与待测信号相同频率的周期信号作为参考信号，调节其相位与所述待测信号相同，送入相关器的参考端，使其与待测信号进行互相关运算，从而抑制待测信号中与参考信号不相关的噪声信号，输出与参考信号相关的信号；
(4)从相关器的输出提取低频成分(该成份中包含待测微弱信号的幅值和相位信息)，检测出待测信号的幅值和相位信号；
(5)采集各光路上的低频输出信号，并将其上传到上位机进行光谱分析。
(6)选择下一个通道，对待测信号进行锁相放大检测，并采集上传到上位机。
进一步的，所述步骤(3)中周期信号是从点火控制电路引入的，有利于提升参考信号与待测信号频率和相位的一致性。
进一步的，所述光探测模块由光伏探测器及其偏置电路构成，完成光信号向电信号的转换，其中光伏探测器的型号根据具体探测波段选择。
进一步的，所述锁相放大器的信号通道包含依序相连的前置放大器、带通滤波器和后置放大器，用于对输入信号依次作放大、滤波、再放大的处理，调整信号幅值达到相敏检波器可处理的数量级。
进一步的，所述锁相放大器信号通道中的带通滤波器，其通频带以该光路上待测信号频率为中心频率，根据噪声频率确定带宽，从而抑制通带之外的杂散噪声。
进一步的，所述步骤(3)中的周期信号由电机带动斩波器，调制固定光源获得，再由光电探测器转换为电信号。
进一步的，所述锁相放大器的参考通道包括触发器和移相器，输入的周期信号通过触发器整形成标准的方波，继而送入移相器进行相位调节。
进一步的，所述相关器采用相敏检波器，采用乘积检波的方式，实现输入信号和参考信号的混频运算。
进一步的，所述步骤(5)中数据采集和上传通过FPGA编程实现。采用FPGA实现数据信号的采集与传输过程，可保证数据的实时性与并行性。
进一步的，所述步骤(6)中通道的选择采用模拟或数字开关控制实现。
基于光电倍增管和CCD应用在直读光谱信号探测的局限性，本发明提出了一种基于光电探测器与锁相放大器相结合的新型直读光谱仪技术。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于光电探测器相对于光电倍增管体积小，而且灵敏度高，光谱响应宽，量子效率高，配合具备微弱信号探测能力的锁相放大器，能够取得许多有益效果。
如：本发明可缩小光学系统的体积，解决传统PMT直读光谱仪体积庞大笨重，操作复杂，成本高，不便于推广的问题；本发明采用锁相放大器检测微弱电信号，探测灵敏度高，噪声低，可提高直读光谱仪的分辨率；本发明可实现同时多道采样，并行采集各段光谱，应用范围可拓展到其他光谱仪。
附图说明
图1是此发明的信号采集与处理系统示意图；
图2是基于光伏探测器的光检测模块电路；
图3是锁相放大器原理框图；
图4是一种锁相放大器的信号通道电路图；
图5是一种锁相放大器的参考通道电路图；
图6是一种锁相放大器的相关器电路图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中R表示电阻，C表示电容，D表示二极管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本实施例采用光伏探测器及其偏置电路组建光探测模块。光伏探测器是基于光生伏特效应的半导体光电器件，包括光电池、光电二极管、光电二极管阵列，可根据探测波段选择合适的种类并确定型号，之后对具体的器件设计偏置电路，完成光信号向电信号的转换。
调节光学分光系统结构参数，可以得到近红外至近紫外波段的大范围光谱，以近红外波段的光谱为例，假设需要探测光谱为800nm。比如：可选用峰值波长为880nm的2CU2Si型光电二极管，该探测器具有较高的灵敏度和信噪比，抗干扰能力强，利用该探测器设计的光电转换模块电路如图2所示，光照射到D1，产生光电流，光电流经过I-V转换成光电压，其比例可通过改变R2的阻值来调节。输出的电压信号通过后面的电路进一步放大，输入到锁相放大器。
锁相放大器，一种基于互相关接收理论的微弱信号检测电路。其核心在于利用相敏检波器大大压缩等效噪声带宽，从而有效抑制噪声，并检测出周期信号的幅值和相位。锁相放大器相当于具有窄带滤波功能的放大电路，可以滤除掉比信号大数百至数千倍的噪声，输出待测信号。锁相放大器的结构原理如图3所示，由信号通道、参考通道和相敏检波电路三个主要部分组成，信号通道对光电转换模块输出的混有噪声的信号进行放大、对噪声进行初步的窄带滤波后输出信号Us，在本发明中，信号通道的输入信号为光探测模块转换的电信号，其频率等于火花光源的频率；参考通道通过触发电路、移相电路和方波驱动电路提供一个与被测信号同频且相位可调的方波信号Ur，参考通道的输入信号从点火电路中引入，可以保证其频率与待测信号的频率完全一致，便于检测；相敏检波电路由乘法器、积分器和DC放大电路组成，输入信号与参考信号在相敏检波电路中混频，经过低通滤波器后得到一个与输入信号幅度成正比的直流输出分量。
信号通道电路如图4所示，包含前置放大电路、带通滤波电路和后置放大电路,对于前置放大器，由于输入待测信号是经过光电转换的微弱信号，带有很大的噪声电压，因此前置放大器要求运放的噪声特性要好，共模输入阻抗要高，可选用噪声电压较小的精密运放；带通滤波器是对信号作初步的窄带滤波，将不相关的信号抑制过滤掉，带通滤波器的中心频率与光信号的频率相同，采用Q值高、频率精准的滤波器芯片。后置运放的选择，要满足增益带宽，可选用适合信号频率的精密运放。设信号通道的输出电压为：
Us＝Essin(ω0t+φ1) (1)
式中Us锁相放大器信号通道输出模拟电压信号，ω0为信号频率，与光信号频率相同，φ1为信号的相位。
参考通道如图5所示，输入信号通过振荡器电路产生，由触发芯片配合与门，完成对参考信号的移相功能。通过调节滑动变阻器R18,可以实现对方波信号起始相位0到360度的调节；通过调节滑动变阻器R19，可以调节方波信号的占空比，使其与待测信号占空比相同。其输出信号Ur为与待测信号同频的方波，该方波经傅里叶级数分解后，表达式如下所示：
式中，参考信号的幅值为ER，角频率ω0与输入信号相等。
经过乘法器后，输出如下公式(3)所示：
其中，
f1经过积化和差后可分解为一个直流信号与一个角频率为2ω0的余弦信号的和，积化和差实质上是将对两原信号角频率的和差分解，因此,f2展开后的所有的余弦信号中最小角频率为当n＝1时的2ω0。基于此，只要设计好低通滤波器的相关参数，将角频率为2ω0或之上的余弦信号滤除，即可使得相关器最后的信号输出为直流信号，其大小为：
由于参考信号初始相位设定为0，所以输入信号的初始相位φ1实际上也是参考信号与被测信号的相位差，通过调节参考信号的相位使其与被测信号同频同相位时，φ1＝0，cos(φ1)＝1，此时，输出直流信号为最大值2ERES/π。
图6所示为相敏检波电路的例子。其中，乘法电路采用乘法器芯片平衡调制解调实现，低通滤波器采用两个放大器构成四阶切比雪夫低通滤波器，设定截止频率为1-5Hz左右，可滤除直流信号外的其他频率分量(因为很难做到纯粹的整流滤波，直接电容隔值很容易引入衰减，将截止频率设置小一些，效果更好)。
最后得到的直流分量通过FPGA来并行采集，上传至上位机进行光谱分析。
通过多路开关，可控制通道的选择与转换，依次采集各个波段的光谱信号，并上传上位机，进行全谱分析。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种直读光谱仪的信号采集与处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据直读光谱仪的分光光路结构，确定待测光各波段对应的分光光路所处的空间位置，布放与各光路波段相对应的光探测模块，一个分光光路和相应的光探测模块为一个测试通道；
(2)选择一个测试通道，对光探测模块输出的各路电信号进行倒相，然后送入锁相放大器的信号通道进行放大，然后对噪声作窄带滤波处理，接着对信号进一步放大，作为该光路的待测信号送入相关器输入端；
(3)产生一个与待测信号相同频率的周期信号，调节其相位与所述待测信号相同，送入相关器的参考端，使其与待测信号进行互相关运算，从而抑制待测信号中与参考信号不相关的噪声信号，输出与参考信号相关的信号；
(4)从相关器的输出端提取低频成分，检测出待测信号的幅值和相位信号，采集该信号将其上传到上位机进行光谱分析；
(5)选择下一个测试通道，重复步骤(2)至(4)，直到完成所有测试通道的信号采集和处理。
2.如权利要求1所述的采集与处理方法，进一步的，所述步骤(3)中周期信号是从点火控制电路引入的。
3.如权利要求1或2所述的采集与处理方法，其特征在于，所述光探测模块用于完成光信号向电信号的转换，其中光电探测器的型号根据具体探测波段选择。
4.如权利要求1或2所述的采集与处理方法，其特征在于，所述锁相放大器的信号通道用于对输入信号依次作放大、滤波、再放大的处理，调整信号幅值达到相敏检波器可处理的数量级。
5.如权利要求1或2所述的采集与处理方法，其特征在于，所述锁相放大器信号通道中的带通滤波器，其通频带以该光路上待测信号频率为中心频率，根据噪声频率确定带宽，从而抑制通带之外的杂散噪声。
6.如权利要求1或2所述的采集与处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中的周期信号是通过振荡电路输出的方波。
7.如权利要求1或2所述的采集与处理方法，其特征在于，所述锁相放大器的参考通道用于将输入的周期信号整形成标准的方波，继而送入移相器进行相位调节。
8.如权利要求1或2所述的采集与处理方法，其特征在于，所述相关器采用相敏检波器，采用乘积检波的方式，实现输入信号和参考信号的混频运算。
9.如权利要求1或2所述的采集与处理方法，其特征在于，所述步骤(5)中数据采集和上传通过FPGA编程实现。
10.如权利要求1或2所述的采集与处理方法，其特征在于，所述步骤(6)中通道采用多路开关来实现。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20191112 |