CN110095190A - 脉冲光信号采样方法以及脉冲光源光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉冲光信号采样方法以及脉冲光源光谱仪。该脉冲光信号采样方法包括：光电转换步骤，利用光电转换元件将脉冲光的信号转换成电流信号；积分步骤，利用所述电流信号对电容器进行充电从而获得电容器两端的电压信号；以及采样保持步骤，对所述电压信号一边进行保持一边进行采样。

Description

脉冲光信号采样方法以及脉冲光源光谱仪

技术领域

本发明涉及一种脉冲光信号采样方法以及使用该脉冲光信号采样方法的脉冲光源光谱仪。

背景技术

脉冲光源光谱仪例如采用闪烁氙灯作为光源，通常具有如图1所示的结构，其包括：闪烁氙灯光源模块、光电转换模块、采样模块、控制模块、存储计算模块、马达驱动模块以及显示模块。

控制模块对闪烁氙灯光源模块输出点灯脉冲信号，控制闪烁氙灯的点灯时机。点灯后，闪烁氙灯光源模块发射出190nm～1100nm的宽谱的脉冲光，该脉冲光被分光元件分光。马达驱动模块驱动马达，该马达与上述分光元件连接，利用控制模块的控制，调整分光元件，从而对该190nm～1100nm范围内的光进行分光扫描。

经扫描的脉冲光透过待测样品后，被光电转换模块转换成电压信号并放大，由采样模块进行数据采集，存储计算模块对由采样模块采集到的数据进行存储并计算。由此，根据存储计算模块的计算结果，比较脉冲光透过样品后转换得到的电压信号与没有放置样品的情况下转换得到的电压信号，从而可以得到样品在该扫描波长下的吸收率，最终通过分光扫描得到该样品的光谱，通过显示模块对该光谱进行显示。

图2是现有技术中光电转换模块的电路示意图，功率放大器21的同相输入端接地，电阻22和作为光电转换元件的光电二极管23并联在反相输入端，电阻22的另一端连接到功率放大器21的输出端。

闪烁氙灯光源模块发出的脉冲光经分光后照射到光电二极管23上产生光电流I，由此，脉冲光信号就转换成电流信号。从功率放大器21的输出端取出电压信号U以表征入射光强的大小，根据功率放大器的特性可以容易地知道，电压信号U的大小取决于电流I与电阻22的乘积。

图3例示了点灯脉冲信号的频率为50Hz、电阻22的阻值为20MΩ的情况下的点灯脉冲信号与所获得的电压信号U。其中，电压信号U呈现出在每次点灯后缓慢下降的波形，这是因为光电流I会缓慢下降。于是，在输入光强一定的情况下，电压信号U取决于电阻22的大小，即便采用阻值为20MΩ的电阻，电压信号U也仅为200mV，且根据该图可以看出信噪比较低。

对于这样的电压信号，在样品不吸收该频率的光的情况下，电压信号U为图4的(a)所示，在样品有吸收的情况下，电压信号U等比例下降为图4的(b)所示。为了测量吸光度，在每个脉冲周期内，令脉冲起始时刻为t0，例如采集图4的(a)和(b)中相同时刻t1下的电压信号值进行对比，从而获得光强下降的比例。

发明内容

要解决的技术问题

然而，由于是对缓慢下降的信号进行采样，因此在这样的数据中，不同的点灯周期内的相同时刻下的电压数据偏差往往很大。为了提高数据可靠性，需要在多个点灯周期内的相同时刻下进行采样并使用平均值，进一步地，最好针对每个周期内的多个不同时刻均进行采样。

例如，对图3的电压信号的波形采集10组数据(也就是说，取10个点灯周期，每个点灯周期内采集一组数据)，每组采集16个数据(即在每个周期内取横坐标各不相同的t1、t2……t16处的数据)并列于表1。可见，对于不同数据组内的同一采样时刻下的数据(表1中的同一行的数据)，变异系数(标准差与平均值的比值)都较大，这表示不同点灯周期内采集的数据波动较大，数据可靠性低，造成吸光度测量不准。

表1

用于解决技术问题的技术方法

本发明是为了解决上述问题而做出的，其目的在于，提供一种能够确保采集的数据的可靠性的脉冲光信号采样方法，并提供使用这种采样方法的脉冲光源光谱仪。

本发明的脉冲光信号采样方法包括：光电转换步骤，利用光电转换元件将脉冲光的信号转换成电流信号；积分步骤，利用所述电流信号对电容器进行充电从而获得电容器两端的电压信号；以及采样保持步骤，对所述电压信号一边进行保持一边进行采样。

在上述脉冲光信号采样方法中，优选为，还包括在所述采样保持步骤之后的放电步骤，在所述放电步骤中，对所述电容器进行放电。

在上述脉冲光信号采样方法中，优选为，执行所述积分步骤的积分时间是预先设定的。

本发明的脉冲光源光谱仪包括：光源模块，其用于发射脉冲光；光电转换模块，其包括光电转换元件和电容器，所述光电转换元件用于将所述脉冲光的光信号转换为电流信号，所述电容器被所述电流信号充电从而在两端产生电压信号，所述光电转换模块在所述充电结束后对所述电压信号进行保持；采样模块，其在所述电压信号被保持的期间对该电压信号进行采样；以及控制模块，其控制所述光源模块、所述光电转换模块以及所述采样模块的动作。

在上述脉冲光源光谱仪中，优选为，所述光电转换模块包括开关元件，所述控制模块通过控制开关元件来进行所述电容器的充电和所述电压信号的保持。

在上述脉冲光源光谱仪中，优选为，所述开关元件包括第一开关和第二开关，所述第一开关连接在所述光电转换元件与所述电容器之间，所述第二开关连接在所述电容器的两端，所述控制模块通过使所述第一开关闭合、所述第二开关断开，来进行所述电容器的充电，并通过使所述第一开关断开、所述第二开关断开，来进行所述电压信号的保持。

在上述脉冲光源光谱仪中，优选为，在所述采样结束后，所述控制模块通过使所述第一开关断开、所述第二开关闭合，来对所述电容器进行放电。

在上述脉冲光源光谱仪中，优选为，还包括：马达驱动模块，其驱动与分光元件连接的马达，所述分光元件用于对进入所述光电转换模块之前的所述脉冲光进行分光；存储计算模块，其对所述采样模块采样得到的数据进行存储并计算；以及显示模块，所述控制模块控制所述马达驱动模块以调整所述分光元件，由此对所述脉冲光进行分光扫描，所述显示模块根据所述存储计算模块的计算结果，对分光扫描得到的光谱进行显示。

在上述脉冲光源光谱仪中，优选为，所述光源模块是闪烁氙灯光源模块。

在上述脉冲光源光谱仪中，优选为，在所述脉冲光的多个脉冲周期内进行采样并使用数据的平均值。

发明效果

根据上述脉冲光信号采样方法和脉冲光源光谱仪，能够提高数据的可靠性，因而能够更准确地测量吸光度。

附图说明

图1是脉冲光源光谱仪的功能模块的示意图。

图2是现有技术中光电转换模块的电路示意图。

图3是示出现有技术中点灯脉冲信号的频率为50Hz、电阻22的阻值为20MΩ的情况下的点灯脉冲信号与所获得的电压信号U的图。

图4的(a)是现有技术中样品不吸收光的情况下电压信号U的波形，(b)是样品吸收光的情况下电压信号U等比例下降后的波形。

图5是本发明的实施方式的光电转换模块的电路示意图。

图6是本实施方式的脉冲光源光谱仪在点灯脉冲信号的频率为50Hz的情况下的点灯脉冲信号与所获得的电压信号U的图。

图7是用于说明本发明的脉冲光信号采样方法的流程图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施方式涉及的脉冲光源光谱仪进行说明。

本实施方式的脉冲光源光谱仪例如为闪烁氙灯光谱仪，与现有技术一样，具有图1所示的功能模块。其中，各个模块的动作由控制模块进行控制。光电转换模块的电路示意图示出于图5。功率放大器51的同相输入端接地，作为光电转换元件的光电二极管52一端接地，另一端通过开关S1连接在功率放大器51的反相输入端。电容器C与开关S2并联在功率放大器51的反相输入端与输出端之间，从功率放大器51的输出端取出电压信号U以表征入射光强的大小。其中，用于控制开关S1和S2的信号Sig1、Sig2由控制模块进行控制。

闪烁氙灯光源模块发出的脉冲光经分光后照射到光电二极管52上产生光电流I，由此，脉冲光信号就转换成电流信号。利用控制模块进行控制，首先闭合S1，断开S2，利用电流I对电容器C进行充电以获得电容器C两端的电压。根据功率放大器“虚短”、“虚断”的特性，结合电容器的充电原理，从数值上来看，电容器C两端的电压值与电流I积分后得到的数值成正比。

在充电结束后，通过断开S1和S2，对得到的电压信号U进行保持，在保持的期间对电压信号U进行采样，用采样得到的数据表征光强。

最后，当采样结束后，断开S1，闭合S2，从而对电容器C进行放电。

图6是本实施方式的脉冲光源光谱仪在点灯脉冲信号的频率为50Hz的情况下的点灯脉冲信号与所获得的电压信号U的图。其中，在每个点灯周期内，T1～T2为积分时间，即进行充电的时间，在此期间，S1闭合，S2断开；T2时刻充电结束，T2～T3为保持时间，在此期间，S1和S2均断开，进行电压信号U的采样。采样结束后，断开S1，闭合S2，对电容器C进行放电，直到下一个点灯周期。

上述的积分时间只要供电容器C完成充电即可，可以由使用者根据具体波形预先设定。保持时间只要使得在该期间内足够完成采样即可，当然也可以由使用者根据具体波形和采样频率预先设定。根据图6示出的电压信号可知，在不同周期的保持时间内，电压信号波动不大，基本保持在一个固定值U0。

在样品对光有吸收的情况下，电压信号U0的值会相应地降低，为了计算吸光度，只需比较有样品和无样品时的两个U0的大小即可。关于U0的具体数值，与现有技术的分析方法一样，对图6的电压信号U0采集10组数据(也就是说，取10个点灯周期，每个点灯周期内采集一组数据)，每组采集16个数据(即在每个周期内取横坐标各不相同的t1、t2……t16处的数据)并列于表2。可见，与表1相比，对于不同数据组内的同一采样时刻下的数据(表2中的同一行的数据)，本实施方式的变异系数得到了很大改善，这表示不同点灯周期内采集的数据波动较小，数据可靠性高，因此能够较准确地测量吸光度。

表2

下面，以图7的流程图为例，对上述实施方式使用的脉冲光信号采样方法进行说明。

首先，在步骤S701中，进行闪烁氙灯光源模块的点灯。

在步骤S702中，执行光电转换步骤，将脉冲光照射到光电二极管52上，转换为电流信号I。

在步骤S703中，执行积分步骤，闭合S1，断开S2，从而利用电流信号I对电容器C进行充电。

在步骤S704中，判断积分步骤的执行时间(即充电时间)是否已达到预先设定的积分时间，如果没有达到，则返回步骤S703继续充电；如果已经达到，则进入步骤S705，此时获得的电压信号U0在数值上与电流信号I的积分值成正比。

在步骤S705中，执行采样保持步骤，断开S1和S2，从而对获得的电压信号U0一边进行保持一边进行采样。

在步骤S706中，判断采样是否结束，如果没有结束，则返回步骤S705继续执行采样保持步骤；如果采样已经结束，则进入步骤S707。

在步骤S707中，将所采集到的数据输出到存储计算模块，同时执行放电步骤，断开S1，闭合S2，对电容器C进行放电，之后进入步骤S708。

在步骤S708中，判断是否已完成预先设定的点灯周期数，在“否”的情况下，返回S701开始下一个点灯周期的采样，在“是”的情况下，结束整个流程。

在上述实施方式中，为了进一步增加数据的可靠性，预先设定了一个点灯周期数，从而重复在多个点灯周期内采集数据取平均值，但不限于此，也可以仅在单个点灯周期内采集一个数据或采集多个数据取平均值。

在上述实施方式中，作为光电转换元件，使用了光电二极管，但不限于此，也可以是其他光电转换元件。

此外，与马达连接的分光元件可以是光栅，也可以是棱镜，还可以是现有的任何能够实现分光的器件。

并且，在本实施方式中，作为脉冲光源光谱仪，以闪烁氙灯光谱仪为例进行了说明，但本发明并不限定于闪烁氙灯光谱仪，只要是能够适用该采样方法的脉冲光源光谱仪(例如氘灯光谱仪)，则都包含在本发明的权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种脉冲光信号采样方法，其特征在于，包括：

光电转换步骤，利用光电转换元件将脉冲光的信号转换成电流信号；

积分步骤，利用所述电流信号对电容器进行充电从而获得电容器两端的电压信号；以及

采样保持步骤，对所述电压信号一边进行保持一边进行采样。

2.根据权利要求1所述的脉冲光信号采样方法，其特征在于，

还包括在所述采样保持步骤之后的放电步骤，在所述放电步骤中，对所述电容器进行放电。

3.根据权利要求1或2所述的脉冲光信号采样方法，其特征在于，

执行所述积分步骤的积分时间是预先设定的。

4.一种脉冲光源光谱仪，其特征在于，包括：

光源模块，其用于发射脉冲光；

光电转换模块，其包括光电转换元件和电容器，所述光电转换元件用于将所述脉冲光的光信号转换为电流信号，所述电容器被所述电流信号充电从而在两端产生电压信号，所述光电转换模块在所述充电结束后对所述电压信号进行保持；

采样模块，其在所述电压信号被保持的期间对该电压信号进行采样；以及

控制模块，其控制所述光源模块、所述光电转换模块以及所述采样模块的动作。

5.根据权利要求4所述的脉冲光源光谱仪，其特征在于，

所述光电转换模块包括开关元件，

所述控制模块通过控制开关元件来进行所述电容器的充电和所述电压信号的保持。

6.根据权利要求5所述的脉冲光源光谱仪，其特征在于，

所述开关元件包括第一开关和第二开关，所述第一开关连接在所述光电转换元件与所述电容器之间，所述第二开关连接在所述电容器的两端，

所述控制模块通过使所述第一开关闭合、所述第二开关断开，来进行所述电容器的充电，并通过使所述第一开关断开、所述第二开关断开，来进行所述电压信号的保持。

7.根据权利要求6所述的脉冲光源光谱仪，其特征在于，

在所述采样结束后，所述控制模块通过使所述第一开关断开、所述第二开关闭合，来对所述电容器进行放电。

8.根据权利要求4所述的脉冲光源光谱仪，其特征在于，还包括：

马达驱动模块，其驱动与分光元件连接的马达，所述分光元件用于对进入所述光电转换模块之前的所述脉冲光进行分光；

存储计算模块，其对所述采样模块采样得到的数据进行存储并计算；以及

显示模块，

所述控制模块控制所述马达驱动模块以调整所述分光元件，由此对所述脉冲光进行分光扫描，

所述显示模块根据所述存储计算模块的计算结果，对分光扫描得到的光谱进行显示。

9.根据权利要求4所述的脉冲光源光谱仪，其特征在于，

所述光源模块是闪烁氙灯光源模块。

10.根据权利要求4至9中的任一项所述的脉冲光源光谱仪，其特征在于，

在所述脉冲光的多个脉冲周期内进行采样并使用数据的平均值。