CN110260905A - 一种阵列检测光寻址电位传感器的恒相位差闭环测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阵列检测光寻址电位传感器（LAPS）的恒相位差闭环测量方法。通过跨阻放大器将LAPS的微弱光电流信号转换、放大为电压信号；采用同步检波方法取得LAPS信号与光源调制信号之间的相位差，并将相位差转换为成比例的电压信号；然后通过反馈控制电路将该电压叠加在LAPS的直流偏置电压上，使LAPS信号与光源调制信号之间保持固定的相位差；最后将总偏置电压作为LAPS的测量输出值；采用温度补偿方法，根据温度补偿数学模型对测量值进行修正，减少温度因素对测量结果的干扰。本发明所涉及的闭环测量方法能够有效提高阵列检测LAPS的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器测量技术领域，特别是涉及光寻址电位传感器（LAPS）的测量方法。
背景技术
LAPS的常用测量方法主要有两种：固定电流式测量法和固定电压式测量法。它们是利用LAPS的光电流幅值与偏置电压关系曲线（又称I-V特性曲线）在拐点处沿电压轴的位移量（固定电流式）或沿电流轴的位移量（固定电压式）来确定被测量的大小。固定电流式测量法比固定电压式测量法线性度更好，测量范围更宽。但是溶液电阻率、光照强度、衬底材料缺陷、温度变化等不稳定因素会影响LAPS输出的光电流，因而通常需要对I-V特性曲线进行归一化处理，但这会大大降低测量速度。
阵列检测LAPS的检测点数量较多，为提高测量工作效率，一般采用固定电压式测量法，直接测量某一固定偏置电压下的光电流。但固定电压式测量法的有效测量范围很窄，而且LAPS输出光电流的幅值易受各种不稳定因素的影响，测量误差大。
发明内容
为了克服上述现有LAPS测量技术的不足，本发明提供了一种快速、精确的闭环测量方法，用于阵列检测LAPS的信号测量。
本发明所采用的技术方案是：
本发明采用同步检波的方法计算LAPS信号和光源调制信号之间的相位差，由于LAPS信号的相位受溶液电阻率、光照强度、衬底材料缺陷等不稳定因素影响较小，因而LAPS信号相位较幅值更加稳定；然后将相位差信息通过反馈回路转变为电压信号，叠加在LAPS的偏置电压上，调节LAPS信号的相位，使其和光源调制信号之间的相位差锁定在固定值；最后将总偏置电压作为LAPS测量值输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明采用的基于相位检测的方法能够减少LAPS信号受溶液电阻率、光照强度、衬底材料缺陷等不稳定因素影响，测量结果更加稳定；
（2）本发明采用恒相位差闭环测量方法替代现有电压或电流的开环测量方法，能够提高阵列检测的工作效率，提高测量精度，同时还能兼顾较宽的测量范围；
（3）本发明在LAPS的光源控制电路中采用自动功率控制电路，利用电流负反馈稳定光源的发光功率；
（4）本发明采用的温度补偿方法，根据温度补偿数学模型对测量值进行修正，能够减少温度因素对测量结果的干扰。
附图说明：
图1为光寻址电位传感器结构示意图；
图2为恒功率控制电路原理图；
图3为恒相位差闭环测量方法的示意图。
下面结合附图对本发明进一步说明：
参照附图（1），本实施例中的光寻址电位传感器包含三层结构。其中，SiO2/Si3N4薄膜作为传感器的绝缘层以及氢离子（被测对象）的敏感层；硅作为产生光电效应的基底材料；金属电极作为测量系统中的辅助电极和工作电极。
参照附图（2），本实施例中的恒功率控制电路利用电流负反馈保证光源功率的稳定输出。激光二极管由PD和LD两部分组成，其中LD为发光单元，PD为光敏单元。R4、R5、Q1、Q2组成自动功率控制电路。在一定输入功率条件下，当激光二极管LP的发光功率发生波动时，PD能够探测到这种波动，Q2通过电流负反馈调节Q1基极电流输入，改变LD的电流供给，使LD的发光功率维持恒定。恒功率控制电路通过这种反馈控制机制保障光源发光功率的持续稳定输出。
参照附图（3），本实施例中的测量系统包含10个组成部分，分别是：参比电极、偏置电压、激光二极管、交流信号源、恒功率控制单元、跨阻放大器、鉴相单元、反馈控制单元、相加单元、温度补偿单元。“参比电极”的固液界面电势恒定，可保障施加的偏置电压不随溶液氢离子浓度变化而改变；“直流电压源”为LAPS提供正常工作所需的偏置电压；激光二极管作为光源为LAPS提供光激励信号；“交流信号源”为光源提供交流调制信号；“恒功率控制单元”采用自动功率控制（APC）电路，利用电流负反馈保证光源发光功率的稳定输出；“跨阻放大器”将LAPS输出的微弱光电流信号转换、放大为电压信号；“鉴相单元”采用同步检波方法取得LAPS信号和光源调制信号之间的相位差，同步检波的基本原理如式(1)所示，输出信号中的直流成分ABcos(φ)/2包含两路输入信号相位差φ的信息。
(1)
“反馈控制单元”采用比例-积分控制方式，把相位差转换为成比例的电压信号；“相加单元”将反馈的电压信号叠加到LAPS的偏置电压上，使LAPS信号与光源调制信号的相位差始终保持为一个固定值；“温度补偿单元”根据实验建立的温度补偿数学模型，补偿温度变化引起的测量偏差。
Claims (5)
1.一种阵列检测光寻址电位传感器的恒相位差闭环测量方法。
2.其特征在于将LAPS信号与光源调制信号之间的相位差转换为成比例的电压信号，通过反馈控制电路调节LAPS的直流偏置电压，使LAPS信号与光源调制信号之间保持固定的相位差；将温度补偿后的总偏置电压作为LAPS的测量值输出。
3.如权利要求1所述LAPS的恒相位差闭环测量方法,其特征是，采用同步检波的方法获得LAPS信号与光源调制信号之间的相位差信息。
4.如权利要求1、2所述LAPS的恒相位差闭环测量方法，其特征是，采用比例-积分电路将将相位差转换为成比例的电压信号，通过反馈回路调节直流偏置电压改变LAPS信号的相位，使其与光源调制信号之间保持恒定相位差，以总偏置电压作为LAPS的测量输出值。
5.如权利要求1所述LAPS的恒相位差闭环测量方法,其特征是，采用温度补偿方法，根据温度补偿数学模型对LAPS的测量值进行修正，减少温度因素对测量结果的影响。
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