CN201281630Y

CN201281630Y - 太阳光紫外线强度检测装置

Info

Publication number: CN201281630Y
Application number: CNU2008202021680U
Authority: CN
Inventors: 陈宏林; 邓晓敏; 许曼宜; 李灶华; 黄佐华; 郑永驹
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2018-10-17

Abstract

本实用新型公开了一种太阳光紫外线强度检测装置，本实用新型采用两个可见光探测器，其中第一可见光探测器的受光表面涂有一层透明均匀的紫外荧光材料薄层，所述紫外荧光材料在紫外线的照射下发射出可见光波段的荧光，第一可见光探测器产生的电信号反映紫外线产生的荧光与可见光的强度之和，第二可见光探测器产生的电信号反映可见光强度，两路电信号经差分放大后得到反映紫外线强度的电信号，该电信号经AD转换后由单片机换算成紫外线强度。本实用新型利用紫外荧光和差分原理，能自动消除本底光的影响，测量紫外线强度的精确度高。

Description

太阳光紫外线强度检测装置

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，具体是一种太阳光紫外线强度检测装置。

背景技术

随着科学技术的发展，人们对光谱的研究与利用已经深入了紫外波段。无论是日常紫外强度的监测，还是实验、医学或军事目的上紫外强度的检测，都突出了紫外线强度计的重要性。

普通的光电池和光电二极管等光电器件的光谱响应在可见光范围，不适合于直接对紫外线进行检测；光电倍增管虽可以用于紫外线的检测，但其体积较大，并采用高稳定度的高压电源供电，耗电量大，使用不方便；光热探测器对紫外线的响应度较低，难以检测弱的紫外线，且不易实用化。

近十几年发展起来的以GaP、GaAsP、SiC和TiO₂等为材料的紫外光探测器在可见光仍有一定的响应。如G12119、G1126型紫外光电二极管，其光谱响应范围在190～680nm，峰值在610nm处。因此，常常在其前面加上滤光玻璃，这会引起紫外线探测灵敏度的降低。在进行太阳光紫外线测量时，往往存在较强的可见光(或称本底光)，这会影响测量的准确度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有紫外线强度检测技术的不足，提供一种简单、实用且廉价的太阳光紫外线强度检测装置。

本发明的主要工作原理是：

采用两只外形、大小及性能参数完全一致的普通可见光探测器，如光电二极管或光电池。在其中一只的受光表面涂上一层透明均匀的紫外荧光材料薄层，使其在紫外光的照射下发射出可见光波段的荧光，从而引起该光电探测器产生正比于紫外光及可见光的电信号输出；另外，紧密并排的另一只可见光探测器的受光表面不做任何处理，且其光谱响应范围在可见光区，对紫外光反应极小，仅产生正比于可见光强度的电信号，作为本底或参考信号。两路输出电信号经差分放大电路处理后，便可得到正比于紫外光的电信号。再经AD转换及单片机处理，得到被测紫外线的强度。

一种太阳光紫外线强度检测装置，其特征在于包括两个可见光探测器、平衡电位器、差分放大电路、AD转换电路、微处理器以及显示屏，其中第一可见光探测器的受光表面涂有一层透明均匀的紫外荧光材料薄层，所述紫外荧光材料在紫外线的照射下发射出可见光波段的荧光，第一可见光探测器的负极、第二可见光探测器的负极与平衡电位器的调节端相连，平衡电位器的另外两端分别与第一可见光探测器的正极、第二可见光探测器的正极相连，第一可见光探测器的正极和第二可见光探测器的正极与差分放大电路相连，差分放大电路与AD转换电路相连，AD转换电路、显示屏均与单片机相连。

进一步地，为了消除可见荧光对第二可见光探测器的干扰，第一可见光探测器的受光表面周围的环形区域涂有黑色油墨，其厚度比紫外荧光材料薄层的厚度大。

进一步地，为使整个紫外光探测装置有较高的灵敏度和准确性，第一可见光探测器和第二可见光探测器是同种材料的光电探测器。

进一步地，第一可见光探测器和第二可见光探测器是砷化镓光电探测器或硅光电探测器。

进一步地，所述第一可见光探测器和第二可见光探测器集成在双元探测器上。

下面从紫外荧光及差分测量原理简要说明本发明的原理及实现。

1、紫外荧光

目前大部分的紫外探测器光谱响应范围主要在紫外波段，是对紫外线的直接探测。本发明则采用间接的方法，用紫外荧光材料将紫外线转化成可见光，再基于可见光进行测量。

a)紫外荧光材料的选择

紫外荧光材料要具备两个特点：可见光透明度好和紫外荧光效率高。

能使紫外线产生可见光荧光的材料都可以作为本发明的紫外荧光材料。

b)荧光材料的涂抹

由于涂在光电探测器上的紫外荧光材料的涂层对可见光及荧光的透入有一定的衰减，所以在涂抹的时候要考虑其厚度和均匀度的问题。涂层的厚度会影响涂有荧光材料的光电探测器的光谱响应特性，决定探测器的性能。具体的厚度要依据具体选用的光电探测器的外形和性能参数，以及具体的实验数据曲线决定。厚度参考值一般在10μm至50μm之间。

由于紫外荧光油墨物理特性接近油漆类，故可以采用适合大部分材质的表面刷涂、喷涂、滚涂、刮涂及淋幕喷涂等工艺。当然，为了较精确地控制厚度可以采用更精密的涂抹工艺，如静电喷涂、电镀等。

考虑到涂有荧光材料的光电探测器表面发射荧光的散射作用，会对旁边未涂荧光材料的的光电探测器造成影响。所以荧光油墨涂抹只在光电器件表面的中心区域，周围的环形区域涂黑色油墨，其厚度比荧光油墨厚度大，可有效消除可见荧光的干扰。

2、选择匹配的光电探测器

为保证整个紫外光探测装置有较高的灵敏度和准确性，需要选择合适的光电探测器。可见光探测器的光谱响应曲线应与紫外荧光材料的荧光光谱曲线重叠，即两者要匹配，才能得到较大的输出信号。

3、紫外光强度检测

不采用滤去可见光的方法，本发明采用差分检测原理。由于一般被探测的太阳光面积较大，且光谱及强度分布均匀，利用二个外形完全相同的但光谱响应有差异的光电探测器，对混合的紫外线和可见光进行直接接收，通过差分的方式提取出紫外线的强度信号。由于没有做过滤处理，得到的紫外线的信号真实性较高，测量的准确性也较高。

a)差分原理

检测对象一般不是纯粹的紫外线，经常还包含了可见光，而光电池或光电二极管是可以响应可见光的，这必然造成紫外强度检测较大误差。如附图5、6所示，涂有荧光材料和末涂的光电探测器的光谱响应曲线中在可见光区基本一致，而在紫外区出现了较高的响应峰。如果将涂有荧光材料和末涂荧光材料的两个光电探测器对称地接入差分电路做成探头，便能在输出端得到紫外光强度电信号：

I＝∫[t·i₁(λ)-i₂(λ)]dλ＝t·I₁-I₂ (1)

其中，i₁(λ)为涂有荧光材料光电池或光电二极管的光电流(按波长分布)；i₂(λ)为末涂有荧光材料光电池或二极管的光电流；t是对涂有荧光材料光电池或二极管信号的修正，因为荧光涂层会对输入信号有一定影响。I₁、I₂则是光电池或光电二极管接收到的总的电流信号。经过差动放大和单片机的运算处理后，便可提取出紫外线的强度值。

b)探头的结构

探头的差分结构对对称性要求较高。所以，如果选用分立元件的话，两个光电探测器除了结构参数一致外，最好是并行密接在一起，受光面在同一平面内，以保证本底或参考光一致。另外，在电路中设置调零装置，以补偿由于电路不完全对称、电性能不一致及荧光材料涂层引起的本底变化等差异。

为了保证受光元件的一致性及对称性，探头器件也可以采用多元的光电器件，如双元探测器、四元探测器或象限探测器等。以双元探测器为例，可以在其中一元上涂荧光材料薄层，一个不涂，再分别接入差分电路作输入信号，如图8所示。

c)探头受光区面积

为了使差分结构中的两个光电探测器受光一致，不但受光面积要相同、有一定的大小且受光面积内要照度均匀。若应用于检测太阳光的紫外强度，应采用受光面积较小的光电器件有利于减弱方向性方面的要求，达到受光一致的效果。

本发明是基于目前紫外线探测器的不足提出的，突出了以下几个方面的特点：

首先是本发明能自动消除本底光的影响，测量紫外光精确度高。利用紫外荧光和差分原理，有效地扣除太阳光中可见光或环境中的杂散光的干扰，在变化的环境光中的紫外线强度检测中具有单元探测器不可比拟的优点；

其次本发明的性价比优势。本装置采用了普通光电探测器和荧光材料实现紫外线测量，价格便宜、易于推广。在太阳紫外日盲区不断缩小、人们日益关注生活环境的今天，这是有积极作用的。

还有是本发明及装置的简易性。通过选用合适的小型或微型器件，本装置可以做成便携式结构，如同一个小型的计算器或一只手表。这也为推广带来方便。

附图说明

图1是本发明的检测装置的框图；

图2是实施例1探测器及差分电路的电路原理示意图；

图3是实施例1AD转换电路和单片机电路原理示意图；

图4是实施例1紫外荧光油墨激发谱；

图5是实施例1紫外荧光油墨荧光发射谱；

图6是实施例1未涂紫外荧光油墨的硅光电二极管的光谱响应；

图7是实施例1涂有紫外荧光油墨硅材料光电二极管的光谱响应；

图8是二元探测器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

图1是本发明的检测装置的框图，如图1所示，第一可见光探测器和第二可见光探测器的信号经差分放大电路、AD转换电路后输入到单片机，由单片机换算成紫外线强度值，由显示屏显示。

图2是本实施例探测器及差分电路的电路原理示意图；图中，1为探测器部分，包括两个可见光探测器，其负极接在一起，并与平衡电位器的调整端相连，平衡电位器的另外两端分别与两个可见光探测器的正极相连，两个可见光探测器的正极连接至差分电路2。

图3是本实施例AD转换电路和单片机电路原理示意图；AD转换电路3采用TLC2543芯片，单片机电路4由89C51芯片及其外围电路构成。差分电路2的输出信号经AD转换芯片TLC2543转换成数字信号传送给单片机89C51，由单片机89C51换算成紫外线强度。

本实施例中，第一可见光探测器上的紫外荧光材料使用一类紫外荧光油墨。它主要由稀土紫外荧光化合物及溶剂组成。紫外荧光化合物是一种吸收了紫外光能发射出可见荧光的物质。如稀土元素(Sm、Eu、Tb)有机配合物，在紫外光照明下发射出可见光荧光。该类紫外荧光材料本身无色或略显浅黄色，具有在紫外光下发光亮度高，荧光稳定性好，不易老化，易于分散到各种有机溶剂中等优点。

稀土配合物邻菲啰啉三氟乙酰丙酮合铕Eu(TTA)₃phen及邻菲啰啉三氟乙酰丙酮合钇铕Eu(Y)(TTA)₃phen(有机紫外荧光颜料)，可制成相应的紫外荧光油墨，在紫外光照射下可发出光亮红色。本实施例的紫外荧光油墨的配方如表1所示：

表1 紫外荧光油墨的制备配方

油墨品种	亮光PVC油墨/g	CS1000#719快干水/g	有机紫外荧光颜料/g
油墨品种	亮光PVC油墨/g	CS1000#719快干水/g	有机紫外荧光颜料/g	紫外线下红色	84.0	4.0	2.0

本实施例紫外荧光油墨中，有机紫外荧光颜料选用稀土配合物邻菲啰啉三氟乙酰丙酮合铕Eu(TTA)₃phen。

图4和图5中分别是实测得到的上述紫外荧光油墨激发谱和荧光发射谱。可见其激发区在紫外区，荧光在可见光红光波段，荧光发射峰值在615nm。

由于实验中测出上述紫外荧光油墨的发射峰在615nm左右，而光电探测器的响应峰也大致应该在这个范围，这样才能很好地匹配。普通的硅光电探测器的光谱响应范围一般在400nm~1100nm，其响应峰在800nm~900nm左右。砷化镓光电池的响应峰则更接近荧光材料的发射峰，在650nm左右。可见，砷化镓和硅光电探测器都是首选。

本实施例采用硅光电二极管作为可见光探测器。图6是未涂紫外荧光油墨的硅光电二极管的光谱响应；图7是涂有紫外荧光油墨硅材料光电二极管的光谱响应。图6、图7中两条曲线代表两个硅光电二极管的光谱响应，两条曲线基本重合，意味着器件的一致性较好。从图6、图7的对比可知，未涂紫外荧光油墨的硅光电二极管对紫外线基本不响应，而涂有紫外荧光油墨硅材料光电二极管对紫外线有较强的响应。

Claims

1、一种太阳光紫外线强度检测装置，其特征在于包括两个可见光探测器、平衡电位器、差分放大电路、AD转换电路、微处理器以及显示屏，其中第一可见光探测器的受光表面涂有一层透明均匀的紫外荧光材料薄层，所述紫外荧光材料在紫外线的照射下发射出可见光波段的荧光，第一可见光探测器的负极、第二可见光探测器的负极与平衡电位器的调节端相连，平衡电位器的另外两端分别与第一可见光探测器的正极、第二可见光探测器的正极相连，第一可见光探测器的正极和第二可见光探测器的正极与差分放大电路相连，差分放大电路与AD转换电路相连，AD转换电路、显示屏均与单片机相连。

2、根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：第一可见光探测器的受光表面周围的环形区域涂有黑色油墨，其厚度比紫外荧光材料薄层的厚度大。

3、根据权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于：第一可见光探测器和第二可见光探测器是同种材料的光电探测器。

4、根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于：所述第一可见光探测器和第二可见光探测器是砷化镓光电探测器或硅光电探测器。

5、根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于：所述第一可见光探测器和第二可见光探测器集成在双元探测器上。