CN2927011Y - 基于氮化镓铝的多波段紫外辐照度测量装置 - Google Patents

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瑚琦
顾铃娟
苏锦文
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Abstract

本实用新型公开一种基于氮化镓铝的多波段紫外辐照度测量装置，涉及测量技术领域；该紫外辐照计包括紫外探测器，前置放大电路，可编程波段选择运算电路，A/D转换模块和MCU微处理器，探测器内封装了三个不同紫外波段响应的氮化镓铝(AlGaN)灵敏元A、B和C，分别用于三个不同紫外波段紫外线辐照强度的测量；MCU微处理器的信号输入端连接A/D转换模块，其控制输入端连接键盘，其控制输出端连接可编程波段选择运算电路的控制输入端，其显示输出端连接LCD显示器；用于根据键盘的指令对可编程波段选择运算电路进行波段选择的控制和将A/D转换模块输出的数字信号进行计算、修正、标定，得到辐照度数据并将其送LCD显示器显示。

Description

基于氮化镓铝的多波段紫外辐照度测量装置
技术领域
本实用新型涉及测量技术，特别是涉及一种能够对UVA波段、UVB波段和UVC波段以及整个UV波段的紫外辐射进行测量的辐照计的测量技术。
背景技术
传统的紫外辐照计大多采用紫外增强型硅光二极管作为探测器，接受紫外辐射，进行测量；或者是在普通硅光二极管前面加一层荧光材料，由紫外线激发荧光材料发出可见光，再通过硅光二极管接受光信号，进行紫外辐射的测量。第一种方案，硅光二极管的光谱响应峰值在可见光区，在探测器前须加上多层的滤光片以减小(或者说是消除)可见光及红外光对测量结果的影响，如果要对测量的UV波段进行选择的话，则需要加带宽不同的滤光片(UVA、UVB或UVC波段)，这不但增加了成本，而且探测器头部体积较笨重，并且由于滤波片的误差积累，测量的精度较差。第二种方案，由于荧光材料稳定性较差，且仅有某一波长范围的紫外光照射才发光，精度更是难以保证。
实用新型内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种操作方便，多波段，高精度，低成本，探测器头部体积小、结构简单的基于氮化镓铝的多波段紫外辐照度测量装置。
为了解决上述技术问题，本实用新型所提供的一种基于氮化镓铝的多波段紫外辐照度测量装置，包括：
一紫外探测器，探测器内封装了三个不同紫外波段响应的氮化镓铝(AlGaN)基灵敏元A、B和C，分别用于三个不同紫外波段紫外线辐照强度的测量；
三前置放大电路，分别连接三个不同紫外波段响应的灵敏元的输出端，用于灵敏元测量信号的前置放大；
一可编程波段选择运算电路，其输入端分别连接三灵敏元的前置放大电路的输出端，用于选择不同紫外波段的测量信号；
一A/D转换模块，其输入端连接可编程波段选择运算电路的输出端，用于测量信号的A/D转换；
一MCU微处理器，其信号输入端连接A/D转换模块，其控制输入端连接键盘，其控制输出端连接可编程波段选择运算电路的控制输入端，其显示输出端连接LCD显示器；用于根据键盘的指令对可编程波段选择运算电路进行波段选择的控制和将A/D转换模块输出的数字信号进行计算、修正、标定，得到辐照度数据并将其送LCD显示器显示。
进一步地，所述灵敏元A只对UVA波段(340nm-365nm)的紫外辐射响应。
进一步地，所述灵敏元B只对UVB波段(280nm-320nm)的紫外辐射响应。
进一步地，所述灵敏元C只对UVC波段(250nm-290nm)的紫外辐射响应。
进一步地，在所述可编程波段选择运算电路中测量UVB信号采用UVB与UVC相减的减法电路得到，从而提高UVB波段的测量精度。
利用本实用新型提供的基于氮化镓铝的多波段紫外辐照度测量装置，由于采用氮化镓铝(AlGaN)基紫外探测器，通过对探测器输出信号的调理，就能够实现UVA、UVB和UVC波段以及整个UV波段的紫外辐射测量，不像传统的探测器需要匹配滤光片来实现波段的选择，所以克服了一般传统的紫外照度计的一系列问题，如匹配准确性难以控制，使用多种滤光片使体积增大，某些光谱难以滤掉等等问题，因此其体积小、操作简单、精度高。
本实用新型的有益效果：
1)氮化镓铝(AlGaN)基紫外探测器量子效率高、噪声低、响应速度快、光谱响应峰值在紫外波段，具有较高的灵敏度。此外，由于它对波长大于365nm的可见光和红外光不响应，不需另加滤光片就能直接用来测量紫外线辐照强度，因此可以得到较高的测量精度。
2)传统的紫外辐照计只能测量一个波段(例如UVA波段)的紫外辐射，其测量范围具有单一性。而本紫外辐照计采用了一个具有三光敏元的探测器，该探测器内封装了三个不同紫外波段响应的灵敏元，三个灵敏元分别只对UVA、UVB和UVC波段的紫外辐射响应，对三个灵敏元分别输出的信号进行运算调理，可以得到比较精确的UVA、UVB和UVC波段以及整个UV波段的紫外辐射。
3)传统的紫外辐照计是通过在探测器前面加滤光片来减小或消除可见光及红外光对测量结果的影响，也是通过匹配探测器前面的滤光片来实现测量波段范围的选择。而本基于氮化镓铝的多波段紫外辐照度测量装置不需要加滤光片就能消除可见光及红外光对测量结果的影响，就能选择测量的波段范围。
使用氮化镓铝(AlGaN)基紫外探测器，省去了滤光片，减小了紫外辐照计的体积，使之便于携带，增加了仪器的可靠性，提高了测量的精度，同时，能够实现多个波段的紫外辐射的测量。该辐射照度装置可以广泛用于工业、农业、医疗、科研等对紫外辐射测量的领域。
附图说明
图1是本实用新型实施例的基于氮化镓铝的多波段紫外辐照度测量装置原理示意框图；
图2是本实用新型实施例基于氮化镓铝的多波段紫外辐照度测量装置AlGaN探测器内部结构图；
图3是本实用新型实施例探测器内的灵敏元A对UVA的响应曲线图；
图4是本实用新型实施例探测器内的灵敏元B对UVB的响应曲线图；
图5是本实用新型实施例探测器内的灵敏元C对UVC的响应曲线图；
图6是本实用新型实施例基于氮化镓铝的多波段紫外辐照度测量装置的前置放大电路原理图；
图7是本实用新型实施例基于氮化镓铝的多波段紫外辐照度测量装置的可编程波段选择运算电路图；
图8是本实用新型实施例基于氮化镓铝的多波段紫外辐照度测量装置的A/D转换与MCU控制电路原理图；
图9是本实用新型实施例基于氮化镓铝的多波段紫外辐照度测量装置MCU微处理器的程序流程图。
具体实施方式
以下结合附图说明对本实用新型的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本实用新型，凡是采用本实用新型的相似结构及其相似变化，均应列入本实用新型的保护范围。
如图1所示，本实用新型实施例所提供的一种基于氮化镓铝的多波段紫外辐照度测量装置，包括：
一紫外探测器，探测器内封装了三个不同紫外波段响应的灵敏元A、B和C，分别用于三个不同紫外波段紫外线辐照强度的测量；
三前置放大电路，分别连接三个不同紫外波段响应的灵敏元的输出端，用于灵敏元测量信号的前置放大；
一可编程波段选择运算电路，其输入端分别连接三灵敏元的前置放大电路的输出端，用于选择不同紫外波段的测量信号；
一A/D转换模块，其输入端连接可编程波段选择运算电路的输出端，用于测量信号的A/D转换；
一MCU微处理器，其信号输入端连接A/D转换模块，其控制输入端连接键盘，其控制输出端连接可编程波段选择运算电路的控制输入端，其显示输出端连接LCD显示器；用于根据键盘的指令对可编程波段选择运算电路进行波段选择的控制和将A/D转换模块输出的数字信号进行计算、修正、标定，得到辐照度数据并将其送LCD显示器显示。
当太阳光照射时，基于氮化镓铝的多波段紫外辐照度测量装置按照用户选择的所需测量的紫外波段开始工作，太阳光照射到三灵敏元紫外探测器上，紫外探测器由于其可见光和红外光抑制比很高，所以仅接收太阳的紫外辐射，产生微小的光电流，由于探测器有三个光敏元，所以会产生三路输出信号(也即三路微小的光电流输出)。微小的光电流分别经过三路前置放大电路的放大，转化为电压信号，电压信号输入到可编程波段选择运算电路中。可编程波段选择运算电路由MCU控制，MCU根据键盘的指令要求发送控制命令给可编程波段选择运算电路，以确定辐照计的工作波段。按键提供了四个可选波段：UVA、UVB和UVC波段以及整个UV波段。工作波段确定后，可编程波段选择运算电路输出的模拟信号经过A/D转换模块转化为数字信号，数字信号输入到MCU，经过计算，修正和标定后，MCU再将最后的辐照度数据送LCD显示。
AlGaN探测器结构如图2所示：探测器内封装了三个不同紫外波段响应的灵敏元A、B和C。
其中，灵敏元A只对UVA波段(340nm-365nm)的紫外辐射响应，其响应曲线如图3所示：当波长小于340nm时，灵敏元A的响应很小；当波长位于340nm-365nm的范围内时，灵敏元A的响应比较平坦，且最大响应率大约0.21A/W；当波长大于365nm时，灵敏元的响应为零。所以，灵敏元A对UVA的响应基本是一个矩形。
灵敏元B只对UVB波段(280nm-320nm)的紫外辐射响应，其响应曲线如图4所示：当波长位于280nm-320nm的范围内时，灵敏元B的响应比较平坦，而且响应也最大约为0.14A/W；在波长大于320nm时，灵敏元B的响应约为最大响应的10-3倍，可以认为没有响应。
灵敏元C只对UVC波段(250nm-290nm)的紫外辐射响应，其响应曲线如图5所示：当波长位于250nm-290nm的范围内时，灵敏元C的响应比较平坦，且响应最大约为0.08A/W；在波长大于290nm时，灵敏元C的响应约为最大响应的10-3倍，近似认为没有响应。灵敏元C对UVC的响应近似为一个矩形。
探测器的三个灵敏元在接收紫外照射后分别产生三路微弱电流，由于探测器三个灵敏元性质相近，所以对三路输出电流采用同样的三路前置放大器，三路放大的电路原理图见图6所示：
在电路中，电阻R2、R3、电容C2和电位器RV1构成调零电路，通过调节RV1可将运放失调调零。R1和C1用来补偿集成运放的偏置电流。RV2用来调节放大电路的增益，此电路将电流信号转化为电压信号并将信号放大。当探测器接受紫外辐射后产生微电流信号，微电流经过电流-电压转化放大电路之后输出电压信号。在图6中可以看到UVA产生微电流，微电流流经反馈电阻R5和RV2之后产生压差输出电压信号，通过调节RV2的阻值可以调节输出电压的大小。
探测器内部的灵敏元A、B、C分别对UVA、UVB和UVC响应的大小不同，所以采用通过调节其各自信号放大电路增益的办法，使UVA、UVB和UVC输出的信号都在同一个数量级，使之具有可比性。具体设计时按照探测器响应率的大小，选择不同增益值，使用时事先调节好各部分的反馈电阻值，使其输出信号相匹配。
前置放大电路的三路电压输出信号，分别对应UVA、UVB和UVC。
可编程波段选择运算电路的原理图如图7所示：
波段选择电路由单片机控制模拟开关ADG412实现，ADG412导通时电阻很小，夹断时漏电流很小，从而保证了测量的精度。
当选择UVA波段测量时，ADG412的S1断开S2、S3闭合，UA输入到信号放大电路，经过LF353放大，此时电路输出的Uo即为UVA的信号；
当选择UVB波段测量时，UVB和UVC输入到U1A上，R1、R2、R3、R4和U1A构成减法电路，减法电路的输出为UB1，ADG412的S2断开S1、S3闭合，UB1输入到信号放大电路，经过LF353放大，此时电路输出的Uo即为UVB的信号(因为灵敏元B除了对UVB波段有响应之外对UVC波段也有部分响应，所以测量UVB信号采用UVB与UVC相减得到，这样可以很好的提高UVB波段的测量精度)；
当选择UVC波段测量时，ADG412的S3断开S1、S2闭合，UC输入到信号放大电路，经过LF353放大，此时电路输出的Uo即为UVC的信号；
当选择UV波段测量时，ADG412的S1、S2、S3断开，UA、UB1和UC输入到加法电路，经过LF353放大，此时电路输出的Uo即为UV的信号。
A/D转换与MCU控制
A/D转换与MCU控制电路原理图如图8所示：
测量信号经过可编程波段选择运算电路后输入到8位高速模数转换芯片MAX154的模拟输入通道AIN1，为避免干扰，将通道AIN2接地。模拟通道地址选择输入引脚A1接地，A0接单片机的P1.6口，通过单片机的P1.6口选择模拟通道AIN1的UV信号进行模数转换。MAX154的数据输出总线接AT89C52的P0口，转换完毕后的数据可由P0口读入，MAX154的转换结束信号输出INT引脚接单片机的P1.7脚，通过查询P1.7脚的电平状态即可判断转换是否结束。
经过模数转换后的数据输入到单片机AT89C52处理，单片机根据当前读入的值计算、修正和标定后，再通过P2口送128*64LCD显示。LCD的8位数据线接P2口，LCD的E(使能)引脚接单片机的P3.1口，通过P3.1口控制LCD的是否工作；LCD的R/W(读/写)引脚接单片机的P3.4口，通过P3.4口控制LCD的读写；LCD的RS(寄存器)脚接单片机的P3.5口，通过P3.5口来选择使用的寄存器。
软件设计
根据硬件连线，以及基于氮化镓铝的多波段紫外辐照度测量装置所要实现的功能。
软件的程序流程图如图9所示：
1)初始化；
2)根据按键选择工作波段；
3)进行A/D转换；
4)计算、修正、标定紫外线辐照度；
5)显示紫外线辐照度，转向3)。

Claims (1)

1、一种基于氮化镓铝的多波段紫外辐照度测量装置，其特征在于，包括：
一紫外探测器，探测器内封装了用于340nm-365nm紫外波段响应的氮化镓铝基灵敏元A、用于280nm-320nm紫外波段响应的氮化镓铝基灵敏元B和用于250nm-290nm紫外波段响应的氮化镓铝基灵敏元C；
三前置放大电路，分别连接三个不同紫外波段响应的灵敏元的输出端，用于灵敏元测量信号的前置放大；
一可编程波段选择运算电路，其输入端分别连接三灵敏元的前置放大电路的输出端，用于选择不同紫外波段的测量信号；
一A/D转换模块，其输入端连接可编程波段选择运算电路的输出端，用于对测量信号的A/D转换；
一MCU微处理器，其信号输入端连接A/D转换模块，其控制输入端连接键盘，其控制输出端连接可编程波段选择运算电路的控制输入端，其显示输出端连接LCD显示器；用于根据键盘的指令对可编程波段选择运算电路进行波段选择的控制和将A/D转换模块输出的数字信号进行计算、修正、标定，得到辐照度数据并将其送LCD显示器显示。
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