DE60002588T2

DE60002588T2 - Photometer

Info

Publication number: DE60002588T2
Application number: DE60002588T
Authority: DE
Inventors: Nicolas Martin
Original assignee: Universite de Liege
Current assignee: UNIVERSITE DE LIEGE LIEGE BE
Priority date: 1999-09-06
Filing date: 2000-08-09
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2020-08-10
Also published as: WO2001018511A1; US6404488B1; EP1214569B1; AU7275200A; ATE239901T1; KR20020030806A; DE60002588D1; EP1214569A1; JP2003508778A; CN1372634A

Description

Die Erfindung betrifft ein Photometer, umfassend eine Photodiode, die so angeordnet ist, daß sie einen elektrischen Strom erzeugt, der proportional zur Intensität des aufgenommenen Lichts ist, wobei die Photodiode über einen dazwischenliegenden Widerstand an einen mit Bandpaßfilter ausgestatteten Operationsverstärker angeschlossen ist.
Ein solches Photometer ist aus US-PS 3 790 288 bekannt. Das Photometer wird zur Bestimmung der Intensität einfallenden Lichts verwendet, das von einer Lichtquelle abgestrahlt wird. Zu diesem Zweck enthält es eine Photodiode, normalerweise aus Silicium, die das einfallende Licht in elektrischen Strom umwandelt. Ein Operationsverstärker ermöglicht das Anlegen einer Spannung an dessen Ausgang, die die Intensität des aufgenommenen Lichts angibt. Bei der bekannten Vorrichtung bestimmen der zwischen Photodiode und einem Eingang des Operationsverstärkers angeschlossene Widerstand und ein weiterer Widerstand, die beide in der Regelspannungsschleife des Verstärkers vorhanden sind, zusammen den Verstärkungsfaktor der Schleife.
Ein Nachteil des bekannten Photometers ist, daß die Meßgenauigkeit für bestimmte Anwendungen, die eine Genauigkeit von 0,01% in der Intensitätsschwankung des Lichts erfordern, sehr begrenzt ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Photometers, mit dem eine Genauigkeit von 0,01% oder darunter erzielt werden kann.
Zu diesem Zweck ist ein erfindungsgemäßes Photometer dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Widerstands so bemessen ist, daß die Resonanzspitze im Durchgangsbereich des Filters ausgeglichen wird. Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß die Resonanzspitze, die im Durchgangsbereich des Filters vorhanden ist, der die Regelspannungsschleife des Verstärkers bildet, die Genauigkeit des Photometers merklich einschränkt, da sie alle Messungen im Frequenzband um diese Resonanzspitze verhindert. Die Bemessung des Widerstands zwischen Photodiode und Verstärker in einer Weise, daß die Spitze ausgeglichen wird, öffnet dieses Frequenzband für eine genaue Messung der Intensität des Lichts, da nunmehr die Verstärkung des Verstärkers im gesamten Durchgangsbereich praktisch konstant ist.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Verwendung eines Widerstands am Eingang eines Operationsverstärkers als Komponente, die die Bestimmung des Verstärkungsfaktors der Schleife ermöglicht, an sich und insbesondere im offenbarten Stand der Technik zwar bekannt ist, aber nichts im Stande der Technik die Verwendung dieses Widerstands als elektronische Komponente ermöglicht, mit der die Energie der Resonanzspitze im Durchgangsbereich absorbiert werden kann.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Photometers ist dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Resonanzspitze von etwa 2,5 kHz der Wert des Widerstands zwischen 1 MΩ und 1,6 MΩ liegt. Dadurch wird es möglich, daß die Verstärkung des Verstärkers im gebräuchlichsten Durchgangsbereich für ein Photometer praktisch konstant bleibt.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Photometers ist dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker einen Ausgang umfaßt, der angeordnet ist, um ein zum elektrischen Strom proportionales elektrisches Spannungssignal dort bereitzustellen, wobei der Ausgang an einen Analog/Digital-Wandler angeschlossen ist und letzterer an eine Abtasteinheit angeschlossen ist, die angeordnet ist, um das Spannungssignal abzutasten und einen Satz von Abtastwerten zu ergeben. Dies ermöglicht eine digitale Computer-Aufbereitung des Signals.
Vorzugsweise ist die Abtasteinheit an einen Akkumulator angeschlossen, der angeordnet ist, um eine vorbestimmte Anzahl von Abtastwerten anzusammeln und deren Mittelwert zu bestimmen. Damit kann das elektrische Rauschen verringert werden.
Die Erfindung soll nun mit Hilfe der Zeichnungen ausführlicher beschrieben werden, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigen.
1 zeigt schematisch den elektronischen Schaltkreis eines erfindungsgemäßen Photometers.
Die 2 bis 6 zeigen graphische Darstellungen, die die Spannung am Ausgang des Verstärkers gemäß den Frequenzen für die Widerstände mit 10 kΩ, 1 MΩ, 1,2 MΩ, 1,55 MΩ bzw. 3,3 MΩ zeigen.
7 zeigt den Signalunterschied zwischen einem herkömmlichen Photometer und einem erfindungsgemäßen Photometer.
In den Zeichnungen stehen gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente.
Das erfindungsgemäße Photometer 1, dessen bevorzugte Ausführungsform in 1 gezeigt ist, umfaßt einen ersten Eingang, zum Beispiel den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 3 vom Elektrometer-Typ, der an eine Photodiode 5 angeschlossen ist, dargestellt durch ein entsprechendes Schema, bestehend aus einer Parallelschaltung, umfassend einen Kondensator, einen Widerstand und eine Stromquelle, die den aktiven Teil der Photodiode symbolisieren. Die Photodiode ist mit einem Widerstand 6 in Reihe geschaltet.
Die Photodiode umfaßt vorzugsweise einen Thermistor, der die Temperatur der Silicium-Schicht mißt, die die empfindliche Schicht der Photodiode bildet. Der Thermistor ist an eine Zelle mit Peltier-Effekt angeschlossen, so daß die thermische Behandlung der Photodiode möglich ist.
Die Regelspannungsschleife des Differenzverstärkers umfaßt einen parallelen Zweig mit einem Kondensator 8 und einem Widerstand 9, der an den Verzweigungspunkt eines Widerstands 10 und eines Kondensators 11 angeschlossen ist. Der Kondensator 8 und der Widerstand bilden ein Tiefpaßfilter des Verstärkers 3, mit dem das Rauschen verringert werden kann. Ein Ausgang des Differenzverstärkers ist an einen Analog/Digital-Wandler 12 angeschlossen, dessen Ausgang an eine Abtasteinheit 13 angeschlossen ist. Diese Abtasteinheit ist zum Abtasten der digitalen Daten des vom Wandler 12 gelieferten digitalen Spannungssignals angeordnet. Ein Ausgang der Abtasteinheit 13 ist an einen Akkumulator 14 angeschlossen, der angeordnet ist, um eine vorbestimmte Anzahl von Abtastwerten anzusammeln und deren Mittelwert zu bestimmen. Der Akkumulator wiederum ist entweder an eine Datenverarbeitungseinheit 15 oder an eine Übertragungseinheit 16 angeschlossen, die die Übertragung von Daten ermöglicht.
Das von der Photodiode 5 aufgenommene Licht wird von dieser in einen elektrischen Strom umgewandelt, der zur Intensität des aufgenommenen Lichts proportional ist. Ohne eine spezielle Messung kann der Verstärker keine konstante Verstärkung über den gesamten Durchgangsbereich aufweisen. Wie 2 zeigt, in der die Spannung V_AUS auf Leitung 16 am Ausgang des Verstärkers 3 in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt ist, wird eine Resonanzspitze bei einer Frequenz von etwa 1,3 kHz im Durchgangsbereich beobachtet. Diese Resonanzspitze wurde mit einem Photometer gemessen, bei dem der Widerstand 6 einen Wert von 10 kΩ aufweist.
Überraschenderweise wurde nun festgestellt, daß es durch Bemessen des Werts des Widerstands 6 auf einen geeigneten Wert möglich ist, die vorhandene Resonanzspitze im Durchgangsbereich auszugleichen. Durch Erhöhen des Werts dieses Widerstands ist es tatsächlich möglich, die von der Photodiode gelieferte Energie zu absorbieren und so die Resonanzspitze auszugleichen. Wie in 3 offenbart, wo der Widerstand 6 einen Wert von 1 MΩ aufweist, hat die Intensität der Resonanzspitze im Durchgangsbereich bereits erheblich abgenommen. Es verbleibt lediglich eine schwache Resonanzspitze um 1,25 kHz. Durch Erhöhen des Werts des Widerstands 6 auf 1,2 MΩ wie in 4 offenbart, wird noch mehr Energie absorbiert, und bei einem Wert von 1,55 MΩ für den Widerstand 6 wird alle Energie absorbiert, und die Verstärkung ist im Durchgangsbereich praktisch konstant, wie in 5 gezeigt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Messungen bei Umgebungstemperatur durchgeführt wurden. Die Verstärkung bei 1 beträgt 10⁹. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß das durch die elektronischen Komponenten des Photometers erzeugte elektrische Rauschen bei höheren Werten nicht mehr zu vernachlässigen ist.
Eine Erhöhung des Werts des Widerstands auf mehr als 1,6 MΩ ist nicht ratsam, da die Verstärkung bei höheren Werten nicht mehr konstant bleibt. So ist, wie in 6 gezeigt, wo ein Wert von 3,3 MΩ angewandt wurde, eine Abnahme der Spannung bereits bei einer Frequenz von 250 Hz festzustellen.
Der Analog/Digital-Wandler 12 arbeitet vorzugsweise mit 20 Bits, da sich die Intensität des aufgenommenen Lichts zeitlich nicht sehr schnell ändert. Diese Folge von 20 Bits an Rechnerwörtern wird dem Abtasten 13 zugeführt, der diese Wörter an den Akkumulator 14 überträgt. Tatsächlich erzeugt das Photometer zwei Rauschquellen, das elektrische Rauschen und das Photonenrauschen. Das elektrische Rauschen ist ein Gaußsches Rauschen und ist im Mittel null. Zur Verringerung der Auswirkung desselben genügt es, den Mittelwert der Spannungen zu bilden, die vom Verstärker geliefert werden. Mit dem Akkumulator 14 ist es nun möglich, eine vorbestimmte Anzahl, zum Beispiel 160 Abtastwerte anzusammeln und den Mittelwert zu bestimmen. Damit ist es möglich, das Signal/Rausch-Verhältnis sowie die Dynamik des Meßbereichs, d. h., der Abstand zwischen dem gesamten Bereich und dem kleinsten zu messenden Wert, zu verbessern. Die Genauigkeit wird somit erhöht, und ein Wert von 5·10^–3% Genauigkeit ist bei einer Abtastfrequenz von 4 kHz erreichbar.
7 zeigt, daß ein erfindungsgemäßes Photometer ein entschieden niedrigeres Rauschen als ein herkömmliches Photometer B aufweist.

Claims

Photometer umfassend eine Photodiode (5), zur Bereitstellung eines elektrischen Stroms, der proportional zur Intensität des aufgenommenen Lichtes ist, wobei die Photodiode durch einen intermediären Widerstand (6) mit dem Operationsverstärker (3) verbunden ist, das mit einem Bandpassfilter ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Widerstandes (6) so bemessen ist, dass die Höhe der Resonanzspitze im Passband des Filters ausgeglichen wird.
Photometer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Resonanzspitze von ungefähr 2,5 kHz der Wert des Widerstandes auf 1 MΩ und 1,6 MΩ gesetzt wird.
Photometer gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker einen Ausgang umfasst, der zur Abgabe eines elektrischen Spannungssignals ausgestattet ist, das proportional zur genannten elektrischen Spannung ist und wobei dieser Ausgang verbunden ist mit einem Analog-Digital-Wandler (12), der mit einer Abtasteinheit (13) verbunden ist, um das Spannungssignal abzutasten und einen Satz von Abtastwerten zu ergeben.
Photometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahleinheit mit einem Akkumulator (14) verbunden ist, der zur Ansammlung einer vorherbestimmten Anzahl von Proben und zur Berechnung eines Mittelwerts angeordnet ist.