一种直读光谱仪的信号采集与处理方法技术

本发明专利技术公开了一种新型直读光谱仪的信号采集与处理方法，适用于直读光谱仪周期火花光源特点。首先根据直读光谱仪的分光光路结构，确定待测光各波段对应的分光光路所处的空间位置，放置与各光路波段相对应的光探测模块；对光探测模块输出的电信号进行倒相处理后送入锁相放大器的信号通道进行带通滤波和放大，减少杂散噪声；将与待测信号频率相同的周期信号送入参考通道，调节其相位与待测信号相同；对信号通道与参考信道的输出信号进行互相关运算，抑制与参考信号不相关的噪声；提取相关器输出的低频成分，得到待测信号的幅值和相位信息。本发明专利技术可缩小光学系统的体积，减少探测器投入，探测灵敏度高，噪声低，可提高直读光谱仪的分辨率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光谱检测领域，更具体地，涉及一种基于光电探测器与锁相放大器结合的新型直读光谱仪的光信号采集与处理方法。
技术介绍
近年来，随着钢铁行业的蓬勃发展，高精度的分析检测系统在钢铁生产及加工过程中质量控制的主要手段，而精密的分析检测必须借助精密的测试方法。其中直读光谱仪是钢铁行业主要分析检测校准仪器。现代直读光谱仪的光源采用火花激发光源，即处理器控制回路进行周期性充放电操作，从而在样品与电极间产生周期性的火花，且火花的光谱与样品中的元素含量具有密切的关系。因此，可通过探测火花光源的光谱信息来分析样品特征与元素含量。对于实际的火花光源，包含各个波段的信息，包括可见光，紫外、以及红外波段，不同波段的光谱强度差别很大。其中，人眼可见的最亮的黄色波段的光，是金属元素受激发发射出来的，并不是直读光谱仪的探测重点，而光强十分微弱，人眼无法识别的不可见光波段，与样品中的恒量非金属元素(C、P、S等)密切相关，是直读光谱仪检测的重点。传统的直读光谱仪一般采用步进电机驱动光栅转动对波长进行扫描，并采用倍增管接收不同波长的光信号获得光谱分布，这种光谱仪精度高、光谱范围宽，但体积大、功耗高、工作环境苛刻，越来越不符合现代测试仪器小型化、高效性、低功耗的要求。近年来，随着半导体光电器件的发展，直读光谱仪有了新的发展方向。特别是基于CCD的直读光谱仪是近年来研究的热点，CCD具有体积小、重量轻、寿命长、自扫描的优点，所以CCD直读光谱仪通常经过光学结构分光后，直接通过多路CCD进行信号采集获得光谱信号，大大缩小光谱仪结构，并可通过辅助措施获得较宽的光谱范围，但是此类光谱仪的探测精度与灵敏度仍需要进一步改进。
技术实现思路
针对目前现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于光电探测器与锁相放大器电路相结合的直读光谱仪信号采集与处理方法，其目的在于：一、缩小直读光谱仪体积，使得传统直读光谱仪的巨大尺寸可以被缩减，从而便于以后应用到便携领域；二、提升探测精度与检测灵敏度，相对于CCD直读光谱仪来说，本专利技术可以达到远高于CCD分辨率的检测精度。由此解决直读光谱仪检测系统整体集成化程度低的问题。为实现上述目的，针对钢铁行业固定周期火花光源特点，按照本专利技术的一个方面，提供了一种光信号转换为电信号的检测方法。技术方案如下：一种直读光谱仪的信号采集与处理方法，包括如下步骤：(1)根据直读光谱仪的分光光路结构，确定待测光各波段对应的分光光路所处的空间位置，布放与各光路波段相对应的光探测模块；(2)选择一个测试通道，对光探测模块输出的各路电信号进行倒相，送入锁相放大器的信号通道进行放大，然后对噪声作窄带滤波处理，接着对信号进一步放大，作为该光路的待测信号送入相关器输入端；(3)引入一个与待测信号相同频率的周期信号作为参考信号，调节其相位与所述待测信号相同，送入相关器的参考端，使其与待测信号进行互相关运算，从而抑制待测信号中与参考信号不相关的噪声信号，输出与参考信号相关的信号；(4)从相关器的输出提取低频成分(该成份中包含待测微弱信号的幅值和相位信息)，检测出待测信号的幅值和相位信号；(5)采集各光路上的低频输出信号，并将其上传到上位机进行光谱分析。(6)选择下一个通道，对待测信号进行锁相放大检测，并采集上传到上位机。进一步的，所述步骤(3)中周期信号是从点火控制电路引入的，有利于提升参考信号与待测信号频率和相位的一致性。进一步的，所述光探测模块由光伏探测器及其偏置电路构成，完成光信号向电信号的转换，其中光伏探测器的型号根据具体探测波段选择。进一步的，所述锁相放大器的信号通道包含依序相连的前置放大器、带通滤波器和后置放大器，用于对输入信号依次作放大、滤波、再放大的处理，调整信号幅值达到相敏检波器可处理的数量级。进一步的，所述锁相放大器信号通道中的带通滤波器，其通频带以该光路上待测信号频率为中心频率，根据噪声频率确定带宽，从而抑制通带之外的杂散噪声。进一步的，所述步骤(3)中的周期信号由电机带动斩波器，调制固定光源获得，再由光电探测器转换为电信号。进一步的，所述锁相放大器的参考通道包括触发器和移相器，输入的周期信号通过触发器整形成标准的方波，继而送入移相器进行相位调节。进一步的，所述相关器采用相敏检波器，采用乘积检波的方式，实现输入信号和参考信号的混频运算。进一步的，所述步骤(5)中数据采集和上传通过FPGA编程实现。采用FPGA实现数据信号的采集与传输过程，可保证数据的实时性与并行性。进一步的，所述步骤(6)中通道的选择采用模拟或数字开关控制实现。基于光电倍增管和CCD应用在直读光谱信号探测的局限性，本专利技术提出了一种基于光电探测器与锁相放大器相结合的新型直读光谱仪技术。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于光电探测器相对于光电倍增管体积小，而且灵敏度高，光谱响应宽，量子效率高，配合具备微弱信号探测能力的锁相放大器，能够取得许多有益效果。如：本专利技术可缩小光学系统的体积，解决传统PMT直读光谱仪体积庞大笨重，操作复杂，成本高，不便于推广的问题；本专利技术采用锁相放大器检测微弱电信号，探测灵敏度高，噪声低，可提高直读光谱仪的分辨率；本专利技术可实现同时多道采样，并行采集各段光谱，应用范围可拓展到其他光谱仪。附图说明图1是此专利技术的信号采集与处理系统示意图；图2是基于光伏探测器的光检测模块电路；图3是锁相放大器原理框图；图4是一种锁相放大器的信号通道电路图；图5是一种锁相放大器的参考通道电路图；图6是一种锁相放大器的相关器电路图；在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中R表示电阻，C表示电容，D表示二极管。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本实施例采用光伏探测器及其偏置电路组建光探测模块。光伏探测器是基于光生伏特效应的半导体光电器件，包括光电池、光电二极管、光电二极管阵列，可根据探测波段选择合适的种类并确定型号，之后对具体的器件设计偏置电路，完成光信号向电信号的转换。调节光学分光系统结构参数，可以得到近红外至近紫外波段的大范围光谱，以近红外波段的光谱为例，假设需要探测光谱为800nm。比如：可选用峰值波长为880nm的2CU2Si型光电二极管，该探测器具有较高的灵敏度和信噪比，抗干扰能力强，利用该探测器设计的光电转换模块电路如图2所示，光照射到D1，产生光电流，光电流经过I-V转换成光电压，其比例可通过改变R2的阻值来调节。输出的电压信号通过后面的电路进一步放大，输入到锁相放大器。锁相放大器，一种基于互相关接收理论的微弱信号检测电路。其核心在于利用相敏检波器大大压缩等效噪声带宽，从而有效抑制噪声，并检测出周期信号的幅值和相位。锁相放大器相当于具有窄带滤波功能的放大电路，可以滤除掉比信号大数百至数千倍的噪声，输出待测信号。锁相放大器的结构原理如图3所示，由信号通道、参考通道和相敏检波电路三个主要部分组成，信号通道对光电转换模块输出的混有噪声的信号进行放大、对噪声进行初步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直读光谱仪的信号采集与处理方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据直读光谱仪的分光光路结构，确定待测光各波段对应的分光光路所处的空间位置，布放与各光路波段相对应的光探测模块，一个分光光路和相应的光探测模块为一个测试通道；(2)选择一个测试通道，对光探测模块输出的各路电信号进行倒相，然后送入锁相放大器的信号通道进行放大，然后对噪声作窄带滤波处理，接着对信号进一步放大，作为该光路的待测信号送入相关器输入端；(3)产生一个与待测信号相同频率的周期信号，调节其相位与所述待测信号相同，送入相关器的参考端，使其与待测信号进行互相关运算，从而抑制待测信号中与参考信号不相关的噪声信号，输出与参考信号相关的信号；(4)从相关器的输出端提取低频成分，检测出待测信号的幅值和相位信号，采集该信号将其上传到上位机进行光谱分析；(5)选择下一个测试通道，重复步骤(2)至(4)，直到完成所有测试通道的信号采集和处理。

【技术特征摘要】
1.一种直读光谱仪的信号采集与处理方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据直读光谱仪的分光光路结构，确定待测光各波段对应的分光光路所处的空间位置，布放与各光路波段相对应的光探测模块，一个分光光路和相应的光探测模块为一个测试通道；(2)选择一个测试通道，对光探测模块输出的各路电信号进行倒相，然后送入锁相放大器的信号通道进行放大，然后对噪声作窄带滤波处理，接着对信号进一步放大，作为该光路的待测信号送入相关器输入端；(3)产生一个与待测信号相同频率的周期信号，调节其相位与所述待测信号相同，送入相关器的参考端，使其与待测信号进行互相关运算，从而抑制待测信号中与参考信号不相关的噪声信号，输出与参考信号相关的信号；(4)从相关器的输出端提取低频成分，检测出待测信号的幅值和相位信号，采集该信号将其上传到上位机进行光谱分析；(5)选择下一个测试通道，重复步骤(2)至(4)，直到完成所有测试通道的信号采集和处理。2.如权利要求1所述的采集与处理方法，进一步的，所述步骤(3)中周期信号是从点火控制电路引入的。3.如权利要求1或2所述的采集与处理方法，其特征在于，所述光探测模块用于完成光信号向电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王林月，王双保，李学青，邓赛夫，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42