（机械电子工程专业论文）基于互相关原理光学系统透过率测试的研究.pdf

摘要 光学系统透过率是指光学仪器的出射光通量与入射光通量之 比，标志着光学仪器传输光辐射能的强弱是光学系统，尤其是 望远光学系统的一个重要性能指标。传统的单通道光学系统透过 率检测法为减少背景光的干扰，测试必须在暗室中进行，且由于 被测信号为直流信号，无法避免l f 噪声和光源波动的干扰，检 测精度较低。本文提出一种基于相关检测原理的双频双光束光学 系统透过率检测方法。该方法由于采用相关检测技术，有效的避 免了背景光、1 f 噪声和光源波动的影响，可实现在亮场条件下 对望远光学系统的光学透过率进行检测，且检测精度优于1 ，能 够取代目前采用的单通道光学系统透过率检测方法。 关键词：透过率检测锁定放大器 a b s t r a c t t h eo p t i c a is y s t e mt r a n s m m a n c ei st h er a t i ou ro p t i c a l i n s t r u r n e n te m e r g e n ti i g h ln u xw i t hi n c j d e n tl i g h tn u x ，a n de m b o d i e s t h ea b i l i t vt h a tt r a n s m i t t i n gl i g h tr a d i a n te n e r g yo fao p t i c a l i n s t n m l e 力t ni sa ni m p o r t a n tp e r f 0 h n a n c ei n d e xi no p t i c a is y s t e m e s p e c i a l l yi nm et e l e s c o p i co p t i c a ls y s t c m i no r d e rt od e c r e a s et h e e f r e c to f 也eb a c k l i 2 h t ，t h et r a d i t i o n a ls j n g l ec h a n n e ld e t e c t i o n m e t h o dm u s tb ea c h i e v e di nt h ed a r k r o o m b u ti tc a nn o ta v o i dt h e i n t e r f b r e n c eo fl f n o i s ea n dt h ei l l u m i n a n tw a v eb e c a u s et h ed e t e c t e d s i g n a li sd i f e c tc u r r e n ts i g n a l ，a n d 也ed e t e c t i n ga c c u r a c yi sl o w t h e p a p e rp r o p o s e sa no p t i c a l t r a n s m i 他m c ed e t e c t i n gm e t h o dw i t hd o u b l e b e a m sa n dd o u b l e 行e a u e n c j e sb a s e d0 nt h ec o r r e l a t i o nd e i e c t i o n t e c h n o l o g y t h em e t h o da v o i d 也ei n n u e n c e so fl f ，b a c k f o u n dl i g h t a n di l l u m i n 锄tw a v ee f r e c t i v e l vb e c a u s eo fa d o p t i n gt h ec o r r e l a t i o n d e t e c t i n gt e c l l i l o l o g y ，a n di tn o to n l yc a l la c h i e v et h ed e t e c t i n gj nt h e b r i g h tf i e l d ，b u ta l s oi m p r o v e st h ed e t e c t i n ga c c u r a c y 行n e rt h a j l1 a n dc o u l dr e p l a c et h es i n g l ec h a 肼e ld e t e c t i o nm e t h o dt h a ta d o p t e da t p r e s e n t k e ) w o r d s ：t r a n s m i t t a i l c e ，d e t e c t i n g ，i o c k - i na m p l i f i e r 第一章绪论 1 1 透过率测试仪的研究目的和意义 光学系统透过率是指光学仪器的出射光通量与入射光通量之比，标 志着光学仪器传输光辐射能的强弱。它是光学系统中除了光学特性扣成 像质量以外的另一个重要性能指标。光学系统透过率又分为光谱透过率 和白光透过率。光谱透过率是指光学系统对某个波长的单色光的透过 率；白光透过率是指用c i e ( 国际照明协会) 规定色温下的白光作为光 源，测量可见光区域内的光谱透过率的总和。 由于望远光学系统的接收体为人眼，其在可见光波段内的透过率的 高低直接影响操作者对目标的观测效果。因此在望远光学系统性能指标 中，尤其重视其在可见光范围内的白光透过率。 目前望远光学系统的白光透过率的检测方法为单通道检测法所 谓单通道检测法，是指将被测品放在测试光路中得到的实测值和移走被 测试品得到的空测值之比作为被测试品的光学透过率。由于被检测信号 为直流信号，无法避免背景光和1 f 噪声的干扰，测试时必须在暗室中 进行，要求测试条件很苛刻。 随着现代化工业的发展，要求能够快速准确的检溺1 出其产品的质 量。我国众多的光学仪器厂都要对其研制生产的大批光学仪器进行透过 率的检测，迫切的需要一种精度高、省时高效和探作简便的检测方法。 显然，传统的单通道检测光学透过率的方法已经不能适应现代化生产的 要求，应立即开展这方面的研究，利用现代光电检测技术实现光学仪器 光学透过率的高精度的快速检测。 本文针对上述情况，利用锁定放大器极高的弱信号检测能力，提出 一种基于相关检测原理的双频双光束光学系统透过率检测方法，以取代 单通道光学系统透过率检测法。 1 2 国内外研究现状 由于透过率在光学系统中的重要性，国内外许多科研单位和研发机 构都开展了对光学系统透过率测试方面的研究。 1 2 1 国外研究现状 目前，国外已研制出多种甩于检测光学器件透过率的测试仪器，如 雅典大学的a g e r a l l j o s 和e f o k i t i s 两位学者采用h i t a c h i 公司的 u 2 0 0 0 型双通道分光光度计测试镀膜透镜的透过率，测试精度可达 0 5 ；日本t 0 p c o n 公司的t m 一2 型光谱透过率测试仪可对眼镜镜片在各 个波段内的光谱透过率进行检测，并可打印出光谱透过率曲线图。 d 7 r e fb e a m nn 。； 0 l e n “s i l f 脚r o 考苓】 勃 0n l s a f n p l e b e m u l c n s u s i j j c o i s a m p l ec o m p a 九m e n i 图1 1 分光度法原理简图 这些仪器多采用分光光度法，即通过分光光度计连续检测被检样品 在莱一波段内波长间隔为几个n m 的单色光的光谱透射比，再利用相应 波段的加权函数，积分后得到被检样品在这一波段的透过率，原理简图 出。 ，、 如图1 1 所示。 1 2 2 国内研究现状 国内在透过率检测方面的研究起步于5 0 年代，但检测方法较落后。 8 0 年代以前，我国对光学系统透过率的测试一般采用单通道检测法“1 ， 研制出的仪器有b j 型透过率测试仪和t y 。2 型透过率测试仪，但需要 手工操作和人工记录数据，测试过程长且烦琐。由于单通道检测法的被 测信号为直流信号，为减少背景噪声的影响，必须在暗室中进行测试， 同时无法避免l f 噪声的干扰，无法保证实测和空测时光源强度的一致 性( 电压变化o 1 ，光源强度变化o 3 6 ) ，测试精度不优于为l 。8 0 年代初期，我国从国外引进了高精度分光光度计，但由于价格昂贵，只 有少数科研单位使用其检测光学系统透过率。1 9 9 7 年，秦皇岛先河科 技发展有限公司研制开发了b t g 3 型可见光透过率测试仪，可检测平 板玻璃、镀膜玻璃、夹层玻璃、钢化玻璃、中空玻璃等透明、半透明平 行平面物体的透过率，测试精度可达l ，但对被检样品的厚度有要求， 不能超过2 0 m m ， 虽然国内外在光学系统透过率检测方面均开发出了成型产品，但由 于望远光学系统物镜和目镜间距较大，一般远大于2 0 m m ，目前研制的 透过率测试仪，除单通道检测法，均不适合对望远光学系统透过率的检 测。 由于以上原因，目前国内在测试望远光学系统透过率方面仍在使用 单通道检测法。 1 3 课题预期目标 本课题要解决的问题是在亮场条件下检测望远光学系统的白光透 过率。 研制的目标：1 测试波段：可见光( 3 8 0 n m 7 8 0 n m ) ； 2 测试精度： 1 ； 4 第二章系统理论分析 2 1 相关检测技术 相关是指客观事物变化量之间的相依关系“。由概率统计学已知， 两个随机变量x ，y 之间的相关性，可由相关系数来描述，即 口：旦：墨坠二丛兰二趔 ( 2 1 ) r 、 o i 仃- e 【( x 一卢，) 2 】e ( y 一) 2 j ) j ( 2 1 ) 式中，c 。，是两个随机变量波动量之积的数学期望，称之为 协方差或相关矩，表征了x ，y 之间的关联程度；d ，、口，分别为随机变 量石，y 的均方差，是随机变量波动量平方的数学期望；p ，。是一个无量 纲的系数，也称之为随机变量x ，y 的归一化协方差。可以证明，一l 户， 1 。当凡= 1 时，表征x ，y 是理想的线形相关；当p ，、2 0 时，表示* ， y 两变量完全无关；当o l 时，可略去( 2 1 6 ) 式分母中含有国。r 。c 。的所有各项， 则有 特一等卜卧去，一 当测试时间f r g 时，e x p ( 一专) 一。得到稳态解： 忙一警c o s 驴? ( 2 1 8 ) 由( 2 1 8 ) 式可知，当被测信号的频率和参考方波信号的基波频率 相等时，相关器的输出为直流电压，其值正比于被测信号的基波幅值 圪：；。和c o s 科。 2 、被测信号频率为参考信号的偶次谐波时，即甜= 2 ( 月+ 1 ) 甜。 且。r c l 时，由( 2 1 3 ) 式可得 磁= o ( 2 1 9 ) 3 、被测信号为参考信号频率的奇次谐波时，即国= ( 2 月+ 1 ) 山。，且 甜。r g 1 时，由( 2 1 3 ) 式可得稳态解 ，一慕c o 嘁。， z 。， 式中吧。，、嘁。及圪。分别表示输入信号频率为参考信号基波频 率奇数倍时的幅值、相位差、输出电压。 4 、如果被测信号频率偏离奇次谐波一个微小量珊，即 珊= ( 2 玎+ 1 ) 峨+ 酬l ，当珊。县， l ，由( 2 1 3 ) 式可得其稳态解 ，一箍 ，l i ，j l 型( 垒丝! 三丝； ：鱼：12 ( 2 2 1 ) 1 + ( 珊r 。c 。) 2 式中。，、以：。，、只。及一h 分别表示输入信号频率在( 2 n + 1 ) 。附 近偏移棚时的信号幅值、相位差、输出相位移和输出电压。 由上式可知，输出电压不再是直流电压，而是以出为角频率的交 流电压，且其输出幅值为国= o 时的l 1 十( 哦c 1 0 ) 2 倍。 l o 2 2 。2 相关器的构成 与匝却乎岖圈拶m li 牛萨m _ 竺兰卜陌磊习 图2 2 相关器实际结构框图 相关器中的乘法器在实际电路。“坤是由相敏检波器( p s d ) 实现 的，而积分器则由低通滤波器实现。如图2 2 所示，双相锁定放大器中 的相关器为双相相关器，即相关器有两个相敏检波器，同相检波器 被测信号经过信号通道后，分别输入到p s d 1 和p s d 2 。参考通道 将参考信号相移后，输出两路参考信号，一路相移为护( o ，。，则上式可简化为 “等= 等n 等 ， q io q jo 由( 2 3 1 ) 式可知，开路电压与光电流的对数成正比。 种情况不适合用作线性测量，只适用于作光电开关用。 2 ) 当晚= o 时，即负载电阻很小，光生电压接近于零 的电流为短路电流，用k 表示，有下式 1 w = lp = se e ( 2 3 2 ) 因此，这 流过器件 此时短路电流，。与光照强度成正比，从而得到最大的线性区，这 种情况适合线性测量。 锁定放大器的前置放大器为电压前置放大器，输入阻抗很高，大于 l m q 。由讨论可知，如果光电池与锁定放大器直接相连，则会出现情 况( 1 ) 的现象，光电流与光照强度成对数关系，不适合用作线性测量。 为了满足情况( 2 ) 的线性测量，光电池的负载电阻必须较小，通 常小于5 k n 。如图所示 如果使用光电池测量弱光信号，由于光生电流很小，则应采用低阻 抗微弱电流放大器将硅光电池输出的微弱电流信号放大并转换为电压 信号后再与锁定放大器相连。 小结 本章介绍了相关检测技术的有关知识，对相关器的数学解进行了必 要的推导，并简要介绍了光电池特性，为透过率测试仪的方案设计进行 必要的理论准备。 第三章透过率测试仪的方案设计 单通道透过率检测法的主要缺点在于被测信号为直流信号，易受背 景光干扰，无法在亮场中进行测试，要求测试条件苛刻，且光源波动也 会影响检测精度。 背景光相对被测光信号而言属于噪声，而且由于包含频谱很广，属 于白噪声。根据相关检测理论，如果将被测光信号调制为交流信号，经 光电池转换为电信号后与同频率的参考信号进行互相关运算，可以很好 的抑制各种噪声的干扰，包括背景光产生的白噪声。这样，透过率检测 就可以亮场中进行，而不受背景光的干扰。 光源波动是由于光源电压不稳造成的。虽然可以采用高稳定度的电 源，但仍无法消除其影响。如果将光路通过分光镜分为两个光路，一个 光路作为测试光路，一个光路作为参考光路，对两个光路同时检测其光 强。当光源波动时，两路光信号虽然也会产生波动，但由于是同步波动， 其比值不会发生变化。这样可以消除光源波动的影响。 综上所述，我们提出了以下光学透过率测试仪的方案设计“”1 。 图3 1 系统光路简图 本系统由平行光管、光阑、滤光片，斩光盘、积分球、光电池锁 定放大器( 2 套) 和上位机组成。如图2 4 所示，平行光管发出平行光束； 通过可调光阑调整平行光束孔径，使平行光束完全并垂直进入被测品的 物镜；滤光片对平行光束进行光谱校正：分光镜和反射镜将平行光束分 为两束平行光：测试光和参考光；斩光盘对测量光路和参考光路的光束 进行斩光调制；积分球将两路通道的调制光通过无数次漫反射形成均匀 照度的光信号：光电池将积分球内的光信号转换为电信号；两套锁定放 大器分别将两路通道的被测信号和斩光盘输出的参考信号进行互相关 运算，并通过串口向上位机串行输出测量值；上位机对两路数据进行处 理后通过求其比值而得到被测品的白光透过率d ，并显示测量结果。 3 1 硬件设计 3 1 1 平行光管 为适于测试望远光学系统白光透过率，平行光管的光源应适于人眼 观测，且其出光孔径须大于2 5 m m 。因此，本系统选用平行光管的主要 技术指标如下： 1 光源：a 光源，5 w 钨丝灯，色温2 8 5 6 k 2 焦距：5 8 7 m 3 出光孔径：3 0 m m 3 1 2 斩光盘 本系统斩光盘选用南京大学微弱信号检测中心研制的n d w 4 型可变 频双参考斩光器。图3 2 为n d 4 型可变频双参考斩光器控制器实物图， 图3 3 为其斩光部分实物图。 主要技术指标： i 斩光频率范围：7 0 h z 1 2 0 0 h z 8 h z 1 4 0 h z 2 频率显示误差：士o o l h z 3 频率稳定度( 预热1 小时) ：0 5 小时 4 参考输出： 两路：内孔、外孔 波形：方波幅度：6 v 十6 v 5 输出阻抗：1 k q 6 启动稳定时间( 电机最高转速) ：3 0 秒( 典型值) 7 相位抖动： 2 孔：o 2 。 1 7 孔：1 5 0 图3 2n d 4 型可变频率双参考斩光器控制部分实物图 图3 3n d 4 型可变频率双参考斩光器斩光部分实物图 7 3 1 3 积分球 选用杭州远方光电信息有限公司的直径为o 3 m 积分球，其内壁涂 层为性能稳定的b a s 0 4 ，反射率为( 9 7 2 ) 。 3 1 4 光电池 波长 fn 图3 ，4v 1 0 1 1 l 型硅光电池相对光谱灵敏度 在本测试系统中，光电池是用于模拟人眼来接收光信号的。因此， 光电池的相对光谱灵敏度应与标准人眼的相对光谱灵敏度一致。我们选 用的光电池是杭州远方仪器有限公司的v 一1 0 1 1 l 型硅光电池。v - l o l l l 型硅光电池已经进行了光谱校正，使其相对光谱灵敏度与标准人眼视觉 函数一致。v 1 0 1l l 型硅光电池的相对光谱灵敏度如图3 4 所示。 3 1 5 微弱电流放大器 由2 3 节讨论可知，光电池的输出电流与光强大小成正比。由于本 系统所检测信号是弱光信号，光生电流极弱，为n a 级甚至p a 级电流 信号。如果简单的通过负载电阻将其转换为电压信号进行检测，则必须 对负载电阻进行屏蔽处理以避免干扰。但由于电流信号本身极弱，将其 转换为电压信号也将很弱，增大了后面锁定放大器提取信号的难度。因 此本系统选用南京大学微弱信号检测中心研制的h b 一2 3 1 型p a 级微弱 电流放太器替代负载电阻。h b 2 3 1 型p a 级微弱电流放大器实物图如图 3 5 所示。主要技术指标如下： ( 工作频率：d c 3 k h z ( 2 ) 满刻度灵敏度( 输出1 伏电压的输入电流) l o p a ，1 0 0 p a ，l n a ，l o n a ， 1 0 0n a ，l a ， l o a ，1 0 0 斗a ， ( 3 ) 整机噪声( 输入端开路) ：2 0 f a 、，百三 ( 4 ) 直流漂移：0 1 p a 图3 5 h b - 2 3 1 型p a 级微弱电流放大嚣 3 1 ，6 锁定放大器 锁定放大器是实现互相关运算的精密仪器，能够精确的测量被淹没 在噪声、干扰背景中的微弱信号。本系统选用的锁定放大器是由南京大 学微弱信号检测中心研制的h b 2 1 1 型精密双相锁定放大器。h b 2 1 1 9 型精密双相锁定放大器实物图如图3 6 所示。 3 1 6 1 技术指标： l 、工作频率：5 h z 1 0 0 k h z 2 、测量量程( 满刻度灵敏度) ： l o o n v 1 p v1 0 v1 0 0 v 1 m vl o m vl o o m vl v 3 、。输入短路整机噪声电压( 1 k h z ) 2 n v 撕i 4 、不相干信号最大过载电平： 1 0 0 0 f s 5 、白噪声最大过载电平： 3 0 0 f s 6 、输出直流漂移： 5 1 0 印s h 7 、输出总动态范围：1 2 0 d b 图3 6h b 2 l l 型精密双相锁定放大器 3 1 6 2 工作原理 原理框图如图3 7 所示，包括以下部分： ( 1 ) 输入信号部分 ( 2 ) 参考信号部分 ( 3 ) 信号处理部分 ( 4 ) 单片机控制及p c 机接口部分 ( 5 ) 电源及其它部分 图3 7 锁定放大器原理框图 一、输入信号部分 输入信号部分由低噪声前置放大器，量程控制放大器，高通、低通 滤波器三部分组成。 前置放大器选用性能优良的超低噪声前置放大器，适用于微弱电压 放大，输入阻抗为5 m q | | 4 0 p f ，具有极低的噪声。在l 船 z 时，单位带 宽的噪声电压v n 2 n v h z ，在1 0 k h p l 0 0 k h z 噪声电压更低，可达 1 n v 面。 为了消除和减少地回路电流干扰，输入端采用了半浮地技术。输入 端可控制对地短路，便于测量短路噪声。 量程控制放大器由几级放大器和衰减器组成。通过单片机控制，使 整机的量程( 满刻度灵敏度f s ) 为：l o o n v ，1u v ，l o u v ，1 0 0 u v ，1 m v ， 2 1 0 m v ，1 0 0 m v 和1 v 共8 档，可根据被测信号的大小选择量程开关。 选择量程时，应使v x 或v y 的输出值大于所选满刻度灵敏度的2 0 以 上，但不应超过所选满刻度灵敏度4 倍以上，否则应将满刻度灵敏度上 调一档。 高低通滤波器是由运算放大器和r 、c 组成的二阶高低通痣波器。 高低通滤波器通过单片机控制切换高低通滤波器中的电容，达到改变截 至频率的目的。高低通滤波器组成的带通滤波器可将远离信号频率的噪 声或干扰抑制，而只放大被测信号及其频率附近带宽内的噪声，从而减 少干扰和避免过载。 二、参考信号通道 锁定放大器是利用相关检测原理，从噪声或干扰背景中检测微弱信 号的。因此，它必须要有一个参考信号通道。参考信号通道的作用是将 外部输入的参考信号( 同步信号) ，加工成信号处理部分需要的同频方 波信号。 多点 下均 器f l 飘l p s d 图3 8 参考通道原理图 参考通道如图3 ，8 所示，经过输入级过零放大后，将电压为 1 0 0 m v 1 0 v 的参考信号整形成为同频的方波信号。再由锁相环和分频 器组成的倍频电路，对输入信号进行倍频( 2 f 工作模式) 或不倍频( f 工作模式) 。f 和2 f 电路的输出用来触发带宽相移电路。相移o 。，9 0 。， 1 8 0 。，2 7 0 。由单片机控制，通过调节面板上的相移旋钮可以产生 o 。1 0 0 0 的相移量。如图3 9 所示，此相移器调节的相移量是移动方波 的上升沿，并用此上升沿去触发由锁相环构成的4 倍频和4 分频电路。 倍频器输出占空比为1 ：1 的4 f 2 f f 三路方波，其中2 f 和f 作为地址 信号输出至信号处理部分的多点( 四点) 信号平均器1 。4 f 方波输出至 由4 0 1 8 构成的分频器进行4 分频。4 0 1 8 的4 和5 脚输出两个频率为f ， 相位差9 0 0 的斩空比为l ：1 的方波。4 0 1 8 由同步触发电路输出窄脉冲， 触发4 0 1 8 复位，以保证4 叭8 的输出和输入f 相位同步。4 0 18 的4 和5 脚输出的信号再分别经一个反相器倒相，从而得到四路相位分别为中 + o o ，审+ 9 0 。，巾+ 1 8 0 0 和中+ 2 7 0 。的方波信号。相位控制电路为四个 四选一开关组成，通过单片机控制四选一地址，使输出的中a ，中b ，由 c 和中d 按表3 1 变化。此四路方波同时输出至调相电路。调相电路也是 由四选一模拟开关组成。调相电路的地址由3 2 7 6 8 h z 晶振经过1 6 和3 2 分频后的两路方波控制。调相输出是按1 0 2 4 h z 的频率轮流输出中a ，中 b ，审c 和中d 。这四路方波输出时间各占1 4 周期，来作为信号处理部 分相敏检波器的参考信号另外，3 2 7 6 8 h z 晶振的1 6 和3 2 分频的方波 同时作为多点信号平均器、同相p s d 和正交p s d 的参考信号。 图3 9 调相电路及相位控制原理框图 表3 1 相位开关与吼、p 。、妒。、对应表 帕触1 盘 被器 相位开关n 妒8纯妒。 0 0 + 0 。口十9 0 。叩十1 8 0 。 d 十2 7 0 0 9 0 。 o + 9 0 。+ 1 8 0 。口+ 2 7 0 。口+ o 。 1 8 0 。 + 1 8 0 。 十2 7 0 。+ 0 。 妒+ 9 0 。 2 7 0 。+ 2 7 0 。凹+ o 。+ 9 0 。 p + 1 8 0 。 三、信号处理部分 信号处理部分是锁定放大器的核心部分。锁定放大器能在噪声背景 申检测微弱信号，常规方法是用“相敏检波器( p s d ) + 低通滤波器” 来实现。h b 2 1 l 型锁定放大器没有采用这种常规方法，而是采用了多 点信号平均和相敏检波器联合使用的技术。信号处理部分原理框图如图 3 1 0 所示。 图3 1 0 信号处理部分原理框图 由信号通道输出的信号，设为t = 儿s i n ( 耐+ 声) ，k 为输入信号的 振幅，为相对于参考信号的相位差。此信号经由参考信号通道输出的 f ，2 f 方波控制的四点平均器进行信号平均。波形如图3 1 1 所示。多点 平均器相当于一个带通放大器，带通的中心频率由参考方波的频率决 定。当参考信号的频率发生变化时，此带通放大器的中心频率也随着变 化。因此，多点信号平均器相当于一个跟踪滤波器，能抑制干扰和噪声。 h b 一2 1 1 锁定放大器采用的多点平均器是由一个电阻和四个由开关控制 的电容器组成，在一个周期内四个开关轮流接通，即每个电阻电容组成 的积分器在四分之一的周期内对信号进行积分。将与参考信号同频率的 正弦波在四个电容器上积分，每个电容器上的稳态电压分别为： 2 4 屹= k 。_ c 。s p c 。s ( p + 要) 】 ( 3 1 ) k 瑙或 c o s ( p + 三) _ c o s ( 伊+ 硼 ( 3 2 ) i = 一k ( 3 3 ) = 一k ( 3 4 ) 式中k l 为放大倍数，成为输入信号的幅值，妒为输入信号相对于 参考信号的相位差。 图3 1 1 多点信号平均器t 的波形时序图 多点平均器i 的输出信号n 通过放大后，与参考信号的调相方波 k ，进行相敏检波。相敏检波器是开关式相敏检波器，对于控制开关的 同频信号相对于v i 的相位差分别为o o 、9 0 。、1 8 0 。和2 7 0 。的输出波形 如图3 1 2 所示。对应的直流分量分别为：k ，c o s ，k 、ks i n 矽， 一k 。tc o s 妒，一足，ks i n 庐，足，为放大倍数。 相敏检波器的开关同步信号k ，不是一个固定相位的方波信号， k ，与r 的相位差为o 。，9 0 0 ，1 8 0 。和2 7 0 0 ，并以频率1 0 2 4 h z 依次改变， 每种相位占四分之一周期。因此，相敏检波器的输出k 是图3 1 2 中四 个波形的组合。 v f 习= = = f 乇= = r = 丹= = 风= = rk ，kc o s v 2 1、 ( 8 ) 。 v 一 。3 i 口二凸l ec o s 足。ks i n 图3 1 2 相敏检波器对于不同相位差的输出波形 通过低通滤波和放大后，在多点信号平均器i i 中进行同步积累。 r k 多点信号平均器i i 的输出波形k 如图3 1 3 所示。四个电容轮流输出的 电压分别为k ，kc o s ，足、ks i n ，一k ，kc o s 庐，一世，ks i n ，彤，为 放大倍数。此波形中包含了被测信号的同相分量kc o s 和正交分量 v 2 1 _ 厂乙1 _ 厂乙 l _ 图3 1 3 多点平均器i i 的输出波形 四、同相和正交分量测量电路 被测信号用直角坐标分量表示，需要测出同相分量和正交分量。原 理框图如图3 1 4 所示。多点信号平均器1 i 的输出信号通过电阻r 和电 位器w 进行分压后，分为两路，分别输入至同相分量通道和正交分量 通道的相敏检波器( p s d ) 。两通道的电路完全一样，由相敏检波器f p s d l 和低通滤波器组成，所不同的是正交p s d 只响应多点信号平均器中的 k ，ks i n 庐电压，而同相p s d 只响应足，圮c o s 电压。通过低通滤波器后， 最后输出的直流电压为：同相分量f = k kc o s 庐，正交分量 k = k ks i n 。 3 1 7 光路结构 图3 1 4 同相和正交分量测量原理框图 分量 出 分量 出 系统光路由平行光管、滤光片、分光镜，平面反射镜和积分球组成 其装配图如图3 1 5 所示。图3 1 6 为光路支架实物图 1 光学稳定平台2 防尘罩a3 平行光管4 滤光片 5 可调光阑6 平面反光镜7 镜架体a8 分光镜 9 新光盘1 0 分光镜1 1 镜架体b1 2 平面反光镜 1 3 积分球1 4 光电池1 5 防护罩b 图3 1 5 系统光路装配图 图3 1 6 系统光路支架实物图 3 1 8 上位机 选用抗干扰性能较好的工控机作为上位机。 3 2 软件设计 本系统软件采用汇编语言与高级语言并用方式。汇编语言针对单片 机处理电路，完成原始数据的串行采集与发送；高级语言采用v c + + 6 o 编写“8 。”+ “，是本软件的核心部分。 整个软件设计方案如图3 1 7 和图3 1 8 所示。图3 1 7 是单片机数据 采集与发送主程序流程图。开机后首先对系统初始化，主要包括设置堆 栈指针，中断方式，定时器方式，串行通信方式，以及对存放数据的地 址清零；接着分时打开连接同相p s d 的v x 的通道和正交p s d 的v ，的 通道，通过刖d 转换将数据串行送入a 丁8 9 c 2 0 5 1 中，最后所有数据串 行地送出。图3 1 8 是v c 语言实现数据处理的主程序流程。程序采用事 件触发机制，程序完成数据串行处理、数据存储和数据的显示等。 3 2 1 上位机与单片机通讯 单片机与上位机遵循的协议必须符合各自的通讯特点。上位机中采 用的是v c + + 的串行通信控件m s c o m m 实现，此通信控件是利用 w i n d o w sa p i 函数实现的。 1 ) 通信控件m s c o m 属性 v c 十+ 的串行通信控件m s c o m m 属性如表3 2 所示： 表3 2 0 n c o m m 常数 虽然m s c o m m 控件有许多属性，但要完成基本的通讯操作首先应 熟悉表3 - 3 中的几个属性。 表3 3m s c o m m 基本属性表 属性描述 c o m m e v c n t 返回最近的通讯事件和错误。 c o m m p o r t 设置并返回通讯端口号。 s e m n g s以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、 数据位、停止位。 p 0 1 1 0 p e n 设置并返回通讯端口的状态。也可以打开和关闭 端口。 i n p u t从接收缓冲区返回和删除字符。 i n p u t m o d e 设置或返回i n p u t 属性取回的数据类型。 o u t p u t 向传输缓冲区写一个字符串。 c o m m e v e n t 属性：返回最近的通讯事件和错误。该属性在设计时 无效，在运行时为只读。只要有通讯错误或事件发生时都会产生 o n c o m m 事件，而c o 栅e v e n t 属性存有该错误或事件的数值代码。 c o m m p o n 属性：在设计时，v a l u e 可以设置成从l 到1 6 的任何 数( 缺省值为1 ) 。但是如果用p o r t o p e n 属性打开一个并不存在的端 口时，m s c o m m 控件会产生错误。值得注意的是，必须在打开端口之 前设置c o m m p o r t 属性。 s e m n g s 属性：v a l u e 由四个设置值组成，即波特率、奇偶校验、数 据位、停止位，格式为：“b b b b p - d s ”。b b b b 为波特率，p 为奇偶校 验，d 为数据住，s 为停止位。合法的波特率有：1 1 0 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、 2 4 0 0 、9 6 0 0 ( 缺省值) 、1 4 4 0 0 等：合法的奇偶校验值：e 一偶数，m 一 标记，n 一缺省，o 一奇数，s 一空格；合法的数据位有：4 、5 、6 、7 、 8 ( 缺省) ：合法的停止位有：1 、1 5 、2 。可见，通过设置这个属性的 四个值实现与单片机送入的串行数据匹配，进而完成数据准确无误地接 收。 p o r t 0 d e n 属性：设置并返回通讯端口的状态( 开或关) ，设计时无 效。它是布尔量，为t r u e 时打开端口，为f a l s e 时关闭端口并清除 接收和传输缓冲区。当应用程序终止时，m s c o m m 控件自动关闭串行 端口。在打开端口之前，确定c o m m p o r t 属性设置为一个合法的端口号。 另外，串行端口设备必须支持s e t t i n g s 属性当前的设置值。如果s e m n g s 属性包含硬件不支持的通讯设置值，那么硬件可能不会正常工作。 i n p 小属l 生：返回并删除接收缓冲区中的数据流。该属性在设计时 无效，在运行时为只读。 i n p u t m o d e 属性：确定用m p u t 属性读取的数据类型。如果设置 抽p u t m o d e 为c o m i n p u t m o d e t e x t ，i n p u t 属性通过一个v a r i a n t 返回文 本数据。如果设置i i l p m m o d e 为c o m i n p u t m o d e b i n a r y ，i n p u t 属性通 过一个v a r i a f l t 返回一二进制数据的数组。 o u t d u t 属性：往传输缓冲区写数据流。该属性在设计时无效，在运 行时为只读。o u t p u t 属性可以传输文本数据或二进制数据。用o u t p u t 属性传输文本数据，必须定义一个包含一个字符串的、协ia 1 1 t 。发送二 进制数据，必须传递一个包含字节数组的v a r i a n l 到o u t p u t 属性。 2 ) m s c o 啪控件通讯事件一o n c o 哪事件 m s c o m m 控件可以用来提供简单的串行端口通讯功能，也可以用 来创建功能完备( f u l l f e a t u r e d ) 、事件驱动的高级通讯工具。 作为v c + + 程序员，只需要关心m s c o m m 控件提供的对w i n d o w s 通讯驱动程序的a p i 函数的接口。换句话说，只需要设置和监视 m s c o m m 控件的属性和事件。 o n c o m m 事件是m s c o m m 控件管理串行口通讯的灵魂。无论何时 当c o m m e v e n t 的属性值变化时，就产生0 n c o m m 事件，标志着发生了 一个通讯事件或一个错误。而在o n c o m m 事件的处理程序中，应用程 序可以通过查询c o m m e v e n l 的属性值来判断串行口通讯中发生了哪些 行为，并据此做出相应的处理。 3 ) 单片机通讯设置 我们知道m s c o m m 控件一帧数据至多8 位，可以有奇偶校验位、 起始位、停止住，波特率可以根据需要选择；而单片机串行通讯方式有 四种，其中方式1 是一个8 位异步串行通讯方式，t x d 为数据输出位， r x d 为数据输入位，一帧为1 0 位，一位起始位，八位数据位，一位停 止位。要使上述两者串行通信方式正好吻合，此时应设置单片机串行口 控制寄存器s c o n 的状态如下： s m o i s m l f s m 2 i r e n l t b 8r b 8 f t ir i 设置s c o n 为4 0 h ，其中s m 0 、s m l 为o 、l ，即串行工作方式l 。 并采用定时器t l 确定波特率，此时禁止t 1 中断。 4 ) 上位机与单片机的通讯协议 因为单片机选择波特率为9 6 0 0 b i 眺。因此设置m s c o m m 控件的属 性如下： m s c o m m l s e 钍i n g s2 ”9 6 0 0 ，n ，8 ，l “ 这样，单片机与上位机的串行通讯初步达成协议。由于传输多个数 据，同时传输过程中会有一些难以预料的情况发生至使数据传输过程中 发生错误。为了保证传输的数据正确可靠，我们规定了以下通信协议( 按 1 6 进制方式) ： ( 1 ) 上位机要求单片机输出数据时，发送命令码 6 64 26 c ( 2 ) 上位机要求单片机暂停榆出数据时，发送命令码 6 65 36 c ( 3 ) 单片机向上位机输出数据时，数据格式为 4 lv x l v x h v y lv y h5 a 其中v x l 是v x 的低字节，v x h 是v x 的高字节， v y l 是v y 的低字节，v y h 是v y 的高字节。 ( 4 ) 上位机向单片机发送设置命令格式为 4 13 0a b c def g h i5 a 其中：a ：灵敏度 3 0 3 7 b ：输入模式3 0 3 3 c ：参考模式3 0 3 l d ：低通 3 0 3 7 e ：高通 3 0 一3 7 f ：时常3 0 一3 7 g ：相移 3 0 3 3 h ：陷波3 0 3 l3 1 ：陷波3 0 ：否 i ：联机3 0 3 13 1 ：联机3 0 ：脱机 3 2 2 上位机软件 上位机软件可完成原始数据的读入和显示；根据本仪器的工作原理 计算测试光路的输出值和参考光路的输出值；显示和保存被测件的透过 率。 根据系统原理，本软件的操作步骤如下： 启动软件后，根据各光路的斩光频率设置高通、低通滤波器的截止 频率，并根据两个锁定放大器的输出显示设置满刻度灵敏度。一般的原 则是信号幅值应在所选满刻度灵敏度的2 0 3 0 0 之间。点击运行按 钮，分别从两路锁定放大器的单片机接收数据。在系统空测标定时，点 击修正按钮，使透过率的输出为f l o o o 2 m 且较为稳定为止。如果结 果需要保存，点击保存按钮即可将保存到数据库中。 一二： 二一： 设置波特率f 王一 j 选择模拟开关通道1 i 串行发送数据顺序： v x lv x hv y lv y h 一j l f 结束j 、一 图3 ，l7 单片机主程序图 3 5 一 森_ 1 竺 一采一 一 图3 18 上位机主程序图 小结 本章介绍了本仪器的硬件组成及工作原理，同时给出本仪器软件设 计方法，说明了软件系统所能完成的功能及其实现方法。 第四章误差分析 本仪器用于望远光学系统的光学透过率的检测，仪器在加工、安装 和调整过程中不可避免地会产生一定的误差，直接影响仪器测试精度， 因此本章将对影响仪器测试精度的误差源进行分析。 总体来说，影响本仪器测试精度的因素有： 1 光电池对精度的影响：主要指光电池输出电流线性度对精度的 影响； 2 噪声对精度的影响。 设系统总误差为4 ，光电池输出电流线性度产生的误差为4 i ，噪声 产生的误差为42 。本仪器力争这到1 测试精度，则有 4 = 拈孑 l 4 ；4 些罂：o 0 0 7 0 7 ：o 7 0 7 - 4 。4 西2 0 0 0 7 0 7 2 0 7 0 7 4 1 光电池对精度的影响 光电池对精度的影响主要是由光电池输出电流的线性度引起的。 所谓线性度是指仪器的实测输入输出特 生曲线对理想直线的输入输出 特性曲线的近似程度。线性传感器测出的输出、输入曲线与某一规定直 线不吻合的程度，称为非线性误差，或称为线性度。 由2 3 节的讨论可知，在理想情况下，即负载电阻为零时，光电池 的输出电流与光强成正比。但实际情况是，负载电阻不可能为零，而且 由于光电池的前表面和背表面的电极与导线接触，以及导线材料本身具 有一定的电阻率，基区和顸层都不可避免地要引入附加电阻。流经负载 的电流，经过它们时，必然引起损耗。在等效电路中，可将它们的总效 果用一个串联电阻r s 来表示。由于电池边沿的漏电和制作金属电极时， 在电池的微裂纹、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本应通过负 载的电流短路，这种作用的大小可用一并联电阻r s k 来等效“。这样 一个简单的比较接近实际的等效电路就绘制成图4 1 的形式。 图4 1 光电池等效电路图 囹4 1 中，i 为光电流，v i 为p n 结的结电压，i b k 为光电池暗电流。 由图4 1 可知光电池输出电流乖输出电压的关系： ，。( r ) ( 4 1 ) 确 卜彘卜删) 】 = i ：； ，一f ，( e “滔一1 ) 】 ( 4 2 ) ： 墨监晦 月、十尺。8 其中：s e 为光电灵敏度，e 为光照强度。 由i4 2 ) 式可知，由于光电池内部串联电阻和并联电阻的存在， 即使负载电阻为零，光电池的输出电流与光照强度不成严格意义上的线 性关系。由于本仪器在测试时已经将光电流通过电流放大器转换为电压 信号，因此只需将测得的不同标准透过率片的实测值与标准值进行比 较，即可得到光电池的输入输出特性对测试精度的影响。具体方法如下： 将系统进行空测标定，使透过率输出值为f 1 0 0 士0 2 1 。分别测试4 个已测定白光透过率的标准片的白光透过率，每个标准片