紫外定标光源研究

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3.0 陈辉 2024-11-20 10 4 2.33MB 80 页 15积分
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I
摘 要
在紫外探测器研究及其应用中，一个十分关键的问题在于必须对探测器件进
行光谱响应测试及定标。众所周知，未定标的探测器件，无法应用于光学测量，
也无法进行各种实际应用。为了给紫外探测器实现精确定标，使用满足定标需求
的紫外光源是实现精确定标的关键一环。本文正是针对紫外定标系统对光源的特
殊需求展开了一系列的工作。
本文根据紫外定标系统的功能，分析了系统对紫外光源的特殊要求，通过分
析不同发光体的光谱特性及功率特性，选择了氙灯作为紫外定标光源的发光体。
根据氙灯的低压大电流的供电要求，设计了半桥变换式开关电源，实现了给氙灯
恒流供电，满足系统对于电源体积和效率的要求。为了实现氙灯的紫外光功率的
稳定输出，设计了稳功率输出反馈控制系统，利用紫外探测器将氙灯光强波动转
换成电压信号，反馈控制氙灯开关电源的输出电流，实现了紫外功率输出波动率
不大于 1%的要求。为了满足定标系统对紫外光源输出方式的要求，设计了不同的
光学系统，实现了紫外光源的点光源输出、平行光输出、均匀光场输出。最后，
依托于紫外定标系统，利用锁相微弱信号检测方法，编写 VC 程序实现了光源的光
谱测量、稳功率性能测试。
本课题是上海市青年科学基金项目——“紫外探测器件精确光学定标平台建
设”的一部分。
关键字：氙灯 恒流开关电源 稳功率输出 点光源 均匀光场
II
ABSTRACT
In the UV detector and its application, a very crucial issue is the need of detector
spectral response testing and calibration. As everyone knows, uncalibrated detector can
not be used in optical measurements, can not carry out a variety of practical application.
In order to achieve the precise UV detector calibration, the use of UV light source to
meet the needs of detector calibration is one of the key to achieve precise calibration.
Therefore, the paper focused on the requirements of calibration system for UV light
source, and launched the relevant research on it.
Based on the UV calibration function, analyzed the special requirements of
detector calibration for UV light source, by analyzing the spectral characteristics of
different luminous body and power characteristics, selected xenon lamp as the UV
calibration light source emitters. According to xenon lamp power supply requirements,
designed a half-bridge switching power supply to achieve a constant-current power
supply. In order to achieve a stable power output, designed stable power output
feedback control system, converted light intensity into voltage signal by UV detector,
calculated a control signal to adjust the output current of switching power supply,
achieved the UV power output volatility is not more than 1%. In order to meet the
requirements of calibration system for ultraviolet light source output mode, designed
different optical system to achieve point light output, parallel light output, uniform
light field output. Finally, relying on the UV calibration system, programming by VC,
achieved light source spectral measurement, stable power performance testing.
Keywords: xenon lamp, constant-current switching power supply,
stable power output, Point light source, uniform light field
I
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 课题的来源及意义 ............................................. 1
§1.2 紫外光源的国内外现状 ......................................... 2
§1.3 本论文的研究内容及实施方案 ................................... 3
第二章 紫外定标光源系统的建立 ........................................ 4
§2.1 紫外辐射定标系统介绍 ......................................... 4
§2.2 定标系统对光源的要求 ......................................... 5
§2.2.1 对波长的要求 ............................................. 5
§2.2.2 对光强的的要求 ........................................... 6
§2.3 发光体的选择 ................................................. 6
§2.4 氙灯的特性 .................................................. 10
§2.4.1 氙灯介绍 ................................................ 10
§2.4.2 短弧氙灯的亮度特性 ....................................... 10
§2.4.2 短弧氙灯的电弧特性 ....................................... 11
§2.5 紫外定标光源系统 ............................................ 11
§2.5.1 光源系统原理 ............................................ 11
§2.5.2 光源机械结构 ............................................ 12
第三章 氙灯开关电源 ................................................. 15
§3.1 开关电源介绍 ................................................ 15
§3.2 氙灯开关电源拓扑结构选择 .................................... 15
§3.3 电路设计 .................................................... 16
§3.3.1 输入整流电路 ............................................ 16
§3.3.2 驱动电路 ................................................ 17
§3.3.3 辅助电源 ................................................ 18
§3.3.4 PWM 输出电路 ............................................ 18
§3.3.5 输出整流电路 ............................................ 20
§3.3.6 电流检测电路 ............................................ 22
§3.4 变压器的绕制 ................................................ 23
§3.5 氙灯触发器 .................................................. 24
第四章 稳光强输出反馈控制系统 ....................................... 26
II
§4.1 稳光强输出的原理及系统框图 .................................. 26
§4.2 光信号的采集 ................................................ 27
§4.2.1 探测器的选择 ............................................ 27
§4.2.2 光强信号的采集 .......................................... 28
§4.3 信号的处理 .................................................. 31
§4.3.1 放大电路 ................................................ 31
§4.3.2 滤波电路 ................................................ 32
§4.3.3 比较电路 ................................................ 33
§4.4 数据的显示 .................................................. 34
§4.4.1 光强大小的显示 .......................................... 34
§4.4.2 累计开灯时间的显示 ...................................... 37
§4.5 稳功率效果测试及分析 ........................................ 39
§4.5.1 氙灯功率稳定性监测方法 .................................. 39
§4.5.2 测试结果及分析 .......................................... 40
第五章 光源的光学系统设计分析 ....................................... 44
§5.1 平行光输出 ...................................................44
§5.1.1 利用透镜获得平行光输出 ................................... 44
§5.1.2 利用抛物面获得平行光输出 ................................. 45
§5.2 点光源输出 ...................................................46
§5.3 均匀光场的获得方法研究 .......................................47
§5.3.1 利用透镜阵列获得均匀光场 ................................. 47
§5.3.2 利用积分方棒获得均匀光场 ................................. 50
第六章 光谱测量软件的实现 ........................................... 52
§6.1 软件功能介绍 .................................................52
§6.2 仪器的控制与通讯 .............................................52
§6.2.1 单色仪的控制与通讯 ....................................... 52
§6.2.2 三维电控位移台的控制与通讯 ............................... 54
§6.2.3 SR830 锁相放大器的控制与通讯 ............................ 55
§6.3 功能模块介绍 .................................................56
§6.3.1 定点波长光谱实时监测 ..................................... 57
§6.3.2 连续波长光谱相对扫描 .................................... 60
§6.3.3 紫外探测器绝对扫描 ....................................... 64
第七章 总结与展望 ................................................... 69
III
§7.1 本文的研究结论与创新点 ...................................... 69
§7.2 今后的改进建议 .............................................. 69
参考文献 ............................................................ 71
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 73
致谢 ................................................................ 74
摘要：

I摘要在紫外探测器研究及其应用中，一个十分关键的问题在于必须对探测器件进行光谱响应测试及定标。众所周知，未定标的探测器件，无法应用于光学测量，也无法进行各种实际应用。为了给紫外探测器实现精确定标，使用满足定标需求的紫外光源是实现精确定标的关键一环。本文正是针对紫外定标系统对光源的特殊需求展开了一系列的工作。本文根据紫外定标系统的功能，分析了系统对紫外光源的特殊要求，通过分析不同发光体的光谱特性及功率特性，选择了氙灯作为紫外定标光源的发光体。根据氙灯的低压大电流的供电要求，设计了半桥变换式开关电源，实现了给氙灯恒流供电，满足系统对于电源体积和效率的要求。为了实现氙灯的紫外光功率的稳定输出，设计了...

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