应用于元素灯上的辐射能量稳定装置的制作方法

1.本实用新型涉及分析化学领域，主要涉及一种应用于元素灯上的辐射能量稳定装置。


背景技术：

2.光源都存在漂移现象，这会直接影响分析测量结果。目前的光源稳定技术多数采用引入参比光束、加入比例透反镜或者利用软件算法来抑制漂移，这些方法存在以下缺点：
3.1.在光路中增加比例透反镜，将光源的一部分光反射到特定检测器上，通过检测到的反射光的变化来对光源进行校正，这种方式损失了光源能量，尤其是在用光源作为激发源的光谱仪器中，能量衰减直接影响仪器的稳定性和灵敏度，进而影响整机的测量性能；
4.2.引入参比方式，在光路上增加切光器，利用双光束功能来实现光源的漂移校正，这种方式结构复杂，且只能适用于脉冲供电(非连续)的光源，不适用于连续光源；
5.3.采用软件算法调整系统偏差的方式，主要是基于经验或某种特定光源的漂移特性，在软件上进行校正。但由于环境温度以及所需要的光源强度不同，这种校正方式存在很大差异，容易出现校正过度或者不足。


技术实现要素：

6.本实用新型的用于元素灯上的辐射能量稳定装置，包括：
7.控制器，与校正选择模块连接，校正选择模块与光源驱动电路连接，光源驱动电路与光源连接，控制器用于通过校正选择模块向光源驱动电路发出光源驱动信号；
8.光源能量取样装置，用于对光源发出的且通过样品池的光进行采样接收，以直接取样到光源辐射的光信号；
9.低噪声前置放大模块，与光源能量取样装置连接，对光源取样装置输出的电流信号进行i/v转换和放大，以提高信号传输信噪比；
10.均方根值转换模块，与低噪声前置放大模块连接，用于对来自光源能量取样装置的信号进行均方根值转换；
11.低噪声比例模块，与均方根值转换模块连接，用于对均方根值模块输出的信号进行一定比例放大或衰减；
12.高比例差值放大模块，与低噪声比例模块、控制器、校正选择模块分别连接，用于将低噪声比例模块输出的信号与控制器输出的光源驱动信号进行差值计算，得到两信号的电压差信号控制光源驱动电路，将光源的辐射能量实时锁定在设定值上。
13.本实用新型的应用于元素灯上的辐射能量稳定装置，其中，还包括：校正选择模块，连接于高比例差值放大模块与光源驱动电路之间，校正选择模块与控制器连接，用于根据控制器的信号控制反馈环路的连接与断开，以此控制校正功能的打开和关闭。
14.本实用新型的应用于元素灯上的辐射能量稳定装置，其中，还包括：延时启动模块，与校正选择模块和控制器分别连接，用于根据光源特性，在控制器的控制下进行校正的
延时启动。
15.本实用新型的应用于元素灯上的辐射能量稳定装置，其中，光源能量取样装置安装在正对光源的主光轴线上。
16.本实用新型的应用于元素灯上的辐射能量稳定装置，其中，光源能量取样装置为硅光电二极管或硅光电二极管加光纤。
17.本实用新型的技术方案真正实现了辐射光源能量的快速自动调节，克服了上述传统方式因光源差异性或环境差异带来的校正误差。本实用新型的光源能量取样装置安装方便，无需调节，能够确保光源的能量恒稳定输出。
附图说明
18.图1为本实用新型的应用于元素灯上的辐射能量稳定装置的原理框图；
19.图2为本实用新型的应用于元素灯上的辐射能量稳定装置应用于原子荧光光谱仪的安装结构示意图；
20.图3为原子荧光光谱仪中对hg灯进行长时间连续观测的数据。
具体实施方式
21.如图1、图2所示，本实用新型的应用于元素灯上的辐射能量稳定装置，包括：
22.控制器，与校正选择模块连接，校正选择模块与光源驱动模块连接，光源驱动模块与光源连接，控制器用于通过校正选择模块向所述光源发出光源驱动信号；
23.光源能量取样装置，用于对光源发出的且通过样品池的光进行采样接收，以直接取样到光源辐射的光信号；
24.低噪声前置放大模块，与光源能量取样装置连接，对将来自光源取样装置输出的电流信号进行i/v转换和放大，以提高信号传输信噪比，该模块的输出表达式可表示为：
25.uo＝k
·i26.uo‑‑‑‑‑‑‑
模块的输出信号，
27.i
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
光源取样装置输出的光电流信号，
28.k
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
比例系数，
29.至此，得到了与光源辐射强度对应的电压信号uo，该信号为一交变信号，含有交流成分；
30.均方根值转换模块，与低噪声前置放大模块连接，用于对来自光源能量取样装置的信号进行均方根值转换
31.该模块的输出表达式可表示为：
[0032][0033]urms
‑‑‑‑‑‑‑
模块的输出信号，
[0034]
u(t)
‑‑‑‑‑‑‑
模块的输入信号，
[0035]
至此，得到了与光源辐射强度对应的有效值信号；
[0036]
低噪声比例模块，与均方根值转换模块连接，用于对均方根值模块输出的信号进
行一定比例放大或衰减，不同的光源，在同样的驱动电流下，其辐射能量不尽相同，另外，在光源能量取样环节，因系统结构或安装环境的要求，同样无法做到对光源取样保持在一定的数值区间，而为了得到很好的控制效果，要求光源能量采样后的输出，在系统结构确定的情况下，保持在一定的数值区间。确保满足后续模块的调节要求。高比例差值放大模块与低噪声比例模块、校正选择模块、控制器、光源驱动电路分别连接，用于将低噪声比例模块输出的信号与控制器输出的光源驱动信号进行差值计算，得到两信号的电压差信号控制光源驱动电路，以将光源的辐射能量实时锁定在设定值上。
[0037]
例如：控制器输出的光源驱动信号为ua，这是一个相对固定不变的电压信号，比例模块输出的信号为ub，(如前所述，对于ub信号的幅度，是有要求的，低噪声比例模块的加入可满足要求)这一信号代表了反馈回来的光源能量的变化。该模块的输出表达式可表示为：
[0038]
uo＝-(k1·
(-ua) k2·
ub)
[0039]
uo即为点亮光源的实际信号，也就是经过很高比例计算后的差值信号，当光源有一个很小的正向波动时，即ub信号将出现相应的正向波动，此时的uo将输出一个很大的反相控制量，去驱动光源，从而使光源的能量向相反的方向调整，最终稳定在设定值。
[0040]
本实用新型的应用于元素灯上的辐射能量稳定装置，其中，还包括：校正选择模块，连接于高比例差值放大模块与光源驱动电路之间，校正选择模块与控制器连接，用于根据控制器的信号，控制反馈电路的连接与断开，以此控制校正功能的打开和关闭。该校正选择模块内部为一电子选择开关，开关可以根据控制器的信号，选择元素灯的开环应用或闭环应用。所谓开环应用，就是直接由控制器对元素灯(或广义的光源)直接驱动(或者叫点亮)，在应用条件确定时，驱动电流保持不变，而光源能量将是随时间自然变化的状态。而闭环应用，即为能量锁定模式，将光源辐射的能量转换为电压信号后，与控制器输出的驱动信号，进行差值放大，然后驱动元素灯，实时稳定元素灯(或广义的光源)的能量。
[0041]
配合延时启动电路，可以根据实际需要，在恰当的时间点，启动能量锁定。也可以在需要的场合，彻底关闭能量锁定。比如在考察光源的实际波动情况时，需要关闭能量锁定，从而真实的了解光源的漂移特性。
[0042]
本实用新型的应用于元素灯上的辐射能量稳定装置，其中，还包括：延时启动模块，与校正选择模块和控制器分别连接，用于根据光源特性，在控制器的控制下进行校正的延时启动。以hg空芯阴极灯为例，在电路上电后，一旦该装置识别到来自控制器的hg点亮信号，延时启动模块内部定时器开始计时，其中计时时间根据光源特性和实验数据得出，当选定为hg灯时，时间为70s。因此，在这一区间，校正选择模块选择为控制器对灯的直接控制状态。当计时完成后，校正选择模块内部的电子开关随即切换到带有反馈控制的能量锁定状态，对灯能量进行锁定，稳定hg灯的输出能力。另外，校正选择模块，还可以根据实际使用需要，随时进行控制器直接控制和反馈控制的切换，满足更多场合需要。
[0043]
本实用新型的应用于元素灯上的辐射能量稳定装置，其中，光源能量取样装置安装在正对光源的主光轴线上。
[0044]
本实用新型的应用于元素灯上的辐射能量稳定装置，其中，光源能量取样装置为硅光电二极管或硅光电二极管加光纤。
[0045]
本实用新型的应用于元素灯上的辐射能量稳定方法，包括：
[0046]
对光源发出的且通过样品池的光进行采样接收，以直接取样到光源辐射的光信
号；
[0047]
将来自光源取样装置的电流信号进行i/v转换和放大，以提高信号传输信噪比；
[0048]
对来自光源能量取样装置的信号进行均方根值转换，使其成为直流信号；
[0049]
对均方根值模块输出的信号进行一定比例放大或衰减；
[0050]
将低噪声比例模块输出的信号与控制器输出的光源驱动信号进行差值计算，得到两信号的电压差控制光源驱动电路，将光源的辐射能量实时锁定在设定值上。
[0051]
本实用新型主要解决光谱仪器光源能量漂移问题，不需要在光路中增加切光器、也不需要引入参比光束，而是直接对辐射光进行检测，测量电路根据辐射光源的能量变化，将变化量与设定的光源辐射强度进行差值计算，利用计算得到的差值信号驱动光源控制电路，从而实现光源的稳定，进而确保测量结果的准确可靠。
[0052]
本实用新型采用电子线路控制，无需软件算法，通过电路设计对光源的辐射能量进行自动取样、计算，最终控制光源恒流驱动电路，解决了光源能量漂移的问题，结构简单，安装方便。
[0053]
本实用新型中的光源辐射能量取样模块，置于光源对侧，直接接收光源发出的谱线，在样品池与hg灯之间不需要比例透反镜，检测器的安装位置对光源的辐射能量不产生任何影响，对仪器的检测灵敏度不产生任何影响。
[0054]
本实用新型适用于光谱仪器各种辐射光源，针对不同波长的辐射光源，可以选择特定波长范围的光检测器。
[0055]
拓展到其他，对于某类设备或仪器中的光源，要求其光辐射能量稳定输出的场合，均可以采用此装置实现。
[0056]
光源驱动电路为光源恒流驱动模块；控制器为cpu主控板。
[0057]
本实用新型采用模拟电子线路控制，达到稳定光源辐射能量的目的。
[0058]
光源能量取样装置。该装置通常安装在正对光源的主光轴线上，对光源发出的光进行采样接收，该装置可以是直接的光敏器件，如硅光电二极管；或具有导光性质的光传播介质材料，如光纤加硅光电二极管等。该装置的安装也可以在除主光轴线外的任意位置，其安装原则为能够直接取样到光源辐射的光信号。
[0059]
低噪声前置放大模块对来自光源取样装置输出的电流信号进行i/v转换和放大，进一步提高信号传输信噪比。
[0060]
均方根值转换模块用于均方根值转换。通常光谱仪器的光源均采用交流调制信号驱动，这使得光源能量取样得到的光信号同步跟随了光源调制信号的交流变化。均方根值转换使其成为一直流信号。
[0061]
低噪声比例模块用于根据系统要求，对均方根值模块输出的信号，进行一定比例放大或衰减，以适应后续系统工作。
[0062]
高比例差值放大模块将低噪声比例模块输出的信号与控制器输出的光源驱动信号，进行差值计算，得到两信号的电压差信号控制光源驱动电路，这种闭环反馈控制能够将光源的辐射能量实时锁定在设定值上。
[0063]
校正选择模块可以根据控制器指令控制，选择校正功能的打开和关闭，当校正功能关闭时，光源工作处于开环状态，不具有稳定能量的作用。这种设计充分考虑了系统光源在不需要恒能量输出时的应用，其适用性更强。
[0064]
延时启动模块可以根据光源特性，进行适当的校正延时启动。具体应用为，在控制器的设定值输出后，光源处在开环状态下进行正常点亮工作，延迟一定时间后，系统闭环，能量实时锁定启动。
[0065]
本实用新型的技术方案既不需要在光路中增加半透半反镜，也不需要增加切光器，也不存在软件校正的局限性，真正实现了辐射光源能量的自动恒定调节，克服了上述传统方式因光源差异性或环境差异带来的校正误差。
[0066]
本实用新型具有直接的拓展性，可以扩展应用于光谱仪器之外任何需要对光源进行稳定的设备或装置中，不仅适用于调制式光源，也适用于连续光源。
[0067]
本实用新型是一个闭环锁定系统，在装置起控的瞬间就锁定发光强度。无需软件控制，无需基准值的采集，无需对光源进行预热，瞬间即可自动达到稳定状态。
[0068]
下面以原子荧光光谱仪中hg灯的能量稳定为例，介绍该实用新型的具体应用：光源能量取样装置直接置于hg灯对侧，直接接收hg灯发出的谱线，在样品池与hg灯之间不需要比例透反镜，光源能量取样装置的安装位置对hg灯的辐射能量不产生任何影响，对仪器的检测灵敏度不产生任何影响。
[0069]
光源能量取样装置采用带滤光片的硅光电二极管，接收hg灯辐射的光信号(波长253.7nm)。将采集的光信号转换为电流信号，进入低噪声前置放大模块，对信号进行前置放大，提高信号传输信噪比。均方根值转换模块将输入的交流信号，换算成直流输出，与控制器设定的点灯驱动信号做差值运算，最后通过校正选择模块进入光源驱动模块，控制元素灯点亮。其中校正选择模块，可以在控制器的控制下，选择校正功能的打开或关闭。当校正功能关闭时，点灯驱动信号将直接进入光源驱动模块。具体到实际应用，可满足在固定的校正灯位，测量无需校正元素灯时使用。这种闭环反馈控制能够将hg灯的能量实时锁定在设定值上。
[0070]
如图3所示，hg在不调控状态下，连续工作3个小时后，其辐射能量增加138％；
[0071]
hg在调控比例1状态下，连续工作3个小时后，其辐射能量增加26％；
[0072]
hg在调控比例2状态下，连续工作3个小时后，其辐射能量增加1.3％。
[0073]
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。