【正文】 極間的電壓在 80~100V 之間。UKR R R R R RC C CRC圖 43 光電倍增管的分壓電路光電倍增管還有一個特性是設(shè)計中必須要注意的。光電倍增管的特性參數(shù)包括靈敏度和放大倍數(shù)，這些特性關(guān)系到實驗燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）30的精密度和靈敏度。而光通量和光照強度有著直接的關(guān)系，光通量 =4 ，其中 Iv 為光照強度。其中 1P28 型光電倍增管的參數(shù)如下表 41 所示： 表 41 1P28 型光電倍增管的參數(shù)參數(shù)值 最小值 正常值 最大值 單位 陽極靈敏度 20 400 A/lm 陰極靈敏度 25 40 A/lm? 增益 710.? 暗電流 5 50 A 前置電路熒光信號經(jīng)過光電倍增管光電轉(zhuǎn)換后由光信號變?yōu)殡娦盘?，由于光電倍增管輸出的是電流信號，所以光電倍增管輸出電流信號相?dāng)于一個電流第 4 章電路部分和控制部分 31源，輸出電阻也相當(dāng)大。檢測信號盡管經(jīng)過光電倍增光的初步加速，但是由于熒光信號十分的微弱，所以光電倍增管轉(zhuǎn)換出來的電流信號還是十非的微弱，所以 I/V 轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換精度一定很高。進而可以知道，R、R R 2 節(jié)點處的電流為零，可以表述為： （41230i??4）RR1R2光電倍增管流出的電流燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）32圖 44 前置放大電路在該前置電路中不僅具有很高的靈敏度，而且電路中的電容 Cp 可以消減信號雜波增益的峰值，能起到濾波的作用。通過前置放大電路的處理，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并初步的進行放大和濾波，之后將電壓信號傳輸?shù)浇酉聛淼碾娐?。這些問題需要在放大濾波電路中解決。所以本設(shè)計中濾波電路采用帶帶通濾波電路，設(shè)計的濾波電路如下圖45所示。在電路仿真中，首先用頻率為500HZ、幅值為5V 的正弦信號通過濾波器。然再用50HZ 的正弦信號通過濾波器。圖46 頻率為500HZ，幅值為5V 的正弦信號仿真處理的結(jié)果第 4 章電路部分和控制部分 35 圖 47 頻率為50HZ,幅值為1V 的正弦信號仿真處理結(jié)果 鎖相放大電路在熒光法二氧化硫檢測中，在獲得檢測信號的同時也獲得與檢測無關(guān)的干擾信號，并且由于大氣中的二氧化硫濃度相對來說是很低的，獲得信號也是很微弱的，需要經(jīng)過再次的處理。在說明鎖相放大電路工作原理之前，我們先看看噪聲和我們需要的正弦波信號之間的差別。鎖相放大電路相當(dāng)一個高品質(zhì)因數(shù)的帶通濾潑器，它輸出的是一個直流電壓，利用檢測信號和參考信號在頻率上和時間上是相同的特性，運用相敏檢波電路對檢測信號和參考信號進行乘法運算，得到檢測信號和參考信號的差頻信號，將差頻信號通過先處理后得到直流電壓信號，這個信號經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后輸入控制系統(tǒng)。鎖相檢波電路工作分三個步驟來走：第一步，將檢測信號和參考信號的電壓信號在輸入同道中做放大處理，將他們放大到可以推動鎖相放大電路正常工作；第二步，檢測信號和參考信號通入到乘法器中，做進一步處理，得到了檢測信號和參考信號的的和頻信號和差頻信號；第三步，將從乘法器中得到的信號通入乘法器中，濾去高頻信號，最終得到一個直流電壓信號。假設(shè)檢測信號輸入通道中的檢測信號為 S1，則 ，參)2sin(1????fA考通道中的參考信號為 ，則通過乘法器后得到的信號為)2sin(2????fBSS0，根據(jù)乘法器的原理可以得到結(jié)果信號 S0 可供下公式來表示： S0=S1S2 （4)]()(cos[)]()(2cos[ 21210 ???? ???? tfAtfAB10）通過公式（19）可以看出，乘法器輸出的信號包括兩個部分，第一部分為檢測信號和參考信號的差頻分量；而第二部分為檢測信號的參考信號的和頻分量部分。這樣的話當(dāng)和頻分量經(jīng)過低頻濾波電路的時候，高頻部分會被過濾掉，這個和頻分量就會被過濾掉值留下差頻分量。在檢測信號和參考信號中還存在有大量噪聲，這些噪聲的頻率隨時間和電壓等變化，是不固定，在檢測信號中沒有與之配對的信號存在，因此被低通濾波器鎖過濾掉。它是雙相模擬鎖相放大器，應(yīng)用在光譜測量中可明顯地提高信噪比、避免環(huán)境輻射干擾、使用方便。SR830 型鎖相放大器也可對輸入信號測量參考信號的一次和二次諧波分量。將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電子期間稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱 A/D 轉(zhuǎn)換或者 ADC。但是他們工作步驟是大致一樣的，他們的工作步驟是取樣、保持、量化和編碼等四個步驟。它能夠辨別和處理低電壓信號，這點對本設(shè)計是很重要的，因為盡管經(jīng)過數(shù)次放大，信號仍是十分的微弱。本設(shè)計中模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)采用 AD7705 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)的作用是將一個模擬的電壓信號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，按其工作原理可以將模數(shù)轉(zhuǎn)換器分為兩大類，他們是直接型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和間接型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器二氧化硫熒光法檢測系統(tǒng)中得到熒光信號為模擬信號，經(jīng)過前面電路部分處理，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，但是這個電信號依然是模擬信號。 相位差，同時測量輸入和輸出的相位分量，因而簡化了幅度和相位測量過程。從鎖相檢波電路中得到的信號為一個直流的電壓信號。最終輸出的結(jié)果就是一個直流分量，得到完整的二氧化硫檢測電信號。從公式上看當(dāng) f1=f2 時，差頻分量的頻率為 0，相位???差為 0，此時的差頻分量變成一個數(shù)值不隨時間不變的分量。第 4 章電路部分和控制部分 37乘法器可以完成兩個互不相關(guān)的模擬信號相乘的處理。鎖相放大器的工作原理簡圖圖如下圖 48 所示：低 通 濾 波相 敏 檢 波檢 測 信 號參 考 信 號信 號 輸 出 圖 48 鎖相放大電路的原理圖鎖相檢波電路能夠檢測到一些微弱的信號，通常這些微弱的電信號是一般檢測電路無法檢測到的，因此鎖相檢波器在微弱信號檢測中由這重要的應(yīng)用。而正弦波信號他的頻譜非常集中，幅值也不會隨電壓等條件而改變。在這里為了得到更好的提取被噪音干擾的微弱的檢測信號，我們使用鎖相放大電路來處理信號，進而得到?jīng)]有雜波的信號源。從仿真結(jié)果上可以看出有一幅值為1V 的正弦信號在仿真圖上，證明設(shè)計中的帶通濾波器滿足了設(shè)計要求。從仿真的結(jié)果可以看出仿真圖上可以看出電壓值一直為0，既信號中高于100HZ 的信號被過濾，達(dá)到了設(shè)計的目的。通過計算可以得到帶通濾波電路jw??的的參數(shù)，其中其傳遞函數(shù)為： (49)24321)()( CRSsH?通過使用電路仿真軟件 Multisim 仿真后可知這個帶通濾波電路已經(jīng)實現(xiàn)了濾波的作用。帶通濾波器主要是阻止低頻率和高頻率信號，通過中間頻率的信號。但是由于這個時候電壓第 4 章電路部分和控制部分 33信號中還存在有干擾信號，需要將這些干擾信號過濾干凈。進而可以知道，R、R R 2 節(jié)點處的電流為零，可以表述為： （40321??i5）由于運算放大器有虛短虛斷的特性，運算放大器的“+”端接地，所以運算放大器負(fù)端的電壓也為零。在該前置電路中不僅具有很高的靈敏度，而且電路中的電容 Cp 可以消減信號雜波增益的峰值，能起到濾波的作用。而電壓信號卻不存在這種信號，電壓信號不容易生成誤差，所以通過前置電路通過 I/V 轉(zhuǎn)換，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號?？捎霉奖硎緸椋? （4?pPIS?3）光電倍增管的放大倍數(shù)為光電倍增光陽極輸出光電流和陰極產(chǎn)生的電流的比值，也稱為電流增益，光電倍增光的增益與光電倍增管的材料和倍增極的數(shù)量有關(guān)。陰極光照靈敏度是在光照的情況下，照射到陰極表面的光通量和陰極產(chǎn)生的陰極電流之比，單位為pLA/lm。光電倍增管在加上工作電壓后，盡管沒有激發(fā)光照射到光電倍增管的陰極，但是光電倍增管仍然可以產(chǎn)生微弱的電流，我們把這個電流叫做光電倍增管的暗電流、暗電流在有光照射的情況下仍然存在，所以在二氧化硫熒光法檢測的時候要考慮到這個暗電流的影響，否則會造成檢測的誤差。在光電倍增管的最后幾個光電倍增極上的電流由于倍增效應(yīng)而劇增，這樣的情況下容易出現(xiàn)電流飽和，導(dǎo)致這幾個光電倍增極間電壓的下降，級間的電壓很不穩(wěn)定。第 4 章電路部分和控制部分 29光電倍增管使用電阻分壓器來為二次電子發(fā)射極提供電壓。每次電子經(jīng)過一次二次電子發(fā)射極都會增加 S 倍，這樣經(jīng)過 n 個二次電子發(fā)射極后電子數(shù)量已經(jīng)增加了 Sn 倍，這樣陽極接受到電子已經(jīng)是光電陰極經(jīng)過外光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子數(shù)量的 Sn，就是說經(jīng)過 n 個二次電子發(fā)射極后，信號已經(jīng)被放大了 Sn 倍，一般來說這個放大倍數(shù)在 10 的四次方以上。光電倍增管的工作過程是當(dāng)熒光照射到光電陰極上的時候，光電陰極上的金屬吸收能量后發(fā)生外光電效應(yīng)產(chǎn)生電子，陰極因為失去電子而帶正燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）28電荷。假設(shè)某一金屬電子溢出所需要的最小的能量為 ,金屬的閥值頻率為0W。當(dāng)金屬在特定光線的照射下，金屬表面的原子吸收光子的能量。光電倍增管的理論依據(jù)是外光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論。本設(shè)計中就是將光信號先轉(zhuǎn)換為電信號，然后在繼續(xù)測量的。所以需要將電信號濾波除去那些干擾信號后通過弱信號檢測系統(tǒng)，弱信號檢測系統(tǒng)將檢測信號提出后傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。第 3 章 系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)部分 25燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）26第 4 章 電路部分和控制部分系統(tǒng)中由氣室產(chǎn)生的熒光光信號，經(jīng)過光纖傳輸?shù)诫娐凡糠帧毫Ρ淼淖饔镁褪秋@示氣室內(nèi)的壓強的。同時為了測量系統(tǒng)的精確性需要在氣室外面加一系列的輔助設(shè)施，這些輔助設(shè)施可以幫助系統(tǒng)精確控制氣體的體積，這樣的設(shè)備構(gòu)成了簡單的配氣裝置。由于二氧化硫與激發(fā)光反應(yīng)生成了熒光屬于光學(xué)現(xiàn)象，所以整個反應(yīng)過程中容易受到外界雜光的影響，所以氣室必須處在黑暗密封的環(huán)境中。同時在設(shè)計中還添加了隔圈和消光錐等裝置。同時在氣室的內(nèi)壁涂上黑色的特氟綸，這種材料不會吸收水蒸氣，可以減少水蒸氣分子與激發(fā)態(tài)的二氧化硫分子放生碰撞而產(chǎn)生淬而造成產(chǎn)生熒光光強的減少。本設(shè)計中氣室有兩個氣室，分別是參考?xì)馐液蜋z測氣室，這兩個氣室中內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料都是一樣的。第二處耦合主要是通過光纖耦合器來耦合的，而另外兩種主要是通過透鏡來耦合的。由于要盡量接收到熒光信號，接受光纖m?m?要盡量的大，并且比激發(fā)光纖大得多，在這里探測光纖為漸變折射石英光纖，它的芯徑值為 80 ，光纖的總直徑為 125 。本設(shè)計中考慮到這種原因檢測系統(tǒng)中的光纖采用多膜光纖。光纖傳輸?shù)脑硎枪獾娜瓷?，光束以在光纖中不斷地被全反射的方式在光纖中傳播。然后氣體通過限流孔和流量計進入測量氣室。由于本設(shè)計中使用了能夠用來除去對二氧化硫檢測有影響氣體的 kicker 管，kicker 管主要是通過滲透來除去對二氧化硫測量有干擾的氣體的。通過使用 kicker 管減少檢測過程中各種干擾氣體對二氧化硫的影響。這些氣體的存在都會對二氧化硫的熒光信號產(chǎn)生干擾。從上可知，光源變化前后參)1((2vBA?考光路和檢測電路輸出的信號比值沒有變化，而系統(tǒng)是通過比較參考光路和檢測電路信號作為最終信號來反應(yīng)二氧化硫的濃度的，所以通過雙光路檢測系統(tǒng)，光源的波動對系統(tǒng)檢測的影響可以減少到最小，進而提高了二氧化硫檢測系統(tǒng)的檢測精度。假設(shè)二氧化硫熒光監(jiān)測系統(tǒng)中參考光路和檢測光路輸出的本底信號分別為 和 ,輸出的熒光信號分別為 和 。微弱的電流信號經(jīng)過 I/V 轉(zhuǎn)換和放大濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，信號最終傳到控制系第 3 章 系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)部分 19統(tǒng)。雙光路系統(tǒng)的示意圖如圖 4 所示。在設(shè)計中它將光源發(fā)出的一束光束等分為兩束相同的光束進入兩根光纖中。它是在光纖中的光束可以隨著兩束光纖而為成兩個光束。通過實驗發(fā)現(xiàn)在激發(fā)光的波長為 時, 二氧化硫產(chǎn)生的的熒光波長主要上分布在 240~ 420nm 范圍內(nèi)，最大熒光強度在 330nm 處，為了保證接收光纖盡可能多的接收到熒光信號而免受激發(fā)光和激發(fā)光的散射光的影響，在氣室與接收光纖耦合處的濾光片應(yīng)選擇中心波長為 330nm，帶寬為 100nm。這兩處濾光片的