红外分光仪信号漂移误差的自动跟踪

　　红外光经光电传感器检测,其输出信号非常微弱,需要经过多级前置放大后,才能达到A/D转换器所要求的标准电压。由于前置放大器的性能受到器件本身、环境温度等影响,容易形成各种误差,采用相关滤波电路及数字滤波方法可以克服高低频干扰,但有一种随时间变化的信号平行漂移误差,上述方法却很难解决,从而影响测量仪器的精度。为此设计了通过跟踪参考光进行误差校准的方法,取得良好效果。

　　1　设计原理

　　1.1　基本思想

　　根据朗伯—比耳定律,具有某一波长的单色光束以一定的强度垂直照射到均匀的吸收物质上时,被吸收掉的光能量与光在物质中通过的路程、物质的浓度和入射光的强度等因素有关。其数学表达式如下:

　　式中:A—吸光度;k—吸光系数,为常数;c—物质的浓度;l—光程长度;I0—入射单色光强度;I—透射光强度。

　　式(1—1)说明当样品光程固定时,物质的吸光度与物质成分的浓度成正比。

　　吸收曲线表示吸光度A与波长λ关系的曲线,即:

　　红外分光仪器通过对吸收曲线的分析来测定物质的成分浓度。

　　红外光经过前置放大环节后进入控制器,其稳定性对仪器测量精度影响很大。一般在整个波长范围内完成一次测量扫描大约10 s,多次测量加上数据记录和放置样品,时间往往会较长,在此期间要保证测量数据具有较好的重复性,要求在测量过程中其光源光强及前放性能不随时间变化,而事实上很难做到。以测定比色皿内样品的吸光度为例,在理想情况下,假设光源通过空气后的光强为Is,经过比色皿后的光强为αΙS(即入射光强I0),经过比色皿和样品后的透射光强为I=βΙS,则:

　　对同一样品进行多次重复测量时,由于光源强度和前放输出随时间、温度而漂移,光强值已发生了变化,假设变化系数为γ,而分子I0=αΙS是在测样品前预先测定的,其值保持不变,这样式(1—3)可表示为:

　　而每次γ值有可能不同,使吸光度A重复性较差。若采用双光路、双前放进行监控,两个前放的性能、漂移都不一致,也无法解决问题。为此采用光强跟踪的方法,在每次测量前,对经过空气后的光路进行一次监测作为参考光强,并用光强的变化率来代替光强,这样,式(1—4)可表示为:

　　其中:IB0=IS为测比色皿时的参考光强;IB=γΙS为测样品时的参考光强。

　　以式(1—5)测得的吸光度曲线,实现了自动跟踪的目的,消除了信号漂移误差,可以保证很好的测量重复性。

　　所设计的红外分光仪的系统框图如图1—1所示。光源经旋转的切光片调制成频率为800Hz的光信号,一路进入分析室,另一路作为参考光源,由光切换盘选择后进入光传感器,经前置放大、A/D转换后由CPU控制单元进行采样。在分析室中,CPU控制步进电机以产生不同波长的光信号,其波长起点由光电开关T1定位,各波长点通过步数进行控制,另一台步进电机则控制光切换盘来选择样品光或参考光,其初始位置由光电开关T2进行定位。