基于单片机控制的ECPR光功率数据采集系统

　　1　ECPR简介

　　电定标热释电辐射计ECPR^[1-3]是测量光辐射功率的一种高精度绝对辐射计,它属于高精度电替代绝对辐射计ESR.在国际上,辐射功率和能量定标标准一般采用美国的NIST(Na-tional Institute of Science and Technology)和德国的PTB(Physicalisch-Technische Bundesanstalt)标准,他们都采用自行研制的电定标热释电辐射计ECPR作为传递参考标准(reference standard)。由于受到器件制造等多方面原因的制约,我国在这方面开展的工作还相对落后。中科院上海技术物理研究所和上海理工大学光电信息学院合作,在可见和红外绝对功率测量的基础上,研制紫外增强型热释电定标器件,展开紫外功率测量定标工作的研究。紫外ECPR原理图见图1。

　　ECPR的基本原理是:紫外光辐射经过由高精度的低频斩波器调制后,照射在特制的定标专用紫外增强型热释电定标器件上,加热表面灵敏元的金黑电阻,在灵敏元下电极上产生调制的电流信号。前置放大器将信号放大后,送入自动调零电路中。自动调零电路的功能是实现光功率和电功率自动平衡,它通过电和光交替加热元件,使元件的输出信号大小与光加热和电加热的功率差成正比。当光加热和电加热信号相等时,元件输出信号为零。这时测量电加热的电压和电流大小,计算平衡时的电功率值就可以得到光功率值。图1中的同步驱动电路产生同步的电加热信号,通过功率计算后显示完成对光辐射功率的测量。由于光学加热不可能完全被吸收转化为热能,因此必须经过对热扩散等各种误差的测量、分析和计算后,对测量的电功率值加以修正,就可准确得知紫外辐射的绝对功率。使用这种方法就可以将光学定标的溯源问题转化为对电学标准的溯源,而不是使用如黑体的这种光学标准。而且,电学标准一般精度非常高,所以,ECPR经过电学标定后也就会具有很高的精度,通常可以达到1%的不确定度。

　　2　基于单片机的数据采集和功率计算系统

　　为了测量辐射光功率的大小,可通过测量光电交替加热灵敏元表面平衡后的电功率值获得。如图1中的功率计算和功率修正采用单片机数据采集系统^[4-5]来完成,具体的接口原理图如图2所示。按照功能划分,图2中的模块主要由电流电压转换电路、A/D模数转换电路、单片机控制电路。

　　2.1　电流电压采集转化电路

　　主要实现采集电加热的电流和电压信号,实现可由电流和电压放大器组成。由于在热释电两端的电加热信号是大小相等、方向相反的两个加热电压,如图3所示。为测量这种交变电压电流大小,在电路设计时增加绝对值电路,保证后面的模数转换电路采集的是大于零的信号。