激光干涉式气体分析仪光强补偿电路的设计

激光干涉式气体分析仪被广泛应用于教学、科研和生产领域。激光干涉仪的光源采用He-Ne气体激光管,对于激光管发出的光,具有输出波长范围宽,光学均匀性好。而且,在单色性,相干性及稳定性等方面都比固体和半导体激光管优越。但是,最大的弱点是He-Ne激光管由于谐振腔的损耗波动,以及放电电流的波动等因素,引起激光管输出功率的瞬时波动,直接影响了测量精度。本文讨论激光干涉微量气体分析仪的光强补偿问题,主要考虑在光电转换之后,加上一级光强补偿电路,使其既能实现光-电的线性变换,又能自动补偿光强的瞬时变动,提高测量的精度。

1　基本原理图

由激光光源发出的两束光,分别经光电管1和光电管2转变成电信号后,分别送到一补偿电路再经放大后输出,见图1。

　　这一电路既可完成光-电的线性变换,同时又能补偿光源波动给测量带来的影响,从而提高了测量的精度,它是一个比较理想的自稳定系统,为激光干涉气体分析仪的应用开辟了前景。

2　基本电路

根据设计要求,我们选择了由对数及对数放大器组成的光强补偿电路。其原理线路图如图2所示。

　　图中A1A2和T1T2组成对数放大电路,A5A6和T5T6组成反对数放大电路,T3R8Rw2组成恒流源电路,提供T2管的恒定电流。T1T2是对管,要求它们的对称性好,以便更好地克服温度的影响。

由图可知:

实际使用时,开关K1应打向“2”位置,此时Ic2正比于补偿光信号。由此可见,光强补偿电路的输出Vo与输入信号的比值成正比,如果Ic1和Ic2分别正比于同光源的光强信号,对于光源的瞬时波动,Ic1与Ic2同方向等值变化,大大地减弱了光强瞬时波动给测量带来的影响,起了补偿作用。

3　实验结果

根据以上设计的光强补偿电路,我们进行了测试。对于不同的输入信号Vi,测出其相应的输出Vo值,得到一组输入-输出数据,作图即得光强补偿电路的输入输出特性,见图3。

偿电路的设计,并经计算机一元化线性拟合,最大误差为1.8%,精度高,线性度好。对于10%以内的光强信号波动,具有较好的补偿效果,与一般的气体分析仪相比,精度提高10%～20%,大大地克服激光光源波动对测量精度的影响,提高测量的可靠性。同时,该电路的补偿范围也较宽,可达到四个数量级,从0.01～10范围内,补偿器都可工作在线性区,误差不超过2%。

参考文献:

[1]　清华大学.晶体管电路(第一册)[M].北京:科学出版社,1973.

[2]　肖明耀.实验误差估计与数据处理[M].北京:科学出版社,1980.

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