[发明专利]基于闭环数字控制器的红外光源系统、调节系统及方法

说明书

本发明涉及一种基于闭环数字控制器的红外光源系统、调节系统及方法。调节系统包括离轴抛物面镜、光电探测器、模数转换模块、数字控制器、数模转换模块和功率驱动放大电路，离轴抛物面镜上开有红外光源照射到探测器的通光孔；光电探测器设于离轴抛物面镜通光孔的一端，用于检测所述红外光源的辐射能量信号；模数转换模块用于将光电探测器检测到的辐射能量信号转换为数字信号；数字控制器用于将数字信号通过控制算法进行计算并调节到合适数值；功率驱动放大电路用于将输入其内的调节数字信号进行功率放大后输出到红外光源。本发明的技术方案能保证红外光谱仪具有很好的稳定性、重复性与一致性。

技术领域

本发明总地涉及红外光源领域，具体涉及一种基于闭环数字控制器的红外光源系统、调节系统及方法。

背景技术

红外光源是一种热辐射源，可以近似认为是一个黑体，其向外辐射的红外光线服从普朗克黑体辐射定律，在单位立体角内的辐射率为

其中，I为辐射率，即单位时间内在单位面积和单位立体角以单位频率间隔辐射出的能量，单位为J·s^-1·m^-2·sr^-1Hz^-1；h＝6.626×10^-34J·s为普朗克常数；ν为频率，单位为Hz；c为光速，单位为m/s；e＝2.7182818为自然对数的底；波尔兹曼常数k＝1.3806488×10^-23J·K^-1；T为黑体的温度，单位为K。如图1为不同温度时黑体的光谱分布，光源的温度越高，其辐射的能量也越大。其中横坐标为光谱的波长，纵坐标为辐射能量。

傅立叶红外光谱仪通过对红外光谱的采集与分析，来获取物质分子结构的信息，能够进行定性或定量的分析。对于工作在中红外光谱波段的光谱仪，使用一个被加热到1000-1300℃的黑体作为光源，光源在经过准直之后进入光谱仪，光谱仪经过迈克耳逊干涉仪的调制之后，入射到样品，样品与红外光产生相互作用(吸收、散射、透射等作用)，根据不同物质会与不同波长的光相互作用，以此来进行定性分析，同时能够根据比尔兰伯特吸收定律对物质进行定量分析。

在傅里叶变换红外光谱仪中，光源的辐射能量与光谱范围直接决定了仪器的信噪比与光谱工作范围，选择红外光源，需要考虑：①光谱范围；②光谱能量；③辐射稳定度；④光源尺寸与发光面积；⑤使用寿命；⑥工作温度及散热等因素。而光源的温度，直接影响光谱范围、光谱能量、辐射的稳定度与使用寿命。

一般而言，红外光源工作在空气环境中，且使用恒压源进行驱动，能够获得较为稳定的红外光谱。商用的的红外光源通常采用SiC或者SiN材料制造，使用10-13V的恒压源进行驱动，工作电流约为1-2A，且具有很高的辐射效率(大于80％)，是接近于理想黑体的一种黑体辐射光源。

红外光源使用的是一种具有较低阻值、物理性质稳定的材料(如SiC，SiN等)。然而，光源一般工作在非密封的空气环境中，光源在被加热到1000-1300℃进行正常工作时，会发生缓慢的氧化反应，使光源的性质发生变化，从而使光源的辐射能量产生不可逆转的衰减。同时，由于与光源接触的外界环境的波动(气流，外界温度等)也会使光源辐射能量会在短期内产生波动。光源本身性质的变化与外界环境的影响都会导致光源能量的波动，导致红外光谱产生畸变，从而影响红外光谱的重复性、稳定性与一致性。总之，在实际使用中，从短时间范围来看，光源的温度会随着周围环境温度、周围空气流动的影响而产生波动；另一方面，从长时间范围来看，光源在工作过程中会产生一些高温下的氧化反应而使光源性质发生改变，从而使能量出现衰减。

在实际应用中，红外光源还存在一些其他问题，比如SiC或SiN光源在制造过程中，无法保证每一个光源都具有相同的工作温度(在额定工作电压12V驱动的情况下)，这样会导致仪器的一致性差。

再如，在特殊的应用场合，测量信号很弱或者很强，原先设置好的红外光源辐射能量太强或辐射能量不够，导致吸收峰过饱和或太弱，使测量结果出现偏差，影响仪器的准确性。