[发明专利]一种直读光谱仪的信号采集与处理方法

说明书

本发明公开了一种新型直读光谱仪的信号采集与处理方法，适用于直读光谱仪周期火花光源特点。首先根据直读光谱仪的分光光路结构，确定待测光各波段对应的分光光路所处的空间位置，放置与各光路波段相对应的光探测模块；对光探测模块输出的电信号进行倒相处理后送入锁相放大器的信号通道进行带通滤波和放大，减少杂散噪声；将与待测信号频率相同的周期信号送入参考通道，调节其相位与待测信号相同；对信号通道与参考信道的输出信号进行互相关运算，抑制与参考信号不相关的噪声；提取相关器输出的低频成分，得到待测信号的幅值和相位信息。本发明可缩小光学系统的体积，减少探测器投入，探测灵敏度高，噪声低，可提高直读光谱仪的分辨率。

技术领域

本发明属于光谱检测领域，更具体地，涉及一种基于光电探测器与锁相放大器结合的新型直读光谱仪的光信号采集与处理方法。

背景技术

近年来，随着钢铁行业的蓬勃发展，高精度的分析检测系统在钢铁生产及加工过程中质量控制的主要手段，而精密的分析检测必须借助精密的测试方法。其中直读光谱仪是钢铁行业主要分析检测校准仪器。现代直读光谱仪的光源采用火花激发光源，即处理器控制回路进行周期性充放电操作，从而在样品与电极间产生周期性的火花，且火花的光谱与样品中的元素含量具有密切的关系。因此，可通过探测火花光源的光谱信息来分析样品特征与元素含量。

对于实际的火花光源，包含各个波段的信息，包括可见光，紫外、以及红外波段，不同波段的光谱强度差别很大。其中，人眼可见的最亮的黄色波段的光，是金属元素受激发发射出来的，并不是直读光谱仪的探测重点，而光强十分微弱，人眼无法识别的不可见光波段，与样品中的恒量非金属元素(C、P、S等)密切相关，是直读光谱仪检测的重点。

传统的直读光谱仪一般采用步进电机驱动光栅转动对波长进行扫描，并采用倍增管接收不同波长的光信号获得光谱分布，这种光谱仪精度高、光谱范围宽，但体积大、功耗高、工作环境苛刻，越来越不符合现代测试仪器小型化、高效性、低功耗的要求。近年来，随着半导体光电器件的发展，直读光谱仪有了新的发展方向。特别是基于CCD的直读光谱仪是近年来研究的热点，CCD具有体积小、重量轻、寿命长、自扫描的优点，所以CCD直读光谱仪通常经过光学结构分光后，直接通过多路CCD进行信号采集获得光谱信号，大大缩小光谱仪结构，并可通过辅助措施获得较宽的光谱范围，但是此类光谱仪的探测精度与灵敏度仍需要进一步改进。

发明内容

针对目前现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于光电探测器与锁相放大器电路相结合的直读光谱仪信号采集与处理方法，其目的在于：一、缩小直读光谱仪体积，使得传统直读光谱仪的巨大尺寸可以被缩减，从而便于以后应用到便携领域；二、提升探测精度与检测灵敏度，相对于CCD直读光谱仪来说，本发明可以达到远高于CCD分辨率的检测精度。由此解决直读光谱仪检测系统整体集成化程度低的问题。

为实现上述目的，针对钢铁行业固定周期火花光源特点，按照本发明的一个方面，提供了一种光信号转换为电信号的检测方法。技术方案如下：

一种直读光谱仪的信号采集与处理方法，包括如下步骤：

(1)根据直读光谱仪的分光光路结构，确定待测光各波段对应的分光光路所处的空间位置，布放与各光路波段相对应的光探测模块；

(2)选择一个测试通道，对光探测模块输出的各路电信号进行倒相，送入锁相放大器的信号通道进行放大，然后对噪声作窄带滤波处理，接着对信号进一步放大，作为该光路的待测信号送入相关器输入端；

(3)引入一个与待测信号相同频率的周期信号作为参考信号，调节其相位与所述待测信号相同，送入相关器的参考端，使其与待测信号进行互相关运算，从而抑制待测信号中与参考信号不相关的噪声信号，输出与参考信号相关的信号；

(4)从相关器的输出提取低频成分(该成份中包含待测微弱信号的幅值和相位信息)，检测出待测信号的幅值和相位信号；