專利名稱：基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及測量技術(shù)，特別是涉及一種能夠?qū)VA波段、UVB波段和UVC波段以及整個UV波段的紫外輻射進行測量的輻照計的測量技術(shù)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的紫外輻照計大多采用紫外增強型硅光二極管作為探測器，接受紫外輻射，進行測量；或者是在普通硅光二極管前面加一層熒光材料，由紫外線激發(fā)熒光材料發(fā)出可見光，再通過硅光二極管接受光信號，進行紫外輻射的測量。第一種方案，硅光二極管的光譜響應(yīng)峰值在可見光區(qū)，在探測器前須加上多層的濾光片以減小(或者說是消除)可見光及紅外光對測量結(jié)果的影響，如果要對測量的UV波段進行選擇的話，則需要加帶寬不同的濾光片(UVA、UVB或UVC波段)，這不但增加了成本，而且探測器頭部體積較笨重，并且由于濾波片的誤差積累，測量的精度較差。第二種方案，由于熒光材料穩(wěn)定性較差，且僅有某一波長范圍的紫外光照射才發(fā)光，精度更是難以保證。
實用新型內(nèi)容針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種操作方便，多波段，高精度，低成本，探測器頭部體積小、結(jié)構(gòu)簡單的基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測量裝置。
為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型所提供的一種基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測量裝置，包括一紫外探測器，探測器內(nèi)封裝了三個不同紫外波段響應(yīng)的氮化鎵鋁(AlGaN)基靈敏元A、B和C，分別用于三個不同紫外波段紫外線輻照強度的測量；
三前置放大電路，分別連接三個不同紫外波段響應(yīng)的靈敏元的輸出端，用于靈敏元測量信號的前置放大；一可編程波段選擇運算電路，其輸入端分別連接三靈敏元的前置放大電路的輸出端，用于選擇不同紫外波段的測量信號；一A/D轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端連接可編程波段選擇運算電路的輸出端，用于測量信號的A/D轉(zhuǎn)換；一MCU微處理器，其信號輸入端連接A/D轉(zhuǎn)換模塊，其控制輸入端連接鍵盤，其控制輸出端連接可編程波段選擇運算電路的控制輸入端，其顯示輸出端連接LCD顯示器；用于根據(jù)鍵盤的指令對可編程波段選擇運算電路進行波段選擇的控制和將A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號進行計算、修正、標定，得到輻照度數(shù)據(jù)并將其送LCD顯示器顯示。
進一步地，所述靈敏元A只對UVA波段(340nm-365nm)的紫外輻射響應(yīng)。
進一步地，所述靈敏元B只對UVB波段(280nm-320nm)的紫外輻射響應(yīng)。
進一步地，所述靈敏元C只對UVC波段(250nm-290nm)的紫外輻射響應(yīng)。
進一步地，在所述可編程波段選擇運算電路中測量UVB信號采用UVB與UVC相減的減法電路得到，從而提高UVB波段的測量精度。
利用本實用新型提供的基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測量裝置，由于采用氮化鎵鋁(AlGaN)基紫外探測器，通過對探測器輸出信號的調(diào)理，就能夠?qū)崿F(xiàn)UVA、UVB和UVC波段以及整個UV波段的紫外輻射測量，不像傳統(tǒng)的探測器需要匹配濾光片來實現(xiàn)波段的選擇，所以克服了一般傳統(tǒng)的紫外照度計的一系列問題，如匹配準確性難以控制，使用多種濾光片使體積增大，某些光譜難以濾掉等等問題，因此其體積小、操作簡單、精度高。
本實用新型的有益效果1)氮化鎵鋁(AlGaN)基紫外探測器量子效率高、噪聲低、響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)峰值在紫外波段，具有較高的靈敏度。此外，由于它對波長大于365nm的可見光和紅外光不響應(yīng)，不需另加濾光片就能直接用來測量紫外線輻照強度，因此可以得到較高的測量精度。
2)傳統(tǒng)的紫外輻照計只能測量一個波段(例如UVA波段)的紫外輻射，其測量范圍具有單一性。而本紫外輻照計采用了一個具有三光敏元的探測器，該探測器內(nèi)封裝了三個不同紫外波段響應(yīng)的靈敏元，三個靈敏元分別只對UVA、UVB和UVC波段的紫外輻射響應(yīng)，對三個靈敏元分別輸出的信號進行運算調(diào)理，可以得到比較精確的UVA、UVB和UVC波段以及整個UV波段的紫外輻射。
3)傳統(tǒng)的紫外輻照計是通過在探測器前面加濾光片來減小或消除可見光及紅外光對測量結(jié)果的影響，也是通過匹配探測器前面的濾光片來實現(xiàn)測量波段范圍的選擇。而本基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測量裝置不需要加濾光片就能消除可見光及紅外光對測量結(jié)果的影響，就能選擇測量的波段范圍。
使用氮化鎵鋁(AlGaN)基紫外探測器，省去了濾光片，減小了紫外輻照計的體積，使之便于攜帶，增加了儀器的可靠性，提高了測量的精度，同時，能夠?qū)崿F(xiàn)多個波段的紫外輻射的測量。該輻射照度裝置可以廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、科研等對紫外輻射測量的領(lǐng)域。


圖1是本實用新型實施例的基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測量裝置原理示意框圖；圖2是本實用新型實施例基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測量裝置AlGaN探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖3是本實用新型實施例探測器內(nèi)的靈敏元A對UVA的響應(yīng)曲線圖；圖4是本實用新型實施例探測器內(nèi)的靈敏元B對UVB的響應(yīng)曲線圖；圖5是本實用新型實施例探測器內(nèi)的靈敏元C對UVC的響應(yīng)曲線圖；
圖6是本實用新型實施例基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測量裝置的前置放大電路原理圖；圖7是本實用新型實施例基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測量裝置的可編程波段選擇運算電路圖；圖8是本實用新型實施例基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測量裝置的A/D轉(zhuǎn)換與MCU控制電路原理圖；圖9是本實用新型實施例基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測量裝置MCU微處理器的程序流程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖說明對本實用新型的實施例作進一步詳細描述，但本實施例并不用于限制本實用新型，凡是采用本實用新型的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，均應(yīng)列入本實用新型的保護范圍。
如圖1所示，本實用新型實施例所提供的一種基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測量裝置，包括一紫外探測器，探測器內(nèi)封裝了三個不同紫外波段響應(yīng)的靈敏元A、B和C，分別用于三個不同紫外波段紫外線輻照強度的測量；三前置放大電路，分別連接三個不同紫外波段響應(yīng)的靈敏元的輸出端，用于靈敏元測量信號的前置放大；一可編程波段選擇運算電路，其輸入端分別連接三靈敏元的前置放大電路的輸出端，用于選擇不同紫外波段的測量信號；一A/D轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端連接可編程波段選擇運算電路的輸出端，用于測量信號的A/D轉(zhuǎn)換；一MCU微處理器，其信號輸入端連接A/D轉(zhuǎn)換模塊，其控制輸入端連接鍵盤，其控制輸出端連接可編程波段選擇運算電路的控制輸入端，其顯示輸出端連接LCD顯示器；用于根據(jù)鍵盤的指令對可編程波段選擇運算電路進行波段選擇的控制和將A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號進行計算、修正、標定，得到輻照度數(shù)據(jù)并將其送LCD顯示器顯示。
當太陽光照射時，基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測量裝置按照用戶選擇的所需測量的紫外波段開始工作，太陽光照射到三靈敏元紫外探測器上，紫外探測器由于其可見光和紅外光抑制比很高，所以僅接收太陽的紫外輻射，產(chǎn)生微小的光電流，由于探測器有三個光敏元，所以會產(chǎn)生三路輸出信號(也即三路微小的光電流輸出)。微小的光電流分別經(jīng)過三路前置放大電路的放大，轉(zhuǎn)化為電壓信號，電壓信號輸入到可編程波段選擇運算電路中?？删幊滩ǘ芜x擇運算電路由MCU控制，MCU根據(jù)鍵盤的指令要求發(fā)送控制命令給可編程波段選擇運算電路，以確定輻照計的工作波段。按鍵提供了四個可選波段UVA、UVB和UVC波段以及整個UV波段。工作波段確定后，可編程波段選擇運算電路輸出的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，數(shù)字信號輸入到MCU，經(jīng)過計算，修正和標定后，MCU再將最后的輻照度數(shù)據(jù)送LCD顯示。
AlGaN探測器結(jié)構(gòu)如圖2所示探測器內(nèi)封裝了三個不同紫外波段響應(yīng)的靈敏元A、B和C。
其中，靈敏元A只對UVA波段(340nm-365nm)的紫外輻射響應(yīng)，其響應(yīng)曲線如圖3所示當波長小于340nm時，靈敏元A的響應(yīng)很?。划敳ㄩL位于340nm-365nm的范圍內(nèi)時，靈敏元A的響應(yīng)比較平坦，且最大響應(yīng)率大約0.21A/W；當波長大于365nm時，靈敏元的響應(yīng)為零。所以，靈敏元A對UVA的響應(yīng)基本是一個矩形。
靈敏元B只對UVB波段(280nm-320nm)的紫外輻射響應(yīng)，其響應(yīng)曲線如圖4所示當波長位于280nm-320nm的范圍內(nèi)時，靈敏元B的響應(yīng)比較平坦，而且響應(yīng)也最大約為0.14A/W；在波長大于320nm時，靈敏元B的響應(yīng)約為最大響應(yīng)的10-3倍，可以認為沒有響應(yīng)。
靈敏元C只對UVC波段(250nm-290nm)的紫外輻射響應(yīng)，其響應(yīng)曲線如圖5所示當波長位于250nm-290nm的范圍內(nèi)時，靈敏元C的響應(yīng)比較平坦，且響應(yīng)最大約為0.08A/W；在波長大于290nm時，靈敏元C的響應(yīng)約為最大響應(yīng)的10-3倍，近似認為沒有響應(yīng)。靈敏元C對UVC的響應(yīng)近似為一個矩形。
探測器的三個靈敏元在接收紫外照射后分別產(chǎn)生三路微弱電流，由于探測器三個靈敏元性質(zhì)相近，所以對三路輸出電流采用同樣的三路前置放大器，三路放大的電路原理圖見圖6所示在電路中，電阻R2、R3、電容C2和電位器RV1構(gòu)成調(diào)零電路，通過調(diào)節(jié)RV1可將運放失調(diào)調(diào)零。R1和C1用來補償集成運放的偏置電流。RV2用來調(diào)節(jié)放大電路的增益，此電路將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號并將信號放大。當探測器接受紫外輻射后產(chǎn)生微電流信號，微電流經(jīng)過電流-電壓轉(zhuǎn)化放大電路之后輸出電壓信號。在圖6中可以看到UVA產(chǎn)生微電流，微電流流經(jīng)反饋電阻R5和RV2之后產(chǎn)生壓差輸出電壓信號，通過調(diào)節(jié)RV2的阻值可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。
探測器內(nèi)部的靈敏元A、B、C分別對UVA、UVB和UVC響應(yīng)的大小不同，所以采用通過調(diào)節(jié)其各自信號放大電路增益的辦法，使UVA、UVB和UVC輸出的信號都在同一個數(shù)量級，使之具有可比性。具體設(shè)計時按照探測器響應(yīng)率的大小，選擇不同增益值，使用時事先調(diào)節(jié)好各部分的反饋電阻值，使其輸出信號相匹配。
前置放大電路的三路電壓輸出信號，分別對應(yīng)UVA、UVB和UVC。
可編程波段選擇運算電路的原理圖如圖7所示波段選擇電路由單片機控制模擬開關(guān)ADG412實現(xiàn)，ADG412導通時電阻很小，夾斷時漏電流很小，從而保證了測量的精度。
當選擇UVA波段測量時，ADG412的S1斷開S2、S3閉合，UA輸入到信號放大電路，經(jīng)過LF353放大，此時電路輸出的Uo即為UVA的信號；
當選擇UVB波段測量時，UVB和UVC輸入到U1A上，R1、R2、R3、R4和U1A構(gòu)成減法電路，減法電路的輸出為UB1，ADG412的S2斷開S1、S3閉合，UB1輸入到信號放大電路，經(jīng)過LF353放大，此時電路輸出的Uo即為UVB的信號(因為靈敏元B除了對UVB波段有響應(yīng)之外對UVC波段也有部分響應(yīng)，所以測量UVB信號采用UVB與UVC相減得到，這樣可以很好的提高UVB波段的測量精度)；當選擇UVC波段測量時，ADG412的S3斷開S1、S2閉合，UC輸入到信號放大電路，經(jīng)過LF353放大，此時電路輸出的Uo即為UVC的信號；當選擇UV波段測量時，ADG412的S1、S2、S3斷開，UA、UB1和UC輸入到加法電路，經(jīng)過LF353放大，此時電路輸出的Uo即為UV的信號。
A/D轉(zhuǎn)換與MCU控制A/D轉(zhuǎn)換與MCU控制電路原理圖如圖8所示測量信號經(jīng)過可編程波段選擇運算電路后輸入到8位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX154的模擬輸入通道AIN1，為避免干擾，將通道AIN2接地。模擬通道地址選擇輸入引腳A1接地，A0接單片機的P1.6口，通過單片機的P1.6口選擇模擬通道AIN1的UV信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。MAX154的數(shù)據(jù)輸出總線接AT89C52的P0口，轉(zhuǎn)換完畢后的數(shù)據(jù)可由P0口讀入，MAX154的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出INT引腳接單片機的P1.7腳，通過查詢P1.7腳的電平狀態(tài)即可判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。
經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸入到單片機AT89C52處理，單片機根據(jù)當前讀入的值計算、修正和標定后，再通過P2口送128*64LCD顯示。LCD的8位數(shù)據(jù)線接P2口，LCD的E(使能)引腳接單片機的P3.1口，通過P3.1口控制LCD的是否工作；LCD的R/W(讀/寫)引腳接單片機的P3.4口，通過P3.4口控制LCD的讀寫；LCD的RS(寄存器)腳接單片機的P3.5口，通過P3.5口來選擇使用的寄存器。
軟件設(shè)計根據(jù)硬件連線，以及基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測量裝置所要實現(xiàn)的功能。
軟件的程序流程圖如圖9所示1)初始化；2)根據(jù)按鍵選擇工作波段；3)進行A/D轉(zhuǎn)換；4)計算、修正、標定紫外線輻照度；5)顯示紫外線輻照度，轉(zhuǎn)向3)。
權(quán)利要求1.一種基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測量裝置，其特征在于，包括一紫外探測器，探測器內(nèi)封裝了用于340nm-365nm紫外波段響應(yīng)的氮化鎵鋁基靈敏元A、用于280nm-320nm紫外波段響應(yīng)的氮化鎵鋁基靈敏元B和用于250nm-290nm紫外波段響應(yīng)的氮化鎵鋁基靈敏元C；三前置放大電路，分別連接三個不同紫外波段響應(yīng)的靈敏元的輸出端，用于靈敏元測量信號的前置放大；一可編程波段選擇運算電路，其輸入端分別連接三靈敏元的前置放大電路的輸出端，用于選擇不同紫外波段的測量信號；一A/D轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端連接可編程波段選擇運算電路的輸出端，用于對測量信號的A/D轉(zhuǎn)換；一MCU微處理器，其信號輸入端連接A/D轉(zhuǎn)換模塊，其控制輸入端連接鍵盤，其控制輸出端連接可編程波段選擇運算電路的控制輸入端，其顯示輸出端連接LCD顯示器；用于根據(jù)鍵盤的指令對可編程波段選擇運算電路進行波段選擇的控制和將A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號進行計算、修正、標定，得到輻照度數(shù)據(jù)并將其送LCD顯示器顯示。
專利摘要本實用新型公開一種基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測量裝置，涉及測量技術(shù)領(lǐng)域；該紫外輻照計包括紫外探測器，前置放大電路，可編程波段選擇運算電路，A/D轉(zhuǎn)換模塊和MCU微處理器，探測器內(nèi)封裝了三個不同紫外波段響應(yīng)的氮化鎵鋁(AlGaN)靈敏元A、B和C，分別用于三個不同紫外波段紫外線輻照強度的測量；MCU微處理器的信號輸入端連接A/D轉(zhuǎn)換模塊，其控制輸入端連接鍵盤，其控制輸出端連接可編程波段選擇運算電路的控制輸入端，其顯示輸出端連接LCD顯示器；用于根據(jù)鍵盤的指令對可編程波段選擇運算電路進行波段選擇的控制和將A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號進行計算、修正、標定，得到輻照度數(shù)據(jù)并將其送LCD顯示器顯示。
文檔編號G01J1/44GK2927011SQ20062004097
公開日2007年7月25日 申請日期2006年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月12日
發(fā)明者莊松林, 瑚琦, 顧鈴娟, 蘇錦文, 侯建偉 申請人:上海理工大學