光谱透过率测试实验.doc

光谱透过率测试实验 实验目的 （1）进一步了解光栅单色仪和锁定放大器等光、电仪器的工作原理以及其使用方法。 （2）进一步掌握微弱信号检测的原理及方法。 （3）学会如何检测试样的光谱透过率。 实验原理 单色仪工作原理 光栅单色仪的光路结构图如图1所示，入射到光栅单色仪的自然光或复色光，经入射狭缝S1后投射到球面反射镜M1上。S1处于M1的聚焦面上。因此反射光为平行光束。这束平行光束经闪耀光栅G分光后，分成不同波长的平行光束以不同的衍射角投向球面反射经M2。球面镜M2起照相物镜的作用，这些平行光束经过M2、M3反射后成像在他的聚焦面上，从而得到一系列的光谱。出射狭缝位于球面镜M2的聚焦面上。根据它开启的宽度大小，允许波长间隔非常狭窄的一部分光束射出狭缝S2。 图 SEQ 图表 \* ARABIC 1 WDG30型光栅单色仪原理图 当旋转转轮带动光栅旋转时，可以在狭缝S2处得到光谱纯度高的不同波长的单色光束。这样单色仪就起到了将入射的复色光分解成一系列独立的单色光的作用。 使用单色仪时首先要用标准光源对单色仪的读数进行校准，本实验光源采用的是高压汞灯，它有404.7nm、407.8nm、435.8nm、546.1nm、577nm、579.1nm几条特征谱线，根据这些谱线可以对单色仪的读数进行校准。 锁定放大器工作原理 本实验是用的是南京大学生产的HB-211型精密双相锁定放大器，它是一种新型正交锁定放大器，能精确地测量被淹没在嗓声、干扰背景中的微弱信号。该锁定放大器采用了多点信号平均和相敏检波联合使用的技术，完成对被测信号同相分量和正交分量的检测。并具有动态范围大、漂移小等特点。 图 SEQ 图表 \* ARABIC 2 HB-211型精密双相锁定放大器原理框图 仪器原理框图如图2所示，主要包括以下几大部分：输入信号部分、参考信号部分、信号处理部分、单片机功能控制及测量值显示PC机接口部分、电源及其它部分。 2.1输入信号通道 输入信号通道由低噪声前置放大器，量程控制放大器，高通、低通滤波器三部分组成。 高通、低通滤波器，是由运算放大器和R,C组成的二阶高通、低通滤波器，原理图如图3所示。由高通、低通滤波器组成带通滤波器，根据待测信号的频率选择高通、低通滤波器的载止频率，组成以待测信号频率为中心的带通特性，抑制干扰，提高仪器的过载能力和动态范围。高低、低通滤波器通截止频率可调。组成的滤波器只能放大被测信号及其频率附近带宽内的噪声，使远离信号频率的噪声或干扰被抑制，达到减小干扰或解除过载的目的。 图 SEQ 图表 \* ARABIC 3 高通、低通滤波器原理图 2.2参考信号通道 锁定放大器是利用相关接收原理，从噪声或干扰背景中检测微弱信号，因此，他必须要有一个参考信号通道。参考通道的作用是将外部输入的参考信号(同步信号)，加工成信号处理部分要求的同频方波。经锁相环和分频器组成的倍频电路。对输入信号进行倍频(2f工作模式)或不倍频(f工作模式)。f,2f工作模式根据测量要求，由单片机控制。f,2f电路的输出去触发宽带相移电路。相移量0°,90°,180°,270°由单片机控制，调节面板旋转能产生0~100°的相移量，此相移器调节的相移量是移动方波的上升沿，用此上升沿去触发由锁相环构成的倍频和分频电路。 2.3信号处理部分 信号处理部分是本仪器的核心，对信号进行多点平均和相关处理，从而能达到从噪声或干扰背景中检测信号，信号处理部分的原理框图如图4所示。 图 SEQ 图表 \* ARABIC 4 信号处理部分原理框图 由信号通道输出的信号，设为,为输入信号的振幅，为相对于参考信号的相位差。此信号经由参考信号通道输出的f,2f方波控制的四点平均器进行信号平均。多点信号平均器相当于一个带通放大器，带通的中心频率由参考方波的频率决定，当参考信号频率发生变化时，此带通放大器的中心频率也随着变化。因此，多点信号平均器相当于一个跟踪滤波器，能抑制干扰和噪声。本仪器采用的多点信号平均器是由一个电阻和四个由开关控制的电容器组成，在一个周期内四个开关轮流接通，即每一个电阻电容组成的积分器在四分之一的周期内对信号进行积分。把与参考信号(触发开关的同步信号)同频率的正弦波在四个电容器上积分，在电容上的稳态电压分别为: 式中为放大倍数，为输入信号的幅值，为输入信号相对于参考信号的相位差。 多点信号平均器的输出信号,通过放大后，与参考信号的调相方波进行相敏检波，相敏检波器是开关式的相敏检波器，对于控制开关的同频信号相对于的相位差分别为0°、90°、180°、270°的输出波形对应的直流分量分别是: 、、、。是放大倍数。 相敏检波器的开关同步信号是参考信号输出的调相方波。与的相位差分别为0°、90°、180°、270°四个频率为1024Hz的周期依次改变，