專利名稱：基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及測(cè)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(gè)UV波段的紫外輻射進(jìn)行測(cè)量的輻照計(jì)的測(cè)量技術(shù)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的紫外輻照計(jì)大多采用紫外增強(qiáng)型硅光二極管作為探測(cè)器，接受紫外輻射，進(jìn)行測(cè)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(hào)，進(jìn)行紫外輻射的測(cè)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(cè)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，如果要對(duì)測(cè)量的UV波段進(jìn)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(cè)器頭部體積較笨重，并且由于濾波片的誤差積累，測(cè)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(zhǎng)范圍的紫外光照射才發(fā)光，精度更是難以保證。
實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本實(shí)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(cè)器頭部體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測(cè)量裝置。
為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)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(cè)量裝置，包括一紫外探測(cè)器，探測(cè)器內(nèi)封裝了三個(gè)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(gè)不同紫外波段紫外線輻照強(qiáng)度的測(cè)量；
三前置放大電路，分別連接三個(gè)不同紫外波段響應(yīng)的靈敏元的輸出端，用于靈敏元測(cè)量信號(hào)的前置放大；一可編程波段選擇運(yùn)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(cè)量信號(hào)；一A/D轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端連接可編程波段選擇運(yùn)算電路的輸出端，用于測(cè)量信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換；一MCU微處理器，其信號(hào)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(yùn)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(duì)可編程波段選擇運(yùn)算電路進(jìn)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(hào)進(jìn)行計(jì)算、修正、標(biāo)定，得到輻照度數(shù)據(jù)并將其送LCD顯示器顯示。
進(jìn)一步地，所述靈敏元A只對(duì)UVA波段(340nm-365nm)的紫外輻射響應(yīng)。
進(jìn)一步地，所述靈敏元B只對(duì)UVB波段(280nm-320nm)的紫外輻射響應(yīng)。
進(jìn)一步地，所述靈敏元C只對(duì)UVC波段(250nm-290nm)的紫外輻射響應(yīng)。
進(jìn)一步地，在所述可編程波段選擇運(yùn)算電路中測(cè)量UVB信號(hào)采用UVB與UVC相減的減法電路得到，從而提高UVB波段的測(cè)量精度。
利用本實(shí)用新型提供的基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測(cè)量裝置，由于采用氮化鎵鋁(AlGaN)基紫外探測(cè)器，通過對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)的調(diào)理，就能夠?qū)崿F(xiàn)UVA、UVB和UVC波段以及整個(gè)UV波段的紫外輻射測(cè)量，不像傳統(tǒng)的探測(cè)器需要匹配濾光片來實(shí)現(xiàn)波段的選擇，所以克服了一般傳統(tǒng)的紫外照度計(jì)的一系列問題，如匹配準(zhǔn)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(jiǎn)單、精度高。
本實(shí)用新型的有益效果1)氮化鎵鋁(AlGaN)基紫外探測(cè)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(duì)波長(zhǎng)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(cè)量紫外線輻照強(qiáng)度，因此可以得到較高的測(cè)量精度。
2)傳統(tǒng)的紫外輻照計(jì)只能測(cè)量一個(gè)波段(例如UVA波段)的紫外輻射，其測(cè)量范圍具有單一性。而本紫外輻照計(jì)采用了一個(gè)具有三光敏元的探測(cè)器，該探測(cè)器內(nèi)封裝了三個(gè)不同紫外波段響應(yīng)的靈敏元，三個(gè)靈敏元分別只對(duì)UVA、UVB和UVC波段的紫外輻射響應(yīng)，對(duì)三個(gè)靈敏元分別輸出的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算調(diào)理，可以得到比較精確的UVA、UVB和UVC波段以及整個(gè)UV波段的紫外輻射。
3)傳統(tǒng)的紫外輻照計(jì)是通過在探測(cè)器前面加濾光片來減小或消除可見光及紅外光對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，也是通過匹配探測(cè)器前面的濾光片來實(shí)現(xiàn)測(cè)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(cè)量裝置不需要加濾光片就能消除可見光及紅外光對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，就能選擇測(cè)量的波段范圍。
使用氮化鎵鋁(AlGaN)基紫外探測(cè)器，省去了濾光片，減小了紫外輻照計(jì)的體積，使之便于攜帶，增加了儀器的可靠性，提高了測(cè)量的精度，同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)波段的紫外輻射的測(cè)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(duì)紫外輻射測(cè)量的領(lǐng)域。


圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測(cè)量裝置原理示意框圖；圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測(cè)量裝置AlGaN探測(cè)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例探測(cè)器內(nèi)的靈敏元A對(duì)UVA的響應(yīng)曲線圖；圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例探測(cè)器內(nèi)的靈敏元B對(duì)UVB的響應(yīng)曲線圖；圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例探測(cè)器內(nèi)的靈敏元C對(duì)UVC的響應(yīng)曲線圖；
圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測(cè)量裝置的前置放大電路原理圖；圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測(cè)量裝置的可編程波段選擇運(yùn)算電路圖；圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測(cè)量裝置的A/D轉(zhuǎn)換與MCU控制電路原理圖；圖9是本實(shí)用新型實(shí)施例基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測(cè)量裝置MCU微處理器的程序流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖說明對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本實(shí)施例并不用于限制本實(shí)用新型，凡是采用本實(shí)用新型的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，均應(yīng)列入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
如圖1所示，本實(shí)用新型實(shí)施例所提供的一種基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測(cè)量裝置，包括一紫外探測(cè)器，探測(cè)器內(nèi)封裝了三個(gè)不同紫外波段響應(yīng)的靈敏元A、B和C，分別用于三個(gè)不同紫外波段紫外線輻照強(qiáng)度的測(cè)量；三前置放大電路，分別連接三個(gè)不同紫外波段響應(yīng)的靈敏元的輸出端，用于靈敏元測(cè)量信號(hào)的前置放大；一可編程波段選擇運(yùn)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(cè)量信號(hào)；一A/D轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端連接可編程波段選擇運(yùn)算電路的輸出端，用于測(cè)量信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換；一MCU微處理器，其信號(hào)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(yùn)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(duì)可編程波段選擇運(yùn)算電路進(jìn)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(hào)進(jìn)行計(jì)算、修正、標(biāo)定，得到輻照度數(shù)據(jù)并將其送LCD顯示器顯示。
當(dāng)太陽光照射時(shí)，基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測(cè)量裝置按照用戶選擇的所需測(cè)量的紫外波段開始工作，太陽光照射到三靈敏元紫外探測(cè)器上，紫外探測(cè)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(cè)器有三個(gè)光敏元，所以會(huì)產(chǎn)生三路輸出信號(hào)(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(hào)，電壓信號(hào)輸入到可編程波段選擇運(yùn)算電路中?？删幊滩ǘ芜x擇運(yùn)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(yùn)算電路，以確定輻照計(jì)的工作波段。按鍵提供了四個(gè)可選波段UVA、UVB和UVC波段以及整個(gè)UV波段。工作波段確定后，可編程波段選擇運(yùn)算電路輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)輸入到MCU，經(jīng)過計(jì)算，修正和標(biāo)定后，MCU再將最后的輻照度數(shù)據(jù)送LCD顯示。
AlGaN探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖2所示探測(cè)器內(nèi)封裝了三個(gè)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(duì)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(dāng)波長(zhǎng)小于340nm時(shí)，靈敏元A的響應(yīng)很?。划?dāng)波長(zhǎng)位于340nm-365nm的范圍內(nèi)時(shí)，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(dāng)波長(zhǎng)大于365nm時(shí)，靈敏元的響應(yīng)為零。所以，靈敏元A對(duì)UVA的響應(yīng)基本是一個(gè)矩形。
靈敏元B只對(duì)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(dāng)波長(zhǎng)位于280nm-320nm的范圍內(nèi)時(shí)，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(zhǎng)大于320nm時(shí)，靈敏元B的響應(yīng)約為最大響應(yīng)的10-3倍，可以認(rèn)為沒有響應(yīng)。
靈敏元C只對(duì)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(dāng)波長(zhǎng)位于250nm-290nm的范圍內(nèi)時(shí)，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(zhǎng)大于290nm時(shí)，靈敏元C的響應(yīng)約為最大響應(yīng)的10-3倍，近似認(rèn)為沒有響應(yīng)。靈敏元C對(duì)UVC的響應(yīng)近似為一個(gè)矩形。
探測(cè)器的三個(gè)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(cè)器三個(gè)靈敏元性質(zhì)相近，所以對(duì)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(yùn)放失調(diào)調(diào)零。R1和C1用來補(bǔ)償集成運(yùn)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(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并將信號(hào)放大。當(dāng)探測(cè)器接受紫外輻射后產(chǎn)生微電流信號(hào)，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(hào)。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(hào)，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(cè)器內(nèi)部的靈敏元A、B、C分別對(duì)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(hào)放大電路增益的辦法，使UVA、UVB和UVC輸出的信號(hào)都在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，使之具有可比性。具體設(shè)計(jì)時(shí)按照探測(cè)器響應(yīng)率的大小，選擇不同增益值，使用時(shí)事先調(diào)節(jié)好各部分的反饋電阻值，使其輸出信號(hào)相匹配。
前置放大電路的三路電壓輸出信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)UVA、UVB和UVC。
可編程波段選擇運(yùn)算電路的原理圖如圖7所示波段選擇電路由單片機(jī)控制模擬開關(guān)ADG412實(shí)現(xiàn)，ADG412導(dǎo)通時(shí)電阻很小，夾斷時(shí)漏電流很小，從而保證了測(cè)量的精度。
當(dāng)選擇UVA波段測(cè)量時(shí)，ADG412的S1斷開S2、S3閉合，UA輸入到信號(hào)放大電路，經(jīng)過LF353放大，此時(shí)電路輸出的Uo即為UVA的信號(hào)；
當(dāng)選擇UVB波段測(cè)量時(shí)，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(hào)放大電路，經(jīng)過LF353放大，此時(shí)電路輸出的Uo即為UVB的信號(hào)(因?yàn)殪`敏元B除了對(duì)UVB波段有響應(yīng)之外對(duì)UVC波段也有部分響應(yīng)，所以測(cè)量UVB信號(hào)采用UVB與UVC相減得到，這樣可以很好的提高UVB波段的測(cè)量精度)；當(dāng)選擇UVC波段測(cè)量時(shí)，ADG412的S3斷開S1、S2閉合，UC輸入到信號(hào)放大電路，經(jīng)過LF353放大，此時(shí)電路輸出的Uo即為UVC的信號(hào)；當(dāng)選擇UV波段測(cè)量時(shí)，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(shí)電路輸出的Uo即為UV的信號(hào)。
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(cè)量信號(hào)經(jīng)過可編程波段選擇運(yùn)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(jī)的P1.6口，通過單片機(jī)的P1.6口選擇模擬通道AIN1的UV信號(hào)進(jìn)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(hào)輸出INT引腳接單片機(jī)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(jī)AT89C52處理，單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前讀入的值計(jì)算、修正和標(biāo)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(jī)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(jī)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(jī)的P3.5口，通過P3.5口來選擇使用的寄存器。
軟件設(shè)計(jì)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(cè)量裝置所要實(shí)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；4)計(jì)算、修正、標(biāo)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(cè)量裝置，其特征在于，包括一紫外探測(cè)器，探測(cè)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(gè)不同紫外波段響應(yīng)的靈敏元的輸出端，用于靈敏元測(cè)量信號(hào)的前置放大；一可編程波段選擇運(yùn)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(cè)量信號(hào)；一A/D轉(zhuǎn)換模塊，其輸入端連接可編程波段選擇運(yùn)算電路的輸出端，用于對(duì)測(cè)量信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換；一MCU微處理器，其信號(hào)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(yùn)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(duì)可編程波段選擇運(yùn)算電路進(jìn)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(hào)進(jìn)行計(jì)算、修正、標(biāo)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(shí)用新型公開一種基于氮化鎵鋁的多波段紫外輻照度測(cè)量裝置，涉及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域；該紫外輻照計(jì)包括紫外探測(cè)器，前置放大電路，可編程波段選擇運(yùn)算電路，A/D轉(zhuǎn)換模塊和MCU微處理器，探測(cè)器內(nèi)封裝了三個(gè)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(gè)不同紫外波段紫外線輻照強(qiáng)度的測(cè)量；MCU微處理器的信號(hào)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(yùn)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(duì)可編程波段選擇運(yùn)算電路進(jìn)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(hào)進(jìn)行計(jì)算、修正、標(biāo)定，得到輻照度數(shù)據(jù)并將其送LCD顯示器顯示。
文檔編號(hào)G01J1/44GK2927011SQ20062004097
公開日2007年7月25日 申請(qǐng)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(qǐng)人:上海理工大學(xué)