光譜透過率實(shí)驗(yàn)(2012級(jí))20

1、上課參考專用光譜透過率測(cè)量實(shí)驗(yàn)物體透過率是指物體透射的光通量與入射光通量之比，標(biāo)志著物體傳輸光輻射能量的強(qiáng)弱，光譜透過率是指物體對(duì)某個(gè)波長的單色光的透過率。隨著科學(xué)的發(fā)展，光譜所貢獻(xiàn)的力量越來越大，光譜學(xué)及光譜分析在各個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用也越來越廣泛，如物質(zhì)成分檢測(cè)，農(nóng)作物病害蟲檢測(cè)，物質(zhì)品質(zhì)檢測(cè)等等。這些都主要是通過分析物質(zhì)的吸收光譜或透射光譜來實(shí)現(xiàn)的，因此測(cè)量光譜透過率具有重要的意義。透明、半透明物體（包括液體、玻璃等）的光譜透過率的測(cè)量具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值，例如根據(jù)溶液濃度與光譜透過率的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系可以利用光譜透過率測(cè)量液體的濃度；根據(jù)濾光片的光譜透過率來評(píng)價(jià)濾光片的質(zhì)量好壞；以玻璃為主

2、要材料的光學(xué)系統(tǒng)的光譜透過率是系統(tǒng)能量傳輸?shù)闹匾笜?biāo)。光譜透過率反映了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的輻射光通量的損耗與成像質(zhì)量的好壞以及成像質(zhì)量好壞的參考標(biāo)準(zhǔn)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所搭建的平臺(tái)既可以進(jìn)行雙光束雙通道測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建，也可以進(jìn)行普通的單通道測(cè)試系統(tǒng)搭建。并運(yùn)用所設(shè)計(jì)的光譜透過率測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量透明、半透明物質(zhì)的光譜透過率等。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、加深對(duì)光柵單色儀、鎖定放大器工作原理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的理解。2、掌握光柵單色儀、鎖定放大器等光電檢測(cè)儀器的應(yīng)用。3、學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)光譜透過率測(cè)量系統(tǒng)的基本方法。實(shí)驗(yàn)原理光譜透過率原理光是一種電磁波，當(dāng)光波遇到有界面時(shí)會(huì)受到影響而引起反射和透射現(xiàn)象。一般光學(xué)元件表面都鍍有薄膜，光學(xué)鍍膜

3、是在光學(xué)元件上或獨(dú)立基板上鍍上特定的膜質(zhì)來改變光波傳遞的特性，如眼鏡鏡片有不同顏色均是由鍍膜所導(dǎo)致的。因此光學(xué)元件具有光譜特性，也就具有光譜透過率。在測(cè)量和計(jì)算透明物體或溶液的光譜和顏色特性時(shí)，也常要用到這一物理量。光譜透過率表示從光學(xué)系統(tǒng)出射的輻射光通量與投射到光學(xué)系統(tǒng)的輻射光通量之比，光學(xué)系統(tǒng)光譜透過率一般用表示6，即： （1）式中: 波長為、光通量為的單色光垂直入射到光學(xué)系統(tǒng)，由于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)不同波長的光的透過能力不一樣，所以透過光學(xué)系統(tǒng)的光強(qiáng)也不一樣。 因此，搭建光譜透過率測(cè)試系統(tǒng)，主要目標(biāo)就是測(cè)量出和。相關(guān)檢測(cè)原理在檢測(cè)光譜透過率測(cè)量系統(tǒng)中的信號(hào)時(shí)，噪聲是一種擾亂信號(hào)，它是限制和影響檢

4、測(cè)系統(tǒng)的靈敏度、精確性和重復(fù)性的重要因素。為了將噪聲所淹沒的信號(hào)檢測(cè)出來，通過考察和研究各種信號(hào)及噪聲的規(guī)律發(fā)現(xiàn)，信號(hào)與信號(hào)的延時(shí)相乘后累加的結(jié)果可以區(qū)別于信號(hào)與噪聲的延時(shí)相乘后累加的結(jié)果，從而提出了“相關(guān)”的概念。根據(jù)相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，可以利用乘法器，延時(shí)器及積分器進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，從而將周期信號(hào)從噪聲中檢測(cè)出來，這就是所謂的“相關(guān)檢測(cè)”。相關(guān)檢測(cè)可分為自相關(guān)檢測(cè)與互相關(guān)檢測(cè)?；ハ嚓P(guān)檢測(cè)比自相關(guān)檢測(cè)抑制噪聲的能力強(qiáng)，并有一定的互相關(guān)增益，故抑制噪聲的能力優(yōu)于自相關(guān)?；ハ嚓P(guān)檢測(cè)互相關(guān)檢測(cè)原理圖（如圖所示）：互相關(guān)檢測(cè)原理圖輸入乘法器的是被含有噪聲的信號(hào)和被延時(shí)的與被檢測(cè)信號(hào)同頻率的參考信號(hào)，最后積分

5、器的輸出為 ： （2） 是噪聲與參考信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，參考信號(hào)和噪聲是不相關(guān)的，隨積分時(shí)間T的延長而趨于零；是信號(hào)與參考信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，參考信號(hào)和信號(hào)是相關(guān)的，隨積分時(shí)間T的延長而趨于某一函數(shù)值?；ハ嚓P(guān)檢測(cè)要求用與被測(cè)信號(hào)同頻率的參考信號(hào)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)未知時(shí)，要取得與同頻率的信號(hào)在某些情況下是困難的。要做大量試驗(yàn)工作，才能確定，這時(shí)一般不采用互相關(guān)檢測(cè)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)各部分介紹光譜透過率測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供：低壓汞燈：溴鎢燈光源、光柵單色儀、聚光鏡、分光鏡、反光鏡、斬光盤、光電池探測(cè)器、鎖定放大器等構(gòu)成，下面詳細(xì)講述測(cè)試系統(tǒng)的各組成器件及其原理。光源低壓汞燈點(diǎn)燃之后能發(fā)出較強(qiáng)的汞的特性光譜線，它有4

6、04.7nm、546.1nm、577nm、579.1nm幾條特征譜線，根據(jù)這些譜線可以對(duì)單色儀的讀數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。圖1 低壓汞燈光源GY-6高度可調(diào)溴鎢燈光源（如圖2所示），溴鎢燈又稱為鹵素?zé)?，它是被廣泛使用的理想光源。溴鎢燈發(fā)光效率高，在光學(xué)儀器和電影放映等許多方面有廣泛應(yīng)用。圖2 GY-6高度可調(diào)溴鎢燈光源透鏡由于溴鎢燈光源發(fā)出的光比較發(fā)散，為了更有效的收集光能，采用凸透鏡（如圖3所示）對(duì)光源發(fā)出的光進(jìn)行會(huì)聚，光源發(fā)出的發(fā)散光經(jīng)過透鏡之后聚焦。圖3 兩種凸透鏡圖片光柵單色儀1. 單色儀工作原理光柵單色儀的光路結(jié)構(gòu)如圖1所示，入射到光柵單色儀的自然光或復(fù)色光，經(jīng)入射狹縫S1后投射到球面反射鏡M1

7、上。S1處于M1的聚焦面上。因此反射光為平行光束。這束平行光束經(jīng)閃耀光柵G分光后，分成不同波長的平行光束以不同的衍射角投向球面反射經(jīng)M2。球面鏡M2起照相物鏡的作用，這些平行光束經(jīng)過M2、M3反射后成像在他的聚焦面上，從而得到一系列的光譜。出射狹縫位于球面鏡M2的聚焦面上。根據(jù)它開啟的寬度大小，允許波長間隔非常狹窄的一部分光束射出狹縫S2。圖1 WDG30型光柵單色儀原理圖當(dāng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以在狹縫S2處得到光譜純度高的不同波長的單色光束。這樣單色儀就起到了將入射的復(fù)色光分解成一系列獨(dú)立的單色光的作用。使用單色儀時(shí)首先要用標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)單色儀的讀數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，本實(shí)驗(yàn)光源采用的是低壓汞燈。分

8、光鏡分光鏡可以將單色儀射出的單色光以一半反射一半透射的形式將單色光分成兩束，一束光為參考光（單通道系統(tǒng)中為監(jiān)測(cè)光），另一束為測(cè)試光，即被測(cè)物體置于該光路上。由于分光鏡并不是準(zhǔn)確地將光以二分之一和二分之一的形式分光，故在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先測(cè)量出分光鏡的分光比，這樣可以提高實(shí)驗(yàn)精度，分光鏡實(shí)物（如圖5所示）。圖5分光鏡片與鏡架圖反光鏡用來反射分光鏡分出的光束以形成兩束平行的光束（如圖6所示）。圖6 反光鏡片與鏡架圖斬光盤斬光盤是一種由電子控制的風(fēng)扇式輪葉，在選定的某個(gè)轉(zhuǎn)速下，恒定的連續(xù)光束便被調(diào)制為一定頻率的周期性斷續(xù)光，并且斬光盤的透光時(shí)間與遮光時(shí)間相等，這樣就可以將恒定的光源變成交變的光源。光學(xué)斬光盤

9、的作用就是使直流光信號(hào)變成交流光信號(hào)，交流輻射信號(hào)便于電子學(xué)處理。光學(xué)斬光盤主要由機(jī)械架、光耦頻率反饋、機(jī)械斬光片和速度控制電子學(xué)系統(tǒng)組成。斬光盤的結(jié)構(gòu)（如圖7所示）。有內(nèi)孔外孔兩個(gè)孔，在電機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，是連續(xù)光變成占空比為1:1的交流光信號(hào)，通常，斬光盤應(yīng)放置在光電探測(cè)器的前方。本系統(tǒng)使用的是的南京大學(xué)微弱信號(hào)檢測(cè)中心研制的ND-4型可變頻雙參考斬光盤，其實(shí)物（如圖3-6所示）。圖7 斬光盤ND-4型可變頻雙參考斬光器主要技術(shù)指標(biāo)如下：1 斬光頻率范圍：70Hz1200 Hz/8 Hz140 Hz2 頻率顯示誤差：±0.01 Hz3 頻率穩(wěn)定度（預(yù)熱1小時(shí)）：0.5%/小時(shí)4 參

10、考輸出：兩路：內(nèi)孔、外孔波形：方波 幅度：-6V+6V5 輸出阻抗：1K6 啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間（電機(jī)最高轉(zhuǎn)速）：30秒（典型值）7 相位抖動(dòng)： 2孔：0.2° 17孔：1.5°探測(cè)器光電池是一種根據(jù)光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種光電轉(zhuǎn)換器件。光電池有許多的特性，光電池所選用的材料的不同決定了光電池的光譜特性，比如在可見光的光譜范圍內(nèi)，硒光電池有較高的靈敏度，選擇合適的濾光片與硒光電池相配合，這樣它的光譜靈敏度就和人的眼睛非常相近，于是就能用它來決定照度的大小。硅光電池的應(yīng)用范圍是400nm到1100nm之間，峰值波長在850nm左右，所以它對(duì)色溫為2854K的鎢絲燈光源，可以

11、得到非常好的光譜響應(yīng)。因此選用硒光電池作為探測(cè)器，其實(shí)物圖（如圖8所示）。圖8 光電池探測(cè)器鎖定放大器南京大學(xué)生產(chǎn)的HB-211型精密雙相鎖定放大器，它是一種新型正交鎖定放大器，能準(zhǔn)確測(cè)量被嗓聲和干擾信號(hào)淹沒的微弱信號(hào)，其同時(shí)使用了多點(diǎn)信號(hào)平均器和相敏檢波器，能夠檢測(cè)被測(cè)信號(hào)同相分量和正交分量。并具有動(dòng)態(tài)范圍大、漂移小等特點(diǎn)，鎖定放大器實(shí)物圖（如圖9所示）。圖9 鎖定放大器HB-211型精密雙相鎖定放大器技術(shù)指標(biāo)a) 工作頻率：5Hz100KHzb) 測(cè)量量程（滿刻度靈敏度）：100nV 1V 10V 100V1mV 10mV 100mV 1Vc) 輸入短路整機(jī)噪聲電壓（1KHz）：2nV/d

12、) 不相干信號(hào)最大過載電平：1000FSe) 白噪聲最大過載電平：300FSf) 輸出直流漂移：5 FS/Hg) 輸出總動(dòng)態(tài)范圍：120dB鎖定放大器的使用1.信號(hào)輸入被測(cè)信號(hào)可以有兩個(gè)輸入端,輸入，它們?yōu)槌驮肼暻爸梅糯笃鞯膬蓚€(gè)輸入端。通過輸入模式的選擇，被測(cè)信號(hào)可以采用下列輸入方式:單端輸入模式：輸入(同相輸入)、輸入(反相輸入)差分輸入模式:-輸入(差分輸入)具有共模抑制能力。輸入短路模式:和均接地，用于測(cè)量輸入短路噪聲，或保護(hù)輸入級(jí)。接上待測(cè)信號(hào)(傳感器或其它微弱信號(hào)源)，根據(jù)待測(cè)信號(hào)的情況選擇輸入模式，如果是要單端輸入的選用A輸入、差分輸入的選用A-B輸入，通過功能設(shè)置鍵進(jìn)行設(shè)置。本

13、實(shí)驗(yàn)采用單端A輸入模式。2.接地端子在信號(hào)輸入下方為儀器的接地端子。由于本儀器輸入端采用半浮地技術(shù)，對(duì)信號(hào)源、參考源和檢測(cè)儀器之間的地線要進(jìn)行合理的接地，被測(cè)信號(hào)、參考信號(hào)和儀器前置放大器的接地端須要用粗大地線連接，輸入電纜盡量要短（本實(shí)驗(yàn)不需要粗大地線）。3.時(shí)間常數(shù)的選擇鎖定放大器采用的是窄帶抑制噪聲技術(shù)。等效噪聲帶寬B。反比于儀器的時(shí)間常T（），時(shí)間常數(shù)越長，等效噪聲帶寬越小，即對(duì)噪聲的抑制能力越強(qiáng)。也就是說，鎖定放大器能獲得信噪比的改善是犧牲時(shí)間為代價(jià)的。對(duì)于一個(gè)變化緩慢的信號(hào)，可以采用較長的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行測(cè)量，但對(duì)于一些變化較快的信號(hào)，在測(cè)量時(shí)要注意使用的時(shí)間常數(shù)與被測(cè)量變化速度相適應(yīng)

14、。時(shí)間常數(shù)選得過短，則信噪比改善得不夠，輸出噪聲較大。時(shí)間常數(shù)選擇得過長，雖信噪比改善得較好，但有可能把有用的變化信號(hào)也給平滑掉，而不能分辮。另外，時(shí)間常數(shù)選擇與被測(cè)信號(hào)的頻率也有關(guān)系，特別在對(duì)低頻信號(hào)測(cè)量時(shí)，時(shí)間常數(shù)應(yīng)選得比較長。4.參考模式f，2f的使用鎖定放大器是用相干測(cè)量技術(shù)測(cè)量與參考信號(hào)頻率同頻的信號(hào)。有些測(cè)量中，除了要測(cè)量基波外，還要測(cè)量二次諧波分量。例如測(cè)量一些器件的非線性效應(yīng)，微分電阻等。為了這些測(cè)量在本儀器的參考通道中增加了一個(gè)f,2f選擇電路，由功能設(shè)置的參考模式控制。測(cè)量與參考信號(hào)頻率相同的信號(hào)時(shí)參考模式選“f”。要測(cè)二次諧波時(shí)選“2f”，請(qǐng)使用時(shí)注意。5.直角坐標(biāo)分量,

15、和極坐標(biāo),的測(cè)量。一個(gè)待測(cè)信號(hào)，對(duì)于鎖定放大器所測(cè)的信號(hào)，頻率是已知的，要測(cè)量此信號(hào)即是測(cè)出其用直角坐標(biāo)表示的和、用極坐標(biāo)表示的和。這兩個(gè)量之的關(guān)系為: ，數(shù)據(jù)采集卡NI myDAQ在myDAQ（如圖10、11所示）上集成了8種常用的基本儀器，涵蓋數(shù)字萬用表，示波器，函數(shù)發(fā)生器，波特圖儀，動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀，任意信號(hào)發(fā)生器，數(shù)字輸入與數(shù)字輸出。數(shù)字萬用表來測(cè)量基本的電壓，電流，電阻與二極管參數(shù)；使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生自定義激勵(lì)信號(hào)；使用示波器來觀察信號(hào)的細(xì)節(jié)；使用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀獲取，分析并提取信號(hào)特征；使用任意信號(hào)發(fā)生器來進(jìn)行自定義的模擬量控制輸出；使用數(shù)字生成與采集器來完成數(shù)字量的輸入與開關(guān)量的控制

16、。學(xué)生除了可以像傳統(tǒng)儀器那樣輕松使用myDAQ上的8種儀器之外，他們可以通過針對(duì)LabVIEW的DAQmx與ELVISmx驅(qū)動(dòng)API來靈活組合，調(diào)用myDAQ上的各種硬件資源，將模擬輸入輸出，數(shù)字輸入輸出，計(jì)數(shù)器硬件，3.5mm的標(biāo)準(zhǔn)音頻輸入輸出，甚至板上電源靈活組合，針對(duì)不同的創(chuàng)新實(shí)踐應(yīng)用給出不同的組合解決方案。圖10 NI myDAQ圖11 NI myDAQ電路圖結(jié)上所述，光譜透過率測(cè)試系統(tǒng)提供如下：1 光源：光源為溴鎢燈，提供白色光源。2 單色儀：光柵單色儀上的轉(zhuǎn)輪選擇不同的波長便可以在出射狹縫處得到光譜純度較高的對(duì)應(yīng)單色光束，這一系列的單色光即為本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試光。3 聚光鏡：由于溴鎢

17、燈發(fā)光較發(fā)散，光柵單色儀出射狹縫射出的光也比較發(fā)散，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)光路的各個(gè)地方都可能需要用到聚光鏡來使測(cè)試光線盡可能強(qiáng)，從而提高實(shí)驗(yàn)精度。4 分光鏡：使用分光鏡將測(cè)試光分成參考（監(jiān)測(cè)）光和測(cè)試光兩束。5 反光鏡：雙光路中用來反射分光鏡反射出來的那束光作為參考光。6 斬光盤：調(diào)制信號(hào)。7 光電池探測(cè)器：將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)以便處理。8 鎖定放大器：對(duì)信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，用于微弱信號(hào)檢測(cè)，從噪聲中提取有用信號(hào)。9 數(shù)據(jù)采集卡：對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集以及預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、放大、A/D、D/A等功能。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路參考光譜透過率測(cè)試系統(tǒng)有兩種方案，一種是單通道測(cè)試系統(tǒng)，另一種是雙通道測(cè)試系統(tǒng)。單通道測(cè)試系

18、統(tǒng)需要在有被測(cè)物和無被測(cè)物時(shí)進(jìn)行兩次測(cè)試，雙通道測(cè)試系統(tǒng)只需測(cè)量一次可同時(shí)得到透過前和透過后的數(shù)據(jù)。兩種方案都主要由光柵單色儀、分光鏡、反光鏡、聚光鏡、光電池和鎖定放大器等組成。1. 單通道測(cè)試方法：單通道測(cè)試系統(tǒng)初期設(shè)計(jì)方案圖（如圖12所示）。光電池?cái)毓獗P被測(cè)樣品聚光鏡光柵單色儀聚光鏡光源鎖定放大器數(shù)據(jù)采集卡計(jì)算機(jī)圖12 單通道測(cè)試系統(tǒng)方案溴鎢燈光源出光后由聚光鏡會(huì)聚到單色儀的入射狹縫，單色儀出射狹縫射出單色光作為被測(cè)光，由于單色儀出射光較弱且發(fā)散，因此用聚光鏡對(duì)出射光進(jìn)行聚光，然后經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制為交流信號(hào)，之后通過被測(cè)物體后的光經(jīng)光電池探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸入鎖定放大器進(jìn)行處理（或數(shù)據(jù)采集卡

19、采集，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理）。其中需要分別測(cè)試放置被測(cè)樣品和不放置被測(cè)樣品時(shí)的兩組數(shù)據(jù)。注意事項(xiàng)：在實(shí)際操作的過程中，為了保持光的強(qiáng)度，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)時(shí)更加便于觀察以及調(diào)整光路，實(shí)驗(yàn)時(shí)需要多個(gè)匯聚透鏡光束進(jìn)行會(huì)聚，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室的透鏡種類不同，會(huì)聚效果也不一樣，為了讓光都進(jìn)入斬光盤的外孔，需要多個(gè)透鏡組合使光會(huì)聚效果更好，根據(jù)透鏡的焦距調(diào)整樣品、斬光盤、光電池的位置，實(shí)驗(yàn)時(shí)被測(cè)樣品應(yīng)放置在斬光盤的前方，這樣光電池與斬光盤距離較近，不然光經(jīng)過斬光盤后通過樣品后到達(dá)光電池中間光路較長，光束又會(huì)發(fā)散。單通道測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)（如圖13所示）。圖13 單通道測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖a) 雙通道測(cè)試方法：設(shè)計(jì)方案（如圖14所示）

20、。光源聚光鏡光柵單色儀聚光鏡分光鏡反光鏡斬光盤被測(cè)樣品光電池鎖定放大器數(shù)據(jù)采集卡計(jì)算機(jī)圖14雙通道測(cè)試系統(tǒng)方案光源出光后由聚光鏡會(huì)聚到單色儀的入射狹縫，單色儀出射狹縫射出單色光作為被測(cè)光，由于單色儀出射光較弱，因此單色儀后用聚光鏡進(jìn)行聚光，之后用分光鏡把光束分成參考光和測(cè)量光兩路，然后經(jīng)斬光盤調(diào)制，參考光直接用光電池探測(cè)器輸進(jìn)鎖定放大器，測(cè)量光經(jīng)被測(cè)物體后再經(jīng)光電池探測(cè)器輸進(jìn)鎖定放大器進(jìn)行處理。注意事項(xiàng)：光源和單色儀之間需要聚光，出射狹縫的寬度最大的時(shí)候，出射光最亮，光源與單色儀（如圖15所示）。圖15光源與單色儀放置圖方案中的調(diào)制器主要是用來給后面的鎖定放大器提供參考電路的。實(shí)驗(yàn)過程中，鎖定

21、放大器的A、B兩個(gè)輸入端的輸入方式有：單端輸入模式：A端輸入（同相輸入）、B端輸入（反相輸入）；差分輸入模式：A-B輸入（差分輸入）具有共模抑制能力；輸入短路模式：A和B端均接地，用于測(cè)量輸入短路噪聲或保護(hù)輸入級(jí)10。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)系統(tǒng)的參考光與被測(cè)光兩條光路輸出的光要進(jìn)行比較，需要選擇鎖定放大器的單端輸入但是又不能一個(gè)同相輸入一個(gè)反相輸入，因此本設(shè)計(jì)方案需要用兩個(gè)鎖定放大器，這樣就需要兩個(gè)光路分開進(jìn)行調(diào)制，分別給自己光路上的鎖定放大器提供參考光路，故需要用兩個(gè)調(diào)制器，即兩個(gè)斬光盤。實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖（如圖16所示）。圖16 調(diào)制器與鎖定放大器圖另外，分光鏡分出的兩道光束中，其中一束要通過反光鏡反射使兩道

22、光束方向相同，實(shí)際操作時(shí)需要在分光鏡和反光鏡之間加了凸透鏡聚光使光束能全都被反光鏡反射，因?yàn)榭紤]到兩條光路都要留足夠的空間擺放儀器，所以分光鏡和反光鏡之間要有相應(yīng)的距離，為了避免光束發(fā)散，所以只能加入透鏡來調(diào)整光路（如圖17所示）。圖17 分光鏡與反光鏡光路圖最終雙通道測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)物圖（如圖18所示）。圖18 雙通道測(cè)試系統(tǒng)光路圖數(shù)據(jù)采集及軟件部分?jǐn)?shù)據(jù)采集部分提供的是美國國家儀器（NI）有限公司生產(chǎn)的NI myDAQ數(shù)據(jù)采集卡。NI myDAQ用來采集數(shù)據(jù)時(shí)操作非常方便，可以繼續(xù)進(jìn)行拓展訓(xùn)練。 圖3-20 數(shù)據(jù)采集卡測(cè)試連線圖完成設(shè)計(jì)任務(wù)參考實(shí)例所用實(shí)驗(yàn)儀器鎖定放大器、光柵單色儀、溴燈、斬光器

23、、高壓汞燈、會(huì)聚透鏡、濾光片等。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包擴(kuò)單色儀的定標(biāo)和光譜特性的測(cè)量。定標(biāo)即首先利用汞燈的幾條特定譜線對(duì)單色儀進(jìn)行校準(zhǔn)定標(biāo)，找出單色儀出射光實(shí)際波長與顯示波長讀數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；光譜特性的測(cè)量即利用寬光譜的鹵素?zé)翡鍩糇鞴庠矗謩e測(cè)量探測(cè)器在直接接收單色儀出射光和透過被測(cè)樣品時(shí)的光譜響應(yīng)，從而求出幾種樣品的光譜透過率。2.實(shí)驗(yàn)步驟（1）校準(zhǔn)單色儀按圖5裝置擺好光路，調(diào)整透鏡盡量使得汞燈的光能聚焦在單色儀的入射狹縫，使透鏡高壓汞燈單色儀觀察出光狹縫圖2 單色儀校準(zhǔn)裝置示意圖更多的光能進(jìn)入單色儀。在單色儀出射狹縫從小到大旋轉(zhuǎn)光柵單色儀的轉(zhuǎn)輪，可以觀察到汞燈精細(xì)明亮的4條特征譜

24、線，實(shí)際波長依次為404.7nm、546.1nm、577nm、579.1nm。記下每條譜線單色儀對(duì)應(yīng)的讀數(shù)，為消除誤差，測(cè)量23次取平均值。在觀察的過程中為使讀數(shù)更加準(zhǔn)確，可以適當(dāng)減小入射狹縫寬度，增大出射狹縫寬度。根據(jù)汞燈的譜線特性，做出單色儀出射光實(shí)際波長值和顯示值的曲線關(guān)系。這樣便可通過單色儀上顯示的波長讀數(shù)計(jì)算得知實(shí)際出射光波長。（2）光譜透過率測(cè)量按照?qǐng)D6所示裝置放置好實(shí)驗(yàn)儀器，溴燈聚焦后的光斑落在單色儀入射狹縫上。調(diào)制器輸出的信號(hào)（根據(jù)使用斬波器內(nèi)外徑選擇合適的檔位和輸出端口）接鎖定放大器參考信號(hào)輸入端。探測(cè)器的輸出接鎖定放大器信號(hào)輸入A端口。將鎖定放大器的接地端子與大地連接，設(shè)置好儀器的各功能項(xiàng)。溴燈調(diào)制器單色儀探測(cè)器樣品信號(hào)輸入鎖定放大器A B參考輸入調(diào)制信號(hào)輸出圖3 光譜透過率測(cè)試裝置示意圖 實(shí)驗(yàn)儀器調(diào)整好后，首先測(cè)量已知波長濾光片的光譜透過濾，以此來檢驗(yàn)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，測(cè)量時(shí)要適當(dāng)增大入射狹縫寬度，減小出射狹縫寬度，同時(shí)要保證不放濾光片時(shí)，鎖定放大器顯示讀數(shù)盡量大。測(cè)量樣品的光譜透過率，調(diào)節(jié)單