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1、(10)申请公布号 CN 101943603 A (43)申请公布日 2011.01.12 CN 101943603 A *CN101943603A* (21)申请号 200910023123.6 (22)申请日 2009.07.07 G01J 3/28(2006.01) G01J 1/42(2006.01) (71)申请人 韦守良 地址 810800 青海省海东地区民和回族土族 自治县川垣新区川垣大道 66 号青海天 功新能源有限公司工程技术部 (72)发明人 韦守良 (54) 发明名称 一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测 量仪 (57) 摘要 一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测 量。
2、仪， 其中光源、 光路系统和多色仪构成光学部 分 ； 线阵电荷耦合器件及其驱动电路和 A/D 转换 是数据采集部分 ； 单片机系统及其外围设备构成 数据处理部分， 太阳入射光经过光路系统中的余 弦校正器、 滤色片、 光阑、 透镜后， 在多色仪入射狭 缝上得到太阳光的象， 经过光栅分光后投射在电 荷耦合器件阵列， 通过电荷耦合器件阵列实现光 电转换， 并由 A/D 变换输出数字量， 交由单片机系 统处理， 再由计算机显示光谱图和计算结果。其 中， 光路系统中首先设置一个的余弦校正器， 形成 二次光源， 避免入射辐射方向的变化引起电荷耦 合器件对应波长位置的变化， 在余弦校正器后设 置一个滤色片，。
3、 消除紫外的二级光谱对可见光测 量值的影响。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 CN 101943610 A1/1 页 2 1. 一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测量仪， 主要包括 ： 包括三个大部分 ： 光 学部分 ； 数据采集部分 ； 数据处理部分， 其中光源、 光路系统和多色仪构成光学部分 ； 线阵 电荷耦合器件及其驱动电路和 A/D 转换是数据采集部分 ； 单片机系统及其外围设备构成数 据处理部分， 其特征是 ： 太阳入射光经过光路系统中的余弦校正器、 滤色片、 光阑、 透镜后， 在。
4、多色仪入射狭缝上得到太阳光的象， 然后经过光栅分光后投射在电荷耦合器件阵列上， 通过电荷耦合器件阵列实现光电转换， 并由 A/D 变换输出数字量， 交由单片机系统处理， 再 由计算机显示光谱图和计算结果。 2. 根据权利要求 1 所述的一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测量仪， 其特征 是 ： 光路系统中首先设置一个的余弦校正器， 形成二次光源， 避免入射辐射方向的变化引起 电荷耦合器件对应波长位置的变化。 3. 根据权利要求 1 所述的一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测量仪， 其特征 是 ： 光路系统中， 在余弦校正器后设置一个滤色片， 消除紫外的二级光谱对可见光测量值的 影响。 权 。
5、利 要 求 书 CN 101943603 A CN 101943610 A1/3 页 3 一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测量仪 技术领域 ： 0001 本发明涉及电子信息技术， 具体涉及太阳能系统中太阳光谱辐射测量领域。 背景技术 ： 0002 任何物质都会发射或者反射出光谱， 光谱仪器是光学仪器的重要组成部分。它是 已过用光学原理， 对物质的结构和成分进行分析， 测量和处理的基本设备。自从 1859 年 Kirchhoff 和 Bunsen 制成世界上第一台结构完整的光谱仪器以来， 光谱仪器本身及其应用 也发展到相当完善的程度。但是它的发展并不是没有间断的。 0003 在20世纪60年。
6、代左右， 从真空紫外到远红外都已建立了完整的光谱定性、 定量分 析方法及整套光谱线谱、 图谱， 并发展了与之相适应的各波段光谱仪器， 光谱技术和光谱仪 器的发展似乎已经停滞， 在原理、 设计、 应用方面似乎已经满足了当时科技、 产业的需求。 随 着加世纪下半叶航空航天、 遥感遥测、 生物医学等等领域突破性的发展， 计算机技术的成熟 及普及， 激光、 光纤、 固态探测器等技术的出现和发展， 不但对光谱分析、 光谱检测提出了更 高分辨率、 更高灵敏度等要求， 而且为新型光谱仪器的发展提供了原理上、 工艺上的有利条 件。因此在 20 世纪后期光谱技术和光谱仪器获得了突破性进展， 基于光散射原理的激光。
7、散 射光谱仪、 基于干涉调频调幅的傅立叶变换光谱仪、 基于非线性光学原理的各种激光光谱 仪等等， 都是 60 年代以来突破传统光谱仪原理和结构得到迅速发展的广泛应用的新颖光 谱仪， 已成为现代天文、 化学、 物理各研究领域和生产领域的有力工具。 0004 在光谱仪核心元件分光器件的发展历程中， 经历了色散棱镜到衍射光栅到采用干 涉调制元件和信息变换技术的演化。近年来声光调谐器件 AOTF 的技术和应用也有了很大 发展， 没有机械活动件、 全固态、 电子调谐、 结构小而牢固、 可承受震动冲击等一系列优点， 使其具有明显的技术和应用竞争力。 0005 在光谱辐射测量仪的发展历程中， 从传统的肉眼、。
8、 感光板、 光电池到光电倍增管、 热电偶、 热释电器件， 已发展到全固态的光电、 热电探测器， 如电荷耦合器件、 光电二极管阵 列 (PDA) 等等， 不但提高了探测效率， 而且可实现全光谱快速扫描。 0006 电荷耦合器件民用历史不长， 直到上世纪九十年代， 电荷耦合器件技术才从航天 走向民用。 由于电荷耦合器件器件的结构特点， 能同时探测空间中分布的多点信号， 如一幅 图像 ( 面光源 )， 一排光信号， 被称为同时型或并行接收型探测器件。电荷耦合器件是一种 以电荷量表示光量大小， 用耦合方式传输电荷量的新型器件， 具有自动扫描、 动态范围大、 光谱响应范围宽、 灵敏度高、 响应速度快、 。
9、体积小、 功耗低、 寿命长及可靠性高等一系列优 点。 电荷耦合器件现在已广泛应用于生活中， 如数码相机等， 也正因为这些优点使其成为现 代光谱仪器中探测器的最佳选择。 有了电荷耦合器件， 加上计算机技术的发展， 使光谱仪器 测量有更快的速度和更高的灵敏度， 实现多通道同时采集和计算机的实时处理， 能够非常 简便快捷地完成光谱测量任务。 0007 通常用于光谱测量的光谱仪器大多为单通道扫描式， 体积大， 造价昂贵， 虽然精度 高， 但是速度非常慢。在实时性和便携性要求比较高的情况下， 这种传统的仪器显得不适 说 明 书 CN 101943603 A CN 101943610 A2/3 页 4 合。
10、。随着计算机技术和现代光学仪器技术的快速发展和融合， 本发明提出的一种基于电荷 耦合器件的太阳能光谱辐射测量仪， 具有体积小， 成本低， 速度快等特点， 而且具有极强的 便携性 ； 如果精度等要求可以达到实验室内使用仪器的性能， 则它的应用前景和商业前景 巨大 ； 采用 USB 接口与计算机进行通信， 保证了高速度数据传输， 具有即插即用， 总线供电 等优势 ； 采用线阵电荷耦合器件作为探测器件， 可以实现多通道快速测量。 发明内容 ： 0008 本发明提出一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测量仪， 主要包括 ： 包括三 个大部分 ： 光学部分 ； 数据采集部分 ； 数据处理部分， 如附图 。
11、1 所示， 其中光源、 光路系统和 多色仪构成光学部分 ； 线阵电荷耦合器件及其驱动电路和 A/D 转换是数据采集部分 ； 单片 机系统及其外围设备构成数据处理部分。 如附图2所示， 其特征在于 ： 太阳入射光经过余弦 校正器、 滤色片、 光阑、 透镜后， 在多色仪入射狭缝上得到太阳光的象， 然后经过光栅分光后 投射在电荷耦合器件阵列上， 通过电荷耦合器件阵列实现光电转换， 并由 A/D 变换输出数 字量， 交由单片机系统处理， 再由计算机显示光谱图和计算结果。 0009 太阳光入射光路中首先设置一个的余弦校正器， 形成二次光源， 避免入射辐射方 向的变化引起电荷耦合器件对应波长位置的变化。 。
12、加在余弦校正器后的滤色片是为了消除 紫外的二级光谱对可见光测量值的影响。 0010 多色仪将光源或被测物体光谱色散并顺序成像于电荷耦合器件上。在快速测量 系统中， 采用结构简单、 性能可靠的以平面衍射光栅为主要器件的多色仪， 它具有光学元件 少、 能量损失小、 稳定性好等特点。以电荷耦合器件为光电转换器件， 作为光谱探测的线阵 电荷耦合器件应具有光谱相应范围宽， 具有较大的动态范围， 噪声低， 暗电流小， 具有很高 的灵敏度， 像敏元的不均匀性好等特征。 电荷耦合器件的积分时间可以通过控制电路变化， 这样充分利用电荷耦合器件的灵敏度和线性区域， 来满足多种测量要求。电荷耦合器件采 集到的模拟信。
13、号经过 A/D 器件的 AD 转化成为数字信号， 然后经过 FIFO 的缓冲， 再将数字信 号输入给上位机。单片机对电荷耦合器件采集到的数字信号进行处理， 最后在 PC 显示出光 源的光谱分布图和测量结果。 附图说明 ： 0011 附图 1 为一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测量仪的系统结构图 0012 附图 2 为一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测量仪的系统原理图 0013 图中 1 ： 太阳光入射光路 ； 2 ： 余弦校正器 ； 3 ： 滤光片 ； 4 ： 光阑 ； 5 ： 透镜 ； 6 ： 狭缝 ； 7 ： 遮光筒 ； 8 ： 多色仪 ； 9 ： 光栅 ； 10 ： 凹面镜 ； 。
14、11 ： 滤光片 ； 12 ： 线阵电荷耦合器件 ； 13 ： 电线路 ； 14 ： 数据采集部分 ； 15 ： 数据处理部分 0014 附图 3 为一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测量仪的数据采集部分原理 图 具体实施方式 ： 0015 在发明内容部分已经给出了一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测量仪的 光学部分的具体设置， 下面着重给出本发明的数据采集部分实施方式 ： 如附图 3 所示， 整个 说 明 书 CN 101943603 A CN 101943610 A3/3 页 5 系统上电后， MCU 给 CPLD 芯片一个 CS 信号， 选通 CPLD 芯片， 此时 CPLD 芯片开。
15、始工作， 电荷 耦合器件驱动电路开始工作， 电荷耦合器件芯片被驱动， 同时采样电路也开始工作。 因为电 荷耦合器件一行输出信号中， 包括行首和行尾的哑元输出， 这些都是无效信号。只有中间 2160 个像元为有效像元输出信号， 所以 CPLD 将在电荷耦合器件的第一个有效像元输出时 刻发出采样脉冲， 将采样时钟送给ADC， 电荷耦合器件的输出连接ADC的输入端， ADC开始对 电荷耦合器件输出的有效像元进行模数转换。对于一个信号在 ADS804 的模数转换中数字 输出相对模拟输入延迟一段时间， 所以CPLD送给FIFO的写时钟WCLK与ADC转换频率相同， 但延迟一段时间。当采集的信号存满 FIFO 后， FIFO 的满状态标志位有效， 这个状态标志位 将控制 FIFO 可以读出， 但不可以写入， 这时驱动模块， 采样模块仍在工作， 直到 ISP1581 芯 片的 DMA 对 FIFO 读取后， FIFO 变为空状态， 改变这两个模块才停止工作。 说 明 书 CN 101943603 A CN 101943610 A1/2 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 101943603 A CN 101943610 A2/2 页 7 图 3 说 明 书 附 图 CN 101943603 A 。