第二章光谱仪与弱信号检测仪资料重点
光谱仪重要参数
光谱仪重要参数光谱仪重要参数定义◆CCD电荷耦合器件（Charger Coupled Device，缩写为CCD ），硅基光敏元件的响应范围在短波近红外区域。
◆PDA二极管阵列（Photodiode Array，缩写为PDA）.光电二极管阵列是由多个二极管单元（象素）组成的阵列，单元数可以是102，256或1024。
当信号光照射到光电二极管上时，光信号就会转换成电信号。
大部分光电二极管阵列都包括读出/积分放大器一体式的集成化信号处理电路。
光电二极管的优点是在近红外灵敏度高，响应速度快；缺点是象元数较少、在紫外波段没有响应。
◆薄型背照式薄型背照式电荷耦合器件（BT—CCD，Back Thinned Charge Coupled Device)，采用了特殊的制造工艺和特殊的锁相技术。
首先，与一般CCD相比，硅层厚度从数百微米减薄到20μm以下；其次，它采用背照射结构，因此紫外光不必再穿越钝化层。
因此，不仅具有固体摄像器件的一般优点，而且具有噪声低，灵敏度高、动态范围大的优点。
BTCCD有很高的紫外光灵敏度，它在紫外波段的量子效率可以看到，在紫外波段，量子效率超过40％，可见光部分超过80％，甚至可以达到90％左右。
可见，BTCCD不仅可工作于紫外光，也可工作于可见光，是一种很优秀的宽波段检测器件。
◆狭缝光源入口。
狭缝面积影响通过的光强度。
狭缝宽度影响光学分辨率。
◆暗电流未打开光谱仪激发光源时，感光器件接收到的光电信号。
主要影响因素有温度，电子辐射等。
◆分辨率光学分辨率定义为光谱仪可以分开的最小波长差。
要把两个光谱线分开至少要把它们成象到探测器的两个相临象元上。
分辨率依赖于光栅的分辨本领、系统的有效焦长、设定的狭缝宽度、系统的光学像差以及其它参数。
光栅决定了波长在探测器上可分开的程度（色散），这对于分辨率来说是一个非常重要的变量。
另一个重要参数是进入到光谱仪的光束宽度，它基本上取决于光谱仪上安装的固定入射狭缝或入射光纤芯径（当没有安装狭缝时）。
光谱仪简介介绍
佩戴防护眼镜
光谱仪在工作时会产生较强的光线，为避免对眼睛 造成伤害，应佩戴防护眼镜。
防止电击
光谱仪的电源部分带有高压，为避免触电危 险，在操作过程中不要随意打开仪器外壳。
日常维护保养建议
01
02
03
定期清洁
保持光谱仪的清洁，定期 使用干净的布擦拭仪器外 壳和光学元件，避免灰尘 和污垢影响仪器性能。
作用
光谱仪广泛应用于物理、化学、生物、医学、材料科学、环境监 测等领域，对于研究物质性质、发现新物质、监测环境污染等具 有重要意义。
光谱仪工作原理
光谱产生
光谱仪利用光源发出的光照射样品，样品中的原子 、分子或离子吸收或发射特定波长的光，形成光谱 。
分光系统
光谱仪通过分光系统（如棱镜、光栅等）将光谱按 波长顺序分开，形成光谱图。
精度
指光谱仪测量结果的准确程度 ，包括波长精度和光强精度等 ，精度越高，测量结果越可靠 。
灵敏度
指光谱仪对光信号的敏感程度 ，即能够检测到的最小光强， 灵敏度越高，对弱信号的检测 能力越强。
动态范围
指光谱仪能够同时测量的最大 光强和最小光强之比，动态范 围越大，光谱仪的应用范围越 广。
性能评价方法论述
波长的光强，实现高精度的光谱分析。
宽测量范围
02
光谱仪可覆盖较宽的光谱范围，适用于多种不同波长范围的样
品测量和分析。
快速测量
03
光谱仪采用高速数据处理系统，能够实现快速测量和实时显示
测量结果，提高工作效率。
03
光谱仪性能指标评价方法
性能参数指标解读
01
FTIR光谱仪的微弱信号检测技术
FTIR光谱仪的微弱信号检测技术摘要：微弱信号检测技术是一种新型的科技技术，其在分析和设计FTIR光谱仪中信号检测模块电路时，主要是选用适宜的信号处理方法和电子学知识，从背景噪声中对有用信号进行提取和放大，以便更深入了解电路噪声来源及传播途径，进而采取相应的抑制技术和信号检测方法从根本上规避电路噪声的产生，进一步实现FTIR光谱仪的优质利用。
本文也会对FTIR光谱仪微弱信号检测电路设计及电路噪声分析中的微弱信号检测技术有效应用进行着重的分析，以便为相关人士提供可靠参考。
关键词：FTIR光谱仪；微弱信号检测技术；应用分析现如今，傅里叶变换红外光谱仪（FTIR光谱仪）在我国军事、医疗及工农业生产领域中都有着十分突出的应用成效，因为该仪器具有较精准的检测精度和较高的信噪比和光通量，可以实现多通道同时测量目标，因此，在物质结构分析及成分鉴定等方面，光谱仪的有效运用已成为必不可少的重要组成部分。
而信号检测电路又是FTIR光谱仪的关键组成要素，其对仪器的最小可测信号、仪器信噪比等参数的准确确定有着很大的影响，因此，要想进一步扩大FTIR光谱仪的应用范围，首要任务就是要利用先进的微弱信号检测技术对FTIR光谱仪中信号检测模块电路进行深入的分析和设计。
1.FTIR光谱仪的微弱信号检测电路设计1.1低噪声偏置电路设计图一图一为FTIR光谱仪低噪声偏置电路设计方案，在设计过程中，一般要根据FTIR光谱仪使用场合合理确定偏置电路的形式，使其能够实现光谱仪的最佳运行状态。
通常，可以将其设计成为恒流偏置电路、恒压偏置电路以及恒功率偏置电路三种形式。
另外，在电源降噪控制方面，可以采用信号平均或压缩带宽技术来对有用信号进行提取。
但由于前者技术操作较为复杂，因此，为了确保信号提取效果，应尽量采用后者。
在提取过程中，若是直流供电电源，则要通过有源滤波或者无源滤波的形式来体现压缩带宽技术的应用优势，但由于无源滤波形式会对电源信号造成衰减影响，且无法对通带进行调整，因此，在采用有源滤波形式时，必须通过基于三极管电路来实现。
光谱仪重要参数定义
光谱仪重要参数定义光谱仪是一种用于测量物质吸收、发射或散射光的仪器。
在光谱分析、物质组成分析、光化学反应研究等领域应用广泛。
光谱仪的性能参数对于其测量精度、灵敏度和可靠性起着重要作用。
下面将介绍一些光谱仪的重要参数以及其定义。
1.分辨率：分辨率是光谱仪区分两个波长间的能力。
通常表示为波长的比值，例如Δλ/λ，其中Δλ是两个波长之间的差值，λ是具体波长。
分辨率越高，光谱仪越能分辨出不同波长的光。
2.光谱范围：光谱范围是指光谱仪能够检测到的波长范围。
根据不同应用需要，光谱仪的光谱范围可以有所不同。
例如，紫外可见光谱仪的光谱范围通常为200-800纳米。
3.灵敏度：光谱仪的灵敏度是指它能够检测到的最小光信号强度。
灵敏度越高，光谱仪能够检测到更弱的光信号，提高分析的灵敏度。
4.波长精度：波长精度是指光谱仪在测量中的波长值与真实波长值之间的差距。
波长精度越高，光谱仪的波长测量结果与真实值越接近。
5.信噪比：信噪比是指有用信号的强度与噪声信号的强度之比。
信噪比越高，光谱仪能够更准确地测量信号，提高测量的可靠性。
6.线性范围：线性范围是指光谱仪能够线性测量的波长范围。
在线性范围内，光谱仪的输出信号与输入光信号呈线性关系。
通常情况下，线性范围越宽，光谱仪的应用范围越广。
7.响应时间：响应时间是指光谱仪在接收到光信号后输出响应的时间。
对于一些需要快速测量的应用，响应时间较短的光谱仪更加适合。
8.光栅或光晶体的分辨率：光栅或光晶体的分辨率是指光谱仪中光栅或光晶体能够分辨出的波长范围。
分辨率越高，光栅或光晶体能够提供更精确的波长选择。
9.光谱仪的稳定性：光谱仪的稳定性是指光谱仪在长时间使用中输出信号的稳定性。
稳定性越高，光谱仪的测量结果越可靠。
10.功率分辨率：功率分辨率是指光谱仪能够区分出不同光强度级别的能力。
功率分辨率越高，光谱仪能够提供更准确的光强度测量结果。
以上是一些光谱仪的重要参数及其定义。
不同的应用需要不同的参数。
光谱分析仪器知识培训资料
光谱分析仪器知识培训目录前言 (1)第一章红外光谱法及相关仪器 (3)一. 红外光谱概述 (3)1. 红外光区的划分 (3)2. 红外光谱法的特点 (4)3. 产生红外吸收的条件 (4)二. 红外光谱仪 (4)1. 红外光谱仪的主要部件 (5)2. 红外光谱仪的分类 (7)3. 红外光谱仪各项指标的含义 (10)三．红外光谱仪的应用 (13)四．红外试样制备 (14)四．红外光谱仪的新进展 (15)第二章紫外－可见光谱法及相关仪器 (17)一．紫外－可见吸收光谱概述 (17)二．紫外－可见分光光度计 (17)1．紫外－可见分光光度计的主要部件 (18)2．紫外－可见分光光度计的分类 (20)3．紫外－可见分光光度计的各项指标含义 (21)4．紫外－可见分光光度计的校正 (22)三．紫外－可见分光光度计的应用 (23)四．紫外－可见分光光度计的进展 (24)前言分析仪器常使用的分析方法是光谱分析法，光谱分析法可分为吸收光谱分析法和发射光谱分析法，而吸收光谱分析法又是目前应用最广泛的一种光谱分析方法：它包括有核磁共振，X射线吸收光谱，紫外-可见吸收光谱，红外光谱，微波谱，原子吸收光谱等。
但最常用的则是原子吸收光谱、紫外-可见吸收光谱和红外光谱，这些方法的最基本原理是物质（这里说物质都是指物质中的分子或原子，下同）对电磁辐射的吸收。
还有拉曼光谱和荧光光谱，也是比较常用的手段，它们的原理是基于物质发射或散射电磁辐射。
其实物质与电磁辐射的作用还有偏振、干涉、衍射等，由此发展而成的是另外一系列的仪器，如椭偏仪、测糖仪、偏光显微镜、X射线衍射仪等等，这些仪器都不是基于光谱分析法，不是我们介绍的重点。
吸收光谱可分为原子吸收光谱和分子吸收光谱。
当电磁辐射与物质相互作用时，就会发生反射、散射、透射和吸收电磁辐射的现象，物质所以能够吸收光是由物质本身的能级状态所决定的。
例如原子吸收可见光和紫外光，可以使核外电子由基态跃迁到激发态，相应于不同能级之间的跃迁都需吸收一定波长的光。
光谱仪的简介及原理光谱仪工作原理
光谱仪的简介及原理光谱仪工作原理光谱仪原理是将复色光分别成光谱的光学仪器，紧要由棱晶或衍射光栅等构成。
用户使用光谱仪时首先需要把握的学问就是光谱仪原理，今日我就来实在介绍一下，希望可以帮忙到大家。
光谱仪概述:光谱仪以光电倍增管等光探测器测量谱线不同波长位置强度的装置。
其构造由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射狭缝构成。
以色散元件将辐射源的电磁辐射分别出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上（或扫描某一波段）进行强度测定。
分为单色仪和多色仪两种。
光谱仪原理:依据现代光谱仪器的工作原理，光谱仪可以分为两大类：经典光谱仪和新型光谱仪.经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器；新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器.经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器.调制光谱仪是非空间分光的，它接受圆孔进光.依据色散组件的分光原理，光谱仪器可分为：棱镜光谱仪，衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪.光学多道分析仪OMA(OpticalMulti一ChannelAnalyzer)是近十几年显现的接受光子探测器(CCD)和计算机掌控的新型光谱分析仪器，它集信息采集，处理,存储诸功能于一体.由于OMA 不再使用感光乳胶，避开和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理,测量工作，使传统的光谱技术发生了根本的更改，大大改善了工作条件，提高了工作效率；使用OMA分析光谱，测量精准快速,便利，且灵敏度高，响应时间快，光谱辨别率高，测量结果可立刻从显示屏上读出或由打印机,绘图仪输出。
它己被广泛使用于几乎全部的光谱测量，分析及讨论工作中，特别适应于对微弱信号，瞬变信号的检测.直读光谱仪的优势及局限性直读光谱仪(又叫光电直读光谱仪、火花直读光谱仪)1、直读光谱仪优势(I)直读光光谱仪从诞生到进展原自于钢铁生产企业要求炉前快速分析，具有60余年的历史。
(2)直读光谱仪是金属材料的设备。
具分析制样简单，只需简单物理加工。
分析速度快，一分钟可以给出所需检测元素的全部信息，分析精度高。
仪器分析知识点复习汇总
仪器分析知识点复习汇总研究必备，欢迎下载。
第一章：绪论1.灵敏度是指被测物质单位浓度或单位质量的变化引起响应信号值变化的程度。
检出限是一定置信水平下检出分析物或组分的最小量或最小浓度。
2.检出限指恰能鉴别的响应信号至少应等于检测器噪声信号的3倍。
3.根据表里给的数据，标准曲线方程为y=5.7554x+0.1267，相关系数为0.9716.第二章：光学分析法导论1.原子光谱是由原子外层或内层电子能级的变化产生的，表现形式为线光谱。
分子光谱是由分子中电子能级、振动和转动能级的变化产生的，表现为带光谱。
吸收光谱是当电磁辐射通过固体、液体或气体时，具一定频率(能量)的辐射将能量转移给处于基态的原子、分子或离子，并跃迁至高能态，从而使这些辐射被选择性地吸收。
发射光谱是处于激发态的物质将多余能量释放回到基态，若多余能量以光子形式释放，产生电磁辐射。
带光谱除电子能级跃迁外，还产生分子振动和转动能级变化，形成一个或数个密集的谱线组，即为谱带。
线光谱是物质在高温下解离为气态原子或离子，当其受外界能量激发时，将发射出各自的线状光谱，其谱线的宽度约为10-3nm，称为自然宽度。
2.UV-Vis和IR属于带状光谱，AES、AAS和AFS属于线性状光谱。
第三章：紫外-可见吸收光谱法1.朗伯-比尔定律的物理意义是样品溶液中吸收光的强度与样品浓度成正比。
透光度是指样品溶液透过光束后的光强度与入射光强度之比。
吸光度是指样品溶液吸收光束后的光强度与入射光强度之比。
两者之间的关系是吸光度等于-log(透光度)。
2.有色配合物的XXX吸收系数与入射光波长有关。
3.物质的紫外-可见吸收光谱的产生是由于原子核外层电子的跃迁。
4.最大能量跃迁需要最大能量，因此跃迁所需能量最大的是电子从基态到最高激发态的跃迁。
A.样品加入量和仪器响应的不确定性B.谱线重叠的问题C.光谱干扰的问题D.样品制备的不确定性改写：1.电感耦合等离子体光源由高频发射器、等离子炬管、雾化器等三部分组成，具有稳定性好、机体效应小、线性范围宽、检出限低、应用范围广、自吸效应小、准确度高等优点。
光谱仪重要参数
光谱仪重要参数定义◆CCD电荷耦合器件（Charger Coupled Device，缩写为CCD ），硅基光敏元件的响应范围在短波近红外区域。
◆PDA二极管阵列（Photodiode Array，缩写为PDA）.光电二极管阵列是由多个二极管单元（象素）组成的阵列，单元数可以是102，256或1024。
当信号光照射到光电二极管上时，光信号就会转换成电信号。
大部分光电二极管阵列都包括读出/积分放大器一体式的集成化信号处理电路。
光电二极管的优点是在近红外灵敏度高，响应速度快；缺点是象元数较少、在紫外波段没有响应。
◆薄型背照式薄型背照式电荷耦合器件（BT—CCD，Back Thinned Charge Coupled Device)，采用了特殊的制造工艺和特殊的锁相技术。
首先，与一般CCD相比，硅层厚度从数百微米减薄到20μm以下；其次，它采用背照射结构，因此紫外光不必再穿越钝化层。
因此，不仅具有固体摄像器件的一般优点，而且具有噪声低，灵敏度高、动态范围大的优点。
BTCCD有很高的紫外光灵敏度，它在紫外波段的量子效率可以看到，在紫外波段，量子效率超过40％，可见光部分超过80％，甚至可以达到90％左右。
可见，BTCCD不仅可工作于紫外光，也可工作于可见光，是一种很优秀的宽波段检测器件。
◆狭缝光源入口。
狭缝面积影响通过的光强度。
狭缝宽度影响光学分辨率。
◆暗电流未打开光谱仪激发光源时，感光器件接收到的光电信号。
主要影响因素有温度，电子辐射等。
◆分辨率光学分辨率定义为光谱仪可以分开的最小波长差。
要把两个光谱线分开至少要把它们成象到探测器的两个相临象元上。
分辨率依赖于光栅的分辨本领、系统的有效焦长、设定的狭缝宽度、系统的光学像差以及其它参数。
光栅决定了波长在探测器上可分开的程度（色散），这对于分辨率来说是一个非常重要的变量。
另一个重要参数是进入到光谱仪的光束宽度，它基本上取决于光谱仪上安装的固定入射狭缝或入射光纤芯径（当没有安装狭缝时）。
光谱仪检测标准
光谱仪检测标准光谱仪检测标准是一种用于评估和规范光谱仪性能和操作流程的技术规范。
这些标准通常由国际权威机构或行业协会制定，以确保不同厂商和用户之间的光谱仪检测结果具有可比性和可靠性。
以下是光谱仪检测标准的几个关键方面。
一、性能指标性能指标是光谱仪检测标准的核心部分，用于评估光谱仪的关键性能参数，以确保其满足用户的需求。
这些指标通常包括波长范围、分辨率、灵敏度、线性范围、杂散光等。
1.波长范围：波长范围是光谱仪能够检测的电磁波的波长范围。
一般来说，光谱仪的波长范围越宽，其应用领域就越广泛。
2.分辨率：分辨率是光谱仪能够分辨的最小波长间隔，通常以纳米（nm）为单位表示。
高分辨率的光谱仪能够提供更多细节的信息，但同时也需要更高的技术要求和更复杂的算法来解析结果。
3.灵敏度：灵敏度是指光谱仪检测弱光的能力。
高灵敏度的光谱仪能够检测更微弱的光信号，因此在低光强度条件下具有更高的应用价值。
4.线性范围：线性范围是指光谱仪能够线性响应的光强度范围。
在这个范围内，光谱仪的输出信号与输入光强度成正比，可以提供准确的测量结果。
5.杂散光：杂散光是指光谱仪对非目标波长的光的响应。
低杂散光的光谱仪能够更好地检测目标波长的光信号，并提供更准确的结果。
二、操作流程光谱仪检测标准还包括操作流程的规范和指南，以确保不同用户在进行检测时能够遵循一致的方法和技术要求。
这些流程通常包括样品准备、仪器设置、数据采集、数据处理和结果分析等步骤。
1.样品准备：样品准备是光谱仪检测的重要环节之一。
标准中应规定样品的选取、制备和处理方法，以确保样品具有代表性，并且与实际应用场景相符。
2.仪器设置：在开始检测之前，需要正确设置光谱仪的参数，如扫描范围、分辨率、曝光时间等。
标准中应规定这些参数的设置方法和依据，以确保不同用户之间的检测结果具有可比性。
3.数据采集：数据采集是光谱仪检测的核心环节之一。
标准中应规定采集数据的步骤和方法，包括如何进行背景校正、如何避免干扰等。
直读光谱仪培训教程课件
压片 发光平台
激发口
16
3.5仪器停机操作
• 3.5.1在含有率分析画面，按Shift+F1键，选择维护 Maintenance；
• 3.5.2按ENTER键进入，选择[装置维护]Instrument；
• 3.5.3按ENTER键进入电脑显示画面，按F3键，选择退 出负高压 (F3 OFF)， 并关闭主机电源；
(注意：氩气压力低于0.1Mpa或气瓶无氩气才更换，会 导致仪器内部进入空气，测试结果不正确) 。
检查氩气流量：打开通气阀门后，观察氩气增压器内上
否有水泡冒出，如果有则说明有氩气流出现象；另外，
观察发出室旁边的确氩气流量计指针，流量指针指的位 置即是氩气流量值。
(注意：仪器待机时流量为1L/Min ；仪器分析工作时流 量为10L/Min ，须检查调整。)
12
三、仪器分析前的检查
• 3.1入口狭缝确认
入口狭缝
13
• 3.2 两点标准化：
3.2.1
按
Shift+F2
键进入工作菜单，选择
Recalibration [二点标准化分析]，按ENTER进入；
3.2.2在规格组ST-NO 中输入欲分析的规格组名称或用Shift+F4
键进行规格组选择。
3.2.3在样品登记项中依次输入标准化所选用的标准样品名称，
ON)， 再按F9键进入分析画面；
按 F1
10
系统软件的进入方式
. 在DOS系统中， C：\EXE>盘符下，输入ADS000，回车，
进入分析软件，这时的界面显示的是软件的版本号和
输入密码，不用输入密码直接点回车两次。进入仪器
状态检查界面( Instrument check )， 其中 Va
电光仪器知识点总结图解
电光仪器知识点总结图解一、电光仪器的基本概念1. 电光仪器是指利用电磁波与物质相互作用的原理，对物质的性质和组成进行分析和检测的仪器。
2. 电光仪器可以分为光谱仪器和光学仪器两大类，光谱仪器主要用于分析物质的吸收、发射光谱特性，光学仪器主要用于观测物质的形态和结构。
二、光谱仪器的基本知识点1. 光谱仪器包括紫外可见光谱仪、红外光谱仪、质谱仪等。
2. 紫外可见光谱仪是通过测量样品在紫外可见光区域的吸收或发射光谱特性来分析样品的成分和浓度的仪器。
3. 红外光谱仪是通过测量样品在红外光区域的吸收光谱特性来分析样品的分子结构和功能团的仪器。
4. 质谱仪是通过测量样品在质谱区域的质谱图谱来分析样品的化学组成和分子量的仪器。
三、光学仪器的基本知识点1. 光学仪器包括显微镜、光学显微镜、荧光显微镜、共聚焦显微镜等。
2. 显微镜是利用光学原理对微小物体进行放大观察的仪器，主要用于观察细胞、细菌、组织等微生物和生物样品。
3. 光学显微镜是利用光学原理对透明或不透明物体进行放大观察的仪器，主要用于观察金属、陶瓷、塑料等工业材料的内部结构和缺陷。
4. 荧光显微镜是利用荧光原理对样品进行放大观察的仪器，主要用于观察活细胞、荧光染料标记的生物分子等样品。
5. 共聚焦显微镜是利用共聚焦原理对样品进行放大观察的仪器，具有高分辨率和立体成像能力，主要用于观察活细胞、细胞器等样品。
四、电光仪器的应用领域1. 电光仪器在生物医学领域的应用，主要包括生物样品分析、细胞观察、分子结构分析、药物筛选等方面。
2. 电光仪器在环境监测领域的应用，主要包括水质分析、大气污染监测、土壤污染检测等方面。
3. 电光仪器在食品安全领域的应用，主要包括食品成分分析、食品质量检测、食品添加剂检测等方面。
4. 电光仪器在材料科学领域的应用，主要包括材料结构分析、材料性能测试、材料成分检测等方面。
五、电光仪器的发展趋势1. 电光仪器的自动化技术应用越来越广泛，使分析检测过程更加高效和精确。
近红外光谱仪中的微弱信号检测技术
近红外光谱仪中的微弱信号检测技术!占细雄"林君"周志恒# "$吉林大学智能仪器与测控技术研究所长春"%&&#’(#$北京地质仪器研究所北京"&&&#)(摘要介绍了近红外光谱仪的应用和近红外光谱仪中的信号特点*自然光的干扰是在开发此类仪器时遇到的主要困难+在了解近红外光谱分析仪中的信号和噪声特点后+采用切光的办法来对光信号进行调制可有效的克服这一问题+使信号变得容易处理*而通过采用相敏检测的方法又可大大提高信噪比*文章系统的介绍了弱信号的提取方法+解决了近红外光谱仪中信号提取问题+并给出了实际可行的电路和测试结果*关键词近红外$,-.(切光器信噪比相敏检测/01/120345617892564:43;<1=>?4;3=@43A B C?D12E:7F1E1:G H I JK L M L N J O"P L JQ R J"G H N RG H L H S J O#T$U V W X Y X Z X[\]U V X[^^Y_[V X U V W X‘Z a[V X W b V cd[b W Z‘[a[V X e[f g V\^\_h+i Y^Y Vj V Y k[‘W Y X h+l g b V_f g Z V T m n n o p+l g Y V b(o$q[Y r Y V_U V W X Y X Z X[\]s[\^\_Y f b^U V W X‘Z a[V X+q[Y r Y V_T n n n o t+l g Y V b(9u v E:=2E w H S I x x y L S z{L S y zN{,S I|-J{|I|S z}x S~!|N"~N x#$,-.}(I J z!H S~H I|I~!S|L"!L~"N{,-.}I|SL J!|N$ z R~S z%w H S J N L"S N{J I!R|I y y L O H!L"!H S&I L J z L{{L~R y!#!N z S’S y N x!H S"S L J"!|R&S J!"%(O N N z&S!H N z!N"N y’S!H L" x|N)y S&L"!N&N z R y I!S!H S y L O H!"L O J I y!H|N R O HN x!L~I y~H N x x S|I~~N|z L J O!N!H S~H I|I~!S|"N{J N L"S I J z"L O J I y+ *H L~H&I+S"!H S"L O J I y S I"L S|!Nx|N~S""%w H S|I!L NN{"L O J I y!NJ N L"S$},,(L"O|S I!y#L&x|N’S z!H|N R O H!H S x H I"S"S J"L!L’L!#z S!S~!L N J%w H S&S!H N z N{I~-R L|L J O!H S*S I+"L O J I y+*H L~H~I J"N y’S!H S x|N)y S&N{O S!!L J O"L O$ J I y L J,-."x S~!|N&S!S|+L"L J!|N z R~S z%w H S~L|~R L!+*H L~H*N|+"*S y y L J|S I y I x x y L~I!L N J+L"x|S"S J!S z%.1/07:1v,-.2x!L~I y~H N x x S|},,3H I"S"S J"L!L’L!#z S!S~!L N J4引言近红外区域按(}w56"7定义是指波长在)8&9 #:#’J&范围内电磁波*红外活性分子$吸收红外光的分子(在这一区域有着不同于其它光谱段的光谱信息+可以用各种方法来提取被测物体的信息+如散射;漫反射;特殊反射;折光指数;透射和反射光的偏振等等*适用于近红外区的光学材料较多+因此近红外光谱分析技术具有一些独特的魅力*样品可以不经预处理+直接进行检测*除液体样品外+还可检测粉末;纤维;糊状;乳状等形式的样品*其应用极为广泛+可用于粮食;饲料;肉类;奶制品;水果;蔬菜的成分测定和纺织工业及制药业中*尽管理论上近红外技术应用范围广+近红外发现距今已有近#&&年的历史+对它的!中国地质大调查资助项目$"<<<#&"<&""’(*利用却是近几年的事*主要就是因为物体在近红外段吸收系数小+信号幅度小+且热体都辐射红外光6%7+干扰大+在近红外段光谱重叠严重*由于是相对测量+即测量样品的吸收变化量+所以单纯提高信号幅度并没有用+要在提高幅度的同时+提高系统的信号对噪声比率$},,(+这就要求系统能在大的噪声中提取光信号*图"切光器外形=原理自然界中的光都是时域的光6>7+为了避开干扰光的影响+可采用切光器对光源进行调制+使其变为频率域的光*当光信号变为频率域的信号后+产生的电信号也相应的变为第#%卷第%期增刊仪器仪表学报#&&#年’月交流信号!这样就可避开电路设计上的一大难点""对微弱直流信号进行处理!输出的信号经过低噪声放大后#利用窄带滤波器选出信号!然后再进入相敏检测器#进一步抑制噪声#并经过低通滤波后把信号变为直流信号#从而便于$%&处理!’信号的斩波波制对直流信号进行放大时#放大器的漂移及探测器的直流偏压和电路中的(%)噪声将是影响测试精度*测试灵敏度的重要因素!发热的物体都会辐射近红外线#因此在本系统中#强烈的背景辐射+太阳光#生物热源*灯光,将不可避免的进入测试系统-./!这些干扰源辐射的光经光电传感器转换后成为直流背景信号#强度有时甚至比有用信号大几个数量级!斩波调制能把直流信号变为交流信号#可消除直流漂移和直流背景#正好能解决这一问题!合理选用频率还可避开(%)噪声#提高输出信噪比!所以可采用切光器来对光源进行调制!切光器外形如图(所示#通过切光器后的信号通常为梯形波#经滤波后只剩下主频信号#能量损失太多!从信号处理角度考虑#信号通道的带宽越窄#信噪比越高#因此要求输出为正旋波#但要得到精确的正旋波#调制盘孔径的形状很复杂#难以加工!通常取0%1 2(3(.#即可得到近似正旋波#其中0为像斑直径#1为调制盘扇形宽度!4传感器选择在近红外段#常用的传感器有516*789:$;*9:* 78$;*7861!所有传感器在其响应的波长范围内光敏特性是不一致的-</#因此对不同的检测器#在不同的波图=前放电路图长下基线噪声水平不相同#且不同材料的传感器的响应速度不同#要根具体要求选用适当的传感器!系统采用的是5;6#在(>?"@>?段比较敏感#光的通过与关闭时间间隔为A3A A=时传感器性能较好!所以选定切光频率为.A A B C#此时传感器本身的信噪比高#也能避开(%)噪声!D前放一个放大系统是否成功#关键在第一级!第一级放大关键在于抑制噪声!欲使放大系统具有良好的低噪声特性#除使用好的低噪声器件外#还要有周密的设计!首先要根据噪声要求*前放电路原阻抗特性*频率响应等指标来确定输入级电路!本系统工作在低频段#传感器的原电阻是纯电阻-E/!用$%&公司的仪用放大器$&.F E做第一级放大器#G G公司的H$I F=作后级放大器和滤波器!此系统能检测淹没在噪声中的A3 (>J的信号!具体电路如图=!前放$&.F E输出的信号经H$I F=进一步放大后#进入带通滤波器!H$I F=是G G公司的集成滤波器#可设计成高通*带通*低通#系统用的是带通滤波器!滤波器频带K8和L的确定公式如下MK82(A A A A%N(A+(, L2(O+N P O(A F,N P=N(ANQ R+=,图@滤波前后信号对比图@上面的波形是滤波前的信号#下面的是滤波后的信号!由图可知#滤波后信号已经变的较干净了#系统的信噪比可提高(A A多倍!S相敏检测滤波后的信号虽然看起来比较干净#但系统最后要得到的是两个信号间的相对变化量#不是信号本身!而变化量又非常小#所以对信噪比要求非常高#有必要采取进一步措施提高信噪比!本系统采用了峰值相敏A@仪器仪表学报第=@卷检测技术来解决这一问题!这有别于一般的峰值检测"是利用同步信号来切换开关"可大大提高信噪比!假设带噪声的信号为#$%&’%()%*+),-./-’0()%*12,-3/’0是噪声幅度"’%是信号幅度!同步信号为#$4&5*,&678-%"78-%-9:/"$4&;*,&678-%-9"78-8-%-9:<8是信号周期"9是开关导通时间!则输出信号为#$)=,&’%()%*>/-’0()%*?/令9极小"%和.相同"则>近似为;"输出信号为$%-’0()%*?/"经过低通滤波后"’0()%*?/被滤掉"输出的正好是要求的信号的最大值’%"是一直流信号"’%即反映了光的强度!相敏检测器理论上是一个@值极高的滤波器6A :"经相敏检测后"信号可达到要求"系统中电路如图B !$2.是前放的输出信号"它进入可编程放图B 相敏检测电路大器C D E F ;G 后"系统根据信号大小自动调节放大倍数"得到幅度适中的信号"然后进入相敏检测器!相敏检测器由开关H H B ;I G 和J KB B F 组成!由同步信号来控制开关!电路中要注意的是同步信号应与$2.同步!进入LF 的信号即为我们要求的信号的最大值’%"经过低通滤波器后"可得到一个直流信号"此信号经E M N 转换后送入计算机"就可得到样品的谱图!O 结束语本系统是一套可行的检测系统"适合于近红外分析仪器的检测"在实际的项目中也取得了较好的效果"这首先说明采用切光器对光进行调制是光谱仪器中压制噪声的有效方法"采用相敏检测是提取信号的好方法"特别是在光谱仪其中"信号具有重复性时"此方法更为有效!参考文献G P ,347’"J =(Q ,R 4S 3.TU34V )%Q R %UW E X X Y W P X R (,4)%R WZ R [W "G \A I "F F *B /#]5F WF ^%_)0R ‘D R 308W a R 34b .c 434R TP X R (,4)%()X d 2.K ))TE .3Y d %2%W a R 1e )47#f )Q "G \A I W]+2Y R d3.TP ).%b .(W "+Q R R Y R 4^g W H Q R 0W ’T =(W "G \I ;"]h #F ]B B WB 曾庆勇i 微弱信号检测i 浙江大学出版社"G \A I i 5陆婉珍"袁洪福"徐光通"强冬梅i 现代近红外光谱分析技术i 中国石化出版社"F ;;;iI g 30303,"b .c 434R T N R ,R (,)4%"G \\A "]A W h 朱良漪"孙亦梁"陈耕燕i 分析仪器手册i 化学工业出版社jjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjjj"G \A h i*上接第F A 页/用一维搜索法确定工作空间"避免了解析法求解的困难!推导出工作空间体积的公式!k 按l 中方法编程"获得了三维工作空间及其二维截面图!仿真结果与坐标测量机的机构设计及坐标系的建立相对应!参考文献G C R ..)(7DZ "S 3%%.R 4N f W 8Q R 1)47%X 3(R )c 3V R .R 43Y V R m)0R ,4d X Y 3.R 4]n T )c X Y 3,c )40n ,d X R 03.2X =Y 3,)4W E P U’f W UR (Q 3.2%0N R %2V .W G \\]"G G 5#F I \oF h I W G]第]期增刊近红外光谱仪中的微弱信号检测技术。
第二章 光谱仪及弱信号检测仪(二)
I p RPin
R is the responsivity of the photodetector (A/W)
electron generationrate hv q R Pin photonincidencerate q hv
Ip
Pabs 1 exp( W ) pin
Tr ln 9 tr RC
tr is the transit time and RC is the time constant of the equivalent RC circuit.
The transit time is added to RC because it takes some time before the carriers are collected after their
第二章 光谱仪及弱信号检测仪
主讲教师：许立新
/bbs/ 课件下载地址
第一节 光栅光谱仪
光谱仪是一种光谱检查与分析仪器 采用色散元件（如光栅、棱镜）实现光谱分 离
第一节 光栅光谱仪
第一节 光栅光谱仪
一、衍射光栅
第一节 光栅光谱仪
一、衍射光栅 平面光栅光强分布
generation through absorption of photons. The maximum collected time is just equal to the time an electron takes to traverse the absorption region. There is a trade-off between the bandwidth and the
光栅方程
第一节 光栅光谱仪
一、衍射光栅 光栅特性 2、分辩本领
第二章 光谱仪及弱信号检测仪(三)
0.6 A/W
50 W 2 mW 100 mW InGaAs/Schottky 25 µ m
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
电荷耦合器件（CCD）
第四节 光电探测器
雪崩二极管 (APD)
在光生电流尚未遇到后续电路的热噪声时已经在高电场的雪 崩区中得到放大，因此有助于提高接收机灵敏度
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
As primary carriers create secondary carriers, the secondary carriers themselves accelerate and create new carriers. Collectively, this process is known as photomultiplication. Typical multiplication ranges in the tens and hundreds.
第四节 光电探测器
第四节 光电探测器
一、光电倍增管 光电效应与电子倍增发射
第四节 光电探测器
一、光电倍增管 光电效应与电子倍增发射
第05讲 第二章 光谱仪与弱信号检测仪(1)
/ Nd cos 0
Laser spectroscopy and its application
23
结论：1、在β0的中心极大值的两边的两个最近的 极小值是位置为：
N 2 1,2 /( Nd cos 0 )
2、第m阶的中心极大的半角宽度为
/ ( Nd cos 0 )
Laser spectroscopy and its application
10
棱镜分光 为了提高总的色散率，有时系统采用多个棱镜组 组成分光系统：
2sin d dn 2 d N N d d d N 2 2 1 n sin 2
上衍射出来的两平行光束之间的光程差Δ为
d (sin sin )
刻线间距 光栅常数 入射角
衍射角
注意符号：
入射角α与衍射角β在法线同侧取正号，异侧取负号
Laser spectroscopy and its application 15
光栅刻槽制作
工艺极其复杂的精密加工过程
光栅刻槽制作
第二章 光谱仪与弱信号检测仪
Laser spectroscopy and its application
1
第一节 ： 光栅光谱仪 第二节： 干涉仪 第三节： 信号与噪声 第四节： 光电探测器 第五节： 锁相放大器 第六节： 取样平均器（BOXCAR） 第七节： 单光子计数器 第八节： 光学多通道分析仪
m d (sin sin )
d sin sin d cos
结论二：表明角色散只和α与β有关，与刻槽的数目无关。
Laser spectroscopy and its application 26
第07讲 第二章 光谱仪与弱信号检测仪(3)
为要研究一个系统的噪声的传输特性，需要对噪 声进行频谱分析。噪声的功率谱密度S(f)
P( f , f ) S ( f ) lim f 0 f
Laser spectroscopy and its application 9
(2) 自相关函数
一个随机变量x(t)的自相关函数R(Δt)
1 R( t ) lim t 2T
等效噪声带宽与信号带宽之比Δfn/fc=π/2=1.57。
Laser spectroscopy and its application 24
RC低通滤波器的带宽B与等效噪声带宽
Laser spectroscopy and its application
25
第四节 光电探测器
1 光电倍增管
1.1 光电倍增管结构与原理 光电倍增管是光谱测量中最常用的光电探测器之一，应用 光电效应与电子倍增的原理。利用光电效应，将一片金属用来接 受光照并发射电子，称为光阴极，另外一块金属板接收电子，称 光电效应是光照射金属表面一种发射电子的 阳极，就组成了一个光电二极管。 效应，早在1888年就被赫兹在电磁波发射的
Laser spectroscopy and its application
3
消除噪声则要根据噪声的来源与特征采用各种静 噪措施。在进行微弱的光谱检测的时候，还常会遇 到噪声电平大于被测的有用信号，即信号淹没于噪 声之中。 为了要从被淹没在噪声中的信号提取出来，就 要研究噪声的来源与它的特性。
Laser spectroscopy and its application
带宽
等效噪声带宽
图2-16 谐振电路的信号带宽B与等效噪声带宽
Laser spectroscopy and its application 21
光谱仪基础知识概要
第1章衍射光栅：刻划型和全息型衍射光栅由下列两种方法制成：一种是用带钻石刀头的刻划机刻出沟槽的经典方法,另一种是用两束激光形成干涉条纹的全息方法。
（更多信息详见Diffraction Gratings Ruled ＆ Holographic Handbook).经典刻划方法制成的光栅可以是平面的或者是凹面的,每道沟槽互相平行.全息光栅的沟槽可以是均匀平行的或者为优化性能而特别设计的不均匀分布.全息光栅可在平面、球面、超环面以及很多其他类型表面生成.本书提到的规律、方法等对各类不同表面形状的经典刻划光栅和全息光栅均适用，如需区分，本书会特别给出解释。
1。
1 基础公式在介绍基础公式前，有必要简要说明单色光和连续谱。
提示:单色光其光谱宽度无限窄.常见良好的单色光源包括单模激光器和超低压低温光谱校正灯。
这些即为大家所熟知的“线光源"或者“离散线光源”。
提示：连续谱光谱宽度有限,如“白光”。
理论上连续谱应包括所有的波长，但是实际中它往往是全光谱的一段。
有时候一段连续谱可能仅仅是几条线宽为1nm的谱线组成的线状谱。
本书中的公式适用于空气中的情况，即m0=1.因此，l=l0=空气中的波长。
定义单位α —（alpha）入射角度β - （beta）衍射角度k - 衍射阶数整数定义单位n - 刻线密度刻线数每毫米DV- 分离角度µ—折射率无单位λ —真空波长纳米λ0—折射率为µ介质中的波长其中λ0= λ/µ1 nm = 10—6 mm； 1 mm = 10—3 mm； 1 A = 10-7 mm最基础的光栅方程如下:(1-1)在大多数单色仪中，入口狭缝和出口狭缝位置固定,光栅绕其中心旋转。
因此,分离角D V成为常数，由下式决定，（1—2）对于一个给定的波长l，如需求得a和b，光栅方程（1—1)可改写为:(1—3）假定D V值已知，则a和b可通过式(1-2)、(1—3）求出,参看图1.1、1。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在光谱检测系统中，噪声源基本上可分为光子噪声、 检测器噪声与放大电路噪声三部分。
对于检测系统来说，光子噪声是伴随在入射光信号 中的噪声。 探测器噪声是检测元件对入射信号附加的噪声。 放大电路噪声的实质也是放大电路元件所产生的附 加噪声。
对探测系统来说：光电检测元件的选择及放大电路 中前置放大器的设计是至关重要的。
第二章 光谱仪与弱信号检测仪
Laser spectroscopy and its application
1
第一节 ： 第二节： 第三节： 第四节： 第五节： 第六节： 第七节： 第八节：
光栅光谱仪 干涉仪 信号与噪声 光电探测器 锁相放大器 取样平均器（BOXCAR） 单光子计数器 光学多通道分析仪
Laser spectroscopy and its application
4
光谱测量中一般将携带了光谱信息的光束转变为 相应的电流量或电压量，由于噪声的存在，导致对有 用信号测量的不确定性或误差。为了评价有用的信号 在一个总信号中所占的份额，引进了信噪比SNR的概 念：信噪比是有用的信号的有效值与噪声成分之比。
S( f ) lim P( f , f ) f 0 f
Laser spectroscopy and its application
9
(2) 自相关函数
一个随机变量x(t)的自相关函数R(Δt)
R(t) lim 1
T
x(t) x(t t)dt
t 2T T
表示随机过程在t和t+Δt两个不同时刻的相关性。
Laser spectroscopy and its application
13
探测系统的噪声分类
光子噪声 热噪声 散射噪声 产生-复合噪声
1/f噪声
…
Laser spectroscopy and its application
14
(1) 光子噪声
光子噪声的来源于两个方面，(1)被测目标的背景 所产生的干扰，(2)目标辐射源。由于热光源中每个原 子的发光是独立的，入射到光电检测器上时，相继两 个光子的间隔是随机的。光子噪声均方根差为：
P(x)
1
e
(
xx )2 2 2
2
x lim 1
T
xdt
T T 0
x 2 lim 1 T x2dt 2 T T 0
x2
噪声电压的均方根值，是衡量 系统噪声的基本量
Laser spectroscopy and its application
7
P(x)
1
( xx)2
e 2 2
Laser spectroscopy and its application
2
第三节 信号与噪声
1 信号与噪声特性
信号是携带了某种被测信息的某个物理量。在光谱测量中， 这样的物理量可以是电流、电压的各个参数等。
噪声是一种无规的随机涨落。除噪声外，还有由环境造成的 干扰。与噪声不同，干扰可能是无规律的，也可能是有规律的 ，但它们都对被测信号的测量造成困难。
R(t) P0 (t)
2
S( ) P0
2
Laser spectroscopy and its application
11
图2-14 自相关函数与功率谱密度的关系
图2-15 白噪声功率谱密度与自相关函数R(Δt)
Laser spectroscopy and its application
12
2 噪声源
2
结论：幅度很大与很小的噪声电压的概率很小。瞬时 噪声的幅度基本上在±σ范围之内，。当使用正弦信号 有效值的电子电压表进行测量噪声信号时，要将读数 乘以1.13进行修正。
Laser spectroscopy and its application
8
为要研究一个系统的噪声的传输特性，需要对噪 声进行频谱分析。噪声的功率谱密度S(f)
SNIR
输出信噪比 输入信噪比
Si / Ni S0 / N0
Laser spectroscopy and its application
6
1.2 噪声的统计特性
(1) 概率分布 在光谱测量中所需处理的噪声是一种随机噪声。随机噪声是一
种前后独立的平稳随机过程，在任何时刻，它的幅度、波形及相位 都是随机的，遵循着一定的分布规律。大多数噪声的瞬时幅度的概 率分布是正态的，即高斯分布。按照统计规律，一个随机变量x(t) 的概率密度P(x)为
有用信号的有效值 SNR 噪声的有效值
S N
Laser spectroscopy and its application
5
信号测量的不确定性或误差与SNR成反比，S/N越 高测量误差越小。通常信号通过一个系统(放大器或 滤波等)来提高信噪比，叫着信噪比改善SNIR(Signal to Noise Improvement)的概念，它表示通过系统以后 信噪比提高的程度：
R(Δt)与S(f)是一傅立叶变换对
维 S( f ) R(t)e jft dt
纳
-
辛
钦 定 理
R(t) S( f )e jft df
Laser spectroscopy and its application
10
可以通过求相关函数R(Δ)来求得噪声功率谱密度。 通常把在很宽的频率范围内具有恒定的噪声功率谱密度 的噪声称为白噪声。白噪声的自相关函数R(Δt)具有δ (Δt)函数的形式
改善环境：采用屏蔽、良好接地、远离干扰源等。
Laser spectroscopy and its application
3
消除噪声则要根据噪声的来源与特征采用各种静 噪措施。在进行微弱的光谱检测的时候，还常会遇 到噪声电平大于被测的有用信号，即信号淹没于噪 声之中。
为了要从被淹没在噪声中的信号提取出来，就 要研究噪声的来源与它的特性。
光电检测器 的量子效率
t 测量时间
光子流量
Laser spectroscopy and its application
15
(2) 热噪声
热噪声：导体内电荷载流子(如自由电子)的随机运动 引起的。运动电荷的随机运动表现为电流的涨落。虽然 电流的涨落的时间平均值为零，但每一瞬时导体的两端 会产生由一电个荷负随载机电运阻动、引两起导的体噪的声接电触压电。阻一、个阻值为R 的电阻的一热块噪半声导的体均材方料根的值体为电:阻等凡是具有
一定电阻的材料、元件都会有热噪声。