紅外通訊特性實(shí)驗(yàn)儀的改進(jìn)

潘方舟,尹向義,王 巖,鄭志遠(yuǎn)

(中國地質(zhì)大學(xué),北京 100083)

紅外通訊特性實(shí)驗(yàn)儀的改進(jìn)

潘方舟,尹向義,王 巖,鄭志遠(yuǎn)

(中國地質(zhì)大學(xué),北京 100083)

根據(jù)材料紅外特性測量實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)儀所存在的問題,對紅外特性實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)以控制相關(guān)外界因素的影響,提高了實(shí)驗(yàn)精度,減小了實(shí)驗(yàn)誤差。

紅外特性;實(shí)驗(yàn)儀器;改進(jìn)

波長范圍在0.75~1 000μm的電磁波稱為紅外波,對紅外頻譜的研究歷來是基礎(chǔ)研究的重要組成部分。例如對熱輻射的深入研究導(dǎo)致普朗克量子理論的創(chuàng)立,對原子與分子的紅外光譜研究,幫助我們洞察它們的電子振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)的能級結(jié)構(gòu),并成為材料分析的重要工具。對紅外材制的性質(zhì),如吸收、發(fā)射、反射率、折射率、電光系數(shù)等參數(shù)的研究,為我們在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。特別是在紅外通信,紅外污染檢測,紅外跟蹤,紅外報(bào)警,紅外治療,紅外控制等方面[1-3]。

紅外波長比微波短得多,用紅外波作載波,其潛在帕通信容量是微波通信無法比擬的,紅外通信就是用紅外波作載波的通信萬式。紅外傳輸?shù)慕橘|(zhì)可以是光纖或空間,本實(shí)驗(yàn)采用空間傳輸。

1 實(shí)驗(yàn)原理

光在光學(xué)介質(zhì)中傳播時(shí),由于材料的吸收,散射,會(huì)使光波在傳播過程中逐漸衰減,對于確定的介質(zhì),光的衰減dI與材料的衰減系數(shù)α,光強(qiáng)I,傳播距離dx成正比:

對上式積分,可得:

上式中L為材料的厚度。

材料的衰減系數(shù)是由材料本身的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)決定的,不同的波長衰減系數(shù)不同[4-7]。普通的光學(xué)材料由于在紅外波段衰減較大,通常并不適用于紅外波段。常用的紅外光學(xué)材料包括:石英晶體及石英玻璃,它在0.14~4.5μm的波長范圍內(nèi)都有較高的透射率。半導(dǎo)體材料及它們的化合物如鍺,硅、金剛石、氮化硅、碳化硅、砷化鎵、磷化鎵。氟化物晶體如氟化鈣、氟化鎂。氧化物陶瓷如藍(lán)寶石單晶(A1203)、尖晶石(MgA1204)、氮氧化鋁、氧化鎂、氧化釔、氧化鈷。還有硫化鋅、硒化鋅,以及一些硫化物玻璃、鍺硫系玻璃等[8]。

光波在不同折射率的介質(zhì)表面會(huì)反射,入射角為零或入射角很小時(shí)反射率表示為:

由(3)式可見,反射率取決于界面兩邊材料的折射率。由于色散,材料在不同波長的折射率不同。折射率與衰減系數(shù)是表征材料光學(xué)特性的最基本參數(shù)。

由于材料通常有兩個(gè)界面,測量到的反射與透射光強(qiáng)是在兩界面間反射的多個(gè)光束的疊加效果,如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成框圖

反射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比為:

透射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比為:

原則上,測量出I0、IR、IT,聯(lián)立(4)、(5)兩式,可以求出R與α

下面討論兩種特殊情況下求R與α。

對于衰減可忽略不計(jì)的紅外光學(xué)材料,α= 0,e-?L=1,此時(shí),由(4)式可解出:

2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置與步驟

整套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由紅外發(fā)射裝置、紅外接收裝置、測試平臺(tái)(軌道)以及測試鏡片組成。圖1中,紅外發(fā)射裝置產(chǎn)生的各種信號(hào),通過發(fā)射管發(fā)射出去。發(fā)出的信號(hào)通過空氣傳輸或者經(jīng)過測試鏡片后,由接收管將信號(hào)傳送到紅外接收裝置。接收裝置將信號(hào)處理后,通過儀器面板顯示或者示波器觀察傳輸后的各種信號(hào)。測試鏡架的“A”處(A為測試鏡架上用于固定材料的方框),可以安裝不同的材料,以研究這些利料的紅外傳輸特性。信號(hào)發(fā)生器可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要提供各種信號(hào),示波器用于觀測各種信號(hào)波形經(jīng)紅外傳輸后是否失真等特性。紅外發(fā)生裝置、紅外接收裝置、軌道部分,三者要保證接地良好。

具體測量步驟如下:

(1)將發(fā)光二極管與功率計(jì)相對放置,在未放置樣品時(shí)測量初始光強(qiáng)I0。在發(fā)光二極管與功率計(jì)連線中間位置垂直放入樣品,測量透射光強(qiáng)IT,并記錄數(shù)據(jù)。

(2)將功率計(jì)移到緊靠發(fā)光二極管,微調(diào)樣品入射角使接收到的反射光最強(qiáng),測量反射光強(qiáng)IR,并記錄數(shù)據(jù)。

(3)根據(jù)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),用(6)式計(jì)算反射率R。

3 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)及誤差的來源

(1)在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)將空測試架調(diào)整到某一角度時(shí),光功率計(jì)的示數(shù)細(xì)微變大,經(jīng)過仔細(xì)思考后初步判斷是因?yàn)闇y試架可以在某一角度聚集光源發(fā)出的光線,這樣便會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定的誤差,經(jīng)思考后我們認(rèn)為可以通過改變實(shí)驗(yàn)測試架厚度解決。

(2)發(fā)射管發(fā)出的光源為點(diǎn)光源。無法發(fā)出平行光,使得測量結(jié)果數(shù)值偏小。因而造成對測試材料的紅外性質(zhì)測量不準(zhǔn)確,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差。

(3)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)開放的系統(tǒng)因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果很容易受外界環(huán)境的影響,并產(chǎn)生測量誤差。外界光線中的紅外光線很可能混入產(chǎn)生的定量紅外光線中,使測量的結(jié)果值偏大。

(4)由于外界環(huán)境(光線、溫度)變化的影響,光功率計(jì)讀數(shù)不穩(wěn)定造成實(shí)驗(yàn)者讀數(shù)不準(zhǔn)產(chǎn)生誤差。

4 實(shí)驗(yàn)儀的改進(jìn)及測量方法

通過實(shí)驗(yàn)誤差的詳細(xì)分析,我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中的最大誤差來源于紅外發(fā)射管發(fā)射點(diǎn)光源無法發(fā)射平行光,導(dǎo)致光線的散失以及外界光線的影響造成的。因而我們決定在實(shí)驗(yàn)儀導(dǎo)軌發(fā)射管前段引入一支架并添加一凸透鏡,使發(fā)射管位于凸透鏡焦點(diǎn)上便可使點(diǎn)光源通過透鏡后產(chǎn)生平行光。同時(shí)我們實(shí)驗(yàn)小組又制作了長度合適圓柱套筒套接在發(fā)射管、測試鏡架、接收管之間以防止光線的散失、和外界光線的影響。此外我們又減小了實(shí)驗(yàn)測試架厚度以減少其對光線匯聚造成的誤差。

對實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行這些改進(jìn)后我們重新進(jìn)行了測量,并通過多次測量取平均值,得到表格中下列數(shù)據(jù):

表1 實(shí)驗(yàn)儀改進(jìn)后部分材料的紅外特性測量值與原始測量值I0=5mW

通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后, 由于光線散失減少,初始光強(qiáng)I0、透射光強(qiáng)IT明顯增強(qiáng)。此外沒有了外界光線的影響讀數(shù)也變的更加穩(wěn)定因此計(jì)算求得的反射率R也更加準(zhǔn)確。改進(jìn)后的紅外通訊特性實(shí)驗(yàn)儀,消除了因點(diǎn)光源光線散失、外界光線影響以及讀數(shù)不穩(wěn)定所造成的誤差,使得測量結(jié)果更加準(zhǔn)確可信。

此外我們又進(jìn)一步思考能否所添加的圓柱套筒若材質(zhì)不同是否會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響,若有影響,哪種材質(zhì)最適合制作套筒使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果最準(zhǔn)確?為了得到問題的答案我們小組又制作了不同材質(zhì)相同直徑和長度的圓柱套筒繼續(xù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)并再多次實(shí)驗(yàn)取平均值后獲得了如下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):

表2 不同圓柱套筒材質(zhì)對測試材料01紅外性質(zhì)的影響

表3 不同圓柱套筒材質(zhì)對測試材料02紅外性質(zhì)的影響

理論分析及比較

對比兩種不同測試材料在不同材質(zhì)套筒作用下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析,我們得出了如下結(jié)論:

(1)各種材質(zhì)的套筒對光線起到了匯聚作用,初始光強(qiáng)I0mW、透射光強(qiáng)IT(mW)、反射光強(qiáng)IR(mW)都有不同程度的增強(qiáng)。

(2)在增強(qiáng)的效果上金屬鋁箔>不透明塑料薄膜>不透明紙板>透明塑料瓶。

(3)當(dāng)材質(zhì)為不透明塑料薄膜、不透明紙板、透明塑料瓶計(jì)算出的反射率R與不加套筒是相差不大。但當(dāng)材質(zhì)為金屬鋁箔是計(jì)算出的反射率大小有明顯的增大。

通過以上結(jié)論我們認(rèn)為因?yàn)榻饘黉X箔材料的套筒對光強(qiáng)的增強(qiáng)程度最大,則此時(shí)光線的散失最小便可以最大的減少誤差。測量的結(jié)果也就最為準(zhǔn)確。因此使用金屬鋁箔套筒測出的材料發(fā)射率R應(yīng)最接近材料的真實(shí)反射率。

所以我們的結(jié)論是應(yīng)該選擇金屬鋁箔材質(zhì)的套筒。

5 結(jié) 論

通過上述改進(jìn)措施,消除了實(shí)驗(yàn)儀本身的結(jié)構(gòu)缺陷,減小了相關(guān)外界因素對測量過程的影響,提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度。

[1] 周惟公.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:北京高等教育出版社,2009.

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[8] 戴瑋,等.紅外通信特性實(shí)驗(yàn)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn), 2013(5)::33-34.

Im provement of Infrared Communication Experimental Instrument

PAN Fang-zhou,YIN Xiang-yin,WANG Yan,ZHENG Zhi-yuan
(China University of Geosciences,Beijing 100083)

According to the problems of the infrared communication experimental instrument during the determination of infrared characteristic,some improvements on the structure of the experimental instrument aremade to control the influence of related factors caused by environment.The experimental precision is greatly improved.

infrared characteristic;apparatus;processing

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.007

1007-2934(2015)05-0022-03

2015-05-31

中國地質(zhì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(2014BXZ029)