潘方舟,尹向義,王 巖,鄭志遠

(中國地質大學,北京 100083)

紅外通訊特性實驗儀的改進

潘方舟,尹向義,王 巖,鄭志遠

(中國地質大學,北京 100083)

根據材料紅外特性測量實驗中實驗儀所存在的問題,對紅外特性實驗儀的結構進行了改進以控制相關外界因素的影響,提高了實驗精度,減小了實驗誤差。

紅外特性;實驗儀器;改進

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研究的重要組成部分。例如對熱輻射的深入研究導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、旋轉的能級結構,并成為材料分析的重要工具。對紅外材制的性質,如吸收、發(fā)射、反射率、折射率、電光系數等參數的研究,為我們在各個領域的應用研究奠定了基礎。特別是在紅外通信,紅外污染檢測,紅外跟蹤,紅外報警,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。紅外傳輸的介質可以是光纖或空間,本實驗采用空間傳輸。

1 實驗原理

光在光學介質中傳播時,由于材料的吸收,散射,會使光波在傳播過程中逐漸衰減,對于確定的介質,光的衰減dI與材料的衰減系數α,光強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。

材料的衰減系數是由材料本身的結構及性質決定的,不同的波長衰減系數不同[4-7]。普通的光學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的波長范圍內都有較高的透射率。半導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表面會反射,入射角為零或入射角很小時反射率表示為:

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。折射率與衰減系數是表征材料光學特性的最基本參數。

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

圖1 實驗系統(tǒng)組成框圖

反射光強與入射光強之比為:

透射光強與入射光強之比為:

原則上,測量出I0、IR、IT,聯立(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的紅外光學材料,α= 0,e-?L=1,此時,由(4)式可解出:

2 傳統(tǒng)實驗裝置與步驟

整套實驗系統(tǒng)由紅外發(fā)射裝置、紅外接收裝置、測試平臺(軌道)以及測試鏡片組成。圖1中,紅外發(fā)射裝置產生的各種信號,通過發(fā)射管發(fā)射出去。發(fā)出的信號通過空氣傳輸或者經過測試鏡片后,由接收管將信號傳送到紅外接收裝置。接收裝置將信號處理后,通過儀器面板顯示或者示波器觀察傳輸后的各種信號。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。信號發(fā)生器可以根據實驗需要提供各種信號,示波器用于觀測各種信號波形經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)光二極管與功率計相對放置,在未放置樣品時測量初始光強I0。在發(fā)光二極管與功率計連線中間位置垂直放入樣品,測量透射光強IT,并記錄數據。

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

(3)根據所得實驗數據,用(6)式計算反射率R。

3 傳統(tǒng)實驗的缺點及誤差的來源

(1)在實驗過程中發(fā)現將空測試架調整到某一角度時,光功率計的示數細微變大,經過仔細思考后初步判斷是因為測試架可以在某一角度聚集光源發(fā)出的光線,這樣便會對實驗結果造成一定的誤差,經思考后我們認為可以通過改變實驗測試架厚度解決。

(2)發(fā)射管發(fā)出的光源為點光源。無法發(fā)出平行光,使得測量結果數值偏小。因而造成對測試材料的紅外性質測量不準確,導致實驗誤差。

(3)整個實驗裝置是一個開放的系統(tǒng)因此實驗結果很容易受外界環(huán)境的影響,并產生測量誤差。外界光線中的紅外光線很可能混入產生的定量紅外光線中,使測量的結果值偏大。

(4)由于外界環(huán)境(光線、溫度)變化的影響,光功率計讀數不穩(wěn)定造成實驗者讀數不準產生誤差。

4 實驗儀的改進及測量方法

通過實驗誤差的詳細分析,我們發(fā)現實驗過程中的最大誤差來源于紅外發(fā)射管發(fā)射點光源無法發(fā)射平行光,導致光線的散失以及外界光線的影響造成的。因而我們決定在實驗儀導軌發(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上便可使點光源通過透鏡后產生平行光。同時我們實驗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驗測試架厚度以減少其對光線匯聚造成的誤差。

對實驗儀進行這些改進后我們重新進行了測量,并通過多次測量取平均值,得到表格中下列數據:

表1 實驗儀改進后部分材料的紅外特性測量值與原始測量值I0=5mW

通過對實驗結果分析我們發(fā)現實驗改進后, 由于光線散失減少,初始光強I0、透射光強IT明顯增強。此外沒有了外界光線的影響讀數也變的更加穩(wěn)定因此計算求得的反射率R也更加準確。改進后的紅外通訊特性實驗儀,消除了因點光源光線散失、外界光線影響以及讀數不穩(wěn)定所造成的誤差,使得測量結果更加準確可信。

此外我們又進一步思考能否所添加的圓柱套筒若材質不同是否會對實驗結果造成影響,若有影響,哪種材質最適合制作套筒使得實驗結果最準確?為了得到問題的答案我們小組又制作了不同材質相同直徑和長度的圓柱套筒繼續(xù)進行了實驗并再多次實驗取平均值后獲得了如下實驗數據:

表2 不同圓柱套筒材質對測試材料01紅外性質的影響

表3 不同圓柱套筒材質對測試材料02紅外性質的影響

理論分析及比較

對比兩種不同測試材料在不同材質套筒作用下的實驗數據并進行分析,我們得出了如下結論:

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

(2)在增強的效果上金屬鋁箔>不透明塑料薄膜>不透明紙板>透明塑料瓶。

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

通過以上結論我們認為因為金屬鋁箔材料的套筒對光強的增強程度最大,則此時光線的散失最小便可以最大的減少誤差。測量的結果也就最為準確。因此使用金屬鋁箔套筒測出的材料發(fā)射率R應最接近材料的真實反射率。

所以我們的結論是應該選擇金屬鋁箔材質的套筒。

5 結 論

通過上述改進措施,消除了實驗儀本身的結構缺陷,減小了相關外界因素對測量過程的影響,提高了測量結果的準確程度。

[1] 周惟公.大學物理實驗[M].北京:北京高等教育出版社,2009.

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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

中國地質大學實驗室開放基金項目(2014BXZ029)