潘方舟,尹向义,王 岩,郑志远

(中国地质大学,北京 100083)

红外通讯特性实验仪的改进

潘方舟,尹向义,王 岩,郑志远

(中国地质大学,北京 100083)

根据材料红外特性测量实验中实验仪所存在的问题,对红外特性实验仪的结构进行了改进以控制相关外界因素的影响,提高了实验精度,减小了实验误差。

红外特性;实验仪器;改进

波长范围在0.75~1 000μm的电磁波称为红外波,对红外频谱的研究历来是基础研究的重要组成部分。例如对热辐射的深入研究导致普朗克量子理论的创立,对原子与分子的红外光谱研究,帮助我们洞察它们的电子振动、旋转的能级结构,并成为材料分析的重要工具。对红外材制的性质,如吸收、发射、反射率、折射率、电光系数等参数的研究,为我们在各个领域的应用研究奠定了基础。特别是在红外通信,红外污染检测,红外跟踪,红外报警,红外治疗,红外控制等方面[1-3]。

红外波长比微波短得多,用红外波作载波,其潜在帕通信容量是微波通信无法比拟的,红外通信就是用红外波作载波的通信万式。红外传输的介质可以是光纤或空间,本实验采用空间传输。

1 实验原理

光在光学介质中传播时,由于材料的吸收,散射,会使光波在传播过程中逐渐衰减,对于确定的介质,光的衰减dI与材料的衰减系数α,光强I,传播距离dx成正比:

对上式积分,可得:

上式中L为材料的厚度。

材料的衰减系数是由材料本身的结构及性质决定的,不同的波长衰减系数不同[4-7]。普通的光学材料由于在红外波段衰减较大,通常并不适用于红外波段。常用的红外光学材料包括:石英晶体及石英玻璃,它在0.14~4.5μm的波长范围内都有较高的透射率。半导体材料及它们的化合物如锗,硅、金刚石、氮化硅、碳化硅、砷化镓、磷化镓。氟化物晶体如氟化钙、氟化镁。氧化物陶瓷如蓝宝石单晶(A1203)、尖晶石(MgA1204)、氮氧化铝、氧化镁、氧化钇、氧化钴。还有硫化锌、硒化锌,以及一些硫化物玻璃、锗硫系玻璃等[8]。

光波在不同折射率的介质表面会反射,入射角为零或入射角很小时反射率表示为:

由(3)式可见,反射率取决于界面两边材料的折射率。由于色散,材料在不同波长的折射率不同。折射率与衰减系数是表征材料光学特性的最基本参数。

由于材料通常有两个界面,测量到的反射与透射光强是在两界面间反射的多个光束的叠加效果,如图1所示。

图1 实验系统组成框图

反射光强与入射光强之比为:

透射光强与入射光强之比为:

原则上,测量出I0、IR、IT,联立(4)、(5)两式,可以求出R与α

下面讨论两种特殊情况下求R与α。

对于衰减可忽略不计的红外光学材料,α= 0,e-∂L=1,此时,由(4)式可解出:

2 传统实验装置与步骤

整套实验系统由红外发射装置、红外接收装置、测试平台(轨道)以及测试镜片组成。图1中,红外发射装置产生的各种信号,通过发射管发射出去。发出的信号通过空气传输或者经过测试镜片后,由接收管将信号传送到红外接收装置。接收装置将信号处理后,通过仪器面板显示或者示波器观察传输后的各种信号。测试镜架的“A”处(A为测试镜架上用于固定材料的方框),可以安装不同的材料,以研究这些利料的红外传输特性。信号发生器可以根据实验需要提供各种信号,示波器用于观测各种信号波形经红外传输后是否失真等特性。红外发生装置、红外接收装置、轨道部分,三者要保证接地良好。

具体测量步骤如下:

(1)将发光二极管与功率计相对放置,在未放置样品时测量初始光强I0。在发光二极管与功率计连线中间位置垂直放入样品,测量透射光强IT,并记录数据。

(2)将功率计移到紧靠发光二极管,微调样品入射角使接收到的反射光最强,测量反射光强IR,并记录数据。

(3)根据所得实验数据,用(6)式计算反射率R。

3 传统实验的缺点及误差的来源

(1)在实验过程中发现将空测试架调整到某一角度时,光功率计的示数细微变大,经过仔细思考后初步判断是因为测试架可以在某一角度聚集光源发出的光线,这样便会对实验结果造成一定的误差,经思考后我们认为可以通过改变实验测试架厚度解决。

(2)发射管发出的光源为点光源。无法发出平行光,使得测量结果数值偏小。因而造成对测试材料的红外性质测量不准确,导致实验误差。

(3)整个实验装置是一个开放的系统因此实验结果很容易受外界环境的影响,并产生测量误差。外界光线中的红外光线很可能混入产生的定量红外光线中,使测量的结果值偏大。

(4)由于外界环境(光线、温度)变化的影响,光功率计读数不稳定造成实验者读数不准产生误差。

4 实验仪的改进及测量方法

通过实验误差的详细分析,我们发现实验过程中的最大误差来源于红外发射管发射点光源无法发射平行光,导致光线的散失以及外界光线的影响造成的。因而我们决定在实验仪导轨发射管前段引入一支架并添加一凸透镜,使发射管位于凸透镜焦点上便可使点光源通过透镜后产生平行光。同时我们实验小组又制作了长度合适圆柱套筒套接在发射管、测试镜架、接收管之间以防止光线的散失、和外界光线的影响。此外我们又减小了实验测试架厚度以减少其对光线汇聚造成的误差。

对实验仪进行这些改进后我们重新进行了测量,并通过多次测量取平均值,得到表格中下列数据:

表1 实验仪改进后部分材料的红外特性测量值与原始测量值I0=5mW

通过对实验结果分析我们发现实验改进后, 由于光线散失减少,初始光强I0、透射光强IT明显增强。此外没有了外界光线的影响读数也变的更加稳定因此计算求得的反射率R也更加准确。改进后的红外通讯特性实验仪,消除了因点光源光线散失、外界光线影响以及读数不稳定所造成的误差,使得测量结果更加准确可信。

此外我们又进一步思考能否所添加的圆柱套筒若材质不同是否会对实验结果造成影响,若有影响,哪种材质最适合制作套筒使得实验结果最准确?为了得到问题的答案我们小组又制作了不同材质相同直径和长度的圆柱套筒继续进行了实验并再多次实验取平均值后获得了如下实验数据:

表2 不同圆柱套筒材质对测试材料01红外性质的影响

表3 不同圆柱套筒材质对测试材料02红外性质的影响

理论分析及比较

对比两种不同测试材料在不同材质套筒作用下的实验数据并进行分析,我们得出了如下结论:

(1)各种材质的套筒对光线起到了汇聚作用,初始光强I0mW、透射光强IT(mW)、反射光强IR(mW)都有不同程度的增强。

(2)在增强的效果上金属铝箔>不透明塑料薄膜>不透明纸板>透明塑料瓶。

(3)当材质为不透明塑料薄膜、不透明纸板、透明塑料瓶计算出的反射率R与不加套筒是相差不大。但当材质为金属铝箔是计算出的反射率大小有明显的增大。

通过以上结论我们认为因为金属铝箔材料的套筒对光强的增强程度最大,则此时光线的散失最小便可以最大的减少误差。测量的结果也就最为准确。因此使用金属铝箔套筒测出的材料发射率R应最接近材料的真实反射率。

所以我们的结论是应该选择金属铝箔材质的套筒。

5 结 论

通过上述改进措施,消除了实验仪本身的结构缺陷,减小了相关外界因素对测量过程的影响,提高了测量结果的准确程度。

[1] 周惟公.大学物理实验[M].北京:北京高等教育出版社,2009.

[2] Principles of Optics/M.Born and E.Wolf[M].北京:电子工业出版社,2000.

[3] 刘安东.红外光学材料[M].上海:上海科学技术情报研究所,2012:230-252.

[4] 普朝光.非制冷红外探测材料技术[M].北京:国防工业出版,2008:106-123.

[5] 徐怀之.红外光学材料分析[M].北京:国防工业出版社,2009:112-145.

[6] 陆婉珍.现代近红外光谱分析技术[M].2版.中国石化出版社,2009:32-56.

[7] 费业泰.误差理论与数据处理[M].北京;机械工业出版社,2003:67-74.

[8] 戴玮,等.红外通信特性实验[J].大学物理实验, 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

中国地质大学实验室开放基金项目(2014BXZ029)