功率谐波分析仪

可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy， 即TDLAS）是一种红外吸收光谱分析技术，利用分子“选频”吸收形成吸收光谱的原理，实现高分辨率的分子浓度定量分析技术。TDLAS能够进行原位非接触式测量，并且具有高精度、高选择性等特性，结合波长调制光谱（WMS）和锁相放大等抑制噪声的技术，可以实现ppm甚至ppb量级的痕量气体分子浓度测量。 之前我们已经介绍过锁相放大的工作原理和其在TDLAS中的应用，今天小编就跟大家聊聊WMS背后的科学还有实际的应用方式吧！ TDLAS基本原理及Beer-Lambert定律 了解WMS技术之前，我们先简单复习一下TDLAS的原理：基本方法是通过调谐特定的半导体激光器波长，扫过被测气体分子的特定吸收光谱线，被气体吸收后的透射光由光电探测器接收，经锁相放大模块提取透射光谱的谐波分量，反演出待测气体浓度信息。 为了确定与于目标分子浓度相关的吸收，必须将透射光强度I与入射光强度I0进行比较。这个定量分析的依据来自Beer-Lambert定律： 其中L为光程，α(v) 是由入射光波长和样品中目标分子浓度同时决定的吸收系数。TDLAS技术通过使用Beer-Lambert定律分析吸收光谱的数据，便可以获得分子浓度信息。 图一 TDLAS技术示意图 直接吸收光谱（DAS） 接着，我们来看一下直观的直接吸收光谱（Direct Absorption Spectroscopy, DAS）技术。顾名思义，DAS技术通过检测入射光和透射光强度直接获得光吸收量（如图二），并根据两个信号的比例直接推断出气体特性，典型的DAS方法得到的信号如图三。 图二 DAS示意图：调谐激光器波长扫过被测气体分子的特定吸收光谱线，在吸收峰可以直接看到的投射光强度衰减 图三 直接吸收光谱（DAS）技术的典型透射光强度信号 图三也显示了DAS的潜在问题，其相对简易直接的性质使得DAS对许多噪声源敏感。各种高强度的噪声可能源于激光强度波动、激光波长波动（如果激光波长在吸收曲线内波动，也会导致透射光的强度波动）、探测器噪声、散粒噪声（光子噪声）和其他技术噪声。如果吸收谱线足够强，即吸收物质的浓度足够高、提供足够的信噪比 (SNR)，则可以使用DAS进行准确测量。然而，检测低浓度的气体分子需要进一步减少吸收接收信号中的噪声，WMS就是一种在TDLAS技术中广为应用来抑制噪声的方法。 波长调制光谱（WMS） WMS能够改善DAS在信噪比较差的环境中的局限性。将入射激光的波长用一个相对较高频率的载波（通常约为10 kHz）进行调制（如图四），并且将吸收光谱信号以调制频率或该频率的谐波进行解调评估分析，获取特异但有规律可循的谐波波形，从而获取分子浓度信息。由于噪声的影响主要存在于低频，例如二极管的1/f噪声或机械噪声，WMS技术将吸收光谱的检测转移到到了信噪比较优的高频，以此达到抑制噪声的目的。 图四 WMS示意图：调制入射激光的波长至较高频率，将接收端信号以调制频率的谐波进行解调分析 WMS的实现是通过调制可调谐半导体激光器的注入电流，以达到对激光输出的波长和强度的高频调制，并将吸收信号移到了更高的频率。其中，TDLAS系统的线性响应（激光器的线性强度调谐）以调制频率的一次谐波为中心，系统的非线性响应（例如吸收和非线性强度调谐）则反应在调制频率的二次及更高次谐波，因此可以透过对高次谐波信号的分析来提取光谱吸收信息。一般来说，二次谐波分析足以满足大多数的气体分析要求。 要提取并分析在已知载波频率的高频信号，锁相放大器是一个十分强大的工具。利用锁相放大器可以用来创建指定频率的带通滤波器，如果带宽足够窄，便能抑制宽带噪声，所以用于调制的频率必须避开主要的噪声频率。（点击这里了解锁相放大器在TDLAS系统中的功用） 除此之外，WMS技术还提供了另外一种选择，能够通过频分复用的方法同时发射传播多个不同波长的激光。多个激光以不同的频率调制并收集在单个探测器上，谨慎选择的调制频率能够尽量避免谐波重叠或拍频干扰，最终每个激光信号都可以由独立的锁相放大通道器提取。利用昕虹光电数字电路实现的双通道锁相放大器，使得实现这样的一个多组分分子一体化探测系统变得经济而简单，实现对多个目标分子（如多种温室气体N2O,CH4,CO2等）同时进行测量。 参考文献：1. “Absorption spectroscopy”, http://www.atomic.physics.lu.se/fileadmin/atomfysik/Education/Elective_courses/FAF080_AtomoMolekylSpektr/Lab_absorption_spectroscopy_2017.pdf2. Christopher Lyle Strand, 2014, ‘Scanned Wavelength-Modulation Absorption Spectroscopy with Application to Hypersonic Impulse Flow Facilities’, PhD thesis, Standford University, USA.

摘要：原子力显微镜（AFM）轻敲模式（TM）成像过程中，针尖与样品间的非线性相互作用会导致探针检测信号的频谱中出现各种倍频分量，即高次谐波信号。利用高次谐波信号的幅度/相位信息进行成像，可以表征样品表面精细结构和分析研究样品表面纳米力学性质。报告介绍了利用小波变换对高次谐波信号特性开展的分析研究，以及几种常用的对微弱高次谐波信号增强放大、提取的方法。最后，展示了研制的高次谐波成像系统及其在样品表征中的应用。报告人：北京航空航天大学物理学院钱建强教授钱建强，北京航空航天大学物理学院教授，博士生导师。中国仪器仪表学会显微仪器分会理事，中国宇航学会空间遥感专业委员会委员，全国高等学校光学教学研究会理事，主要从事纳米测量方法与显微仪器技术研究。上世纪90年代初师从姚骏恩院士，研制成功国内首批激光检测原子力显微镜。近年来承担并完成国家科技支撑计划重大课题子课题、国家863、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目20余项。先后研制成功基于自激励和自感知的石英音叉探针频率调制原子力显微镜，原子力显微镜液相环境频率调制成像系统，原子力显微镜高次谐波/多频激励成像系统。率先开展了基于压缩感知的原子力显微镜成像方法研究，基于小波变换的原子力显微镜高次谐波信号分析。在Nanotechnology、 Ultramicroscopy、Review of Scientific Instruments等国内外学术期刊发表论文100余篇，获授权国家发明专利15项，主编并出版工信部“十二五”规划教材1部。网络讲座时间：北京时间 2021年10月21日 上午10：00-上午11:00申请方法：关注“Park原子力显微镜”公众号查看首页文章进行注册即可参加。届时直播间会抽送十位赠送精美礼物。

近日，第二届亚太LED技术论坛峰会在深圳和宁波相继举办。本次大会邀请多家国际知名公司的技术专家到会重点分享包括LED驱动和电源解决方案、LED照明的电路保护和LED测试解决方案等方面的创新技术和应用开发理念。与众多宣讲LED驱动IC和元器件应用的演讲不同，泰克科技公司《整合您的LED测试技术解决方案》的演讲尤其引人注目，该公司的专家深入浅出地阐述了LED照明应用设计和测试挑战及相应的解决方案，获得了现场听众的热烈反响。　　阻碍LED照明应用美好前程的三大技术难题　　尽管不断有业内人士抛出LED行业存在各种隐忧的言论，但仍然无法阻挡广大企业想吃到这块“烫手山芋”的热情。热情需要理性来支撑，广大开发者必须在实际开发和设计过程中想方设法克服各种瓶颈问题，特别是测试翘楚泰克科技和其他许多与会专家提到的发热(寿命)、成本、标准符合这三大难题。　　泰克科技华南区分销产品部客户经理陈文权指出：“LED单管的发热明显，散热问题直接影响其在照明领域的替代性 目前LED的成本还很高，特别是前期投入较大，影响了它向更广泛领域拓展 如今在国内没有明确的标准，预计年内能够形成，现阶段可参照一些较严格的行业标准进行设计。”　　图1：泰克科技华南区分销产品部客户经理陈文权深入浅出地阐述LED照明应用设计和测试挑战及相应的解决方案　　另外两家元器件巨头村田和泰科电子的专家在演讲中都提到，对于LED照明应用，发热是无法回避的问题，因为理论和时间都已证明，LED的性能和寿命是与LED的pn结工作温度紧密相关的。过流、过压和过热都会显著的减少LED的发光性能和使用寿命。在制定针对这些情况的过温保护方案之前，需要参照相应的标准和实际应用，以便获得最具成本效益的结果。如对于道路交通信号灯应用，可能就是达到规定温度就立即保护或发送告警通知，以免影响相关标准要求达到的最低光强级别，产生交通安全隐患 对于道路或家居照明，可能是达到一定温度开始启动保护，先降低电流，到达温度保护居里点后立即保护。　　无论是自带保护功能还是不具备保护功能，驱动LED的开关电源电路都称得上是保证系统安全可靠工作的第一道防线，同时也是提升LED照明系统整体能效、降低其总体成本、实现相应控制功能(如调光)的关键所在，因此必须通过适当的测试解决方案来帮助选择和/或确定有源开关器件和相应电源电路的设计。　　从LED驱动电路和保护电路等实际应用电路的开发角度来说，克服LED上述三大难题离不开精准、可靠和低成本地实现各种电性能的测试测量，尤其是开关电源的电性能测试，而且更加侧重电流测试。　　应对瓶颈问题的测试测量考量要点建议　　那么对于LED照明应用开发来说，哪些关键的电性能是值得工程师们特别对待的呢?泰克公司陈文权表示，LED电流纹波首当其冲，并且关系到开关电源的成本和光通量平衡折衷。　　他分析到，纹波电流通过提高功耗而影响LED性能，这可能导致结温升高，而且对LED的使用寿命有重大影响。根据经验，结温每降低10℃，半导体的使用寿命就会延长2倍。另外，作为工作电流函数的相对光输出(光通量)与二极管电流是密切相关的，因此可以通过改变正向电流进行调光。在电流较低时，若将二极管电流增大一倍，则光输出也会增加一倍 但是电流较高时，电流上升100%仅能使光输出量增加80%。LED是由会产生较大纹波电流的开关电源驱动的。实际上，开关电源的成本在某种程度上是由所允许的电流大小决定的，纹波电流越大，电源成本就越低，但光输出会因此受到影响。　　陈文权进一步指出，开关电源设备的转换速率(di/dt、dv/dt)、开关损耗测量、安全工作区(SOA)都是测试测量的考量要点。这些指标考验着开关电源的效率。晶体管开关电路在转换过程中消耗的能量最大，常用的测量包括闭点损耗、开点损耗、功率损耗、动态开点电阻、安全工作区(瞬时功率)。　　再者，对实现LED调光的开关电源调制分析也必不可少。实现LED调光主要有两种方法：一是降低LED的电流 二是快速地开关LED，并且通过电流波形的脉宽调制(PWM)进行调光更为准确。显然，后者已成为行业主流，在照明和显示器应用上，PWM需要高于100Hz的频率，以使肉眼感觉不到闪烁，10%的脉冲宽度在ms范围内，并要求电源的带宽大于10kHz，而且控制环路总是处于激活状态，并实现了极快的瞬态响应。　　另外，陈文权指出，线路自动测量，包括电源质量、谐波分析也是LED照明应用不可或缺的测量指标，以便出厂时满足相应的标准规定。其中包括真实功率、无功功率、视在功率、功率因数、波峰因数、电流谐波测量和THD。　　对症下药：找到最合适的测试测量方案和示波器　　陈文权在演讲中与到会的工程师分享了测试上述一系列电性能指标时需要注意的事项以及相应示波器和配件的选择。　　对于纹波测量，电流探头的选择很重要。LED单管的电流纹波指标在1m A级甚至几百个uA，若探头的动态范围达不到，则可通过增加绕组的方法来测量微小的电流。直接与泰克DPO4000/7000示波器相连的TCP0030 AC/DC电流探头提供了精确简单的电流纹波测量方案，并且支持更高电压。TACPA300+TCP312(放大器)则可与任意品牌的示波器相连，组成电源测试方案。　图2：泰克的工程师正在用MSO4000系列示波器和信号板演示电源毛刺的精准捕捉　　而对于有源开关器件损耗测量，诸如带有DPO4PWR电源分析应用模块软件的MSO/DPO4000示波器就非常方便，可自动计算开点损耗、闭点损耗和传导损耗。不过，陈文权提醒到，电压波形和电流波形之间的定时必须准确，可借助诸如TekVPI探头和偏移校正套件，消除电压探头与电流探头之间的偏移。另外，为处理开关信号频率成分示波器要提供足够的带宽和上升时间，而且要具备快速采样率，以捕捉跳变，另外就是需要提供深记录长度以实现长时间采集。　　“开关信号上升时间可能会相当快，为准确地进行测量，测量系统(示波器加探头)的上升时间应该快5倍。”陈文权强调说，“而对于上电调制分析，记录长度很重要，开关单元的控制信号电压和电流的脉宽和幅度可非常完整得被记录。”实际上，泰克公司的DPO/MSO4000和3000系列示波器就分别具备高达10M和5M点的记录长度，采样率高达5GS/s。　　另外，在如今非常长的记录长度情况下，以往传统的示波器旋钮显得不合时宜，很花费时间。另外，开关电源和能量损耗测量更多的是看瞬态变化，若还是用手工或电脑编程来计算，就会非常麻烦。因此他特别推荐泰克示波器配备的独特Wave Inspector搜索和导航工具，其前面板控制功能和强制外圈反馈可大大改善操作便捷性，而且可支持捕捉负载变化事件，追踪瞬态功率值，将瞬态功率点与相应的时域波形对应分析及放大波形细节等。　　对于电源质量测量，陈文权给出的测量建议是：1.检定电源与其服务环境的相互作用 2.必须直接在输入电源线上测量电压和电流 3.要求高压探头，通常是差分探头。至于必须符合的相关标准，如EN61000-3-2、MIL-STD-1399等，泰克公司的示波器均提供这些标准的选项，使用者可轻松完成一致性测试，看是否能够通过。　　如前面提到的，中国的LED照明行业目前处于标准缺失的状态，相关组织机构正在加紧制定此类行业标准。在这种情况下，开发者可以选择一些国际上已经存在的行业公认的标准进行参照，如泰克专家在演讲中提到的例子——LED舞台灯光领域的美国标准DMX512(兼容RS-485)、电路保护和元器件测试方面的美国军工标准MIL-STD-883G、ESD-STM5.2-1999等。“要求达到这些标准而进行相关测试测量的厂商就是我们的实际客户，值得大家借鉴。”陈文权表示，“从MSO/DPO4000和DPO3000系列示波器，到电源分析捆绑解决方案，即电源测量模块软件、探头、校准工具，泰克公司拥有完善的一系列电源测量工具，并不断更新换代，跟进相应标准的出台，可很好地满足LED照明应用开发的测试测试测量需求，帮助克服应用方面的各种挑战，进而降低总体开发成本。”