激光功率密度檢測系統設計

曹曉冬　王晗

摘要：采用三星公司生產ARM9系列中的S3C2440A芯片作為處理器，通過熱電堆傳感器和熱電偶傳感器采集功率信號和溫度信號，以ADS1274芯片為核心的AD轉換電路對采集到的信號進行模數轉換，經處理器處理后將數據顯示在全彩LCD觸摸屏上。利用ADS1274芯片的特性提高了模數轉換速率，簡化了電路設計;由于采用ARM9系列芯片作為處理器，將嵌入式技術引入到功率密度測量系統中降低了測量誤差率差并且實現了多線程操作的功能，在檢測功率密度、監測被照射物體表面溫度和記錄光照時間的同時又能夠很好的與使用者進行交互，滿足了實際臨床需求。

關鍵詞：傳感器;嵌入式;模數轉換;激光功率密度

中圖分類號：TN249 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）08-0155-03

0 引言

與普通光源相比，激光具有相干性強、功率高、方向性強和單色性好等特點，使其在診斷和治療多種疾病上有很大的優勢，激光功率密度是激光醫療中反應激光劑量的一個主要因素，其值的高低是影響醫用弱激光和PDT（Photodynamic Therapy，光動力療法）治療療效的直接原因[1];由于人體組織對溫度的敏感度具有各異行，為避免患者在接受激光治療時引起不必要的皮膚灼傷，因此，需要設計一款能夠在精確測量出激光功率密度的同時監測被照射物體表面溫度、記錄光照時間的功率密度檢測系統，使患者在安全的前提下得到最佳的療效。然而，目前的激光功率檢測系統雖然在測量精度上有顯著提高，但是，不能測量功率密度而且測量數據單一、電路設計復雜[2-6]。

針對傳統激光功率檢測系統的不足，本研究提出了一個新型激光功率密度檢測系統。該系統采用多個傳感器同時采集數據;選用ADS1274為模數轉換電路的核心，提高了模數轉換速率同時簡化了電路設計[7];選用ARM9系列芯片作為處理器引入了嵌入式系統，實現了多線程操作，同時提高了處理速度，同時，在數據處理中加入了面積運算能夠直觀的顯示出功率密度值并且將處理后的數據顯示在全彩LCD觸摸屏上，實現了在測量功率/功率密度值的同時又能很好的與使用者交互的臨床需求[8-10]。

1 系統總體結構設計

該系統主要由信號采集模塊、信號轉換模塊和信號處理與控制模塊組成，總體結構如圖1所示。

信號采集模塊由熱電偶傳感器、熱電堆傳感器和量程選擇電路構成;其中，熱電偶傳感器用于采集物體表面溫度，實現溫度信息的實時監控;熱電堆傳感器用于采集激光的功率密度信息;量程轉換電路可以改變系統量程，充分發揮系統的測量能力并且可以通過信號處理與控制模塊進行切換已達到最佳的效果。信號轉換模塊主要以ADS1274芯片及其外圍電路構成，其主要功能是對傳感器的輸入信息進行放大、濾波和模數轉換。信號處理與控制模塊由S3C2440A芯片、全彩LCD觸摸屏和相關電路構成，主要用于數據處理顯示以及功能設置。

2 信號采集模塊設計

2.1 熱電偶傳感器

熱電偶傳感器是利用熱電偶中的熱釋電效應（也稱塞貝克效應）產生熱電動勢測量溫度。由于塞貝克效應是接觸電動勢和溫差電動勢綜合作用的結果，因此得到了熱電偶回路中熱電勢的計算公式如下式所示：

EAB（T，T0）=lndt=SABdt? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，EAB （T，T0）表示熱電偶兩端A（所處溫度為T）、B（所處溫度為T0）的熱電勢，K為波爾茨曼常數， e為電子電荷，NAt、NBt為材料A、B的自由電子密度，都是t的函數。其中SAB=ln稱為熱電偶的塞貝克系數或熱電動勢率。

由上式可知，熱電偶的熱電勢和單位體積中自由電子數NAt、NBt以及兩接點溫度 T和T0有關。NAt、NBt取決于熱電偶的材料特性，而且隨溫度變化而變化。當確定組成熱電偶兩電極A、B的材料后，其總電動勢EAB（T，T0）與溫度T和T0的差呈線性變化。在實際應用中，取T0=0作為熱電偶冷端的溫度值，這樣只要測得熱電動勢EAB（T，T0）再除以塞貝克系數就能得到被測溫度的值。

因此，不同型號的熱電偶所檢測的溫度范圍不同。T型熱電偶具有測量溫度范圍小、精度高、偶絲直徑小等特點，符合不影響治療效果的前提下準確的測量出被照射物體表面溫度的實際需要，所以選擇T型熱電偶作為溫度傳感器。

2.2 熱電堆傳感器

熱電堆傳感器其實質是由鐵電晶體的熱電偶放射排列式組成。由于鐵電晶體偏振永不變，當入射光照射晶體產生偶極矩，從而產生穩定的電流;熱電偶采用放射式排列是因為與其他排列方式相比，放射式排列的響應時間更短。

當激光照射傳感器中心位置，其能量被傳感器上的黑體所吸收，從而使中心附近位置溫度升高，這樣熱電偶陣列內外側金屬連接處就會產生溫度差ΔT，根據公式（1）可知，熱電堆傳感器的輸出電壓為：

ΔE=Ein+-Ein-=KαsΔT? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中，K為串聯有效熱電偶數目，αs為塞貝克系數。因此，輸出電勢與被測輻射所產生的溫度差呈正比例函數關系。

激光輻射傳感器的能量以內能的形式儲存在傳感器中，隨著內能的增加傳感器的溫度也會隨之上升，因此內能與溫度有如下關系：

Q（t）=cmT（t）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

其中，Q為傳感器吸收的能量，T為溫度，c、m分別為吸收體的比熱容和質量，均為常數。設傳感器對激光輻射能量的吸收率為η，則：

E（t）=ηQ（t）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

能量與功率的關系可知：

E（t）=∫P（t）dt? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

因此由式（3）、（4）、（5）聯合可得激光的功率與傳感器溫度有如下關系：

P（t）=cmη? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

根據式（2）、（6）聯合可得，激光功率與熱電偶傳感器輸出電壓關系為：

P（t）=kE（t）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

2.3 量程選擇電路

量程選擇電路主要由OP07和CD4016BC組成，信號處理模塊通過模擬開關選擇CD4016BC芯片的不同放大增益，從而得到不同的測量量程，該電路對擴大系統測量范圍，充分發揮系統測量能力起到了至關重要的作用。

3 信號轉換模塊設計

信號轉換模塊主要包括調理電路和模數轉換電路兩部分，如圖2所示;其中，調理信號的主要作用是將單端輸入的模擬信號轉換成差分信號，為降低噪聲提供了必要條件;模數轉換電路完成了模擬信號向數字信號的轉換。

3.1 調理電路

調理電路其實質是以OPA1632為核心的運算放大電路，其主要功能是將信號配置成差分輸入方式并進行適當放大。因為信號以差分方式輸入可以有效的抑制信號零漂和消除信號共模干擾，對減小系統的測量誤差起到重要作用。

3.2 模數轉換電路

模數轉換電路是以24位Σ-Δ模型4通道高速模數轉換芯片ASD1274為核心組成，與傳統模數轉換芯片相比，其采樣率最高達到128KS/s同時兼備45KHz的帶寬，其最大分辨率未10nV，因此，可直接對傳感器輸出的微小電壓信號進行采集，使得系統的硬件設計得到了大幅度的簡化，同時有效杜絕了外部噪聲的引入。

ADS1274內部主要由4個并行且相互獨立的模/數轉換器組成，實現4通道輸入信號的數字化。每個模/數轉換器由6階斬波電路、Σ-Δ型調制器，極低波紋電路以及FIR濾波器構成。采用差動信號VREF=（VREN-VREP）作為參考電壓的調制器與輸入的差分信號VIN=（VAINP-VAINN）相比較輸出一個1秒密度的位流信號，而后經數字濾波器濾波，位流信號輸出一個低噪聲的數字信號。

4 信號處理與控制模塊設計

信號處理與控制模塊的主要功能市將從ADS1274輸出的24位二進制數經過運算轉換成十進制的功率信號和溫度信號后顯示在全彩LCD觸摸屏上，并且需要完成量程的選擇和功率密度的換算。

正式測量前，采用多次測量結果相加而后求均值的方法確定基準電動勢，完成系統清零;由于S3C2440A的CPU在正常工作時頻率可達405MHz，ADS1274輸出數字信號的最高速率可達105kb/s，因此在數據處理時對檢測到的功率值可以用短時間內進行多次采樣取平均值的方法減少誤差，同時將所得數據除以熱電堆傳感器傳感盤的面積得到功率密度值，其GUI程序工作流程如圖3所示。

5 結果分析

本系統對原有的功率檢測系統進行改進并且增加了檢測功率密度的功能，實際測量的功率值與現有功率計測得的功率值進行誤差分析其數值如表1所示。根據表1可知實際測量中該系統與現有功率計相比其平均誤差率為1%，在進行多組數據測量分析后可得出該系統的誤差率在1%左右。

6 結語

本系統采用S3C2440A芯片作為處理器，ADS1274芯片作為模數轉換電路的核心，通過多傳感器采集數據，實現了在檢測功率/功率密度值的同時檢測被照射物體表面溫度并記錄光照時間。實驗表明，該系統不但滿足了能夠與使用者良好交互的臨床需求實現了多線程操作，而且提高了數據處理速度、簡化了電路設計同時降低了測量誤差。此外，該系統還可進行拓展，在與激光治療儀結合的同時實現對激光功率/功率密度實時檢測的功能，這為一些體腔內需要進行激光治療的患者得到最佳治療效果提供了可靠的保障。

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Design of Laser Power Density Measurement System Based on ARM and ADS1274

CAO Xiao-dong， WANG Han

（Tianjin Optical Electrical Co.. Ltd， Tianjin 300221）

Abstract：Using S3C2440A chip produced by Samsung Corp ARM9 series as core processor， use thermopile and thermocouple sensors to collect power signal and temperature signal， The AD conversion circuit with ADS1274 chip as the core carries on the analog-digital conversion to the collected signal， after processing by the processor， the data is displayed on the full color LCD touch screen. Because of the characteristics of the ADS1274 chip， the rate of AD convert is improved， the circuit is simplified; Because of ARM9 series chips as processor， the embedded technology is introduced into the power density measurement system， made the measurement error is reduced and the functionality of multi-threaded operation is realized， while detecting the power density， monitoring the surface temperature of the illuminated object and recording the illumination time， it can interact well with the user to meet the actual clinical needs.

Key words：sensor; embedded; AD convert; laser power density