激光治疗仪的功率密度测量系统

论文摘要

本论文的实验目的是研制一种适用于医用弱激光功率和功率密度测量的激光功率／激光功率密度测量系统。因为医用弱激光和PDT治疗用激光功率治疗机输出功率在毫瓦量级至瓦级,所以本实验需要设计一种既能放大微弱直流信号又能依据激光输出功率的大小改变量程,同时信号失真较低、干扰较小的放大电路。由于影响医用弱激光和PDT治疗疗效的主要因素为激光的功率密度,因此本实验也需要设计平均激光功率密度的测量方法。在本研究中,首先依据查阅的有关激光功率和功率密度测领域的研究现状和激光功率和功率密度测量的相关方法的资料中所述的相关信息选择了热电堆传感器作为整体系统的传感器。在研究外文文献的基础上,了解了热电堆传感器的工作原理并确定热电堆传感器的输出信号类型为电动势信号。利用频域分析法分析了热电堆传感器输出电动势信号的频域响应,并进行了热电堆的噪声来源分析。本论文研究了En-In放大器噪声模型和相对应的公式的推导。利用En-Iη放大器噪声模型和该电动势的频响特性为依据,在比较了若干种运算放大器芯片的性能之后,选择了适合于热电堆传感器的前级运算放大芯片。本论文研究并推导出了前级运放电路的系统函数并建立了前级放大电路的频域响应模型。本论文分析了前级放大电路输出电动势信号及其掺杂噪声的频域响应特性,并根据该频域响应特性的分析设计了信号处理电路。本论文设计了以OP07为核心的量程转换电路、以ADS7805高精度AD转换器为核心的AD转换电路、以Atmega16单片机为核心的数据处理及显示电路,在此基础上设计了整体电路。本论文通过结构化设计方法设计激光功率／功率密度测量系统的软件,在文中阐述了整体的软件工作流程和软件各个子程序的工作原理。其中,应用过采样方法校正测量系统误差和利用均值逼近的方法实现系统初始状态清零为论文在程序设计中的主要创新点。在经过软／硬件联调之后,得到了激光功率／功率密度测量系统测得功率值和功率密度值等参数。通过数据处理和分析,可以确定本系统进行的激光功率、激光功率密度实时监测均满足设计要求,可用于连续激光治疗系统平均功率及平均功率密度测量。以Gentec公司SOLO PE功率计作为测量标准,其测量误差±3%,测量精度优于国内同类产品水平。本论文进行了激光功率／功率密度测量系统误差的分析并给出了解决方案；本论文也展示了基于本项研究而制成的样机。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 缩略语/符号说明
• 一、前言
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究目的
• 1.4 研究的主要内容
• 二、激光功率检测原理
• 2.1 激光功率测量原理综述
• 2.2 激光功率密度测量原理
• 2.3 激光功率计测量原理
• 三、测量系统硬件研究
• 3.1 热释电探测器原理及应用
• 3.1.1 热探测器工作原理
• 3.1.2 热电堆结构及工作原理
• 3.1.3 热电堆噪声分析
• 3.2 前级放大电路研究
• 3.2.1 低噪声前置放大器设计理论研究
• 3.2.2 光电信号探测系统的频率特性
• 3.2.3 实际前置放大器的选型
• 3.2.4 截止频率的选择和前置放大电路设计
• 3.3 系统供电模块介绍
• 3.4 激光功率信号处理系统
• 3.4.1 信号转换和信号处理系统所选器件介绍
• 3.4.2 信号处理系统
• 四、测量系统软件研究
• 4.1 总体程序流程
• 4.2 软件工作原理简述
• 五、系统实验结果与数据分析
• 六、系统误差分析和样机
• 6.1 影响测量精度和仪器性能的因素及解决办法
• 6.2 电路噪声引起的误差及解决办法
• 6.2.1 噪声及其误差分析
• 6.2.2 电路抗干扰措施
• 6.3 样机设计
• 七、结论与讨论
• 7.1 结论
• 7.2 讨论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 综述 激光医学及弱激光治疗剂量测量进展
• 综述参考文献
• 致谢