【摘要】：紅外光譜技術(shù)今年來(lái)在不斷的開(kāi)拓與創(chuàng)新。國(guó)內(nèi)外都爭(zhēng)相在傅里葉變換紅外光譜儀器的領(lǐng)域上進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。相比于國(guó)內(nèi)發(fā)展,國(guó)外的儀器研究在核心技術(shù)水平上更為先進(jìn)。在這樣的背景條件下,精密儀器的使用與研發(fā)在國(guó)內(nèi)是長(zhǎng)期依賴于從國(guó)外進(jìn)口。國(guó)外的精密儀器雖然性能參數(shù)好,檢測(cè)速度快且準(zhǔn)確度高,但是購(gòu)買它們的價(jià)格昂貴。單純的進(jìn)口先進(jìn)儀器設(shè)備不但成本高也不利于國(guó)內(nèi)儀器行業(yè)技術(shù)的發(fā)展。同時(shí),傳統(tǒng)的傅里葉紅外光譜儀體積大也依賴于實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定的測(cè)量環(huán)境,雖然分辨率可以達(dá)到很高,但是難以走出實(shí)驗(yàn)室成為其限制因素。目前傅里葉紅外光譜儀的發(fā)展也越來(lái)越傾向于它的便攜性,能夠在離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。在這樣的條件下,為了實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)的技術(shù)水平的突破研究設(shè)計(jì)了這款基于Cortex-M4便攜式傅里葉變換紅外光譜儀。儀器內(nèi)部采用雙光路邁克爾遜干涉儀。定鏡與動(dòng)鏡采用立體角鏡替代傳統(tǒng)的平面鏡設(shè)計(jì),立體角鏡的頂點(diǎn)橫移與移動(dòng)位置的偏斜不會(huì)增加額外的光程差所以不需動(dòng)態(tài)調(diào)整簡(jiǎn)化儀器的設(shè)計(jì)與控制難度。在光路的設(shè)計(jì)上采用60°型干涉光路,不但縮小結(jié)構(gòu)體積也能提高光學(xué)效率。同時(shí)角鏡與平面反射鏡相結(jié)合的光路方式相比于傳統(tǒng)的反射光路將光程差提高了一倍使得儀器能達(dá)到更高分辨率。動(dòng)鏡機(jī)構(gòu)采用柔性鉸鏈與音圈電機(jī)相結(jié)合克服了傳統(tǒng)的支撐方式的摩擦力影響以及大體積的問(wèn)題,使得儀器具備了一定的抗震能力。同時(shí)針對(duì)動(dòng)鏡機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)垂直度的誤差分析,指明其對(duì)信號(hào)調(diào)制度與初相位的影響并在設(shè)計(jì)上優(yōu)化減小其誤差。動(dòng)鏡機(jī)構(gòu)的控制采用離散PID算法,并結(jié)合了彈性力參數(shù)與零點(diǎn)偏移參數(shù)的算法補(bǔ)償,整體的設(shè)計(jì)上讓動(dòng)鏡機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)有較高的穩(wěn)定性并有一定的抗干擾能力。光譜儀的參考激光源采用680nm的VCSEL激光器。它具有光源噪聲低,光譜線寬窄,小體積的優(yōu)點(diǎn),能夠替代傳統(tǒng)儀器使用的He-Ne激光器。紅外檢測(cè)器采用DTGS替代了大體積的MCT檢測(cè)器并且不需要額外的制冷方式,靈敏度高,噪聲小。光源與檢測(cè)器選擇上都符合便攜式儀器的設(shè)計(jì)理念。整個(gè)模擬電路的設(shè)計(jì)與芯片的選型都注意減弱噪聲的干擾并設(shè)計(jì)了高階帶通濾波器�？刂铺幚砥鞑捎肁RMCortex-M4芯片,它具有資源豐富,高性能32位CPU,低功耗,響應(yīng)速度快,延遲低的特點(diǎn)。CPLD使用測(cè)周期法完成激光干涉信號(hào)的頻率計(jì)算與ARMCortex-M4配合完成動(dòng)鏡系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制和紅外光的數(shù)據(jù)采樣處理。紅外干涉信號(hào)數(shù)據(jù)使用單向雙邊采集方式,并且數(shù)據(jù)是單方向采集單方向發(fā)送,減少邊采邊發(fā)數(shù)據(jù)沖突也提高了數(shù)據(jù)處理的效率。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,這款基于Cortex-M4便攜式傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)量靈敏度高,反應(yīng)速度快,分辨率高,有較高的信噪比。信號(hào)采集的重復(fù)性好并且準(zhǔn)確度高,系統(tǒng)的穩(wěn)定性能好有一定的抗干擾能力,滿足便攜式傅里葉變換紅外光譜儀的使用要求。
【圖文】：

產(chǎn)生的光程差不但來(lái)自反射與透射兩光路的路程也會(huì)受介質(zhì)的折射率逡逑的影響。所Ｗ只需通過(guò)控制其中一條光路光程就可完成光程差的變化。干涉儀光路原逡逑理設(shè)計(jì)如圖２．２所示。Ｓ為光源，光源通過(guò)透鏡將入射的發(fā)散光束變換為平行光束出逡逑射。Ａ為分束器，它的有側(cè)面涂有特殊材料膜。在理想的條件下，入射的平行光束５０％逡逑透過(guò)分束器射往定鏡，５０％被反射射向動(dòng)鏡。兩束光束再被動(dòng)鏡與定鏡反巧返回，再逡逑次在分束器相遇發(fā)生干涉。干涉光進(jìn)而被探測(cè)器檢測(cè)。由于分束器中反射光束比直接逡逑透射的光束多走了一段分束器的光程，為了保持光程不變?cè)谕干涔饴飞闲枰嗉右粔K逡逑光程補(bǔ)償板Ｂ，補(bǔ)償板與分束器為相同材料且相同厚度。動(dòng)鏡未移動(dòng)時(shí)，兩路光為相逡逑等光程零光程差，即３邋＝邋０。當(dāng)動(dòng)鏡開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)由于光程不同光程差會(huì)動(dòng)態(tài)的變化，逡逑并且是動(dòng)鏡移動(dòng)距離兩倍的光程差，目Ｐ：邋Ｓ邋＝邋２ｄ。所Ｗ這時(shí)干涉條紋會(huì)發(fā)生移動(dòng)，移逡逑動(dòng)距離ｄ與條紋移動(dòng)數(shù)ｎ的關(guān)系為：ｄ邋＝邋ｎ，一。其中：ｉ為入射光波長(zhǎng)。逡逑２逡逑冷Ｗ邐ｍｏｖｉｎｇ逡逑Ｓ邋ＭＩＲＫＯＲ逡逑—逡逑

０＞￣——）＾檢測(cè)板－扣含｜￡兇＿逡逑樣品池反射鏡逡逑圖２．３便攜式傅里葉變換紅外光譜儀光路設(shè)計(jì)逡逑＇擺靡＇逡逑圖２．４邁克爾遜干巧儀實(shí)物圖逡逑相比于最基本的邁克爾遜干涉儀采用的雙平面鏡，本設(shè)計(jì)中將雙平面鏡改進(jìn)為雙逡逑立體角鏡與雙平面鏡相結(jié)合的方案。在安裝的光程中平面鏡難Ｗ避免安裝帶來(lái)的鏡面逡逑的橫移Ｗ及傾斜的問(wèn)題。動(dòng)鏡水平移動(dòng)過(guò)程中，，平面鏡也難保持其鏡面不會(huì)發(fā)生橫逡逑８逡逑
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH744.1

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本文編號(hào)：2608129