【摘要】：紅外光譜技術今年來在不斷的開拓與創(chuàng)新。國內外都爭相在傅里葉變換紅外光譜儀器的領域上進行研究與設計。相比于國內發(fā)展,國外的儀器研究在核心技術水平上更為先進。在這樣的背景條件下,精密儀器的使用與研發(fā)在國內是長期依賴于從國外進口。國外的精密儀器雖然性能參數好,檢測速度快且準確度高,但是購買它們的價格昂貴。單純的進口先進儀器設備不但成本高也不利于國內儀器行業(yè)技術的發(fā)展。同時,傳統(tǒng)的傅里葉紅外光譜儀體積大也依賴于實驗室穩(wěn)定的測量環(huán)境,雖然分辨率可以達到很高,但是難以走出實驗室成為其限制因素。目前傅里葉紅外光譜儀的發(fā)展也越來越傾向于它的便攜性,能夠在離開實驗室的環(huán)境下進行相關測量。在這樣的條件下,為了實現國內的技術水平的突破研究設計了這款基于Cortex-M4便攜式傅里葉變換紅外光譜儀。儀器內部采用雙光路邁克爾遜干涉儀。定鏡與動鏡采用立體角鏡替代傳統(tǒng)的平面鏡設計,立體角鏡的頂點橫移與移動位置的偏斜不會增加額外的光程差所以不需動態(tài)調整簡化儀器的設計與控制難度。在光路的設計上采用60°型干涉光路,不但縮小結構體積也能提高光學效率。同時角鏡與平面反射鏡相結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到更高分辨率。動鏡機構采用柔性鉸鏈與音圈電機相結合克服了傳統(tǒng)的支撐方式的摩擦力影響以及大體積的問題,使得儀器具備了一定的抗震能力。同時針對動鏡機構進行了動態(tài)垂直度的誤差分析,指明其對信號調制度與初相位的影響并在設計上優(yōu)化減小其誤差。動鏡機構的控制采用離散PID算法,并結合了彈性力參數與零點偏移參數的算法補償,整體的設計上讓動鏡機構的運動有較高的穩(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,能夠替代傳統(tǒng)儀器使用的He-Ne激光器。紅外檢測器采用DTGS替代了大體積的MCT檢測器并且不需要額外的制冷方式,靈敏度高,噪聲小。光源與檢測器選擇上都符合便攜式儀器的設計理念。整個模擬電路的設計與芯片的選型都注意減弱噪聲的干擾并設計了高階帶通濾波器。控制處理器采用ARMCortex-M4芯片,它具有資源豐富,高性能32位CPU,低功耗,響應速度快,延遲低的特點。CPLD使用測周期法完成激光干涉信號的頻率計算與ARMCortex-M4配合完成動鏡系統(tǒng)的運動控制和紅外光的數據采樣處理。紅外干涉信號數據使用單向雙邊采集方式,并且數據是單方向采集單方向發(fā)送,減少邊采邊發(fā)數據沖突也提高了數據處理的效率。經過實驗的驗證,這款基于Cortex-M4便攜式傅里葉變換紅外光譜儀測量靈敏度高,反應速度快,分辨率高,有較高的信噪比。信號采集的重復性好并且準確度高,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】：

產生的光程差不但來自反射與透射兩光路的路程也會受介質的折射率逡逑的影響。所Ｗ只需通過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計如圖２．２所示。Ｓ為光源，光源通過透鏡將入射的發(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％逡逑透過分束器射往定鏡，５０％被反射射向動鏡。兩束光束再被動鏡與定鏡反巧返回，再逡逑次在分束器相遇發(fā)生干涉。干涉光進而被探測器檢測。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，為了保持光程不變在透射光路上需要多加一塊逡逑光程補償板Ｂ，補償板與分束器為相同材料且相同厚度。動鏡未移動時，兩路光為相逡逑等光程零光程差，即３邋＝邋０。當動鏡開始運動時由于光程不同光程差會動態(tài)的變化，逡逑并且是動鏡移動距離兩倍的光程差，目Ｐ：邋Ｓ邋＝邋２ｄ。所Ｗ這時干涉條紋會發(fā)生移動，移逡逑動距離ｄ與條紋移動數ｎ的關系為：ｄ邋＝邋ｎ，一。其中：ｉ為入射光波長。逡逑２逡逑冷Ｗ邐ｍｏｖｉｎｇ逡逑Ｓ邋ＭＩＲＫＯＲ逡逑—逡逑

０＞￣——）＾檢測板－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計逡逑＇擺靡＇逡逑圖２．４邁克爾遜干巧儀實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，本設計中將雙平面鏡改進為雙逡逑立體角鏡與雙平面鏡相結合的方案。在安裝的光程中平面鏡難Ｗ避免安裝帶來的鏡面逡逑的橫移Ｗ及傾斜的問題。動鏡水平移動過程中，，平面鏡也難保持其鏡面不會發(fā)生橫逡逑８逡逑
【學位授予單位】：武漢大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH744.1

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 趙建宇;宋捷;郭瑞;王高平;;基于Cortex-M4的無人飛行器安防系統(tǒng)研究[J];武漢工程大學學報;2016年02期

2 顧雯雯;;基于Cortex-M4單片機的多功能虛擬示波器的設計與實現[J];現代計算機(專業(yè)版);2014年36期

3 趙連睿;楊濟民;李振江;李玉坤;;基于Cortex-M4的超聲相控陣探測系統(tǒng)的設計[J];山東科學;2013年02期

4 楊永春;;基于Cortex-M4的環(huán)面蝸桿檢測儀的全閉環(huán)控制系統(tǒng)（英文）[J];機床與液壓;2015年18期

5 張洪彬;任永杰;李正輝;張賓;;基于Cortex-M4的激光在線測量控制器設計[J];計算機測量與控制;2015年12期

6 紀成;王金晨;王菲;;Cortex-M4核Kinetis平臺的電容式觸摸鍵盤設計[J];單片機與嵌入式系統(tǒng)應用;2012年07期

7 劉小軍;牛綠原;劉增元;周金俊;;基于Cortex-M4六旋翼植保無人機的研究與開發(fā)[J];電工技術;2018年06期

8 楊歡;熊劍;郭杭;衷衛(wèi)聲;;基于Cortex-M4的多傳感器組合導航系統(tǒng)設計[J];傳感器與微系統(tǒng);2017年02期

9 劉洪山;黨瑞榮;;基于Cortex-M4的油氣管道微功耗數據采集器軟件設計應用[J];中國資源綜合利用;2017年04期

10 郝利國;李靖宇;劉雅楠;薛儉雷;張淑麗;;基于Cortex-M4醫(yī)用高頻高壓發(fā)生器的研究[J];中國測試;2017年08期

相關會議論文 前2條

1 余澤峰;王軍;范坄;陳耀文;;基于Cortex-M4處理器的多通道生物醫(yī)學信號采集系統(tǒng)設計[A];廣東省生物物理學會2013年學術研討會論文集[C];2013年

2 方兆龍;劉凌云;江波;楊東平;;基于Cortex-M4的MJPEG視頻解碼算法優(yōu)化[A];湖北省機械工程學會機械設計與傳動專業(yè)委員會暨武漢機械設計與傳動學會2015年第23屆學術年會論文集[C];2015年

相關碩士學位論文 前10條

1 馮駿豪;基于Cortex-M4便攜式傅里葉變換紅外光譜儀[D];武漢大學;2017年

2 柏嵩;基于CORTEX-M4的可編程邏輯控制器的設計與應用[D];南昌航空大學;2015年

3 鄒傳民;基于Cortex-M4的嵌入式光學相干層析成像系統(tǒng)的研究[D];廣東工業(yè)大學;2013年

4 馮偉松;基于Cortex-M4微功耗數據采集器的硬件設計與實現[D];西安石油大學;2015年

5 伍華輝;基于Cortex-M4的模塊化綜合電子系統(tǒng)實驗箱研制[D];浙江工業(yè)大學;2015年

6 趙偉超;基于FPGA和Cortex-M4的圖像采集系統(tǒng)設計[D];河南科技大學;2015年

7 顧澤滔;基于Cortex-M4的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設計與實現[D];南京信息工程大學;2016年

8 劉同;基于Cortex-M4與FPGA的運動控制卡開發(fā)[D];北方工業(yè)大學;2015年

9 李永義;基于Cortex-M4的四旋翼無人機控制系統(tǒng)的研究與實現[D];大連理工大學;2017年

10 蔣媛媛;基于Cortex-M4的微功耗數據采集器軟件設計與實現[D];西安石油大學;2015年

本文編號：2608129