光譜儀是一種基本的光學測量儀器,通過對光譜信號的測量和分析,可以實現(xiàn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和成分的鑒定以及材料光學屬性的測量。光譜儀在工業(yè)現(xiàn)場、生物醫(yī)學、現(xiàn)代科學等各個領(lǐng)域已得到廣泛的應用。傳統(tǒng)的光譜儀由于存在成本高、體積大的缺點,限制了其應用場景,因此國內(nèi)外光譜儀朝著體積小、成本低和低功耗的方向發(fā)展,以適應原位和現(xiàn)場檢測的需要。目前國內(nèi)便攜式光纖光譜儀的研究與國外相比還有很大的差距,因此研制一種體積小、功耗低、成本低的便攜式光纖光譜儀,有著十分重要的意義。完整的光譜儀主要由色散分光系統(tǒng)部分、光譜信號采集部分和上位機數(shù)據(jù)處理與顯示部分組成。本文主要研究便攜式光纖光譜儀的信號探測處理與傳輸模塊的設計與實現(xiàn),該部分的正確性和穩(wěn)定性是整個光譜儀系統(tǒng)正常工作的保證。本文根據(jù)課題技術(shù)指標,確定了探測電路模塊的方案設計和器件選型,其中探測器選用了一款背照式面陣CCD圖像傳感器,具有高靈敏度、極大的動態(tài)范圍和低噪聲等優(yōu)點。由于CCD傳感器探測輸出的是模擬信號,不利于信號的傳輸和處理,需要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路將信號數(shù)字化,接著光譜數(shù)據(jù)通過USB2.0協(xié)議傳輸給上位機進行分析處理和顯示。同時選用了溫濕度傳感器監(jiān)測系統(tǒng)環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)是以CPLD為控制中心,對各模塊提供正常工作需要的驅(qū)動時序信號,并與USB2.0控制芯片CY7C68013A構(gòu)成Slave FIFO傳輸模式,完成數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。在完成方案的原理性分析后,進行了原理圖繪制、PCB制版、Verilog HDL代碼編寫、電路調(diào)試以及上位機軟件聯(lián)調(diào)測試等工作。最終實現(xiàn)了滿足系統(tǒng)指標的光譜儀信號探測系統(tǒng)。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN911.7;TP212;TH744.1
【部分圖文】：

2 系統(tǒng)原理與總體方案設計本章首先對目前光譜儀系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理做了介紹，然后根據(jù)本課題的設計目標，確定了信號探測處理與傳輸系統(tǒng)這部分的總體方案設計。并根據(jù)本課題的研究目標，選取了滿足要求的 CCD 圖像傳感器。2.1 光譜儀的結(jié)構(gòu)和原理光譜儀本質(zhì)上是一個特殊的光電成像儀器，光譜測量主要包括光的波長、強度以及分布輪廓，被測光往往是物質(zhì)散射、吸收或者受激發(fā)射的熒光�；驹硎菍⑷肷涞谋粶y光中不同波長的光通過色散系統(tǒng)分離開來，對應成像在接收器的不同位置。這樣就將波長與位置的關(guān)系對應起來，利用光電探測器對不同位置的光強進行探測，便能得到被測光各個波長的光譜信息。

圖 2-2 系統(tǒng)設計框圖2.4 CCD 圖像傳感器的工作原理與性能電荷耦合器件（charge coupled device，CCD）是 1970 年初發(fā)展起來的一種新型半導體器件[21][22]，其突出特點是以電荷作為信號載體，不同于以電流或電壓作為信號的其它光電器件[23][24]。CCD 的基本功能包括信號電荷的產(chǎn)生、存儲、轉(zhuǎn)移和檢測[25]。接下來介紹 CCD 的主要特性參數(shù)：電荷轉(zhuǎn)移效率是表征 CCD 性能好壞的一個重要參數(shù)[26]，定義為：一次轉(zhuǎn)移后到達下一個勢阱中的電荷量與之前勢阱中的電荷量之比[27]。設原有的信號電荷量為 Q0，轉(zhuǎn)移到下一個柵極勢阱中的信號電荷量為 Q1（留在原來柵極下的電荷量為Q0-Q1），則電荷轉(zhuǎn)移效率為Q0Q1η (2-1)

圖 2-3 濱松 S10420-1106-01 背照式面陣 CCD的前向照明式 CCD探測器來說，由于入射光照射過多晶硅電極，而多晶硅電極對所有的入射光都，因此大部分光在進入到 PN 結(jié)之前就損失掉了降。而背照式 CCD 將 PN 結(jié)放在結(jié)構(gòu)電極的外側(cè)耗，從而提高了探測器的量子效率。下圖為 S10以看到，該器件在從紫外到近紅外波段具有很高

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本文編號：2810234