專利名稱：多光柵單色儀及其定標(biāo)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光譜分析及測量技術(shù)，特別是一種多光柵單色儀及其定標(biāo)方法。
背景技術(shù)：
單色儀是一種通過光柵的衍射作用把一束復(fù)合光分解為不同波長單色光的分光儀器，是光學(xué)及光電子領(lǐng)域進(jìn)行光譜分析和測量的重要基礎(chǔ)儀器。由于電子技術(shù)的高速發(fā)展，光電檢測技術(shù)在儀器的分辨率、測量范圍、測量靈敏度、測量速度及集成化、一體化等方面提出了更高的要求。提高單色光譜儀的波長掃描范圍、速度、精度以及集成度是目前單色光譜儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。原來的計(jì)算機(jī)控制自動光柵單色光譜儀多采用正弦機(jī)構(gòu)，只能安裝一塊光柵，掃描光譜范圍窄；另外正弦機(jī)構(gòu)只能做往復(fù)運(yùn)動，容易撞車，采用正弦機(jī)構(gòu)的光柵單色光譜儀已面臨淘汰的趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)的不足而提供一種提高波長掃描范圍和掃描
精度，具有更高的可靠性、集成度及自動化程度的多光柵單色儀及其定標(biāo)方法。 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種多光柵單色儀，主要包括單色分光系統(tǒng)、
控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)以及打印機(jī)，其特征是分光系統(tǒng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一體，儀器上部為光柵
室，下部為控制器室；光柵室主要包括一個(gè)入射狹縫、兩個(gè)出射狹縫、濾色片組、兩個(gè)凹面
鏡、光柵轉(zhuǎn)臺、反光鏡及步進(jìn)電機(jī)，入射及出射狹縫的開合大小由手動控制；硬件電路采用
二階Butterworth濾波器進(jìn)行抗混疊濾波，消除200KHz以上頻率，軟件設(shè)計(jì)中采用中值濾
波法消除由光源供電系統(tǒng)引入的50Hz工頻干擾；使用硬件8位脈寬調(diào)制(P麗)方法實(shí)現(xiàn)對
步進(jìn)電機(jī)的控制，在脈寬輸出的下降沿產(chǎn)生硬件中斷，中斷服務(wù)程序啟動AD轉(zhuǎn)換后推出，
AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后由AD轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序?qū)⒉蓸咏Y(jié)果送入數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列，由硬件方式實(shí)現(xiàn)了
多任務(wù)機(jī)制，大大提高了控制及掃描精度。 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種多光柵單色儀，在兩個(gè)出射狹縫可根據(jù)測試要求，如波長范圍、信號強(qiáng)度等，同時(shí)安裝兩種接收器，如CCD、光電倍增管、光電池、銦鎵砷或硫化鉛等；通過軟件控制反光鏡來選擇單色光的出射方向以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集通道，很大程度減少了更換接收器的麻煩，增大波長掃描范圍。由于光柵的衍射效率隨著偏離閃耀波長區(qū)域距離的增大而逐漸降低，以至于偏離閃耀波長區(qū)的較遠(yuǎn)端會使探測器探測不到信號。在入射狹縫處安裝有對入射光譜進(jìn)行過濾的六組濾色片的濾色片輪，消除二級以上的衍射光的影響，該濾色片輪可根據(jù)波長范圍由軟件控制自動選擇或者由人工選擇。兩個(gè)球面鏡主要實(shí)現(xiàn)光線的聚焦和反射。光柵轉(zhuǎn)臺上安裝有一塊以上不同波長范圍的光柵，如300g/mm、600g/mm、1200g/mm及2400g/mm等多塊光柵，光柵轉(zhuǎn)臺由步進(jìn)電機(jī)加蝸輪蝸桿進(jìn)行驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)對入射光的色散作用，安裝不同光柵可實(shí)現(xiàn)的波長控制精度；控制室主要由控制電路，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器以及電源組成。 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種多光柵單色儀，控制采集一體化，不需要單獨(dú)的控制箱及數(shù)據(jù)采集器，控制電路及數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)合并到一塊電路上，并將控制及采集電路安裝在單色儀箱體的底部；提高了集成度；控制系統(tǒng)采用USB總線接口連接計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對光柵轉(zhuǎn)臺的實(shí)時(shí)控制、濾色片的自動或者人工切換，軟件可選的出射方向；集成的信號采集單元可采集電壓或電流信號，具有1 256倍可編程增益，同時(shí)具有兩路的觸發(fā)通道，實(shí)現(xiàn)自動光柵單色儀的實(shí)時(shí)控制及高速光譜數(shù)據(jù)掃描。 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種多光柵單色儀，所述的光柵轉(zhuǎn)臺采用三光柵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)紫外到紅外光譜的自動掃描。在第三塊光柵與第一塊光柵之間安裝有光柵零點(diǎn)定位使用的擋片；控制系統(tǒng)以C8051F060單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)對光柵轉(zhuǎn)臺、濾色片輪、反光鏡的控制以及雙通道數(shù)據(jù)采集，采用USB接口與計(jì)算機(jī)連接；信號調(diào)理單元可實(shí)現(xiàn)電壓電流的自動切換及軟件可編程增益，可連接光電倍增管、光電池多種接收器。系統(tǒng)具有采樣精度高、集成度高、自動化程度高及掃描速度快等優(yōu)點(diǎn)。 為了達(dá)到發(fā)明目的，本發(fā)明提供的一種多光柵單色儀的定標(biāo)方法，它包括使用待標(biāo)定的光柵單色儀以及定標(biāo)軟件，以光電倍增管作為接收器，其特征是對汞燈標(biāo)準(zhǔn)譜線進(jìn)行連續(xù)掃描，對公式S = Aarcsin (B A ) +S0中的常數(shù)B及SO進(jìn)行標(biāo)定，并使用鈉燈的標(biāo)準(zhǔn)譜線對標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。其中A為經(jīng)單色儀分光后出射光的波長，S為出射波長為A時(shí)所對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)，A為由蝸輪蝸桿傳動比、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分比及步進(jìn)電機(jī)步距角所確定的常數(shù)，B為為由光柵常數(shù)及單色儀光路系統(tǒng)確定的常數(shù)，SO為光柵由機(jī)械零位旋轉(zhuǎn)至零級光位置所應(yīng)走的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)。公式中常數(shù)A可以由計(jì)算獲得，常數(shù)B及SO需通過定標(biāo)方法獲得；使用公式S = Aarcsin(B A )+S0實(shí)現(xiàn)光柵單色儀精確的波長控制。
所述的一種多光柵單色儀的定標(biāo)方法，其特征是將新安裝的光柵單色儀的光柵零點(diǎn)定位使用的擋片安裝在第三塊光柵與第一塊光柵之間；每次掃描前首先將光柵轉(zhuǎn)臺重新定位至機(jī)械零點(diǎn)，即控制步進(jìn)電機(jī)使光柵轉(zhuǎn)臺上的擋片旋轉(zhuǎn)至光耦位置，然后以16步為間隔控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使光柵轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周，直到定位擋片重新回到光耦位置，即分別使用三塊光柵完成對同一汞燈光譜的掃描；掃描過程中，定標(biāo)軟件將步數(shù)與采集數(shù)值以二維曲線形式實(shí)時(shí)顯示掃描結(jié)果，其中橫坐標(biāo)為步數(shù)，縱坐標(biāo)為光譜能量，并將步進(jìn)電機(jī)由機(jī)械零位開始所走的步數(shù)及采集的光譜數(shù)值保存為文本文件；掃描一周完成后，使用定標(biāo)軟件將獲得的數(shù)據(jù)曲線等分為三部分分別進(jìn)行分析，該三段曲線分別為三塊光柵所對應(yīng)的汞燈譜線的掃描結(jié)果；針對每一段曲線，以最先出現(xiàn)的能量最強(qiáng)的光譜位置作為零級光，以此為準(zhǔn)，最靠近零級光的譜線為紫光404. 66所對應(yīng)的譜線，以此類推分別為435. 84、546. 07、576. 96及579. 07等各條譜線，將包括零級光在內(nèi)的各條譜線所對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)記錄下來；通過以上方法掃描可以粗略的快速獲得三塊光柵各自的零級光及與汞燈標(biāo)準(zhǔn)譜線所對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)；然后針對每塊光柵，分別以上述方法所確定的零級光及各標(biāo)準(zhǔn)譜線所對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)為中心，在區(qū)間[S-128, S+128]范圍內(nèi)以一步為間隔重新掃描每條譜線，將電機(jī)步數(shù)及對應(yīng)的譜線采集結(jié)果記錄下來，并從中找出最大值，該過程重復(fù)10次，對應(yīng)該譜線位置獲得10組步進(jìn)電機(jī)步數(shù)，將10組數(shù)以中值平均法平均后作為最終的該譜線所對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)；通過以上方法可以分別獲得安裝的每塊光柵所對應(yīng)的為獲得汞燈標(biāo)準(zhǔn)譜線波長應(yīng)走的步數(shù)S ;對每塊光柵，將零級光對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)平均值作為S0，將各條譜線對應(yīng)的步數(shù)平均值及波長帶入公式B = (sin(S-S0/A))/A ，參數(shù)A由機(jī)械細(xì)分及電細(xì)分比例確定，分別計(jì)算出各標(biāo)準(zhǔn)譜線所對應(yīng)的參數(shù)B，然后由5個(gè)參數(shù)B進(jìn)行幾何平均后作為最終公式中使用的參數(shù)B;同時(shí)，公式中各項(xiàng)參數(shù)確定以后，使用低壓鈉燈的兩條 譜線589及589. 6作為校準(zhǔn)譜線對公式進(jìn)行校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對于180 : 1的機(jī)械細(xì) 分及64 : 1的電細(xì)分多光柵單色儀，完全能夠達(dá)到所需定位精度。 本發(fā)明提出的多光柵單色儀以蝸輪蝸桿為傳動機(jī)構(gòu)，可以360度旋轉(zhuǎn)，不會產(chǎn)生 撞車的現(xiàn)象，并且在光柵轉(zhuǎn)臺上可安裝一至三塊光柵，在提高波長掃描范圍的同時(shí)減少了 更換光柵的麻煩。通過采用蝸輪蝸桿傳動方式的機(jī)械細(xì)分及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的電細(xì)分相 結(jié)合，提高了波長控制精度。為克服以往采用RS232接口的數(shù)據(jù)傳輸速度低的瓶頸，采用 USB2. 0接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接。將電源分配系統(tǒng)、光柵轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)、濾色片輪控制系統(tǒng)、 反光鏡控制系統(tǒng)與高速、高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成在一起來提高系統(tǒng)的集成度、可靠性、 控制精度及掃描精度。新提出的自動掃描多光柵單色光譜儀系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。


圖1是多光柵單色儀總體結(jié)構(gòu)圖；
圖2是光柵室內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；
圖3是硬件系統(tǒng)組成圖；
圖4是電源分配方案方框示意圖； 圖5是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接口電路及光耦檢測電路圖；
圖6是電壓電流切換及差分放大電路圖；
圖7是信號采集通道組成原理圖；
圖8抗混疊濾波器電路原理圖；
圖9是USB接口電路圖； 圖10是濾波前波長579. 96及579. 07處重復(fù)掃描10次結(jié)果曲線圖；
圖11是濾波后波長579. 96及579. 07處重復(fù)掃描10次結(jié)果曲線圖；
圖12是鈉燈標(biāo)準(zhǔn)譜線圖；
圖13是波長掃描精度表； 圖14是1200刻線光柵滎燈標(biāo)準(zhǔn)譜線與步數(shù)對應(yīng)關(guān)系表；
圖15是各譜線位置表。 其中單色分光系統(tǒng)1、光柵室l-l、控制系統(tǒng)2、控制器室2-l、計(jì)算機(jī)3、入射狹縫 4、出射狹縫5、濾色片6、濾色片步進(jìn)電機(jī)6-l、凹面鏡7、光柵轉(zhuǎn)臺8、反光鏡9、反光鏡步進(jìn) 電機(jī)9-l、濾色片輪11、光柵12、蝸輪13-1 、蝸桿13-2、蝸桿驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)13-3、控制電路 14，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器15。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
實(shí)施例 如圖1所示，本實(shí)施例描述的一種多光柵單色儀，主要包括單色分光系統(tǒng)1、控制 系統(tǒng)2、計(jì)算機(jī)3，計(jì)算機(jī)3可連接打印機(jī)，為了提高儀器的一體化及集成化，將單色分光系 統(tǒng)1與控制系統(tǒng)2設(shè)計(jì)為一體，儀器上部為光柵室l-l，下部為控制器室2-1。圖2所示，光 柵室1-1主要包括一個(gè)入射狹縫4、兩個(gè)出射狹縫5、濾色片6、兩個(gè)凹面鏡7、光柵轉(zhuǎn)臺8、反光鏡9及步進(jìn)電機(jī)10，入射狹縫4及出射狹縫5的開合大小由手動控制，兩個(gè)出射狹縫5 可根據(jù)測試要求(如波長范圍、信號強(qiáng)度等)同時(shí)安裝兩種接收器，如CCD、光電倍增管、光 電池、銦鎵砷或硫化鉛等；通過軟件控制反光鏡9來選擇單色光的出射方向以及相應(yīng)的數(shù) 據(jù)采集通道，很大程度減少了更換接收器的麻煩，增大波長掃描范圍。由于光柵的衍射效率 隨著偏離閃耀波長區(qū)域距離的增大而逐漸降低，以至于偏離閃耀波長區(qū)的較遠(yuǎn)端會使探測 器探測不到信號。在入射狹縫4處安裝具有六組濾色片6的濾色片輪11對入射光譜進(jìn)行 過濾，消除二級以上的衍射光的影響，該濾色片輪11可根據(jù)波長范圍由軟件控制自動選擇 或者由人工選擇。兩個(gè)凹面鏡7主要實(shí)現(xiàn)光線的聚焦和反射。 多光柵單色儀要求通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對光柵轉(zhuǎn)臺8的實(shí)時(shí)控制、濾色片6的自動或 者手動切換，軟件可選的出射方向以及軟件可配置的光譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。光柵轉(zhuǎn)臺8可根 據(jù)需要的波長范圍安裝300g/mm、600g/mm、1200g/mm及2400g/mm等多塊光柵，本實(shí)施例在 光柵轉(zhuǎn)臺8上安裝有三塊光柵12，由蝸桿驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)13-3加蝸輪13-1、蝸桿13-2進(jìn)行 驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)對入射光的色散作用?？刂剖?-1主要由控制電路14，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器15以及 電源組成。安裝不同光柵可實(shí)現(xiàn)的波長控制精度，如圖13所示。 例如使用1200g/mm光柵時(shí)波長最小分辨率為0. 005nm，蝸輪蝸桿傳動比為 180 : 1，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器細(xì)分比為64 : l，根據(jù)光柵衍射公式(l)，取m二 l，d= 1/1200， 9 = 19.3°時(shí)，計(jì)算得A A " 0.00043nm，完全滿足精度要求。數(shù)據(jù)采集部分要求可配置 為電流或電壓輸入方式，具有1 256倍可編程增益，同時(shí)具有兩路的觸發(fā)通道?？刂葡?統(tǒng)采用USB總線接口連接計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了多光柵單色儀的自動實(shí)時(shí)控制及高速光譜數(shù)據(jù)掃 描。 其硬件系統(tǒng)系統(tǒng)采用的C8051F060是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，其采 用流水線結(jié)構(gòu)CIP-51內(nèi)核，與標(biāo)準(zhǔn)8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大提高，而指令集與 MSC51完全兼容。CIP-51內(nèi)核工作在最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率25MHz時(shí)，其峰值性能達(dá)到25MIPS。 C8051F060片上資源豐富，具有59個(gè)數(shù)字10引腳；兩個(gè)16位、lMsps的ADC，并帶有DMA控 制器；兩個(gè)12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)輸出方式；64KB可在系統(tǒng)編程Flash存儲器，4352字 節(jié)片內(nèi)RAM ;可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口等。選擇C8051F060作為核心控 制器在滿足系統(tǒng)要求的情況下可明顯提高系統(tǒng)運(yùn)行速度及集成度?？刂葡到y(tǒng)主要有步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動器接口 、模擬信號調(diào)理、擴(kuò)展32KBRAM、 USB接口電路、RS232接口電路及調(diào)試接口電 路等組成，總體框圖如圖1所示。 對于供電電源自動光柵單色儀控制系統(tǒng)含有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路、數(shù)字電路和模 擬電路，各部分需要不同的供電電源。驅(qū)動光柵轉(zhuǎn)臺的步進(jìn)電機(jī)功率較大，要求24V-1.5A 電源；驅(qū)動濾色片輪及反光鏡的步進(jìn)電機(jī)功率較小，需要12V-0. 4A電源；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 需要+5V電源；單片機(jī)及外圍電路需要+3.3V電源，模擬電路采用士5V電源。為了減小系 統(tǒng)體積及功耗，選用具有24V2A及12V1A兩路輸出的開關(guān)電源。各步進(jìn)電機(jī)的工作電源由 開關(guān)電源經(jīng)PCB電路板直接供給。由12V1A輸出電源經(jīng)開關(guān)電源芯片LM2576變換獲得+5V 電源，分別為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、數(shù)字及模擬電路提供電源，由于步進(jìn)電機(jī)工作電流大，對地 線的干擾很大，需要將其工作及控制電源與數(shù)字電路及模擬電路電源進(jìn)行隔離，采用具有 輸入輸出相互隔離的集成DCDC分別獲得數(shù)字及模擬電路電源，變換電路如圖4所示。由 NR5S5DC-DC模塊變換獲得TTL電路需要的+5V電源，然后使用LM117低壓差線性穩(wěn)壓模塊降壓獲得+3. 3V電壓，由NR5D5模塊獲得模擬電路所需的±5V電源。 對于電機(jī)驅(qū)動光柵轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動部分選用森創(chuàng)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)42BYG250A及 具有64細(xì)分的SH-20403步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。SH-20403驅(qū)動器內(nèi)部已經(jīng)將控制信號與電機(jī) 驅(qū)動進(jìn)行了隔離，因此采用NPN型三極管9013實(shí)現(xiàn)控制信號與單片機(jī)I/O 口之間的緩沖連 接。濾色片輪及反光鏡的驅(qū)動部分選用精工成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器SMD-401，該驅(qū)動器集成度 高，驅(qū)動相電流大，采用DIP封裝，可直接焊接到電路板上以提高集成度。SMD-401驅(qū)動器 的控制信號由于沒有隔離，采用多路光電耦合器TLP280進(jìn)行信號隔離。為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)步進(jìn) 電機(jī)的初始定位，采用集成型光耦開關(guān)進(jìn)行位置檢測。光耦開關(guān)輸出5V電壓信號，單片機(jī) 10 口的輸入電壓范圍為0 3. 3V，因此首先使用低電壓74LV07實(shí)現(xiàn)兩種電壓信號之間的 接口 ，然后采用施密特觸發(fā)器74LV14對輸入脈沖信號進(jìn)行整形后輸入單片機(jī)的I/O接口 。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接口電路及光耦檢測電路如圖5所示。 對于數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)的多光柵自動掃描光譜儀可同時(shí)安裝3塊刻線數(shù)不同的光 柵，能夠?qū)崿F(xiàn)從紫外光譜到紅外光譜范圍的自動連續(xù)掃描。目前采用的大多數(shù)接收器的接 受光譜范圍有限，進(jìn)行光譜掃描時(shí)經(jīng)常需要更換接收器。為了避免更換接受器的麻煩，設(shè)計(jì) 兩個(gè)出射狹縫，可通過反光鏡選擇出射光的方向，硬件電路設(shè)計(jì)上采用兩路獨(dú)立信號通道 實(shí)現(xiàn)兩路數(shù)據(jù)采集。考慮到接收器輸出信號類型及大小的多樣性，設(shè)計(jì)的兩路模擬信號通 道可實(shí)現(xiàn)最大256倍可編程增益調(diào)整及電流電壓信號切換可編程。信號接口前端采用5V雙 刀雙擲繼電器0MR0N2235實(shí)現(xiàn)電壓或電流的軟件切換，為了減少信號傳輸路徑中的共模干 擾，對于電壓信號及電流信號前級放大均采用差分輸入模式，運(yùn)算放大器采用0P07，電壓電 流切換及差分放大電路如圖6所示。為了實(shí)現(xiàn)信號的可編程增益，后級放大器采用兩片可 編程增益放大器AD526串聯(lián)連接。單片AD526可提供1、2、4、8和16倍增益，兩片串聯(lián)可提 供最大256倍增益。AD526的增益控制采用透明模式，即將AD526的11引腳接高，13及14 引腳接地。兩路信號共需要4片AD526，每片AD526需要3個(gè)控制信號，共需要12個(gè)控制信 號，因此采用74HC164串入并出芯片實(shí)現(xiàn)其與單片機(jī)的接口，減少對單片機(jī)I/O的占用，只 需要4根I/O線既可實(shí)現(xiàn)兩路信號的可編程增益控制。C8051單片機(jī)的接口電壓為3. 3V電 壓，而74HC164的接口電平為TTL電平，采用低電壓的集電極開路芯片74LV07實(shí)現(xiàn)3. 3電 平與5V電平之間的接口。信號采集通道組成原理如圖7所示。 對于硬件濾波為了消除由AD轉(zhuǎn)換造成的頻率混疊噪聲，在模擬信號進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換 之前使用低通濾波器對輸入信號進(jìn)行濾波處理，使用二階巴特沃思濾波器低通濾波器，設(shè) 計(jì)其_3db截止頻率為200KHz， AD轉(zhuǎn)換器采用500KHz采樣頻率對輸入的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn) 換。使用的二階巴特沃思濾波電路如圖8所示。 對于USB接口電路由于采用蝸輪蝸桿傳動方式驅(qū)動光柵旋轉(zhuǎn)，單色儀的出射波 長與步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)數(shù)成非線性關(guān)系，上位機(jī)軟件需要根據(jù)波長與步數(shù)的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算， 實(shí)時(shí)的將波長增量所對應(yīng)的步進(jìn)數(shù)傳遞給下位機(jī)控制系統(tǒng)，控制光柵旋轉(zhuǎn)，同時(shí)將采集的 數(shù)據(jù)上傳，系統(tǒng)通訊的數(shù)據(jù)量比較大。為了提高數(shù)據(jù)傳輸速度，控制系統(tǒng)采用USB接口與 計(jì)算機(jī)連接，克服了原來采用RS232接口傳輸速度慢及無硬件CRC的限制?？刂葡到y(tǒng)保留 了 RS232接口作為系統(tǒng)的調(diào)試信息輸出接口。 USB接口芯片采用南京沁恒電子有限公司 生產(chǎn)的CH372。 C8051F060與CH372采用外部存儲器接口進(jìn)行連接，接口電路如圖9所示。 C8051F060的外部存儲器接口可以位于端口 P3、P2、P1和P0或者位于端口 P7、P6、P5和P4，通過配置EMI0CF的PRTSEL位選擇高端端口 。配置EMD2 = 0，使端口工作在地/數(shù)據(jù)復(fù)用 方式(分離的地址和數(shù)據(jù)引腳)，這樣可以節(jié)省P5 口以用作通用I/O 口。 C8051單片機(jī)的 輸入輸出端口可配置，通過配置寄存器XBRO及XBR1，將UARTO及CEXO配置到相應(yīng)端口 ，將 CH372的中斷輸出配置到PO. 4，即外部中斷0。
對于軟件系統(tǒng) 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)下位機(jī)軟件開發(fā)采用集成開發(fā)環(huán)境Keil8. 0。使用Silabs公司 的JATG仿真器EC3進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。EC3仿真器通過其驅(qū)動程序EC3 forKeil uVision3實(shí) 現(xiàn)與Keil集成開發(fā)環(huán)境的無縫連接，開發(fā)及調(diào)試非常方便。下位機(jī)軟件主要完成系統(tǒng)各項(xiàng) 參數(shù)初始化、步進(jìn)電機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集及USB接口通訊等任務(wù)。初始化工作主要有1、 CPU 時(shí)鐘選擇外部22. 1184MHz晶振時(shí)鐘源；2、配置交叉開關(guān)，將UARTO的TX0、RX0配置到PO. 0 及PO. 1 ，將PCAO的外部輸出CEXO配置到端口 PO. 2，并配置PO. 1及PO. 2為推挽輸出，其他 引腳為漏極開路輸出，使能弱上拉；3、初始化UART0，使用定時(shí)器1作為波特率發(fā)生器，波特 率為11. 52K ;4、配置ADCO及ADC1為單端輸入方式，基準(zhǔn)分別使用內(nèi)部2. 4V帶隙電壓基準(zhǔn) REFO及REF1 ;5、使能兩路DAC輸出，基準(zhǔn)使用內(nèi)部2. 4V基準(zhǔn)REF2，其中DACO輸出用于光 電倍增管副高壓的調(diào)節(jié)控制；6、通過外部數(shù)據(jù)總線初始化USB接口芯片CH372，使其工作在 外部設(shè)備模式，此時(shí)上位機(jī)能夠檢測到CH372并自動安裝其驅(qū)動程序；7、初始化PCAO即可 編程計(jì)數(shù)器陣列，使其工作在8位P麗方式，占空比位50%，計(jì)數(shù)器/定時(shí)器高字節(jié)PCAOH 作為脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器，使能PCAO溢出中斷；8、將光柵轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)到零級光位置；9、將濾色片 輪及反光鏡定位到初始位置。系統(tǒng)初始化完畢后進(jìn)入命令監(jiān)控狀態(tài)。上位機(jī)通過USB接口 將控制命令發(fā)送到下位機(jī)，接口芯片CH372接受到數(shù)據(jù)后使單片機(jī)產(chǎn)生外部中斷O，在中斷 O服務(wù)程序中將接受到的命令送入命令緩沖隊(duì)列，然后由主程序負(fù)責(zé)解釋并執(zhí)行各條命令。 系統(tǒng)控制的關(guān)鍵是在進(jìn)行光譜掃描時(shí)實(shí)現(xiàn)光柵轉(zhuǎn)臺的勻速旋轉(zhuǎn)。為了能夠使電機(jī)在旋轉(zhuǎn)的 時(shí)候能夠同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理通訊，提高掃描速度，使用C8051F060的PCAO自動控制 光柵電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將PCAO設(shè)置為8為P麗方式，占空比為50%， PCAO中斷服務(wù)程序中控制AD 轉(zhuǎn)換的啟動。AD轉(zhuǎn)換完成以后在其中斷服務(wù)程序中自動將數(shù)據(jù)存入上傳數(shù)據(jù)隊(duì)列，由主程 序負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)送回上位機(jī)，通過硬件的方式實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)的同時(shí)處理。
上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)使用Visual C++6. 0開發(fā)的軟件系統(tǒng)具有非常高的運(yùn)行效率， 因此為了提高光譜儀控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)軟件的開發(fā)采用ViSualC++6. 0。系統(tǒng)軟件主 要包括參數(shù)設(shè)置、光柵位置控制、波長掃描、曲線繪制、曲線管理、數(shù)據(jù)保存等功能。系統(tǒng)界 面采用類似于Visual C++6. O的多文檔窗口框架，在主界面左邊實(shí)現(xiàn)可結(jié)合浮動窗口，以標(biāo) 簽方式切換控制、掃描及曲線管理等功能，右側(cè)主窗口用于繪制掃描曲線。系統(tǒng)可打開多條 歷史曲線，并在同一窗口下進(jìn)行分析比較。系統(tǒng)可以文本、EXCEL及二進(jìn)制格式保存數(shù)據(jù)， 方便第三方軟件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入。 對于數(shù)字濾波處理由于大多數(shù)光源受供電電源的影響，使用光譜儀對光譜數(shù)據(jù) 進(jìn)行掃描時(shí)，在數(shù)據(jù)采集的結(jié)果中往往摻雜有50Hz工頻干擾以及高頻干擾噪聲，在下位機(jī) 軟件中采用極值濾波法消除50Hz工頻干擾。低壓汞燈標(biāo)準(zhǔn)譜線中兩條黃線579. 96nm與 579. 07nm波長相差僅0. 89nm，對這兩處波長位置附近不采用數(shù)字濾波進(jìn)行連續(xù)10次掃描 以及采用數(shù)字濾波進(jìn)行連續(xù)10次掃描后的譜線進(jìn)行對比，采用數(shù)字濾波后10次掃描曲線 基本重合，取得了明顯效果。圖11為濾波前10次掃描結(jié)果，圖12為濾波后連續(xù)10次掃描結(jié)果。 對于定標(biāo)方法本實(shí)施例提供的多光柵單色儀，通過光柵的旋轉(zhuǎn)來改變?nèi)肷浣且垣@得不同波長單色光的分光儀器，其光路系統(tǒng)一般采用Czerny-Turner結(jié)構(gòu)，使用兩個(gè)具有相同曲率半徑的凹面反光鏡分別作為準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡，同時(shí)保證兩個(gè)分離的凹面鏡曲率中心重合。為了增加衍射光強(qiáng)，系統(tǒng)采用反射式閃耀光柵作為色散元件。根據(jù)C-T光路結(jié)構(gòu)及光柵的衍射理論進(jìn)行推導(dǎo)，光柵旋轉(zhuǎn)角度與波長的對應(yīng)關(guān)系為
m入=2d sin a cos 9 (1) 其中9為固定值，與入射光及出射光夾角的一半相等，a為光柵由零級光位置開
始所旋轉(zhuǎn)的角度；m為衍射光的級次。當(dāng)m = 0時(shí)為零級光，由于其包含了所有波長，為復(fù)
合光。 一般選用能量叫強(qiáng)的一級光作為出射光。根據(jù)公式(l)，取m二 l，步進(jìn)電機(jī)的步距
角為Y ，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的細(xì)分比為、，蝸輪蝸桿的傳動比為k2，光柵旋轉(zhuǎn)到零級光位置所
走的步數(shù)為SO，光柵旋轉(zhuǎn)到某一波長單色光所走的步數(shù)為S，則步數(shù)與波長的對應(yīng)關(guān)系為
180A;'A:, arcsin(義/2dcos夕)^ ,，、 S =--^-^ + S0 (2)
戸 公式(2)中除A為自變量外，其余參數(shù)均為常數(shù)。令A(yù)二 180k^2/Y Ji B =
1/2dcos e ，則(2)簡化為 S = Aarcsin (B A ) +S0 (3) 公式(3)為最終的電機(jī)步數(shù)與出射波長的對應(yīng)關(guān)系，其中A、B、S0為常數(shù)。
使用公式S = Aarcsin (B A ) +S0確定控制光柵旋轉(zhuǎn)的波長與步進(jìn)電機(jī)步數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，其中A為經(jīng)單色儀分光后出射光的波長，A為由蝸輪蝸桿傳動比、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分比及步進(jìn)電機(jī)步距角所確定的常數(shù)，B為由儀器結(jié)構(gòu)及光柵常數(shù)所確定的常數(shù)，S0為光柵零級光位置距離機(jī)械零點(diǎn)的步數(shù)。公式中常數(shù)A可以由計(jì)算獲得，常數(shù)B及SO需通過定標(biāo)方法獲得。 使用待標(biāo)定的光柵單色儀以及專門設(shè)計(jì)的定標(biāo)軟件，以光電倍增管作為接收器，對汞燈標(biāo)準(zhǔn)譜線進(jìn)行連續(xù)掃描，對公式(3) S = Aarcsin (B A ) +S0中的常數(shù)B及SO進(jìn)行標(biāo)定，并使用鈉燈的標(biāo)準(zhǔn)譜線對標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。新安裝的光柵單色儀要求光柵零點(diǎn)定位使用的擋片必須安裝在第三塊光柵與第一塊光柵之間。每次掃描前首先將光柵轉(zhuǎn)臺重新定位至機(jī)械零點(diǎn)，即控制步進(jìn)電機(jī)使光柵轉(zhuǎn)臺上的擋片旋轉(zhuǎn)至光耦位置，然后以16步為間隔控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使光柵轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周，直到定位擋片重新回到光耦位置，即分別使用三塊光柵完成對同一汞燈光譜的掃描。掃描過程中，定標(biāo)軟件將步數(shù)與采集數(shù)值以二維曲線形式實(shí)時(shí)顯示掃描結(jié)果，其中橫坐標(biāo)為步數(shù)，縱坐標(biāo)為光譜能量，并將步進(jìn)電機(jī)由機(jī)械零位開始所走的步數(shù)及采集的光譜數(shù)值保存為文本文件。掃描一周完成后，使用定標(biāo)軟件將獲得的數(shù)據(jù)曲線等分為三部分分別進(jìn)行分析，該三段曲線分別為三塊光柵所對應(yīng)的汞燈譜線的掃描結(jié)果。針對每一段曲線，以最先出現(xiàn)的能量最強(qiáng)的光譜位置作為零級光，以此為準(zhǔn)，最靠近零級光的譜線為紫光404. 66所對應(yīng)的譜線，以此類推分別為435. 84、546. 07、576. 96及579. 07等各條譜線，將包括零級光在內(nèi)的各條譜線所對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)記錄下來。通過以上方法掃描可以粗略的快速獲得三塊光柵各自的零級光及與汞燈標(biāo)準(zhǔn)譜線所對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)。然后針對每塊光柵，分別以上述方法所確定的零級光及各標(biāo)準(zhǔn)譜線所對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)為中心，在區(qū)間[S-128, S+128]范圍內(nèi)以一步為間隔重新掃描每條譜線，將電機(jī)步數(shù)及對應(yīng)的譜線采集結(jié)果記錄下來，并從中找出最大值，該過程重復(fù)10次，對應(yīng)該譜線位置獲得10組步進(jìn)電機(jī)步數(shù)，將10組數(shù)平均后作為最終的該譜線所對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)。通過以上方法可以分別獲得安裝的每塊光柵所對應(yīng)的為獲得零級光應(yīng)走的步數(shù)SO及獲得汞燈標(biāo)準(zhǔn)譜線波長應(yīng)走的步數(shù)S。 將零級光對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)平均值作為SO，將各條譜線對應(yīng)的步數(shù)平均值及波長帶入公式B二 (sin(S-S0/A))/A ，參數(shù)A由機(jī)械細(xì)分及電細(xì)分比例確定，分別計(jì)算出各標(biāo)準(zhǔn)譜線所對應(yīng)的參數(shù)B，然后由5個(gè)參數(shù)B進(jìn)行幾何平均后作為最終公式中使用的參數(shù)B。同時(shí)，公式中各項(xiàng)參數(shù)確定以后，使用低壓鈉燈的兩條譜線589及589. 6作為校準(zhǔn)譜線對公式進(jìn)行校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對于180 : l的機(jī)械細(xì)分及64 : l的電細(xì)分多光柵單色儀，完全能夠達(dá)到圖13所列的定位精度。 定標(biāo)方法舉例；選擇的步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8。，蝸輪蝸桿傳動比為180 : l，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分比為64 : l，可確定公式(3)中的常數(shù)A = 366693。由于生產(chǎn)過程中存在一定的加工誤差及安裝誤差，不能使用機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)確定的參數(shù)來計(jì)算公式(3)中的常數(shù)B以及SO，使用設(shè)計(jì)的專用定標(biāo)軟件通過上述方法對常數(shù)B及SO進(jìn)行重新標(biāo)定。圖14為使用1200刻線光柵進(jìn)行掃描后獲得汞燈譜線與步數(shù)的關(guān)系，圖15為計(jì)算獲得常數(shù)B，取平均值得8 = 0.00063097964。使用同樣的方法可以確定不同光柵常數(shù)的所使用的常數(shù)B。將計(jì)算獲得的常數(shù)A以及實(shí)驗(yàn)獲得的常數(shù)SO及B帶入公式(3)，使用1200刻線光柵對低壓鈉燈譜線以0. Olnm的精度進(jìn)行掃描，能夠很清晰的分辨589及589. 6兩條雙D譜線，如圖11所示，實(shí)驗(yàn)證明能夠達(dá)到0. Olnm的控制精度。 根據(jù)圖14中的數(shù)據(jù)計(jì)算分別得到5個(gè)常數(shù)B如圖15所示，取平均值的B =0.0006309797。
權(quán)利要求
一種多光柵單色儀，主要包括單色分光系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)以及打印機(jī)，其特征是分光系統(tǒng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一體，儀器上部為光柵室，下部為控制器室；光柵室主要包括一個(gè)入射狹縫、兩個(gè)出射狹縫、濾色片組、兩個(gè)凹面鏡、光柵轉(zhuǎn)臺、反光鏡及步進(jìn)電機(jī)，入射及出射狹縫的開合大小由手動控制；硬件電路采用二階Butterworth濾波器進(jìn)行抗混疊濾波，消除200KHz以上頻率，軟件設(shè)計(jì)中采用中值濾波法消除由光源供電系統(tǒng)引入的50Hz工頻干擾；使用硬件8位脈寬調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制，在脈寬輸出的下降沿產(chǎn)生硬件中斷，中斷服務(wù)程序啟動AD轉(zhuǎn)換后推出，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后由AD轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序?qū)⒉蓸咏Y(jié)果送入數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列，由硬件方式實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)機(jī)制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多光柵單色儀，其特征是兩個(gè)出射狹縫同時(shí)安裝兩種接收器，在入射狹縫處安裝有對入射光譜進(jìn)行過濾的六組濾色片的濾色片輪，光柵轉(zhuǎn)臺上安裝有一塊以上不同波長范圍的光柵，光柵轉(zhuǎn)臺由步進(jìn)電機(jī)加蝸輪蝸桿進(jìn)行驅(qū)動，控制室主要由控制電路，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器以及電源組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多光柵單色儀，其特征是控制采集一體化，控制電路及數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)合并到一塊電路上，并將控制及采集電路安裝在單色儀箱體的底部；控制系統(tǒng)采用USB總線接口連接計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對光柵轉(zhuǎn)臺的實(shí)時(shí)控制、濾色片的自動或者人工切換，集成的信號采集單元可采集電壓或電流信號，具有1倍 256倍可編程增益，同時(shí)具有兩路的觸發(fā)通道，實(shí)現(xiàn)自動光柵單色儀的實(shí)時(shí)控制及高速光譜數(shù)據(jù)掃描。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多光柵單色儀，其特征是所述的光柵轉(zhuǎn)臺采用三光柵結(jié)構(gòu)，在第三塊光柵與第一塊光柵之間安裝有光柵零點(diǎn)定位使用的擋片；控制系統(tǒng)以C8051F060單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)對光柵轉(zhuǎn)臺、濾色片輪、反光鏡的控制以及雙通道數(shù)據(jù)采集，采用USB接口與計(jì)算機(jī)連接；信號調(diào)理單元連接光電倍增管、光電池多種接收器。
5. —種多光柵單色儀的定標(biāo)方法，它包括使用待標(biāo)定的光柵單色儀以及定標(biāo)軟件，以光電倍增管作為接收器，其特征是對汞燈標(biāo)準(zhǔn)譜線進(jìn)行連續(xù)掃描，對公式S =Aarcsin (B A ) +S0中的常數(shù)B及SO進(jìn)行標(biāo)定，并使用鈉燈的標(biāo)準(zhǔn)譜線對標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；其中A為經(jīng)單色儀分光后出射光的波長，S為出射波長為A時(shí)所對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)，A為由蝸輪蝸桿傳動比、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分比及步進(jìn)電機(jī)步距角所確定的常數(shù)，B為為由光柵常數(shù)及單色儀光路系統(tǒng)確定的常數(shù)，SO為光柵由機(jī)械零位旋轉(zhuǎn)至零級光位置所應(yīng)走的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)；公式中常數(shù)A可以由計(jì)算獲得，常數(shù)B及SO需通過定標(biāo)方法獲得；使用公式S =Aarcsin (B A ) +S0實(shí)現(xiàn)光柵單色儀精確的波長控制。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多光柵單色儀的定標(biāo)方法，其特征是將新安裝的光柵單色儀的光柵零點(diǎn)定位使用的擋片安裝在第三塊光柵與第一塊光柵之間；每次掃描前首先將光柵轉(zhuǎn)臺重新定位至機(jī)械零點(diǎn)，即控制步進(jìn)電機(jī)使光柵轉(zhuǎn)臺上的擋片旋轉(zhuǎn)至光耦位置，然后以16步為間隔控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使光柵轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周，直到定位擋片重新回到光耦位置，即分別使用三塊光柵完成對同一汞燈光譜的掃描；掃描過程中，定標(biāo)軟件將步數(shù)與采集數(shù)值以二維曲線形式實(shí)時(shí)顯示掃描結(jié)果，其中橫坐標(biāo)為步數(shù)，縱坐標(biāo)為光譜能量，并將步進(jìn)電機(jī)由機(jī)械零位開始所走的步數(shù)及采集的光譜數(shù)值保存為文本文件；掃描一周完成后，使用定標(biāo)軟件將獲得的數(shù)據(jù)曲線等分為三部分分別進(jìn)行分析，該三段曲線分別為三塊光柵所對應(yīng)的汞燈譜線的掃描結(jié)果；針對每一段曲線，以最先出現(xiàn)的能量最強(qiáng)的光譜位置作為零級光，以此為準(zhǔn)，最靠近零級光的譜線為紫光404. 66所對應(yīng)的譜線，以此類推分別為，435. 84、546. 07、576. 96及579. 07等各條譜線，將包括零級光在內(nèi)的各條譜線所對應(yīng)的步 進(jìn)電機(jī)步數(shù)記錄下來；通過以上方法掃描可以粗略的快速獲得三塊光柵各自的零級光及與 汞燈標(biāo)準(zhǔn)譜線所對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)；然后針對每塊光柵，分別以上述方法所確定的零級 光及各標(biāo)準(zhǔn)譜線所對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)為中心，在區(qū)間[S-128， S+128]范圍內(nèi)以一步為間 隔重新掃描每條譜線，將電機(jī)步數(shù)及對應(yīng)的譜線采集結(jié)果記錄下來，并從中找出最大值，該 過程重復(fù)10次，對應(yīng)該譜線位置獲得10組步進(jìn)電機(jī)步數(shù)，將10組數(shù)以中值平均法平均后 作為最終的該譜線所對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)步數(shù)；通過以上方法可以分別獲得安裝的每塊光柵所 對應(yīng)的為獲得汞燈標(biāo)準(zhǔn)譜線波長應(yīng)走的步數(shù)S ;對每塊光柵，將零級光對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)步 數(shù)平均值作為SO，將各條譜線對應(yīng)的步數(shù)平均值及波長帶入公式B = (sin(S-S0/A))/入， 參數(shù)A由機(jī)械細(xì)分及電細(xì)分比例確定，分別計(jì)算出各標(biāo)準(zhǔn)譜線所對應(yīng)的參數(shù)B，然后由5個(gè) 參數(shù)B進(jìn)行幾何平均后作為最終公式中使用的參數(shù)B ;同時(shí)，公式中各項(xiàng)參數(shù)確定以后，使 用低壓鈉燈的兩條譜線589及589. 6作為校準(zhǔn)譜線對公式進(jìn)行校準(zhǔn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多光柵單色儀，主要包括單色分光系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)以及打印機(jī)，分光系統(tǒng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一體，儀器上部為光柵室，下部為控制器室；光柵室主要包括一個(gè)入射狹縫、兩個(gè)出射狹縫、濾色片組、兩個(gè)凹面鏡、光柵轉(zhuǎn)臺、反光鏡及步進(jìn)電機(jī)，入射及出射狹縫的開合大小由手動控制；硬件電路采用二階Butterworth濾波器進(jìn)行抗混疊濾波，使用硬件8位脈寬調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。這種多光柵單色儀，克服以往采用RS232接口的數(shù)據(jù)傳輸速度低的瓶頸，采用USB2.0接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接。將電源分配系統(tǒng)、光柵轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)、濾色片輪控制系統(tǒng)、反光鏡控制系統(tǒng)與高速、高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成在一起來提高系統(tǒng)的集成度、可靠性、控制精度及掃描精度。新提出的自動掃描多光柵單色光譜儀系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。
文檔編號G01J3/12GK101726359SQ20081022542
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者喬道鄂, 徐小力, 谷玉海 申請人:北京信息科技大學(xué)