全波段波長(zhǎng)掃描系統(tǒng)及光譜曲線繪制的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光譜分析領(lǐng)域,尤其涉及一種全波段波長(zhǎng)掃描系統(tǒng)及光譜曲線繪制的 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前光譜儀器的波長(zhǎng)掃描裝置的設(shè)計(jì)通??煞譃閮深悾灰活愂遣捎肳正弦機(jī)構(gòu)或 凸輪機(jī)構(gòu)作為機(jī)械分光機(jī)構(gòu),配合光電倍增管(PMT)作為單波長(zhǎng)光信號(hào)的檢測(cè)器件,實(shí)現(xiàn)全 譜波長(zhǎng)分時(shí)掃描;另一類是直接采用電荷禪合器件(CCD)作為全譜光信號(hào)檢測(cè)器件,實(shí)現(xiàn) 全譜波長(zhǎng)同時(shí)掃描。前者具有掃描精度高、成本低的優(yōu)勢(shì),但因機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制,將不可避 免地引入一定的機(jī)械誤差,且無(wú)法顯著提高波長(zhǎng)掃描速度;而后者雖然可實(shí)現(xiàn)全譜快速同 步掃描,但受電荷禪合器件的自身特性限制,波長(zhǎng)準(zhǔn)確度和波長(zhǎng)掃描范圍存在瓶頸。
[0003]為了解決波長(zhǎng)掃描速度與波長(zhǎng)準(zhǔn)確度二者之間的矛盾,也有人提出過(guò)使用步進(jìn) 電機(jī)細(xì)分直驅(qū)代替正弦機(jī)構(gòu)或使用微通道板光電倍增管(MCP-PMT)代替電荷禪合器器件 (CCD)兩種方法來(lái)設(shè)計(jì)波長(zhǎng)掃描裝置。使用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分直驅(qū)雖然可W減小機(jī)械體積和損 耗,但因其驅(qū)動(dòng)器細(xì)分性能和電機(jī)自身機(jī)械特性所限,無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的波長(zhǎng)掃描;同時(shí)由 于此種方案在光譜繪制方法上還使用舊有模式,因此波長(zhǎng)掃描速度的提升并不顯著。而使 用微通道板光電倍增管既保持了傳統(tǒng)光電倍增管靈敏度高和響應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn),又實(shí)現(xiàn)了 同電荷禪合器件一樣的全譜波長(zhǎng)同時(shí)掃描,具有瞬態(tài)靈敏度高的特點(diǎn),但其相對(duì)于現(xiàn)有結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)而言存在過(guò)高成本的問(wèn)題。
[0004]根據(jù)公開文獻(xiàn),為了解決步進(jìn)電機(jī)細(xì)分直驅(qū)驅(qū)動(dòng)方式所存在的缺點(diǎn),曾出現(xiàn)使用 伺服電機(jī)直驅(qū)旋轉(zhuǎn)光柵結(jié)構(gòu)完成波長(zhǎng)掃描的方法。但在實(shí)踐中該光柵驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)高速旋轉(zhuǎn)時(shí) 會(huì)表現(xiàn)出較差的旋轉(zhuǎn)動(dòng)平衡性能,從而嚴(yán)重降低光譜信號(hào)的信噪比,影響該結(jié)構(gòu)的實(shí)用性。 同時(shí)由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中,出射光濾光片被設(shè)計(jì)在出射狹縫之后,在光柵高速旋轉(zhuǎn)時(shí)難W實(shí)現(xiàn) 濾光同步,無(wú)法解決衍射光柵次級(jí)光譜問(wèn)題,因此基于此公開文獻(xiàn)所述方法的掃描裝置在 分光光度計(jì)儀器上幾乎沒(méi)有實(shí)用意義。
[0005]在所述【背景技術(shù)】部分公開的上述信息僅用于加強(qiáng)對(duì)本發(fā)明的背景的理解,因此它 可W包括不構(gòu)成對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]有鑒于此,本發(fā)明提供了一種全波段波長(zhǎng)掃描系統(tǒng)及光譜曲線繪制的方法,W改 進(jìn)現(xiàn)有技術(shù),在顯著提高全波段波長(zhǎng)掃描系統(tǒng)的掃描速度的同時(shí),保持光電倍增管高響應(yīng) 速度、高靈敏度的工作性能,改善系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)平衡性能,濾除衍射光柵次級(jí)光譜,從而實(shí)現(xiàn) 光譜信號(hào)的高信噪比可用性,并維持相對(duì)低廉的成本。
[0007]本發(fā)明的額外方面和優(yōu)點(diǎn)將部分地在下面的描述中闡述,并且部分地將從描述中 變得顯然,或者可W通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐而習(xí)得。
[0008]本發(fā)明一方面公開了一種全波段波長(zhǎng)掃描系統(tǒng),包括:光源、分光機(jī)構(gòu)、樣品室及 光信號(hào)采集處理系統(tǒng),其中分光機(jī)構(gòu)包括光柵、濾光片、光柵驅(qū)動(dòng)電機(jī)、光電編碼器及旋轉(zhuǎn) 臺(tái)座;其中光柵與濾光片于旋轉(zhuǎn)臺(tái)座上固定安裝,并同軸旋轉(zhuǎn);旋轉(zhuǎn)臺(tái)座、光柵驅(qū)動(dòng)電機(jī)及 光電編碼器基于連接軸同軸連接;光柵連續(xù)單方向旋轉(zhuǎn),電編碼器用于實(shí)時(shí)反饋光柵的轉(zhuǎn) 角數(shù)據(jù)給光信號(hào)采集處理系統(tǒng);光信號(hào)采集處理系統(tǒng)用于根據(jù)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)及從樣品室輸出的 光信號(hào)輸出光譜曲線。
[0009] 本發(fā)明另一方面公開了一種用于波長(zhǎng)掃描系統(tǒng)的光譜曲線繪制的方法,其中波長(zhǎng) 掃描系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)光柵、用于實(shí)時(shí)反饋旋轉(zhuǎn)光柵的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的光電編碼器及用于輸出由獲 取的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器,該方法包括:同步接收A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信 號(hào)與光電編碼器實(shí)時(shí)反饋的旋轉(zhuǎn)光柵的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),將從數(shù)字信號(hào)獲取的光譜能量及與其對(duì) 應(yīng)的從轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)獲取的位置計(jì)數(shù)值編碼后輸出;接收并解析編碼后的光譜能量及與其對(duì)應(yīng) 的位置計(jì)數(shù)值,進(jìn)行光譜曲線的定標(biāo);W及,確定每個(gè)位置計(jì)數(shù)值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng),根據(jù)光譜 能量和與其對(duì)應(yīng)的位置計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng),繪制出光譜曲線。
[0010] 本發(fā)明再一方面公開了一種分光機(jī)構(gòu),包括;光柵、濾光片、光柵驅(qū)動(dòng)電機(jī)、光電編 碼器及旋轉(zhuǎn)臺(tái)座;其中,光柵與濾光片于旋轉(zhuǎn)臺(tái)座上固定安裝,并同軸連接;旋轉(zhuǎn)臺(tái)座、光 柵驅(qū)動(dòng)電機(jī)及光電編碼器基于連接軸同軸連接;光柵連續(xù)單方向旋轉(zhuǎn),光電編碼器用于實(shí) 時(shí)反饋輸出光柵的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)。
[0011] 進(jìn)一步地,濾光片相對(duì)光柵的位置由光柵出射的衍射光至濾光片的光路長(zhǎng)L確 定,光路長(zhǎng)L滿足公式
[0012]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種全波段波長(zhǎng)掃描系統(tǒng),包括光源(10)、分光機(jī)構(gòu)(20)、樣品室(30)及光信號(hào) 采集處理系統(tǒng)(40),其中所述分光機(jī)構(gòu)(20)包括光柵(201)、濾光片(202)、光柵驅(qū)動(dòng)電機(jī) (203)、光電編碼器(204)及旋轉(zhuǎn)臺(tái)座(205),其特征在于, 所述光柵(201)與所述濾光片(202)于所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)座(205)上固定安裝,并同軸旋轉(zhuǎn); 所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)座(205 )、所述光柵驅(qū)動(dòng)電機(jī)(203 )及所述光電編碼器(204 )基于連接軸同 軸連接; 所述光柵(201)連續(xù)單方向旋轉(zhuǎn),所述光電編碼器(204)用于實(shí)時(shí)反饋所述光柵(201) 的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)給所述光信號(hào)采集處理系統(tǒng)(40);以及, 所述光信號(hào)采集處理系統(tǒng)(40 )用于根據(jù)所述轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)及從所述樣品室(30 )輸出的光 信號(hào)輸出光譜曲線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的全波段波長(zhǎng)掃描系統(tǒng),其特征在于,所述濾光片(202)相對(duì)所述光 柵(201)的位置由所述光柵(201)出射的衍射光至所述濾光片(202)的光路長(zhǎng)L確定,所述 光路長(zhǎng)L滿足公式
其中,Lf為所述濾光片(202)表面衍射光路入射點(diǎn)至截止波長(zhǎng)入射點(diǎn)的長(zhǎng)度,w為光柵 轉(zhuǎn)角。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的全波長(zhǎng)掃描系統(tǒng),其特征在于,所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)座(205)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量基 于下述公式獲得:
其中,[W]為是所述分光機(jī)構(gòu)(20)內(nèi)除所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)座(205)外各旋轉(zhuǎn)組件的最大盈虧 功,Jf為所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)座(205)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Jm為所述分光機(jī)構(gòu)(20)內(nèi)除所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)座(205) 外各旋轉(zhuǎn)組件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和;n m為平均轉(zhuǎn)速;[δ ]為許用運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的全波長(zhǎng)掃描系統(tǒng),其特征在于,通過(guò)采用所述分光機(jī)構(gòu)(20)內(nèi)除 所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)座(205)外各旋轉(zhuǎn)組件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和J m及所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)座(205)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jf的 慣量匹配,獲得所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)座(205)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的全波段波長(zhǎng)掃描系統(tǒng),其特征在于,所述連接軸的旋轉(zhuǎn)套筒(209) 與錐面轉(zhuǎn)軸(210)的連接采用了錐面緊固密配配接方式設(shè)計(jì)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的全波段波長(zhǎng)掃描系統(tǒng),其特征在于,所述分光機(jī)構(gòu)(20)內(nèi)各旋轉(zhuǎn) 組件構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)度不滿足要求時(shí),進(jìn)行動(dòng)平衡校正。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的全波段掃描系統(tǒng),其特征在于,所述光信號(hào)采集處理系統(tǒng)(40)包 括光電探測(cè)器、A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)據(jù)通信處理與控制器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的全波段掃描系統(tǒng),其特征在于,所述光電探測(cè)器為光電倍增管。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7的全波段掃描系統(tǒng),其特征在于,所述數(shù)據(jù)通信處理與控制器為現(xiàn) 場(chǎng)可編程門陣列,用于同步接收所述A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)與所述轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),及將從 所述數(shù)字信號(hào)獲取的光譜能量值及與其對(duì)應(yīng)的從所述轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)獲取的位置計(jì)數(shù)值編碼后 輸出。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7的全波段波長(zhǎng)掃描系統(tǒng),其特征在于,該系統(tǒng)還包括上位機(jī),以接 收并解析所述數(shù)據(jù)通信處理與控制器輸出的光譜能量值及與其對(duì)應(yīng)的位置計(jì)數(shù)值,進(jìn)行光 譜曲線坐標(biāo)系的定標(biāo),及根據(jù)所述的光譜能量值及與其對(duì)應(yīng)的位置計(jì)數(shù)值繪制完整的光譜 曲線。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)的全波長(zhǎng)掃描系統(tǒng),其特征在于,在所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)座 (205)上并立多個(gè)光柵(201)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)的全波長(zhǎng)掃描系統(tǒng),其特征在于,所述濾光片(202)選 用線性可變?yōu)V光片,或者選用多通道帶通濾光片。
13. -種用于波長(zhǎng)掃描系統(tǒng)的光譜曲線繪制的方法,所述波長(zhǎng)掃描系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)光柵、 用于實(shí)時(shí)反饋所述旋轉(zhuǎn)光柵的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的光電編碼器及用于輸出由獲取的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器,其特征在于,所述方法包括: 同步接收所述A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)與所述光電編碼器實(shí)時(shí)反饋的所述旋轉(zhuǎn)光 柵的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),將從所述數(shù)字信號(hào)獲取的光譜能量及與其對(duì)應(yīng)的從所述轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)獲取的位 置計(jì)數(shù)值編碼后輸出; 接收并解析所述編碼后的所述光譜能量及與其對(duì)應(yīng)的所述位置計(jì)數(shù)值,進(jìn)行所述光譜 曲線的定標(biāo);以及, 確定每個(gè)所述位置計(jì)數(shù)值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng),根據(jù)所述光譜能量和與其對(duì)應(yīng)的所述位置計(jì) 數(shù)值對(duì)應(yīng)的所述波長(zhǎng),繪制出所述光譜曲線。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的光譜曲線繪制的方法,其特征在于,從所述轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)獲取的位 置計(jì)數(shù)值包括:所述轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)包括A相脈沖和Z相脈沖,當(dāng)所述數(shù)據(jù)通信處理與控制器接收 到一個(gè)A相脈沖時(shí),對(duì)一位置計(jì)數(shù)值累加,并于收到一個(gè)Z相脈沖時(shí),清零該位置計(jì)數(shù)值。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14的光譜曲線繪制的方法,其特征在于,進(jìn)行所述光譜曲線圖 的定標(biāo)包括: 尋找零級(jí)特征峰,即原始光譜能量數(shù)據(jù)的最大峰值Ymax和對(duì)應(yīng)位置計(jì)數(shù)值Xmax :從 Xmax開始分別往前、后查找Ymax/2處的位置計(jì)數(shù)值Xl和X2,確定所述零級(jí)特征峰的中心 位置計(jì)數(shù)值為(X1+X2)/2,并以該位置計(jì)數(shù)值作為所述光譜曲線坐標(biāo)系的零點(diǎn)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全波段波長(zhǎng)掃描系統(tǒng)及光譜曲線繪制的方法。其中,該全波段波長(zhǎng)掃描系統(tǒng)包括光源、分光機(jī)構(gòu)、樣品室及光信號(hào)采集處理系統(tǒng),其中分光機(jī)構(gòu)包括光柵、濾光片、光柵驅(qū)動(dòng)電機(jī)、光電編碼器及旋轉(zhuǎn)臺(tái)座,其中光柵與濾光片于旋轉(zhuǎn)臺(tái)座上固定安裝,并同軸旋轉(zhuǎn);旋轉(zhuǎn)臺(tái)座、光柵驅(qū)動(dòng)電機(jī)及光電編碼器基于連接軸同軸連接;光柵連續(xù)單方向旋轉(zhuǎn),電編碼器用于實(shí)時(shí)反饋光柵的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)給光信號(hào)采集處理系統(tǒng);光信號(hào)采集處理系統(tǒng)用于根據(jù)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)及從樣品室輸出的光信號(hào)輸出光譜曲線。
【IPC分類】G01J3-02, G01J3-06, G01J3-28, G02B26-04
【公開號(hào)】CN104748847
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310753875
【發(fā)明人】牛建會(huì), 孫金龍, 強(qiáng)偉鋒, 周艦, 尚國(guó)強(qiáng), 李浩*, 王凌昊
【申請(qǐng)人】北京普析通用儀器有限責(zé)任公司
【公開日】2015年7月1日
【申請(qǐng)日】2013年12月31日