基于STM32的光栅单色仪设计
发布时间：2021-07-04 02:32
本文通过对光学色散原理和机械结构系统的研究,结合其他方案的设计,搭建了一个新型的、高精度的用于测量单色光的光栅单色仪控制系统。该控制系统不仅实现了对光学元件的精密控制,而且拥有了较高的可重复性,测量结果的可信度也大大提高。本系统有四个主要特点:一、采用反馈式控制结构,大大的提高了精度,降低了系统异常带来的损害,增强了系统的鲁棒性。二、有多种通信控制方式,使系统的兼容性更强;三、多板块协同工作,有着干扰小、易操作、易维护等特点;四、引入高精度采集方式和芯片,可以采集更加微弱的信号。本文描述的用于高精度测量的光栅单色仪的控制系统主要是以意法半导体高性价比芯片STM32F103C8T6作为主控芯片,进行反馈式高压控制,高精度电机控制,高精度的数据采集,同时通过CAN通讯进行板级通讯,提高了数据的可靠性,降低了数据的出错率。且在仪器上增添了显示屏,用以简单的信息显示,给用户实时掌握仪器的大致运行状态提供了方便。利用USB转串口的芯片连接下位机与上位机,电路简单,并且避免了以往USB通信协议的开发给系统开发带来的困难。利用TCP/IP协议的网口与上位机相连提高了数据的传输效率,内部差分信号传输保...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2.1：双缝衍射结构图
第二章光栅单色仪工作原理及系统结构概述7图2.2：光栅衍射结构图光源s处于透镜L1的焦面上，假设为理想光源，实际采用无线细的光源狭缝，G为光栅，有N个宽度为a的狭缝，狭缝间不透明部分宽度为b。透镜L2的作用是将光栅法线成θ角的光汇聚于焦面上P点。P点光强公式为：=0()2()2其中=(+)，u=。上式可以理解为N个相干光在该点所生的干涉光强度与宽度为a的单狭缝的夫琅和费衍射在该点生成的光强度乘积。所以，由多光束干涉的原理可知,当=k时产生的干涉最大，此时满足的公式为：(+)=±k，k=0,1,2,3…通常此式称之为光栅方程式，其中k为主最大的级次。该式可用来确定主最大方向的公式。根据此式可理解为光程差为波长的整数倍时，可得到主最大。上面我们考虑的是入射光垂直入射光栅的情况，当入射光与光栅法线成角时，光栅方程式变更为：(+)(±)=k，k=0,1,2,3…上式中的（+）表示衍射光和入射光在法线的同一侧，而（-）表示他们在法线异侧。我们可以得出：（1）当方程左边都不发生变化，即和不变，k和的不同组合也可能满足上式，所以为了测量的单色光为同一级的衍射光，需要加滤光片；
第二章光栅单色仪工作原理及系统结构概述92.2.1光路结构介绍光路结构中主要的光学元件主要有准直镜，光栅，聚焦镜。准直镜用于将入射光变换为平行光束；光栅是作为色散元件存在的，将不同波长的光分散开来；聚焦镜是将光栅色散后的光聚焦到出射狭缝出，便于测量。图2.3为光路结构图。图2.3：光路系统结构图光源s经过入射狭缝S1照射到准直镜M1上，经M1转换为平行光后照射反射光栅G，经光栅G色散后进入聚焦镜M2，经过M2聚焦后的光经S2狭缝射出，进入采集系统，设经准直镜的平行光与光栅法线的夹角为，光栅的出射光与光栅法线的夹角为θ。由于所有装置中只有光栅可旋转，准光镜和聚焦镜以及入射狭缝、出射狭缝的位置均固定，即（+）保持不变。已知光栅方程式(+)(+)=k，k=0,1,2,3…。我们将其转换为2(+)cos2sin+2=k,k=0,1,2,3…。在旋转光栅时，()变大或变小，且差值变化量为光栅旋转角度变化量的2倍，因此，在同一级的散光中将对应不同的波长，这就是该仪器设计的原理。2.2.2机械结构介绍想要实现光谱的精确测量，需要有相应的机械结构支持。本设计的机械结构
【参考文献】：
期刊论文
[1]步进电动机细分驱动建模与运行曲线优化设计[J]. 瞿敏,陈伟元,王鹏. 微特电机. 2019(09)
[2]光电倍增管的原理及特性测量[J]. 陈鑫,念聪,王巧. 中小企业管理与科技(中旬刊). 2019(04)
[3]光电倍增管分压电路[J]. 阎珍德. 电子制作. 2018(14)
[4]偏轴式扫描三光栅单色仪[J]. 陈建军,崔继承,刘嘉楠,杨晋,孙慈. 红外与激光工程. 2018(02)
[5]小型高光谱分辨率光栅单色仪的研制[J]. 杨增鹏,唐玉国,巴音贺希格,崔继承,杨晋. 光谱学与光谱分析. 2016(01)
[6]凹面全息光栅单色仪设计[J]. 贺文婷,江毅,李磊,肖尚辉,江艳. 光学技术. 2014(04)
[7]光栅单色仪的研究[J]. 周广丽,陈姝君. 信息通信. 2014(04)
[8]平面光栅双单色仪的光学系统设计[J]. 寇婕婷,巴音贺希格,唐玉国,齐向东,于宏柱. 光谱学与光谱分析. 2012(03)
[9]基于RTL8019的ARM和PC机间的TCP/IP通信[J]. 陈红彦,费凌,郑亮,郑勇. 工业控制计算机. 2010(08)
[10]一种新型的智能化光栅单色仪扫描控制器的研制[J]. 李昌厚,王志坚,孙吟秋,赵琦. 光学仪器. 1996(03)
硕士论文
[1]精密光栅单色仪控制系统人机交互的实现[D]. 邢艳.吉林大学 2012
[2]一种高性能光谱分析仪的设计方案[D]. 贺永亮.合肥工业大学 2006
本文编号：3263847
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图2.1：双缝衍射结构图
第二章光栅单色仪工作原理及系统结构概述7图2.2：光栅衍射结构图光源s处于透镜L1的焦面上，假设为理想光源，实际采用无线细的光源狭缝，G为光栅，有N个宽度为a的狭缝，狭缝间不透明部分宽度为b。透镜L2的作用是将光栅法线成θ角的光汇聚于焦面上P点。P点光强公式为：=0()2()2其中=(+)，u=。上式可以理解为N个相干光在该点所生的干涉光强度与宽度为a的单狭缝的夫琅和费衍射在该点生成的光强度乘积。所以，由多光束干涉的原理可知,当=k时产生的干涉最大，此时满足的公式为：(+)=±k，k=0,1,2,3…通常此式称之为光栅方程式，其中k为主最大的级次。该式可用来确定主最大方向的公式。根据此式可理解为光程差为波长的整数倍时，可得到主最大。上面我们考虑的是入射光垂直入射光栅的情况，当入射光与光栅法线成角时，光栅方程式变更为：(+)(±)=k，k=0,1,2,3…上式中的（+）表示衍射光和入射光在法线的同一侧，而（-）表示他们在法线异侧。我们可以得出：（1）当方程左边都不发生变化，即和不变，k和的不同组合也可能满足上式，所以为了测量的单色光为同一级的衍射光，需要加滤光片；
第二章光栅单色仪工作原理及系统结构概述92.2.1光路结构介绍光路结构中主要的光学元件主要有准直镜，光栅，聚焦镜。准直镜用于将入射光变换为平行光束；光栅是作为色散元件存在的，将不同波长的光分散开来；聚焦镜是将光栅色散后的光聚焦到出射狭缝出，便于测量。图2.3为光路结构图。图2.3：光路系统结构图光源s经过入射狭缝S1照射到准直镜M1上，经M1转换为平行光后照射反射光栅G，经光栅G色散后进入聚焦镜M2，经过M2聚焦后的光经S2狭缝射出，进入采集系统，设经准直镜的平行光与光栅法线的夹角为，光栅的出射光与光栅法线的夹角为θ。由于所有装置中只有光栅可旋转，准光镜和聚焦镜以及入射狭缝、出射狭缝的位置均固定，即（+）保持不变。已知光栅方程式(+)(+)=k，k=0,1,2,3…。我们将其转换为2(+)cos2sin+2=k,k=0,1,2,3…。在旋转光栅时，()变大或变小，且差值变化量为光栅旋转角度变化量的2倍，因此，在同一级的散光中将对应不同的波长，这就是该仪器设计的原理。2.2.2机械结构介绍想要实现光谱的精确测量，需要有相应的机械结构支持。本设计的机械结构
【参考文献】：
期刊论文
[1]步进电动机细分驱动建模与运行曲线优化设计[J]. 瞿敏,陈伟元,王鹏. 微特电机. 2019(09)
[2]光电倍增管的原理及特性测量[J]. 陈鑫,念聪,王巧. 中小企业管理与科技(中旬刊). 2019(04)
[3]光电倍增管分压电路[J]. 阎珍德. 电子制作. 2018(14)
[4]偏轴式扫描三光栅单色仪[J]. 陈建军,崔继承,刘嘉楠,杨晋,孙慈. 红外与激光工程. 2018(02)
[5]小型高光谱分辨率光栅单色仪的研制[J]. 杨增鹏,唐玉国,巴音贺希格,崔继承,杨晋. 光谱学与光谱分析. 2016(01)
[6]凹面全息光栅单色仪设计[J]. 贺文婷,江毅,李磊,肖尚辉,江艳. 光学技术. 2014(04)
[7]光栅单色仪的研究[J]. 周广丽,陈姝君. 信息通信. 2014(04)
[8]平面光栅双单色仪的光学系统设计[J]. 寇婕婷,巴音贺希格,唐玉国,齐向东,于宏柱. 光谱学与光谱分析. 2012(03)
[9]基于RTL8019的ARM和PC机间的TCP/IP通信[J]. 陈红彦,费凌,郑亮,郑勇. 工业控制计算机. 2010(08)
[10]一种新型的智能化光栅单色仪扫描控制器的研制[J]. 李昌厚,王志坚,孙吟秋,赵琦. 光学仪器. 1996(03)
硕士论文
[1]精密光栅单色仪控制系统人机交互的实现[D]. 邢艳.吉林大学 2012
[2]一种高性能光谱分析仪的设计方案[D]. 贺永亮.合肥工业大学 2006
本文编号：3263847
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