基于Cortex-M4便携式傅里叶变换红外光谱仪

发布时间：2020-03-30 22:10

【摘要】：红外光谱技术今年来在不断的开拓与创新。国内外都争相在傅里叶变换红外光谱仪器的领域上进行研究与设计。相比于国内发展,国外的仪器研究在核心技术水平上更为先进。在这样的背景条件下,精密仪器的使用与研发在国内是长期依赖于从国外进口。国外的精密仪器虽然性能参数好,检测速度快且准确度高,但是购买它们的价格昂贵。单纯的进口先进仪器设备不但成本高也不利于国内仪器行业技术的发展。同时,传统的傅里叶红外光谱仪体积大也依赖于实验室稳定的测量环境,虽然分辨率可以达到很高,但是难以走出实验室成为其限制因素。目前傅里叶红外光谱仪的发展也越来越倾向于它的便携性,能够在离开实验室的环境下进行相关测量。在这样的条件下,为了实现国内的技术水平的突破研究设计了这款基于Cortex-M4便携式傅里叶变换红外光谱仪。仪器内部采用双光路迈克尔逊干涉仪。定镜与动镜采用立体角镜替代传统的平面镜设计,立体角镜的顶点横移与移动位置的偏斜不会增加额外的光程差所以不需动态调整简化仪器的设计与控制难度。在光路的设计上采用60°型干涉光路,不但缩小结构体积也能提高光学效率。同时角镜与平面反射镜相结合的光路方式相比于传统的反射光路将光程差提高了一倍使得仪器能达到更高分辨率。动镜机构采用柔性铰链与音圈电机相结合克服了传统的支撑方式的摩擦力影响以及大体积的问题,使得仪器具备了一定的抗震能力。同时针对动镜机构进行了动态垂直度的误差分析,指明其对信号调制度与初相位的影响并在设计上优化减小其误差。动镜机构的控制采用离散PID算法,并结合了弹性力参数与零点偏移参数的算法补偿,整体的设计上让动镜机构的运动有较高的稳定性并有一定的抗干扰能力。光谱仪的参考激光源采用680nm的VCSEL激光器。它具有光源噪声低,光谱线宽窄,小体积的优点,能够替代传统仪器使用的He-Ne激光器。红外检测器采用DTGS替代了大体积的MCT检测器并且不需要额外的制冷方式,灵敏度高,噪声小。光源与检测器选择上都符合便携式仪器的设计理念。整个模拟电路的设计与芯片的选型都注意减弱噪声的干扰并设计了高阶带通滤波器。控制处理器采用ARMCortex-M4芯片,它具有资源丰富,高性能32位CPU,低功耗,响应速度快,延迟低的特点。CPLD使用测周期法完成激光干涉信号的频率计算与ARMCortex-M4配合完成动镜系统的运动控制和红外光的数据采样处理。红外干涉信号数据使用单向双边采集方式,并且数据是单方向采集单方向发送,减少边采边发数据冲突也提高了数据处理的效率。经过实验的验证,这款基于Cortex-M4便携式傅里叶变换红外光谱仪测量灵敏度高,反应速度快,分辨率高,有较高的信噪比。信号采集的重复性好并且准确度高,系统的稳定性能好有一定的抗干扰能力,满足便携式傅里叶变换红外光谱仪的使用要求。
【图文】：

原理图,迈克尔逊,光路,原理

产生的光程差不但来自反射与透射两光路的路程也会受介质的折射率逡逑的影响。所Ｗ只需通过控制其中一条光路光程就可完成光程差的变化。干涉仪光路原逡逑理设计如图２．２所示。Ｓ为光源，光源通过透镜将入射的发散光束变换为平行光束出逡逑射。Ａ为分束器，它的有侧面涂有特殊材料膜。在理想的条件下，入射的平行光束５０％逡逑透过分束器射往定镜，５０％被反射射向动镜。两束光束再被动镜与定镜反巧返回，再逡逑次在分束器相遇发生干涉。干涉光进而被探测器检测。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，为了保持光程不变在透射光路上需要多加一块逡逑光程补偿板Ｂ，补偿板与分束器为相同材料且相同厚度。动镜未移动时，两路光为相逡逑等光程零光程差，即３邋＝邋０。当动镜开始运动时由于光程不同光程差会动态的变化，逡逑并且是动镜移动距离两倍的光程差，目Ｐ：邋Ｓ邋＝邋２ｄ。所Ｗ这时干涉条纹会发生移动，移逡逑动距离ｄ与条纹移动数ｎ的关系为：ｄ邋＝邋ｎ，一。其中：ｉ为入射光波长。逡逑２逡逑冷Ｗ逦ｍｏｖｉｎｇ逡逑Ｓ邋ＭＩＲＫＯＲ逡逑—逡逑

双平面镜,迈克尔逊,迈克尔逊干涉仪,立体角

０＞￣——）＾检测板－扣含｜￡凶＿逡逑样品池反射镜逡逑图２．３便携式傅里叶变换红外光谱仪光路设计逡逑＇擺靡＇逡逑图２．４迈克尔逊干巧仪实物图逡逑相比于最基本的迈克尔逊干涉仪采用的双平面镜，本设计中将双平面镜改进为双逡逑立体角镜与双平面镜相结合的方案。在安装的光程中平面镜难Ｗ避免安装带来的镜面逡逑的横移Ｗ及倾斜的问题。动镜水平移动过程中，，平面镜也难保持其镜面不会发生横逡逑８逡逑
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH744.1

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