基于面阵CCD的便携式拉曼光谱仪控制系统研究

发布时间：2017-08-27 00:22

  本文关键词：基于面阵CCD的便携式拉曼光谱仪控制系统研究

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【摘要】：拉曼光谱反映了分子的特征结构,广泛应用于各种分子物质的鉴别。拉曼散射光的强度很弱,一般只有激发光的10-6到10-12倍。随着SERS技术以及SHINERS技术的出现及发展,拉曼光谱信号强度得到显著增强。以此项技术为基础,便携式拉曼光谱仪将在危险品检测、药物检测、质量控制等领域中得到广泛应用。本文结合SERS及SHINERS技术,并根据拉曼光谱特点设计了便携式拉曼光谱仪主控系统。该系统包括CCD采集单元、激光光源单元及基于FPGA的主控单元。本文实现了近红外增强型低噪声面阵CCD驱动方案以及窄线宽激光器驱动方案,并完成了基于FPGA的主控系统,包括CCD的时序设计及基于NIOS的控制程序设计。本文设计并完成了稳定输出的窄线宽激光光源及低噪声高动态范围CCD光谱采集系统。1.设计并完成一种基于LML-785.0BF-22激光二极管的拉曼光谱仪激发光源,实现了激光器相关驱动电路及控制程序设计,得到近红外窄线宽高功率稳定输出的激光光源。2.设计并实现一种基于滨松公司近红外增强型面阵CCDS11510-1106作为光谱仪感光器件的光谱采集系统的硬件电路设计及时序驱动,提出一种通过控制时序驱动使面阵CCD工作在4binning模式,从而得到低噪声高动态范围的面阵CCD采集系统。最后实验结果表明,该CCD使用4binning模式能够得到精度为16bit、动态范围高达28,000、信噪比800：1、最长积分时间400S的高精度面阵CCD光谱采集系统。3.基于已实现的激光光源单元及CCD单元,设计并实现一种基于FPGA的拉曼光谱仪控制方案,并通过USB2.0模块将数据传输至上位机。该拉曼光谱仪整机系统经过调试及实验,能够稳定的对拉曼光谱信号进行测量,并拥有高动态范围及信噪比,同时体积小,操作简单,适用于现场检测、药品检测、现场非接触式取证分析等领域。论文最后对全文工作进行总结并对有待改进的地方提出展望。
【关键词】：便携式拉曼光谱仪 SERS SHINERS 激光器LML-785.0BF-22 面阵CCD S11510-1106 FPGA主控 电路设计
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH744.1
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 发展现状11-15
• 1.1.1 国外发展现状11-14
• 1.1.2 国内发展现状14-15
• 1.2 本论文的研究内容及研究意义15-16
• 1.3 论文结构框架16-17
• 第二章 拉曼光谱仪系统介绍17-25
• 2.1 拉曼光谱理论17-19
• 2.1.1 拉曼散射机理17-18
• 2.1.2 SERS拉曼光谱增强技术18-19
• 2.2 拉曼光谱仪激光光源19-21
• 2.3 光谱采集系统21-24
• 2.3.1 光路系统21-22
• 2.3.2 CCD采集系统22-24
• 2.3.3 光谱仪驱动及控制系统24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 拉曼光谱仪电路驱动系统25-41
• 3.1 激光器驱动及温控系统设计25-30
• 3.1.1 激光驱动电路及温控系统驱动电路设计25-29
• 3.1.2 激光驱动程序设计29-30
• 3.2 CCD采集驱动电路设计30-35
• 3.2.2 面阵S11510-1106介绍31-32
• 3.2.3 CCD驱动方案设计32-34
• 3.2.4 CCD致冷电路设计34-35
• 3.3 系统控制及电源方案设计35-40
• 3.3.1 基于FPGA的控制系统硬件设计36-37
• 3.3.2 电源方案设计37-39
• 3.3.3 USB通信设计39-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第四章 拉曼光谱仪主控软件设计41-52
• 4.1 基于Verilog HDL的CCD驱动程序设计42-46
• 4.1.1 CCD时序分析与设计42-44
• 4.1.2 CCD输出相关积分双采样的实现44-46
• 4.1.3 CCD工作模式选择46
• 4.2 基于NIOS的主控程序设计46-50
• 4.2.1 NIOS软核的构建47-49
• 4.2.2 NIOS ⅡIDE程序设计49-50
• 4.3 基于Delphi的光谱仪采集调试软件50-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第五章 拉曼光谱仪实验结果分析52-65
• 5.1 激光器性能测试52-55
• 5.2 CCD性能测试55-61
• 5.3 光谱测试61-64
• 5.4 本章小结64-65
• 第六章 工作总结与展望65-67
• 6.1 工作总结65
• 6.2 工作展望65-67
• 参考文献67-69
• 作者简历69

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本文编号：743473