（光学工程专业论文）时间分辨光谱测量系统.pdf

北京交通大学硕士学位论文 y 8 7 9 0 0 7 摘要： 时间分辨光谱测量系统 设计出一个用汇编语言编制程序控制单片机( a t 8 9 c 5 1 ) 及外围 电路组成的驱动电路驱动步进电机带动单色仪旋转，得到各个期望波 长的光，然后使光信号经过光电倍增管( h a j n a m a t s u1 p 2 8 ) 进行光电 转换后得到电信号，把电信号传进数字示波器，通过数字示波器上带 有的r s 2 3 2 串口把光谱数据传回计算机处理得到各个波长光的衰减曲 线、然后用计算机编程绘图进行处理得到时间分辨光谱的测量系统。 这套时间分辨光谱测量系统的特点是测量各个波长光谱时，在时间上 是并行测量而在波长上是串行测量的。通过测量样品t b ( 0 一b b a ) 。p h e n 中稀土元素t b 发光的时间分辨光谱验证了这种思路的可行性。详细 介绍了所用测试系统的各部分硬件组成和测试技术，获得了样品 t b ( o b b a ) 。p h e n 的荧光强度一波长一时问的三维立体图以及对时间积分 的积分谱。 关键词光谱测量；时间分辨光谱；衰减曲线；积分谱 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es y s t e mf o rm e a s u r i n gt i m e r e s 0 1 v e ds p e c t r u m an e ws y s t e mf o r m e 嬲谢n gt i n l e r e s o l v e ds p e c t n j m i s d c s i g n e d p r o g r i n g 谢t 1 1船s e m b l e l 柚g u a g e c o n 订0 1 1 e dt h e m i c r o c o n t r o l - p r o c e s s o r ( a t 8 9 c 51 ) a n dh n d so fp e r j p h e r 础c j r c u i tt o c o n s t i t l l t et h ed r i v ec i r c u 沁w h i c hd r o v et 1 1 e s t e p p i n gm o t o rt om n 恤 m o n o c h r o m a t o lt h eo 砸c a ls i 肛a lw a s 仃a i l s f 0 咖e dt oe l e c t r i c a ls i 印a lb y ap h o t o m u h i p l i e rn j b e ( h 啪锄a t s u1 p 2 8 ) t h ee l e c t i i c a i s i g i l a lo ft h e s p e c 加m 1d a t aw a st 1 1 e n 岫s m i 球捆t oa t lo s c i n o s c o p e c o 肋e c t e dr s 2 3 2 s 耐a li n t e r 她eb e “v e e nt t l e o s c i l l o s c o p ea n dac o m p u t e r t h es p e c n l n d a t ac o u l db em m s m i t t e dt ot h ec o n l p u t e rf o rf u r i l l e r p r o c e s s i n gf o r p l o n i n gt h ed e c a yc u ea n dt h et i m e r e s o l v e ds p e c t r l n ( t r s ) o ft 1 1 e s a l l l p l e s t h em e t l l o df o rm e a s 嘶n gt i m e r e s o j v e ds p e c t m m ( t r s ) i s f e a t u r e db yp a r a l l e lm e a s u r e m e n ti nt 抽1 es c a l ew h i l es e r i a lm e a s u r e m e n t i n w a v e l e n g t l ls c a l e t i m e r e s o l v e ds p e c t n u n 口r s ) a i l di n t e g r a t e d 砌s s i o ns p e c 吣no ft b ”i nt b ( o b b a ) 3 p h c nw a sm e a s u r c d 谢廿1a s y s t e mb a s e do nm i sm e t h o d c o m p a r e d 州t ht 1 1 er e a lt i m e r e s o l v e d s p e c t m m ( t r s ) ，i tw a sv a l i d a t e dt ob ef e a s i b l e ，c r e d i b l ea n dc o n v e n i e n t e v e r yp a r to f 1 ed r i v ec i r c u i to fm es y s t e mf o rm e a s u r i n gt i m e r e s o l v e d s p e c t n l i n ( t r s ) a n dt h em e a s u r i n gt e c h n 0 1 0 9 yi sd e s c r i b e di nd e t a i l t h e 3 ds p e c 仃ao ff l u o r e s c e n c i m e n s i t y w a v e l e n g m t i m ea i l d t l l e i n t e g r a t e ds p e c t r 啪o f t b ( o b b a ) 3 p h e na i p r e s e n t e d k e y w o r d ss p e c 仃o s c o p i cm c a s u r e m e n t ；t i m e - r e s o j v e ds p e c n l 瑚； d e c a yc u n r e ；i n t e g r a t e ds p e c 慨 i i 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 光谱与光谱分析 1 1 1 光谱 光是一种电磁波。由电磁波按波长或频率有序排列的光带称为光 谱。那么光谱又是怎么产生的昵? 人们常用四个量子数来描述原子核 外电子的运动状态，也就是电子的能量状态。如果知道原子中所有电 予所处的能量状态，也就知道了原子所处某一特定状态时所具有的能 量。因此，原子在不同状态下具有不同的能量，而这些具有不同能 量的不同状态也被称为能级或者能态。 如果原子在这些状态之间变化，那么原子本身的能量也会随之变 化。既然原子能量发生了变化，那么就会伴随着能量的辐射或者吸收， 因此就会产生了光谱。例如光谱线的发射就是由于原子从一个高能级 跃迁到低能级的结果。【1 1 1 1 2 光谱分析 根据物质和电磁波的相互作用，去测量物质所辐射或吸收的电磁 波的波长和强度，或者测量与物质相互作用的电磁波的波长和强度改 变情况的分析方法，广义上称为光谱分析法嘲。它基本上可以分为两 大类，即光谱法和非光谱法。非光谱法不测量光谱，而是探测物质与 电磁波相互作用时，电磁波发生的折射、反射、干涉、衍射等现象， 从而确定物质的某些物理性质。光谱法则不同，它是直接测量物质受 激发后所产生的光谱，而本文所讨论的时间分辨光谱的测量就是光谱 法中一种有力的分析手段。 北京交通大学硕士学位论文 1 1 3 光谱学 光谱学是最重要的基础学科之一。正是在光谱研究的基础上，建 立了微观世界的量子论及量子力学。它是研究物质微观结构及微观粒 子之间相互作用的实验观测，是原子、分子、凝聚态、等离子态的组 成结构以及结构内、外各类相互作用、运动形式的认识及其物理本质 的了解实践检验。不同元素的原子、分子及物质，都具有不同的光谱。 因此，物质材料的光谱数据是鉴别元素和材料成分的重要分析方法。 物质及材料的光谱，可以用于物质的定性鉴别及定量分析。因此，物 质的光谱研究也具有重要的实用意义。 光谱学的形成与发展的历史是很悠久的。早在1 6 6 6 年，牛顿用 三棱镜发现白光是由不同颜色的单色光组成，就提出光谱束的概念。 1 8 1 7 年，弗朗和菲测量到太阳光谱中的吸收谱线和火焰中的发射谱 线。1 8 6 0 年左右，克希霍夫与本生才确定了光谱线的波长与原子间的 对应关系。1 8 8 5 年，巴尔麦给出了氢原子光谱的经验公式。之后的 1 9 1 3 年，玻尔建立了氢原子量子论的观点，初步解释了氢原子光谱的 能态结构。直至上世纪二十年代，建立了量子力学理论，原子的光谱 行为才获得根本的了解。此后，原子、分子的光谱行为获得了更加广 泛而深入的了解和应用。物质微观世界，依靠量子力学、量子电动力 学获得了满意的解释【3 1 。 1 2 时间分辨光谱 1 2 1 时间分辨光谱的概念 光谱测量技术是研究物质的结构、成分和能态最灵敏、最有力的 工具之一，广泛应用于物理、化学及生物等基础学科的研究。稳态光 谱测量物质吸收或发射光子的强度随波长( 或能量) 的分布。发光强度， 2 北京交通大学硕士学位论文 是激发波长五。和发射波长的以。函数丑五。，五。) ，固定激发波长k o ， 测量发光强度按波长的分布“九x 0 丑。) 得到发射光谱；固定发射波长 凡。o ，测量发光强度随激发波长的变化“五。，九。o ) 得到激发光谱。 时间分辨光谱 t r s ( n m e r e s o l v e ds p e c 的s c o p y ) 则是一种瞬态 光谱。如果用激发源是脉冲或随时间变化的其他形式，光谱也是随时 间变化的，“五。，正。，d 。这种情况下的测量可以得到瞬态光谱，从而 了解激发态电子的运动过程( 即荧光动力学) 【4 】。瞬态光谱包括： ( 1 ) 荧光衰减( 固定激发波长九。o 和发射波长太。o ，激发停止后，荧光 强度随时间的变化) ，“_ 。o ， 。o ，0 ； ( 2 ) 时间分辨发射谱( 固定激发波长五。o ，在延迟时间乃附近时间 窗口r 内，荧光强度随着发射波长的变化) ，儿太x 0 ，以。，( 乃，乃+ 丁r w ) ； ( 3 ) 时间分辨激发谱( 固定发射波长九。o ，在延迟时间乃附近时间 窗口内，荧光强度随着激发波长的变化) ，k 疋。，五。o ，( 乃，耐丁 。 图1 1 是典型的时间分辨光谱。 瞄问j 图1 _ 1 三维形式的时间分辨光谱示意图 北京交通大学硕士学位论文 处于高能态的电子回到低能态有多种可能途径，它可能辐射跃迁 发射光子；也可能发生无辐射跃迁，通过热运动失去能量或将能量转 移到其它中心。因此，荧光光谱在激发态的寿命期间可能有变化。在 稳态激发下测量的光谱是对时间的平均，掩盖了与辐射跃迁竞争的一 种或多种其它光化学、光物理中的无辐射跃迁过程，而时间分辨光谱 正是研究这些动力学机制的有力工具。通过测量荧光发射的参数，特 别是荧光发射寿命，可以在研究原子、分子、固体的激发态性质方面 获得许多重要的信息。具体地说，它提供不同中心间的相互作用与激 发能的转移以及去激发的通道等重要信息。 当今时间分辨光谱在许多方面得到了很好的应用5 埘。例如研究光 物理、光化学和光生物学( 如图1 2 ) 的快速变化过程：结合荧光量 子产额，由寿命可得激发态动力学的重要参数，如激发态辐射跃迁和 无辐射跃迁 图1 2 时间分辨光谱技术在光生物学中的应用 北京交通大学硕士学位论文 的速率常数；探测生物大分子的结构变化：测定能量转移和分子内或 分子间活性基团间的距离、相互作用、二聚物或络合物的形成；结合 荧光偏振光谱学可以推测生物大分子的形状、大小以及在溶液中的转 动弛豫时间等。 半导体工业也已经采用了许多种时间分辨分析技术( 如图1 3 ) 。 例如，上个世纪九十年代末，i b m 公司的t s a n g 发明了一种叫做皮 秒成像电路分析法( p i c a ) 的时间分辨成像技术。这项技术因为具有 能在电路板背面没有金属线的地方观察其内部情况的能力，在当今主 要用于发现并诊断电路板中的错误。 图1 3 时间分辨光谱技术在半导体工业中的应用 通过时间分辨光谱的测量还可以分析激发态的势能曲线、振动弛 豫、能量传递和发光起源等，可谓是用途十分广泛。 北京交通大学硕士学位论文 1 2 2 时间分辨光谱的测量 随着超短脉冲激光光源的研究取得进展，时间分辨光谱学的研究 受到很大的推动。现在的超短脉冲激光技术已可产生宽度数飞秒、而 且可调谐的相干光脉冲。一些新技术，如锁模，脉冲压缩以及非线性 频率转换等，在本世纪8 0 年代主要处于研究阶段，而到了9 0 年代则 已经用于进行商品激光器的生产。超短激光器的波长可以覆盖从紫外 光，可见光到红外光。现代的超短激光器产品可以提供可靠的手段开 展几种不同类型的时间分辨光谱测量。 为了认识时间分辨光谱测量的一般特性，首先考虑激光晶体，例 如n d ：y l f 或者n d ：y a g ，中激光能级寿命的测量，它们的衰衰减时 间一般较长( 0 0 1 - 1 0 m s ) 。在这种情况下，可以采用脉宽短于上述时 间的q 开关激光器或者滤波的闪光灯来激发这些晶体，并用适当的单 色仪或者带通滤光片选择出发射光，然后再用光电倍增管或其它探测 器将其转换成电信号。当然，对于时间分辨测量，探测器需具有短的 响应时间。利用合适的示波器或者其他瞬态记录仪器可以记录这些信 号，并且可以对许多激发脉冲进行平均。用计算机对衰减曲线分析可 以确定激发态的寿命，而且有可能确定跃迁中的各种机理。 在上面这个例子中，所研究的过程足够慢，以商品电子元件为基 础的常规探测器足以响应光强随时间的变化。但是在皮秒或者飞秒范 围内现有的电子开关就太慢了，因此必须使用基于非线性光学效应 ( 例如光参量效应，光k e r r 效应和饱和吸收效应) 的光开关技术。随 着可靠的飞秒光源的发展，这些技术已经使得吸收、荧光、拉曼以及 亚皮秒范围内的其它类型瞬念光谱研究成为可能。 近年来，商品超短脉冲激光器、再生放大器和光参量振荡、放大 北京交通大学硕士学位论文 器突飞猛进地发展，它的输出脉宽小于5 0 f s 。在这种情况下，对于在 半导体、生物和化学系统中日益增加的研究来说，时间分辨光谱学己 成为一种十分重要的工具。包括传统的吸收、荧光、共振拉曼和相干 反斯托克斯拉曼光谱( c a r s ) 在内的各种各样的光谱技术，利用上 述发展都作了很大的改进。使得人们对分子内部的动力学和能量转移 过程有了更深刻地认识。 1 2 3 目前普遍采用的测量时间分辨光谱的方法 为了得到玎九，0 ，也就是时间分辨光谱这个二元函数的具体形式， 可以采用不同的测量方法。目前，普遍采用的有两种测量技术。1 ： 一是b o x c a r 即取样积分技术，脉冲光激发后的发光信号由光电倍 增管接收后，经过一个电子开关，这个开关开通的时刻( 户而) 以及开 通的持续时间( 7 w ) 可控。这样，发光信号中只有( 死，乃+ 凡) 时间间隔 的那部分能够通过开关进入积分器进行平均。如果固定延迟时间，而 光谱仪扫描，就可以得到光谱“九，功) ，即激发后时刻的时间分辨 光谱。由于这种方法在时间上和频率上均串行进行，每次激发后的发 光，( 九，0 中，仅有( 乃，z 卜凡) 内以及光谱仪波长位置和分辨率所决定的 光谱范围内的信号被利用，因此信号利用率低，测量所需要的时间比 较长。 另一种是用阵列探测器，如c c d 探测器、微通道板n 垤c p ) 等，这 是一种在波长上并行的方法，经过光谱仪色散后，不同波长的光信号 进入探测器的不同像元。探测器可以探测对事件的积分光谱，也可以 用取样的方法，测量激发后的某时刻所有波长的光强，得到时间分辨 光谱。由于测量在波长上是并行的，因此信号利用率大大提高。c c d 的灵敏度和响应时间都低于光电倍增管，一般只用于测量对时间积分 北京交通大学硕士学位论文 的光谱。而微通道板虽然原则上能够在单脉冲激发下获得发光强度在 波长和时间两个方向上的分布，但由于系统成本昂贵，使用很不普遍。 1 3 本论文的主要工作 本文所阐述的这种测量时间分辨光谱的方法，特点是在时间上的 测量是并行进行的，比b o x c 盯技术方便快捷，能够大大缩短测量时间， 提高测量效率：比阵列探测器成本低，由于数字示波器是较通用的实 验室设备，因此可以充分利用已有的设备进行测量。 知 、j o ( a ) 北京交通大学硕士学位论文 鲁 咎 一 夔魁 w “ m m ( b ) 图1 4 一系列时刻上的瞬态发光光谱。时间分辨光谱就是某时刻的瞬态光谱 如图1 4 ( a ) 所示，脉冲激发后，样品发光可以表示成h 九，) ，沿r 方向的网格线是衰减曲线“扣h 力：沿九方向的网格线是时间分辨光谱 玎九，= ) 。图1 4 ( b ) 就是经过数据提取并加以处理后的时间分辨光 谱。 具体实施方式如图1 5 所示，在脉冲光源或脉冲电源的短脉冲激发下， 样品的发光光谱快速变化和衰减。该发光经过单色仪选频后，得到某 特定波长下的衰减光信号，再经过光电倍增管转变为电衰减信号，最 后被数字示波器记录，这样就得到该波长下的衰减曲线取九= ，0 。当 这个衰减曲线数据被传输到计算机后，计算机控制改变单色仪输出波 长，然后系统进行新的衰减曲线测量。当所需波长范围内的衰减曲线 数据全部获得后，由计算机进行数据变换，取出某同一衰减时刻下， 各个波长的发光强度，绘制成图，即得到时间分辨光谱。 9 舞帮形 j j 北京交通大学硕士学位论文 图1 5系统基本流程图 1 0 北京交通大学硕士学位论文 第二章测量系统的硬件部分 时间分辨光谱测量系统的硬件部分采用模块化设计，主 要由单色仪及步进电机驱动电路，光电转换电路，信号采集 及a d 转换电路，通信模块组成。 2 1 系统的硬件组成 2 1 1 单色仪 单色仪是用来从具有复杂光谱组成的光源中、或从连续光谱中分 离出不同波长单色光的仪器。 按照色散元件的不同，单色仪可分为棱镜单色仪、凹面光栅单色 仪和平面光栅单色仪。在选择单色仪的光学系统时，除必须满足基本 的光学特性外，还要使所选择的装置型式能够用较简单的机构实现波 长扫描，并且在扫描过程中，被引到出射狭缝的任何波长的光束其光 束轴方向不变。因此，棱镜单色仪中大多采用恒偏向棱镜系统或李特 洛系统：在光栅单色仪中，多数应用各种类型的平面光栅装置【l i 】。 本测量系统所使用的即为平面光栅单色仪，具体结构如图2 1 所 示。它的特点就是光谱成像质量好、结构简单。 21 1 1 平面光栅单色仪的光学部分结构 光栅单色仪在本系统当中起到了一个波长扫描的作用。它的光学 北京交通大学硕士学位论文 部分结构示意图如图2 1 所示。进入入射狭缝s 1 的光，经准直镜m l 变成平行光，由光栅g 衍射色散，经聚焦物镜m 2 ，从出射狭缝s 2 射出单色光。为了消除二级光谱的影响，在出射狭缝前装有滤光片组 f ：不同型号的滤光片适用于不同的波长范围，由4 片滤光片组成的 滤光片组可以覆盖o 2 2 5um 的波长范围。 m m 2 图2 1 光栅单色仪光学部分结构示意图 从狭缝s 1 入射进入的含有多种波长的光经过光栅g 衍射色散之 后，各个波长的光在角度上被分开。调整光栅g 的角度，使得每一次 只有一个波长的光能够从狭缝s 2 出射，因此不断调整光栅的角度就 可以对复合光的整个波段进行扫描1 2 1 。 21 1 2 平面光栅单色仪的传动部分结构 正弦机构是单色仪中常用的机构。光栅转角和波长之间不是线性 关系，而光栅转角的正弦值和波长的变化是成正比的。利用正弦杠杆 机构可做到光栅转动时，由仪器射出光束的波长按线性变化。 正弦机构传动工作原理图如图2 2 所示，可以看到 x s l n 口= 一 北京交通大学硕士学位论文 由于光栅与长度为上的杠杆臂固定在一起，所以当x 变化时，杠杆臂 转动角度和光栅转动的角度是相等的。 图2 2正弦机构传动工作原理图 讲 北京交通大学硕士学位论文 图2 3 光栅单色仪波长扫描传动机构示意图 光栅单色仪波长扫描传动机构的示意图如图2 3 所示。这个结构 是目前比较典型的一个传动机构。为了使波长具有线性的特性，采用 了带有初始角的正弦扫描机构，既可以实现手动扫描，也可以实现自 动扫描。 ( 1 )手动扫描：转动手轮l ，经正弦机构2 带动光栅3 转动， 进行手动扫描。 ( 2 )自动扫描：可以在计算机控制下，步进电动机4 经齿 轮5 驱动正弦机构2 带动光栅3 转动，实现自动扫描。 位置传感器6 和7 可以向计算机提供波长原点信号。系统寻找波 北京交通大学硕士学位论文 长原点后，停机待命。在扫描过程中，正弦机构上的触电8 和9 向计 算机提供保护信号，使单色仪正向扫描至终点或者反向扫描至起点， 能够自动停机。如果需要的话，将这些信息都用波长计数器1 0 给出。 2 1 1 3 本系统使用的平面光栅单色仪 根据北京交通大学光电子研究所的需要，本时间分辨光谱测量系 统的分光部分选用了w d m l 1 型光栅单色仪。w m l l 型系列是 w d g 3 0 的改型，特点是将改变单色波长的正弦机构与光学系统隔离， 以避免机械润滑油挥发污染光学件，并减少金属件表面漫反射产生的 杂散光。主要参数以及技术指标如下【1 4 】： 焦距：3 0 0 n u n 波长范围：2 0 0 n m 2 0 m 波长准确度：士o 2 m n 波长重复性：o 1 i l r n 极限分辨率：0 2 r 1 1杂散光：1 1 0 刁 图2 4w d m l 1 光栅单色仪 2 1 2 步进电机及其驱动电路 步进电动机可以简单的定义为，根据输入的脉冲信号，每改变一 ：l e 京交通人学硕士学位论文 次励磁状态就前进一定角度( 或长度) ，若不改变励磁状态则保持一 定位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信 号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控 制脉冲频率同步的同步电动机。 步进电动机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。但是 机械式和组合式并不常用，而且本系统使用的是电磁式步进电动机， 因此在本文当中仅介绍电磁式步进电动机。 从结构特点进行分类，一般常使用的电磁式步进电动机主要有反 应式步进电动机( v r 型) ，永磁式步进电动机( p m 型) 和混合式步 进电动机( h b 型) 【l ”。 21 。2 1 四相混合式步进电动机的工作原理 本系统使用的是一个四相混合式步进电动机，它的结构如图2 5 所示。 图2 5 四相混合式步进电动机结构示意图 定子是四相八极，转子上有1 8 个小齿。从电动机的某一端看， 当定子的一个极上的小齿与转子的小齿轴线重合时，相邻及上的定转 子的齿就错开l 4 齿距。在图2 5 中，从i i 端看，“1 ”极下定转子齿 北京交通大学硕士学位论文 轴线重合，“2 ”极下错开1 4 齿距，“3 ”极下则定子齿与转子槽的轴 线相重合。 图2 6四相混合式步进电动机绕组接线图 定子为四相绕组，接线如图2 6 所示。驱动器供给同级性脉冲。如果 驱动器供给正负脉冲，而采用二相绕组则效果一样。 当一相通电，例如a 相通电时，定子的半数极上有作用磁势，即 “l ”一“3 ”一“5 ”“7 ”极，它们的极性为n s - n s 。 如果转子上没有磁钢或定子绕组不通电时，电动机基本不产生转 距，只有在转子磁铡与定子磁势相互作用下，才产生电磁转距。 四相混合式步进电动机也可以在不同的通电方式下运行，常见的 通电方式有单四拍即四相绕组相继轮流通电( a 。b c d a 一) 、双四拍 即有两相绕组同时通电( a b b c c d d a a b ) 和八拍即上述两种情 况的叠加( a a b b b c c c d d d a a 一) 等。 北京交通大学硕士学位论文 图2 5 所示的电动机，每相邻两个定子磁极之间所加的齿距数为 1 8 8 = 2 + 1 4 。当定子各项绕组( 连接方式见图2 6 ) 按a b c d 。a 一顺 序通电，每改变次通电状态，转子沿a b c d 方向转过l 4 齿距，即 3 6 0 度( 1 8 + 4 ) = 5 度。转子的稳定平衡位置为通电相定子磁极从绕组 首端( 即a 、b 、c 、d 端) 算起，沿绕组前进方向，第1 、3 磁极与 图2 5 中转子i i 端齿轴线重合，第2 、4 磁极与转子i i 端槽轴线重合 的位置。 当定子绕组按双四拍和八拍方式通电时，每改变一次通电状态， 转子分别转过5 度和2 5 度。单相通电时，转子的稳定平衡位置与单 四拍运行相同通电状态下的位置相同，二相通电时转子的稳定平衡位 置为相邻二同极性定子磁极分别和与之极性相反的端转子齿错开 齿距的位置 1 6 】。 8 总之，每改变一次通电状态，转子转过一个步距角；当通电状态 的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。 本测量系统采用了步进电动机带动光栅转动进行波长扫描的方 法。步进电机的型号为4 2 b y g h l 0 7 ，是一台四相混合式步进电动机。 其具体参数旧如下： 步距角：1 8 度s t e p ：电流：0 4 a ；电阻：3 0 欧姆 电压：1 2 v ；电感：2 5 m h 最大静转距：2 8 0 0 9 c m 重量：o 2 4 k g 外形尺寸和接线图如图2 7 和图2 8 所示 北京交通大学硕士学位论文 。黏础 图2 7步进电动机外形尺寸图 罂8 。“4 八 黄y e lo _ ( ) 绿e 雕cj m bdd r 明w 耵b 喇 红由蓝 黜叭 n 绦g 蹦c j 、。 f 1 8d r b l u 红蓝 图2 8步进电动机接线图 步进电动机与光栅单色仪通过正弦传动机构连接时，当步进电动 机按双四拍通电时( 这也是本测量系统中的通电方式) ，每走一个步 距角将带动波长改变o 2 5 埃。 2 1 2 2 驱动电路 在本系统中，步进电动机的工作脉冲信号是由单片机的p 口发出 来的，因此该脉冲信号的电压只有5 伏左右。而步进电动机的额定电 压为1 2 伏，要使步进电动机能够以最佳状态进行工作，就至少在步 进电动机相绕组一端有1 2 伏电压。因此，为了使整个测量系统能有 北京交通大学硕十学位论文 更好的工作特性，我们将从单片机发出的5 伏信号和为步进电动机供 电的1 2 伏信号进行隔离，使双方互不干扰。在本系统中我们采用了 光电耦合器进行隔离，选用的芯片型号为4 n 2 5 ，其内部电路如图2 9 所示，它是一种用发光来传递电信号的器件，输入端是一个发光二极 管，通电后发出光束。输出端是一个光控基极的三机管，接收光照后 其阻抗会减小1 18 j 。该光电耦合器可以传输线性信号，也可以传输开关 信号，在本系统的步进电动机驱动电路中主要用来传递丌关信号。 具体的驱动电路如图2 1 0 所示。从单片机p 口送出的脉冲信号经 过一个反向器，和个分压电阻送到三 极管b c 5 4 6 的基极上。三极管的集电极 经过另一个分压电阻接到1 2 伏电源的 正极上，发射极接地。 图2 94 n 2 5 内部电路图 将4 n 2 5 管脚l 与该三极管的集电极相连，管脚2 与发射极相连。这 样从内部电路来看，4 n 2 5 中发光二极管与三极管b c 5 4 6 并联。 图2 1 0 时间分辨测量系统步进电动机驱动电路图 一匕京交通火学硕十学位论文 以光电耦合器4 n 2 5 为界，所有上述器件构成了本系统驱动电路 的前极。图2 ，1 0 中，光电耦合器右方的所有器件构成了驱动电路的后 极。后极主要是一个单电压驱动电路，三极管b c 3 3 7 的基极经过一个 起分压作用的电阻与光电耦合器4 n 2 5 的管脚6 相连，而发射极接地。 光电耦合器的管脚5 以及单电压驱动电路都与1 2 伏电源的- f 极相连。 其中在单电压驱动电路部分，由3 0 欧姆的电阻和2 5 毫亨的电感组成 的支路代表了步进电动机的一相绕组，( 因为本系统采用的步进电动 机绕组电感为2 5 毫亨，电阻为3 0 欧姆) ，具体接线情况比如将图2 8 中的黑线与黄线接到该支路的两端，即可通过该驱动电路控制这相绕 组的通断： 如果p 口送出的是高电平，经过反向器后变成低电平，这样到三 极管b c 5 4 6 的基极电压几乎为零，因此该三极管截止，发光二极管导 通发光，光电耦合器光敏三极管导通，经分压后，三极管b c 3 3 7 也可 以导通，整个后极电路都可导通。这样，如果p 口送出高电平，就可 以达到绕组导通的目的。 如果p 口送出的是低电平，经过反向器后变成高电平，三极管 b c 5 4 6 导通，由于三极管压降不到1 伏，因此光电耦合器发光二极管 两端的电压也不到1 伏，由图2 1 1 中4 n 2 5 发光二极管特性曲线 可知，在室温下，该二极管并不导通。所以光电耦合器光敏三极管也 不通，三极管b c 3 3 7 基极也没有足够高的电压使其导通，整个后极电 路处于关断状态。这样就可以达到，当p 口送出低电平时，绕组截止 的目的。 北京交通大学硕士学位论文 ， ， 。， ， y ，一 j t 一1 ”_ 旦 一，一 l 印f o 眺r dc u r r 刚tc 巾脚 图2 1 1l e d 正向电压与争相电流关系 为了使步进电动机绕组有更好的丌关特性，并保证各个器件在合 适的功率下进行工作，通过调试，各个部件的型号如图2 1 0 所示。反 向器使用7 4 l s 0 2 芯片中的或非门。将或非门两输入端短接，再与p 口进行连接。电源采用1 2 伏开关电源。 脉冲信号是由单片机的p 口送出，因此驱动电路要与单片机进行 连接。本系统采用2 0 针接口进行连接，如图2 1 2 印制电路板图所示。 s山god量正q| 北京交通大学硕士学位论文 图2 1 2 驱动电路印制电路板图 2 1 3 光电转换电路 本系统采用北京滨松光子技术有限 公司的光电倍增管( h 咖锄a t s ul p 2 8 ) 作 为光电转换电路，如图2 ，1 3 。把从单色仪 分光后得到的光信号转换为电信号。 图2 1 3l p 2 8 型光电倍增管 2 1 3 1 光电信增管的工作原理 光电倍增管是光电直读光谱仪器中应用的检测元件。光电倍增 北京交通人学硕士学位论文 管的外壳由玻璃或石英制成，内部抽成真空。光阴极上涂有能发射电 子的光敏物质，在阴极和阳极之问联有一系列次级电子发射极，即电 子倍增极。阳极和阴极之间加以约1 0 0 0 v 的直流电压。在每两个相邻 的电极之间，都有5 0 1 0 0 v 的电位差。当光照射在阴极上时，光敏 物质发射的电子，首先被电场加速，落在第一个倍增极上，并击出二 次电子。这些二次电子又被电场加速，落在第二个倍增极上，击出更 多的二次电子，依此类推，如图2 1 4 所示憎0 1 。 由此可见，光电倍增管不仅起了光电转换作用，而且还起着电流 放大作用。光电倍增管具有波长区域宽( 常用1 6 0 9 0 0 n m ) 、动态范 围大、增益高及噪声低等很多优点。 图2 1 4 光电倍增管工作原理图 2 1 3 2 光电倍增管及其组件 北京滨松公司的c c l 7 l 管座型高压电源3 是将光电倍增管、管座、 高压电源等组合成一个模块，光电倍增管信号没有经过任何处理直接 输出。这样使整个体积进一步减小，结构更加紧密、整体功耗减小、 北京交通大学硕士学位论文 可靠性得到提高、降低了外界对有用信号的干扰。因高压输出采用了 特殊电路，功耗极小、输出的线性高。其高压输出曲线和接线方法如 图2 1 5 所示“： 2 0 0 邮0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 005ll5225 、 控制电压扣) 1 2 呻 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 加0 0 。 024681 d 控制电阻啦) 图2 1 5 一( a ) 高压输出曲线 篓燃鬈舶线黑线：电源负极 蟥曰毡1 戮鬻胤阶懒负极滋型 白线：， 接1 0 k 电位器一个接头，电位器另一个接头接电谭负极 三蔷。iv 屏蔽线：信号输出，牙焉j 聋一 2 1 5 一( b ) 接线方法 2 1 4 信号采集及a d 转换电路 图 在本测量系统中，数字示波器用来接收从光电倍增管传过来的 模拟信号，并将其进行a d 转换，然后编写串口通信程序控制示波器 北京交通火学硕十学位论文 的串口将数字信号传给计算机，由计算机进行处理，提取出时间分辨 光谱。本测量系统使用的是泰克电子( 中国) 有限公司的t d s l 0 1 2 型数 字示波器。该示波器的具体主要参数瞄。2 4 1 如f ： 儿j s l o l 2 显示 单色 通道数 2 带宽1 0 0 m h z 取样率 1g s ，s 记录长度 所有通道2 5 k 点 时基范围 5n s 到5 0 s e c d i v 外触发 标准配置 脉冲宽度触发 从3 3 n s 到1 0 s e c 可选 触发信号读出 触发源触发频率读出，所有型号标准配置 f f t 运算功能显示频域谱线，快速谐波分析及其它频域测量 自动测量 1 1 种波形参数测量 t d s 2 c m a 模块 r s 一2 3 2 串口，g p 旧仪器控制接口，打印并行接口 2 1 5 串口通信模块 几乎每一台p c 机，每一块微处理器芯片中都配置有串行通信接 口，只要添加少许电路和连接件，就能以较少成本用串行口实现不同 c p u 之间数据和信息的交互。现代智能仪器的设计中往往要考虑与 北京交通大学硕士学位论文 p c 机发生信息交互，以利用p c 机的强大的数据处理能力和表现能力， 采用串行口是一种通用的手段。 目前，主要有r s 一2 3 2 、r s 4 2 2 与r s 4 8 5 等串行数据接口标准。并 且，r s 一2 3 2 是p c 机与电子工业中应用最广泛的一种串行接口。本系统 即使用r s 一2 3 2 串行通信模块。 2 1 5 1r s 一2 3 2 串行通信 r s 2 3 2 标准瞄3 0 1 是美国e i a ( 电子工业联合会) 与b e l l 等公司一起 开发的1 9 6 9 年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在0 2 0 0 0 0 b s 范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、 电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与r s 2 3 2 制式兼 容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前己在微机通信接口中广 泛采用。 r s 一2 3 2 标准接口有2 5 条线，4 条数据线、1 1 条控制线、3 条定时线、 7 条备用和未定义线，常用的只有9 根，它们是 ( 1 ) 联络控制信号线： 数据装置准备好( d a t as e tr e a d y d s r ) 有效时( o n ) 状态， 表明m o d e m 处于可以使用的状态。 数据终端准备好( d a t as e tr e a d y d t r ) 有效时( 0 n ) 状态，表 明数据终端可以使用。 这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。这两个设备状 态 信号有效，只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行通 信了，能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。 请求发送( r e q u e s tt o s e n d r t s 卜一用来表示d t e 请求d c e 发送 北京交通大学硕七学位论文 数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效( o n 状态) ，向m o d e m 请求发送。它用来控制m o d e m 是否要进入发送状态。 允许发送( c l e a r t os e n d c t s ) 用来表示d c e 准备好接收d t e 发来的数据，是对请求发送信号r t s 的响应信号。当m o d e m 已准备 好接收终端传来的数据，并向前发送时，使该信号有效，通知终端开 始沿发送数据线t x d 发送数据。 这对r t s c t s 请求应答联络信号是用于半双工m o d e m 系统中发 送方式和接收方式之间的切换。在全双工系统中作发送方式和接收方 式之间的切换。在全双工系统中，因配置双向通道，故不需要r t s c t s 联络信号，使其变高。 接收线信号检出( r e c e i v e dl i n ed e t e c t i o n r l s d ) 用来表示 d c e 已接通通信链路，告知d 耵滩备接收数据。当本地的m o d e m 收 到由通信链路另一端( 远地) 的m o d e m 送来的载波信号时，使r l s d 信号有效，通知终端准备接收，并且由m o d e m 将接收下来的载波信 号解调成数字两数据后，沿接收数据线r x d 送到终端。此线也叫做数 据载波检出( d a t ac a r r i e r d e c t e c t i o n d c d ) 线。 振铃指示( r j n g i n g r i 卜当m o d e m 收到交换台送来的振铃呼 叫信号时，使该信号有效( 0 n 状态) ，通知终端，已被呼叫。 ( 2 ) 数据发送与接收线： 发送数据( t r a n s m i t t e dd a t a - t x d ) 通过t x d 终端将串行数据发 送到m o d e m ，( d t e d c e ) 。 接收数据( r e c e i v e dd a t a r x d 卜一通过r x d 线终端接收从 m o d e m 发来的串行数据，( d c e d t e ) 。 ( 3 ) 地线 有两根线s g 、p g _ 一信号地和保护地信号线，无方向。 北京交通大学硕士学位论文 2 1 5 2 t d s l 0 2 1 示波器的r s 一2 3 2 串口 在本系统中，与示波器进行通信的最终目的就是将示波器所显示 的波形数据传送到计算机上。在计算机与示波器建立起r s 2 3 2 的串 口通信之后，计算机必须向示波器发送其可以辨别的示波器指令，爿 可以使示波器根据要求传送数据。 根据t d s l 0 1 2 数字存储示波器所配的程序员手册【3 l 】，本系统主 要用要的示波器指令有：c u r v e ?c h ：p o s i t i o n d a t a ：e n d d g ( 1 ) c u r v e ? 指令要求示波器向外部设备传送波形数据。 数据源出指令“d a t a ：s o u r c e ”( 设定哪组波形将被传送至外 部设备) ； 起始数据点和结束数据点由指令“d a t a ：s t a r t ”( 设定起 始数据点)和“d a t a ：s t o p ”( 设定结束数据点) ： ( 2 ) c h ：p o s i t i o n 指令用于设置指定通道波形的垂直位置； ( 3 ) d a t a ：e n d 电指令用于设置示波器输出波形数据的格式。 2 1 5 3p c 机的r s 一2 3 2 串口 r s 一2 3 2 串口是每台p c 上的必要配备，通常有c o m l 和c o m 2 两个端口，均以9 针的接口引出，并且r s 2 3 2 端口均是公头。 如果从操作系统上查看c o m 口的状态，可以选择 丌始设 置 l 【控制面板 命令，在【控制面板 窗口，双击【系统 选项，打开【系统 属性】窗口，单击【硬件 标签，打开【设备管理器】对话框，即可查看计 算机的连接端口。只要显示通信连接端口的名称，而且其左侧没有黄 色的感叹号，就表示这个c o m 口是可以使用的，如图2 1 6 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图2 1 6 设备管理器对话框 2 2 本章小结 在本章中，详细介绍了时问分辨光谱测量系统各部分的硬件电路 以及它们的工作原理。从使用本系统进行时间分辨光谱测量的结果来 看，证明了本章所述的硬件电路是合理可行的。并且从花费的成本来 看，本套系统的成本，相比b o x c a r 取样积分技术和阵列探测器技术的 成本为低；并且由于其在时间上并行性，测量时间分辨光谱的时间可 比b o x c a r 取样积分技术大大缩短。 步进电机驱动电路的原理图和p c b 板图使用p r o t e l9 9s e 软件 绘制及制板，可通过单片机编程，方便的实现对其控制。 北京交通大学硕士学位论文 第三章测量系统的软件部分 时间分辨光谱测量系统的软件部分同样采用模块化设 计，主要包括步进电机驱动电路的控制程序、p c 机与示波器 的串口通信程序以及在v c 中使用0 p e n g l 对光谱数据的绘图 程序。 3 1 驱动电路的控制程序 此步进电机驱动电路控制程序由a t 8 9 c 5 1 单片机的汇编语言编 写，具体流程如下： 图3 1 控制程序流程图 3 2p c 机与示波器的通信程序 在本测量系统中使用v i s u a lc + + 6 o 作为开发平台，并且使用串 北京交通大学硕士学位论文 行通信m s c o m m 控件来进行串口通信编程。m i c r o s o rc o i i l i n u n i c a t i o n s c o n t m l ( 以下简称m s c o m m ) 是m i c r o s o f c 公司提供的简化w i n d o w s 下 串行通信编程的a c t i v e x 控件，它为应用程序提供了通过串行接口收发 数据的简便方法。m s c o m m 控件提供下列两种处理通讯的方式：事件 驱动方式和查询方式口2 。6 1 。 ( 1 ) 事件驱动方式 事件驱动通讯是处理串行端口交互作用的