（光学专业论文）傅立叶变换红外光谱仪信号检测与伺服控制系统设计.pdf

摘要 摘要 傅立叶变换红外( 以下简称f t i r ) 光谱方法是利用干涉图和光谱图之间的 对应关系，通过测量干涉图并对干涉图进行傅立叶积分变换的方法来测定和研究 光谱图。由于其多通道、高通量、高信噪比和高分辨率等优点，f t i r 光谱仪已 经成为物质定性鉴别和定量分析中应用最为广泛的仪器。为此，我们自主研制了 f t i r 光谱仪，为进一步将f t i r 光谱方法应用于环境与污染气体监测提供技术支 持和硬件保障。 本文主要设计f t i r 光谱仪的信号检测系统和伺服控制系统。通过分析f t i r 光谱仪的基本原理和系统结构，并调研相关文献，本文确定了基于电压型前置放 大电路和过零比较电路的激光干涉信号检测系统、基于带电阻反馈的跨导放大电 路和峰值保持比较电路的白光干涉信号检测系统以及基于低噪声前置放大电路 和手动增益调节电路的红外干涉信号检测系统。白光干涉信号检测系统可以准确 检测出零光程差位置所对应的激光干涉脉冲，实现精确的位置定位；红外干涉信 号检测系统可以有效检测红外干涉信号，并具有增益调节功能。 此外本文还确定了基于单片机和d a 转换芯片的伺服控制系统。该伺服控制 系统在激光和白光辅助干涉仪的配合下，采用单片机作为误差测量系统，在单片 机内部实现p i d 算法控制，并通过d a 转换芯片控制功率放大电路来驱动音圈电 机，实现对干涉仪的控制。速度控制精度达0 0 2 ，大大提高了红外吸收光谱的 信噪比，满足光谱仪对干涉仪的运动要求。 最后本文还编写了部分a d 采集程序，通过采集激光干涉信号和白光干涉信 号并对其进行分析，验证该系统具有较好的稳定性和可靠性。 关键词：f t i r 光谱仪，伺服控制，峰值检波，p i d 控制，单片机，a d 采集 a b s t r a c t t h ed e s i g no fs i g n a ld e t e c t i n ga n ds e r v oc o n t r o l s y s t e mo f f t i rs p e c t r o m e t e r c h e nh u a ( o p t i c s ) d i r e c t e db yp r o f l uy i h u a i a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n t e r f e r o g r a ma n ds p e c t r u m ，f o u r i e r t r a n s f o r mi n f r a r e d ( f t i r ) s p e c t r u mt e c h n o l o g yw h i c hg e t ss p e c t r u mb ym e a s u r i n g i n t e r f e r o g r a ma n dc a l c u l a t i n gi t sf o u r i e ri n t e g r a lt r a n s f o r mi su s e dt os t u d ys p e c t r u m w i d e l y b e c a u s eo fi t sm u l t i c h a n n e l ，h i g h - t h r o u g h p u t ，h i g h - r e s o l u t i o na n dh i g h s i g n a l - t o n o i s er a t i o ，f t i rs p e c t r o m e t e rh a sb e e no n eo ft h em o s tw i l d l yu s e d i n s t r u m e n ti nm a t e r i a li d e n t i f i c a t i o na n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s s o ，w er e s e a r c ha n d d e v e l o po u ro w nf t i rs p e c t r o m e t e r i tw i l lp r o v i d e st e c h n i q u ea n dh a r d w a r es u p p o r t f o rf u r t h e ra p p l i c a t i o ni ne n v i r o n m e n ta n dg a sp o l l u t i o nm o n i t o r i n g t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h es i g n a ld e t e c t i n ga n ds e r v oc o n t r o ls y s t e m o ff t i rs p e c t r o m e t e rm a i n l y f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n ds y s t e m s t r u c t u r eo ff t i rs p e c t r o m e t e r o nt h i sb a s i s ，c o m b i n i n gt h er e s u l t so fl i t e r a t u r e r e s e a r c h i n g ，w ed e s i g n e dt h er e l a t i v es i g n a ld e t e c t i n gs y s t e mw h i c hi n c l u d e st h el a s e r d e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nv o l t a g e p r e a m p l i f i e rc i r c u i ta n dz e r o - p a s sc o m p a r i n g c i r c u i t ，a n dt h ew h i t el i g h td e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nt r a n s c o n d u c t a n c e - p r e a m p l i f i e r w i t hr e s i s t o rf e e d b a c kc i r c u i ta n dp e a kd e t e c t i n gc o m p a r i n gc i r c u i t ，a n dt h ei n f r a r e d d e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nl o wn o i s ep r e a m p l i f i e rc i r c u i t t h ew h i t el i g h ti n t e r f e r e n c e s i g n a ld e t e c t i n gs y s t e mi su s e dt od e t e c tt h ez e r or e t a r d a t i o np o s i t i o np r e c i s e l ya n d m a k es u r et h a tt h ea ds a m p l i n gi sc o r r e c t t h ei n f r a r e di n t e r f e r e n c es i g n a ld e t e c t i n g s y s t e mi su s e dt od e t e c tt h ei n f r a r e di n t e r f e r o g r a me f f e c t i v e l ya n da c c o m p l i s ht h eg a i n a d j u s t a b l ef u n c t i o n 。 b e s i d e s ，t h es e r v oc o n t r o ls y s t e mb a s e do nm c ua n dd ac o n v e r s i o nc h i pi s d e s i g n e d i tu s e sm c u a se r r o rd e t e c t i n gs y s t e ma n dc o m p l e t e st h ep i da r i t h m e t i c w i t h i nt h em c u m e a n w h i l e ，i tc o n t r o l sp o w e ra m p l i f y i n gc i r c u i tb ya dc o n v e r s i o n a b s t r a c t c h i pt od r i v et h ev o i c e - c o i la c t u a t o rw h i c hi su s e dt od r i v et h ei n t e r f e r o m e t e r w i t ht h e h e l po fl a s e ra n dw h i t el i g h ti n t e r f e r o m e t e r , t h i ss y s t e ma c c o m p l i s h e dt h ev e l o c i t ya n d p o s i t i o nc o n t r o lo ft h ei n t e r f e r o m e t e r t h ev e r a c i t yo fv e l o c i t yi su pt oo 0 2 i t i m p r o v e st h es n r o fi n f r a r e da b s o r b a n c es p e c t r u mg r e a t l y , s a t i s f i e st h es t a n d a r do f t h es p e c t r o m e t e r a tl a s t ，t h i sp a p e ra l s op r o v i d e sp a r t so fd a t aa c q u i s i t i o np r o g r a m b yc o l l e c t i n g a n da n a l y z i n gl a s e ri n t e r f e r o g r a ma n dw h i t el i g h ti n t e r f e r o g r a m ，e n s u r et h a tt h e s y s t e mi so fh i g h e rs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y k e y w o r d ：f t i rs p e c t r o m e t e r , s e r v oc o n t r o l ，p e a kd e t e c t i n g ，p i dc o n t r o l ， m c u ，a ds a m p l i n g i i i 承诺书 自己独立完成，数据图表真实可靠，成果是培养单位的成果，今后发表相关 的论文必须征得导师、本单位的同意等。 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学 位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做 出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产 权归属于培养单位。 本人签名：j 雌 第一章绪论 第一章绪论 1 1 红外光谱技术的发展及重要意义 红外光谱仪的发展大致经历了五个阶段。2 1 世纪5 0 年代后期，出现了第一 台近红外光谱仪，它的分光系统是滤光片分光系统，测量样品必须预先干燥，使 其水分含量小于1 5 ，然后磨碎，使其粒径小于1 毫米，再装样品池。此类仪器 只能在单一或少数几个波长下测定，灵活性差，而且波长稳定性、重现性差，如 果样品的基体发生变化，往往会引起较大的测量误差。 7 0 年代中期至8 0 年代，开始应用光栅扫描分光系统，但存在以下不足：扫 描速度慢，波长重现性差，内部移动部件多。此外，光栅或反光镜的机械轴承长 时间连续使用容易磨损，影响波长的精度和重现性，不适合作为过程分析仪器使 用。 8 0 年代中后期至9 0 年代中前期，应用“迈克尔逊干涉仪”分光系统，但是由 于干涉仪中动镜的存在，仪器的在线检测可靠性受到限制。此外，当时的价格也 比较昂贵。 9 0 年代中期，开始应用二极管阵列技术，这种近红外光谱仪采用固定光栅 扫描方式，仪器的波长范围和分辨率有限，波长通常不超过1 7 5 0 n m 。此外，该 波段检测到的主要是样品的三级和四级倍频，样品的摩尔吸收系数较低，因而需 要的光程往往比较长。 9 0 年代末，采用“声光可调滤光器”( 简称a o t f ) 技术。a o t f 是利用超 声波与特定的晶体作用而产生分光的光电器件，与通常的单色器相比，采用声光 调制即通过超声射频的变化实现光谱扫描，光学系统无移动性部件，波长切换快、 重现性好，程序化的波长控制使得这种仪器的应用具有更大的灵活性，尤其是外 部防尘和内置的温、湿度集成控制装置，大大提高了仪器的环境适应性，加之全 固态集成设计有优异的避震性能，使其近年来在工业在线和现场分析中得到越来 越广泛的应用。但是目前，其分光能力不高，且价格昂贵【l 】。 这几种测试技术在气体、液体、固体、半固体样品分析中都有应用，具体应 用时应根据实际测试要求和样品来选择，并不是每一种测试技术都可以满足所有 样品的测试。根据相关文献和部分仪器生产商的介绍资料综合考察，基于迈克尔 傅立叶变换红外光谱仪信号检测与伺服控制系统设计 逊干涉仪的f t i r 光谱仪性能最优 2 1 。近年来，各公司在纷纷开发和生产多种形 式的f t i r 光谱仪，改进了它的干涉仪结构和驱动系统，使得其稳定性和可靠性 得到进一步提高，价格也大幅度降低。 f t i r 光谱仪的发展是伴随着f t i r 光谱学的发展而发展起来的。第一次突破 性发展是在二十世纪5 0 年代，f e l l g e t t 第一次真正对于涉图进行傅立叶积分变换 获得光谱图。第二次突破性发展是在二十世纪6 0 年代中期，即快速傅立叶变换 ( 简称f f t ) 算法的出现。f f t 算法发现以前，采用常规的傅立叶变换算法完成 一个较高分辨率的变换光谱的运算，即使是当时最大型的电子计算机也需要几个 小时，这就大大限制了f t i r 光谱仪的使用范围。而采用c o o l e y t u k e y 发现的 f f t 算法，几分钟就能完成原来需要几个小时才能完成的变换运算，若计算一个 较低分辨率的光谱，甚至只需要几秒钟的时间。这一计算方法的发现和推广为后 来商用f t i r 光谱仪的实时光谱显示和记录奠定了坚实的基础。此后，l m e r t z 等人引入快速扫描技术，h y o s h i n a g a 等人又最先在f t i r 光谱仪中采用专用机数 据处理技术，虽然，随着计算机技术的发展，所谓的专用机技术已经显得“过时”， 但在当时确实促进了f t i r 光谱学的巨大发展。近年来f t i r 光谱技术发展的更 快，随着f t i r 光谱技术的发展和普及，以及各仪器公司的竞相开发和生产，f t i r 光谱仪已经成为当今红外光谱仪的主导产品。 在应用方面，f t i r 光谱技术作为红外波段最有效的光谱检测方法已经广泛 应用于物理、化学、生物以及医药的基本研究和检测；应用于天文观测，各种工 业生产工程、大气环境污染状况的监测和控制；应用于核同位素分析和等离子体 热核反应温度测量等各种方面【3 j 。下面举例介绍几种典型应用。 1 农牧业和食品工业：应用近红外光谱技术分析农牧产品和食品中的蛋白 质、水分、含油量、纤维素、淀粉等营养成份在国外已是非常成熟的技术，该技 术为农业品质育种、农牧产品品质评价、食品品质和加工过程控制等方面所广泛 应用，许多方法已经成为a o a c 、a a c c 、i c c 的标准方法。国外利用该技术测 定葡萄酒中的糖份、酒精( 乙醇) 含量，是葡萄酒厂质量控制的有效手段。啤酒行 业中利用该技术测定原料大麦中的水分和麦芽糖，以及啤酒中乙醇和麦芽糖的含 量。制酒业利用该技术对上述各指标进行控制，是提高产品质量和降低成本的最 理想的技术途径。另外，利用近红外技术对食品添加剂、防腐剂等化学品在使用 2 第一章绪论 前进行快速定性鉴定分析，是确保这些物质在使用前准确无误的最有效技术【4 】。 2 石油化工：8 0 年代末9 0 年代初近红外光谱技术开始应用在石油化工领域， 最初用于测定汽油辛烷值，传统的汽油辛烷值测定是使用价格昂贵的辛烷值机， 测试成本高( 8 0 0 元样品) 、测量时间长( 1 0 3 0 m i n 样品) ，不能满足炼油和石化生 产质量控制的测试要求，近红外光谱技术可以在短时间( 图3 43 - 5 u r n 碲镉汞探测器的光谱响应曲线 激光和自光探测器选用s i p i n 探测器【1 9 】。s i p i n 探测器是一种p - n 结半导 体器件，在外界光照条件下，受激电子或空穴在固体内移动产生光电流。本系统 选用的s i p i n 探测器的主要参数如表3 3 所示，特征曲线如图3 5 所示： 表3 3 激光、白光s i p i n 探测器的主要参数 光敏面直光谱响应响应时暗电流反向击穿电容工作电 径( m m )范围( n m )间( n s )( n a )电压( v )( p t 3压( v ) 激光 2 04 0 0 11 0 0848 0 v5o 2 0 v 探测器 白光 4 04 0 0 11 0 01 5 01 53 0 v9 00 2 0 v 探测器 4 0 0 3 5 0 一、3 0 1 3 臣2 5 0 。2 0 0 譬舞 5 0 0 01 0 2 03 0 4 05 0 6 0 电压( 叼 u ) 2 0 1 5 基 i 1 0 印5 0 电压( 聊 0 ) 0 4a 50 60 70 80 9 1 01 1 1 2 波长c u m ) 啦) 图3 5 ( a ) 4 盯s i p i n 探测器电容与电压关系曲线图( b ) 2 s i p i n 探测器电容与电 压关系曲线图( c ) s i p i n 探测器光谱响应曲线 2 3 l-事鬯飞日3 傅立叶变换红外光谱仪信号检测与伺服控制系统设计 3 3 信号检测系统设计 信号检测系统主要包括激光干涉信号的检测、白光干涉信号的检测和红外干 涉信号的检测。由于这三种干涉