（机械电子工程专业论文）一种精密光栅单色仪的研制.pdf

大连理工大学硕十学位论文 摘要 光栅单色仪是通过光栅的转动，将不同波长的单色光从复色光中分离出来的一种光 学仪器。它主要用于光谱分析和测量，是现代检测分析领域中必不可少的一种检测仪器。 论文对光栅单色仪技术的发展和应用现状进行了分析。在此基础上，设计开发了一 种微机控制的精密光栅单色仪，它由光路系统、机械传动系统、单片机和微机及相应软 件组成。 论文根据仪器的性能参数要求，进行了机械结构设计，确定了新的控制方法，完成 了系统的硬件设计和软件编程。所开发的光栅单色仪采用上下位机的结构，下位机单片 机按照上位机微机的指令控制光路系统并采集信号，微机对单片机的采集信号进行存 储、分析处理及曲线绘制。 该单色仪在提高光栅的扫描精度和分辨率的基础上，实现了定位、扫描的自动化。 通过拟合出射光波长与步进电机步数之间关系的表达式，得到了输出光的波长控制的方 法。 论文提出了粗定位和精定位相结合的方法，提高了光栅单色仪波长的零点定位精 度，实现了精确定位；采用了光电倍增管作为光电检测器件，提高了系统对单色仪出射 光强度检测的高灵敏度及检测的精度。 论文研制的精密光栅单色仪经北京印刷学院、黑龙江科技学院、武汉恒生生物制药 有限公司等单位使用，效果良好，达到了预期的设计目的。 关键词：光栅单色仪；光电倍增管：s t c 5 1 单片机；可编程逻辑器件 一种精密光栅单色仪的研制 r e s e a r c h0 nap r e c i s i o nm o n o c h r o m a t o r a b s t r a o t m o n o e h r o m a t o ri sak i n do fo p t i c a li n s t r u m e mb ym e a n so fs e p a r a t i n gt h eh o m o c h r o m y l i g h tf r o mt h ew h o l es p e c t r u mo fl i g h tt h r o u g hr o t a t i n gt h ed i f f r a c t i o ng r a t i n g s i ti s 雏 e s s e n t i a li n s t r u m e n tt ob eu s e di ns p e c t r u ma n a l i z i n ga n dm e a s u r i n g t h i sp a p e rp r e s e n t sad e s i g no fm o n o e h r o m a t o ra f t e ra n a l y z i n gt h el a t e s tt e c h n o l o g yo f t h em o n o c h r o m 圳r i tc o n s i s t so ft h eo p t i c a ls y s t e m , t h em e c h a n i c a ls y s t e m ，m c u ，p ca n d s o f t w a r e t om e e tt h ep a r a m e t r i c a lr e q u i r e m e n t so fm o n o c h r o m a t o r , t h em e c h a n i c a ld e s i g n , t h e h a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t w a r ep r o g r a m m i n ga r ei m p l e m e n t e d t h el o w e rm c ui si n c h a r g eo fc o n t r o l l i n gt h eo p t i c a ls y s t e ma n dc o l l e c t i n gt h es i g n a l ，a n dt h eu p p e rp ci si n c h a r g eo f m e m o r i z i n g ，a n a l i z i n ga n d c l u v ep l o t t i n g t h ed e v d o p e am o n 幽o m a t o rh a sr e a l i z e da u m o m a t i cp o s i t i o n i n ga n ds c a n n i n ga f t e r h i g h e rs c a n n i n gp r e c i s i o na n dr e s o l u t i o na c h i e v e d b yf i t t i n gt h ew a v e l e n g t ho fo u t p u tl i g h t a n dn u m b e ro f s t e p so f t h ep u l s em o t o r , ac o n t r o lm e t h o df o rt h ew a v e l e n g t ho f o u t p u tl i g h ti s p r o d u c e d t h ep a p e rp r o p o s e st h em e t h o do fc o o r p o m t i n gt h er o u g hp o s i t i o n i n ga n dt h ep r e c i s e p o s i t i o na n dt h u st oi m p r o v et h ep o s i t i o n i n gp r e c i s i o no ft h ez e r o - p o i n tp o s i t i o n t h ep h o t o m u l t i p l i e rt u b eh a sb e e nu s e da st h ep h o t o - e l e c t r i ct e s t i n gd e c i c et oa c h i e v eh i g hs e n s i t i v i t yt o t h ed e n s i t yo f o u t p u tl i g h t t h ed e v e l o p e dm o n o c h r o m a t o r sh a v eb e e np r a i s e db yu s e r ss u c hf i t sb e i j i np r i n t i n g t e c h n o l o g yi n s t i t u t e ，h e i l o n g i i a n gt e c h n o l o g yi n s t i t u t ea n dw u h a nh e n g s h e n gb i o l o g i c a l p h a r m a c e u t i c a lc o l t d a n dt h e ne x p e c t e da i m so f d e s i g na l ea c h i e v e d k e yw o r d s ：m o n o c h r o m a t o r ；p m t ；s t c 8 9 5 1 c p l d i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 2 口0 8 ，1 1 。2 0 人连理i 大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：盔坌墨 导师签名 2 0 0 6 年| | 日劭日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 单色仪是用来做光谱分析和测量的一种光学检测仪器，广泛应用于物理、化学、冶 金、农业、环保、医药等各领域。 在光谱学应用中，光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质量控 制等方面都发挥着极大的作用。无论是穿透吸收光谱，还是荧光光谱，拉曼光谱，获得 单波长辐射是不可缺少的手段。除了用单色光源( 如光谱灯、激光器、发光二极管) 、 有色玻璃和干涉滤光片外，大都使用通过扫描选择波长的单色仪。尤其是当前更多地应 用扫描光栅单色仪，在连续的宽波长范围( 自光) 选出窄光谱( 单色或单波长) 辐射。 实现单色仪的方法有多种，如：棱镜、滤光片、光栅等，其中采用光栅实现的单色 仪从目前来看，性能是最佳的。 光栅单色仪是使用光栅作为分光元件，通过光栅的转动，将不同波长的单色光从复 色光中分离出来的一种重要的光学仪器。光栅单色仪经常是作为其它光谱仪或者是光谱 装置中产生单色光的一部分，可将不同波长的复合光按顺序分开。如配以相应的光源及 接收系统，可形成相应的分光光度计；使用单色仪产生的单色光源可以对复合光源进行 光谱分析，还可对透明物质和溶液进行定性和定量分析。 现代光栅单色仪不仅应具有很宽的光谱范围( u v i r ) 和高光谱分辨率( o 0 0 1 n m ) ， 还应能实现自动波长扫描及电脑控制功能，构成商性能自动测试系统。因此，使用微机 自动扫描光栅单色仪来替代传统手动单色仪已成为单色仪研究的首选。 1 2 精密光栅单色仪技术的发展现状 7 0 年代中期至8 0 年代，实用的光栅扫描分光系统开始应用，通过手动旋转光栅来 对整个光谱进行扫描，它存在以下不足：扫描速度慢、波长重现性差、机械结构复杂、 内部移动部件多。此类仪器最大的缺点是手动扫描，影响波长的精度和重现性，在使用 操作上，经常会由于操作失误而导致单色仪的机械损坏，虽然多数情况下可以通过重新 标定来恢复工作状态，但这种波长重新标定的工作需较多时间，对操作人员的要求较高， 增加了操作人员的工作量。 电子技术的高速发展，带动了计算机硬件、软件技术和产品的普及。上个世纪9 0 年代出现了微机控制的自动光栅扫描系统，通过微机控制步进电机来带动光栅旋转对整 个光谱进行扫描。具有扫描精度高、速度快、稳定可靠等优点，并且借助现代计算机的 强大计算能力，完成对整个光谱的自动分析。此类仪器首先出现在美国、日本、法国、 一种精密光栅单色仪的研制 德国等：我国也能生产出高水平的不同类型的光栅单色仪，如：天津港东科技发展有限 公司，长春光机所等单位，但目前国内厂家生产的各类型光栅单色仪其波长扫描基本上 都是手动操作，只有少数的产品能实现半自动化扫描，如：长春第五光学仪器有限公司。 使用起来很不方便，而且不能保证波长的准确度。目前国内尚未报道和出现成熟稳定的 智能化的专用光栅单色仪扫描控制器【1 1 1 2 1 ，我们应厂家需求，开始了设计研制，在提高 扫描精度和分辨率的基础上实现了定位、扫描的自动化；光谱的存储及相关参数分析等 功能。 针对光栅控制精度要求高、实时性强的特点，对各种信号处理电路进行了设计。其 中主要的处理部分包括：零点检测装置、光电计数模块、数据存储系统、步进电机驱动 部分和数据传输部分等。同时也进行了软件的设计，包括底层硬件驱动程序及逻辑设计 和上位机软件设计，实现了系统各项功能和性能的要求。 1 3 精密光栅单色仪的系统原理 光栅是一组紧密均匀排列的狭缝，是光谱仪器中重要的分光元件。1 8 2 1 年夫琅禾费 创制了用细金属丝做成的衍射光栅，并且用它测量了太阳光谱暗线的波长。后来他又在 贴着金箔的玻璃上用金剐石刻划平行线做成色散更大的光栅。首创直接在玻璃板上刻制 光栅的是诺伯尔( 1 8 0 6 - 1 8 8 1 ) 。现在使用的光栅有透射式和反射式两种，多是以刻线 光栅为模板，复制在以光学玻璃为基板的薄膜上做成的，也有用全息照相法制做的。 当一束入射的复色光经过光栅后可分解出各色单色光，方向有所不同，只有对准出 射狭缝的那一种光可以从出射狭缝射出，而其他波长的光则不能射出。通过改变光栅的 位置及角度，就会使出射狭缝的出射光的波长发生变化这就是光栅单色仪的基本工作原 理。 1 4 本论文的主要内容 本论文所研究的主要内容是光栅单色仪机械结构设计及控制系统开发，对扫描控制 部分，数据采集、传输、步进电机的电细分和驱动控制及光电信号检测部分，在进行了 详细的分析论证的基础上完成了开发设计。 对光电检测器件光电倍增管及光子计数的原理进行了分析；对光栅控制的方法进行 了研究，包括控制系统的设计、关键芯片的选择分析及硬件系统原理的设计和软件编程， 并进行了详细的说明。 精密光栅单色仪系统是在原有固定轴式光栅和传动机构的基础上，应用电子技术和 光谱学理论，由步进电机通过传动机构控制光栅的旋转位移、旋转速率以及旋转方向的 调节，来实现单色仪系统的扫描、速率和方向控制的自动化。 2 大连理工大学硕士学位论文 它保留了传统机械式光栅单色仪的绝大部分总成部件包括手动操纵机构，将丝杠在 原有手动控制的基础上增加了联接机构使之与步进电机的转轴相连，将其改为自动控制 机构，生产继承性好，系统升级改造方便，为客户提供了更大的选择空间，生产厂家和 客户都很容易接受。 扫描控制系统由下列部分组成： ( 1 ) 被控对象：旋转光栅； ( 2 ) 执行机构：步进电机、联轴节和丝杠； ( 3 ) 传感器：光电倍增管、粗定位光电传感器、精定位光电传感器： ( 4 ) 电子控制单元：m c u 系统、存储系统、数据传输系统，步进电机电细分控制及驱 动电路。 1 5 本文所研制的精密光栅单色仪的功能描述 1 单段扫描功能：用户可设定扫描波长区域的起始点、终止点波长值，并可在0 1 - - 2 0 0 o h m r a i n 之间任意设定扫描速度。 2 分段扫描功能：允许用户预先设定最多六段的扫描数据( 起始波长、终止波长、 扫描速度) ，并根据需要选择若干频段进行扫描。启动以后，单色仪便会在用户选定的 各段波长范围内以设定速度分别扫描，中间波长部分都快速走过。 3 暂停功能：在扫描过程中用户可随时暂停，并可以改变当前扫描速度或做波长准 确度校正，重新启动后，新的设置参数生效，并且原始数据可以保存。 4 自动定标功能：用户可以根据仪器检测到的实际波长值来修正扫描控制系统的当 前记录波长值，使扫描控制系统的当前波长值和实际波长值一致，即校正波长准确度。 5 断电保护功能：这个功能使扫描控制器在切断电源后还可保留住些重要的数 据，如当前波长值、当前扫描速度、当前分辨率以及各分段扫描数据等。即使在意外断 电的情况下，扫描控制系统也不会丢失这些重要数据，而保证下一次开机时的正常工作。 6 扫描速度控制：用户可以对扫描速度进行设定，当需要光栅快速达到指定位置时， 可以控制步进电机驱动器使步进电机以最高转速将光栅旋转至指定位置；当光栅到达指 定位置后，需要对此范围的谱线进行扫描，此时用户可根据需要对控制系统设定合适的 速度进行慢速扫描。 7 数据存储及传送功能：扫描控制系统可以将用户设定的相关扫描参数及每一次扫 描的数据通过c f 卡进行海量存储，方便用户根据需要随时进行调用。同时还可以根据 用户的需要提供相应串口与微机连接，通过这些接口将控制命令及扫描数据进行传输。 一种精密光栅单色仪的研制 1 ，6 仪器的技术指标要求 波长范围：2 0 0 一7 0 0 n m ； 分辨率：0 1 n m ： 波长准确度：0 2 n m ； 物镜焦距：f = 3 0 0 m m ； 光栅：1 2 0 0 l m m ( 面积5 0 5 0 m m 2 ) ； 光路长度：5 0 0 m m ； 逆线色散：2 5 n m r m n ； 扫描速度：0 1 - 2 0 0 n m m i m 入缝宽度：0 0 1 3 m m ( 连续可调) ； 出缝宽度；0 0 1 - 3 m m ( 连续可调) ； 外形尺寸：3 9 0 2 6 0 x1 8 0 m m 4 大连理工大学硕士学位论文 2 光栅单色仪的系统构成及机械结构 2 1 光栅单色仪的系统构成 整个仪器系统由光栅单色仪主机、导轨、滑座、汞灯光源及聚光镜、光电倍增管、 计算机、高压电源等构成，如图2 1 表示整个仪器的系统构成。单色仪从外部可看见： 入射狭缝和出射狭缝，波长读数窗、手轮，电源开关，地脚等。其内部结构设计成两层： 上层为光路系统，下层是机械传动系统及单片机控制板。 l 导轨2 滑座3 先源4 聚光镜5 装缝6 光电信增曹 t 波长读数窗8 波长手轮9 簟色仪主体1 0 计算机1 1 高压电源 图2 i 单色仪的系统构成 f i g 2 1s y s t e mc o m p o n e n to f t h em o n o c h r o m a t o r 工作过程：汞灯光源3 ( 或其它光源) 通过滑座2 安装在导轨l 上，提供复色光源， 经聚光镜4 射入单色仪入射狭缝5 ，进入光栅单色仪上层光路系统，经光栅分成单色光 从单色仪出射狭缝射出，直接由光电倍增管6 转换成电信号，经单片机采样后传给微机， 高压电源1 l 给光电倍增管6 供电。 下位机单片机按照上位机的指令通过电机来控制光路系统并且采集信号，采用 u a r t 通讯技术实现上下位机的信息传输，微机对单片机的采集信号进行存储、分析处理 及曲线绘制。 2 2 光栅单色仪的总体结构 光栅单色仪内部结构设计成两层，主要由上层光路系统，包括入射狭缝，出射狭缝， 光栅、光栅机构、反光镜、滤光片、滤光片步进电机；下层由机械传动系统，包括正弦 一种精密光栅单色仪的研制 机构，步进电机、连轴节、滚珠丝杠、电源，单片机控制系统等组成，其总体结构如图 2 2 所示。 精密光橱单色仪系统是在原有固定轴式光栅和传动机构的基础上，应用电子技术和 光谱学理论，以光栅电子控制单元为核心，由步进电机通过传动机构控制光栅的旋转位 移、旋转速率以及旋转方向的调节，来实现单色仪系统的扫描、速率和方向控制的自动 化。它保留了传统机械式光栅单色仪的绝大部分总成部件包括手动操纵机构，将丝杠在 原有手动控制的基础上增加了联接机构使之与步进电机的转轴相连，将其改为自动控制 机构，生产继承性好，系统升级改造方便，为客户提供了更大的选择空间，生产厂家和 客户都很容易接受。 图2 2 单色仪总装配图 f j 口2a s s e m b l yd i a g r a mo f t h em o n o c h r o m a t o r 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 3 光栅单色仪的光路系统及工作原理 光栅单色仪的光路系统位于单色仪主机的上层，由入射狭缝、滤光片、光栅、光栅 台、反光镜、出射狭缝等组成；单色仪光路系统结构如图2 3 所示。 图2 3 光路系统结构图 f i g 2 3s t r u c t u r eo f t h eo p t i c a ls y s t e m 图2 4 为单色仪的光路系统工作原理图。进入入射狭缝s 。的光线经准直镜m 。变为平 行光，由光栅g 分光，经聚焦物镜m 2 ，反光镜1 1 3 从出射狭缝s ：射出单色光。为消除光谱 叠级，当工作在6 0 0 h m 以上时，在入射狭缝处装上截止滤光片( 图2 4 中f ) 。当光栅 扫描控制系统控制步进电机带动传动机构使光栅以一定速度旋转，在出射狭缝处便可以 得到波长不断变化的谱线，通过光电倍增管和信号调理电路将光信号转换为电信号送至 计算机进行处理，便可得到各谱线的能量分布情况，由此便可以对光源进行分析处理。 本仪器基本波段为2 0 0 7 0 0 n m ，使用1 2 0 0 线m 光栅( 已安装在光栅台上) 。除 基本波段外，还可以更换多块光栅、将波段范围延至中红外区( 2 5um ) 。各波段所用 光栅见表2 1 。 一种精密光栅单色仪的研制 一图2 4 光路系统工作原理图 f i g 2 4o p t i c a ls y s t e mb l o c kd i a g r a m 表2 1 光栅与波长范屡对应表 t a b l e 2 1p a r a l l e lt a b l eo f g r a t i n ga n dw a v e l e n g t h 2 4 光栅单色仪的机械传动系统 机械传动系统位于光栅单色仪的下层，由正弦机构，光栅机构、步迸电机、步进电 机驱动器，电源，滚珠丝杠、粗定位光电传感器、精定位光电传感器、单片机控制板等 组成；图2 5 为机械传动系统的仰视图。 8 一 大连理工大学硕士学位论文 图2 5 机械传动系统图 f j g 2 5m e c h a n i c a ld r i v es y s t e md i a g r a m 光栅机构由正弦机构驱动，带动光栅转动，实现波长扫描；正弦机构由步进电机经联 轴节带动滚珠丝杠转动，丝杠转动使与其连接的滑块机构沿直线导轨移动，带动正弦杆 上的接头驱动上层光栅旋转进行分光。 用户通过微机软件程序向单片机发出采集位置信号的指令，并通过u a r t 通讯技术 传给下位单片机，单片机根据接收到的指令控制步进电机来实现对光栅的自动控制，并 通过光电信号传感器光电倍增管进行位置信号的采集，将信号数据上传给微机，进行信 号处理。 为了提高光栅单色仪波长的零点定位精度，我们采用粗定位和精定位相结合的方法 来实现精确定位；本设计采用两个槽形光耦做粗定位和精定位光电传感器，如图2 5 中 所示，安装在滚珠丝杠一侧，滚珠丝杠副运动到粗定位光电传感器位置时，粗定位光电 传感器产生零位信号，同时精定位光电传感器也出现信号时，才能确定零点位置。具体 工作方式及原理见5 4 1 节。 一种精密光栅单色仪的研制 2 4 1 步进电机的选取 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件。对这种电动机旌 加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步。脉冲数增加，直线或角位移随之 增加；脉冲频率高，则电动机旋转速度就高，反之则慢；分配脉冲的相序改变后，电动 机便逆转。这种电动机的运行状态与通常均匀旋转的电动机有一定的差别，是步进形式 的运动，故称为步进电动机。从电动机绕组所加的电源形式来看，与一般的交直流电动 机也有区别，既不是正弦波，也不是恒定电压，而且脉冲电压，所以有时也称为脉冲电 动机。 步进电动机是受其输入信号，即一系列的电脉冲控制而动作的。脉冲发生器所产生 的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为使电动机能 够输出足够的功率，经环形分配器产生的脉冲信号还需进行功率放大。环形分配器、功 率放大器以及其它控制线路组合称为步进电动机的驱动电源，它对步进动机来说是不可 分割的一部分。步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机传动控制系统，如图2 6 所示。 图2 6 步进电机传动控制系统框图 f i g 2 6s t e pm o t o rd r i v ec o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a m 在选择步进电机时，考虑了以下几个方面：步距角是否适合系统脉冲当量的要求； 步进电机转矩是否满足要求；步进电机启动频率及运行频率是否满足要求扪。 合理应用步进电动机是比较复杂的问题，需要根据步进电动机在整个系统中的实际 工作情况，经过分析计算后才能正确使用。步进电动机最基本的应用原则如下： 大连理工大学硕士学位论文 为使步进电动机正常运行( 不失步、不越步) 、正常起动并满足对转速的要求，必须 保证步进电动机的输出转矩大于负载所需的转矩所以应计算机械系统的负载转矩并 使所选电动机的输出转矩有一定的余量，以保证可靠运行。所以必须考虑： ( 1 ) 起动转矩应选择为；t 。t 。根据步进电动机相数、拍数，起动转矩选择列于表 2 2 。表中：t 。为步进电动机的最大静转矩，是步进电动机技术数据中给出的参数。 表2 2 步进电动机起动转矩选择表 t a b l e 2 2r e l a t i o n b e t w e c f lw a v cl e n g t ho n i g h ta n dt h es t e po f t h es t e pm o t o r ( 2 ) 在要求的运行范围内，电动机运行转矩应大于电动机的静载转矩与电动机转动 惯量( 包括负载的转动惯量) 引起的惯性矩之和。 ( 3 ) 其次应使步进电动机的步矩角只与机械负载相匹配，以得到步进电动机所驱动 部件需要的脉冲当量，步矩角应满足皖 气。；步进电动机一周内最大的步矩角积累误 差应满足其精度的要求a 幺；i ( a o 。) 。 ( 4 ) 最后使被选电动机能与机械系统负载惯量及所要求的起动频率相匹配，并留有 一定余量。 ( 5 ) 驱动电源的优劣对步进电动机控制系统的运行影响极大，使用时要特别注意需 根据运行要求，尽量采用先进的驱动电源，以满足步进电动机的运行性能。 ( 6 ) 若所带负载转动惯量较大则应在低频下起动，然后再上升到工作频率；停车 时也应从工作频率下降到适当频率再停车；在工作过程中，应尽量避免由于负载突变而 引起的误差。 ( 7 ) 若在工作中发生失步现象，首先应检查负载是否过大，电源电压是否正常，再 检查驱动电源输出波形是否正常，在处理问题时不应随意变换元件。 ( 8 ) 在步进电动机应用中，选用步进电动机的关键参数还有传动比i ，合理选择传动 比是正确应用步进电动机的前提。 一种精密光栅单色仪的研制 2 4 2 步进电机的计算 负载通过丝杠和直线导轨折算到电机轴上的转矩为1 仁l o d n m ，最高运行速度 v m p x = l m m s ；最小步距为s m m = 5 1 0 4 m m ：丝杠导程d = o 5 m m 。 ( 1 ) 确定步进电机的启动转矩 根据t s 棚。( o 3 o 5 ) t s t = t l j 0 4 = 1 0 。0 4 - - 2 5xl o 付m ( 2 ) 确定步进电动机的最大静转矩t s 。为满足最小步距的要求，步进电机选用混 合式四相四拍工作方式。根据表2 1 得， 飞小勰7 0 7 所以t s 。产t s t 0 。7 0 7 = 2 5 1 0 4 0 7 0 7 = 3 5 4 l o 瓠1 m ( 3 ) 选用步进电动机步进角0 。 0i b = 3 6 0 。s m , n d = 3 6 0 。x5 1 0 加5 = 0 3 6 。 选用0 b = 1 8 。进行电细分0b 0 l b = 5 倍电细分 ( 4 ) 确定步迸电动机运行的频率 确定步进电动机最大转速n m a x n m 产v m 懿d = i 0 5 = 2 r s 确定运行频率f c f c = n 。x 3 6 0 。o 。= 2 3 6 0 。1 8 = 4 0 0 步s 综上所述分析计算，查混合式步进电动机技术性能数据表，选取4 2 b y g l 3 1 型步进 电动机，其电参数电感l = 6 5 m h ；电阻如= 7 5 q 。相电流i = o 1 6 a 完全能满足要求 3 1 。安 装尺寸见图2 7 所示。 o a il l l 一一l 一一 l t 干f 弘l 图2 74 2 b y g l 3 1 步进电机安装尺寸 f i g 2 74 2 b y g l 3 1 s t e pm o t o rs i z e 大连理t 大学硕士学位论文 2 4 3 滚珠丝杠的校核 滚珠丝杠副数据： 公称直径 d 0 = 2 0 t a r a 导程p = o 5 m m 螺旋角a = 3 。3 8 滚珠直径 磊；2 3 8 1 m m 滚道半径 r = 0 5 2 d o = 0 5 2 x 2 3 8 1 = 1 2 3 8 m m 偏心距 e = 0 0 7 ( r d j 2 ) = 0 0 7 ( 1 2 3 8 2 3 8 1 2 ) = 3 3 2 5 1 0 3 咖 丝杠内径d 。= d & 2 e 一2 r = 2 0 + 2 3 3 2 5 1 0 3 _ 2 1 2 3 8 = 1 7 5 5 m 1 稳定性验算 由于丝杠在工作时可能发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数s ，其值应大于 丝杠副传动结构允许安全系数 s 。 丝杠不会发生失稳的最大载荷为临界载荷 = 静 式中：e _ 丝杠材料的弹性模量，对于钢，e = 2 0 6 g 只 z 丝杠工作长度，= 0 1 9 m l 丝杠危险截面的轴惯性矩( 册4 ) 长度系数，取= 2 3 ，：巫：3 , 4 x ( o o , 7 5 5 , ) ：o 4 。1 0 4 肼 。6 46 4 融乓= 丛鼍绁半世- 5 8 x 1 0 5 i 兰0 1 9 l l 3 安全系数s = 鲁= 等= 1 3 x 1 0 5 。查表知 s = 2 5 - 3 3 o s m 丝杠是安全的 不会失稳【4 】。此外滚珠丝杠副还受d o 。值的限制，通常要求d o 。 l o o 三!( 4 4 ) 矿 这里的i 为峰值输出电流( 安培) ，t 为脉冲宽度( 秒) ，v 是电容所加电压( 伏) 。 在高能物理等高脉冲输出应用时，极间电压保持不变，而随着入射光的增强，输出会在 某一点出现饱和。这是由于随着电极间的电荷密度的增加，逐渐增强的空间电荷效应扰 乱了电子束电流的缘故。为了降低空间电荷效应影响，在电荷密度较高的后几个倍增极 和阳极上所加的电压应适当地提高，增强后几个倍增极和阳极的电压梯度。基于这种考 虑，一般使用锥型分压器，如图4 7 所示。锥型分压器的使用使得脉冲线性度较使用普 通分压器线路( 均分压线路) 提高了5 1 0 倍。 ，阴极 阳! 垦一信号 卜w 落靴 图4 7 锥形分压器电路 f i g 4 7t a p e rv o l t a g ed i v i d e rc i r c u i t 一种精密光栅单色仪的研制 4 2 光子计数的原理及应用 4 2 1 光子计数简介 光予计数法对于使用光电倍增管探测极微弱光是个有效的方法，并在天文光度测 量、化学发光和生物发光等领域有较多应用。单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、 非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能 物理、天文测光、光时域反射、量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。由于单光子 探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之 一。 对于一般的应用，大量光子进入光电倍增管并在阳极输出大量的如图4 8 ( a ) 的脉 冲序列。阳极输出是一个如图4 8 ( b ) 的带有波动的直流信号。 当入射光强逐渐降低，以至于入射的光子分散得类似图4 9 时，这种状态称作单光 子( 或光电子) 情况。输出的脉冲数与入射光成正比例，并且对这些脉冲计数的方法在 信噪比和稳定性等方面，优于采用平均脉冲的电流测定方法。这个对脉冲计数的光量测 量技术叫做光子计数法。 输出信号交叠 ( b ， 图4 8 阳极输出脉冲 f i g 4 8o u t p u tp u l s eo f p o s i t i v ee l e c t r o d e 如图4 9 ，由于光电倍增管在输出由入射光子产生的单个脉冲的同时，也会输出一 系列的噪声脉冲。简单地统计这些脉冲而不采取有效的手段排除噪声脉冲，将得不到正 确的结果。排除噪声最有效的方法之一就是采用区分每个脉冲的大小、高度的方法。 大连理工大学硕士学位论文 离散的脉冲输出【单光子事件) 一_ 图4 9 噪声脉冲 f i g 4 9 n o i s ep u l s e 图4 1 0 为光电倍增管输出的典型的脉冲高度分布( p ) 。在p h i ) 中，低脉冲高 度基准( l l d ) 在波谷的位置，而高脉冲高度基准( u l d ) 是在输出脉冲较少的底部。绝 大部分低于l l d 的脉冲是噪声，同时绝大部分高于i j l d 的脉冲来源于宇宙射线等外界因 素。这样，通过对介于l l d 和u l d 之间的脉冲的计数，可以正确地探测光的强度。在p h d 中，h m 是脉冲的高度，通常l l d 为 h i i 的1 3 ，u l d 为h m 的3 倍。大多数情况下，u l d 可以忽略掉。 考虑上述内容，p h i ) 中清晰的波峰和波谷是用于光子计数的光电倍增管的一项重要 特性【l2 1 。 宇宙线融冲 li：ii 图4 1 0 输出脉冲及区分 f i g 4 1 0o u t p u tp u l s e 4 2 2 光子计数的原理 单光子探测是一种极微弱光探测法，它所探测的光的光电流强度比光电检测器本 身在室温下的热噪声水平( 1 0 d 4 w ) 还要低，用通常的直流检测方法不能把这种淹没 在噪声中的信号提取出来。单光子计数方法利用弱光照射下光子探测器输出电信号自 一种精密光栅单色仪的研制 然离散的特点，采用脉冲识别技术和数字计数技术把极其弱的信号识别并提取出来。 这种技术和模拟检测技术相比，有如下优点： ( 1 ) 测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它不稳定因素的影响较小； ( 2 ) 消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量结果的信噪比； ( 3 ) 有比较宽的线性动态区； ( 4 ) 可输出数字信号，适合与计算机接i ：1 连接进行数字数据处理。 入射的光子信号打到光电倍增器件上产生光电子，然后经过倍增系统倍增产生电 脉冲信号，称为单光子脉冲。计数电路对这些脉冲的计数率随脉冲幅度大小的分布如 图4 1 0 所示。脉冲幅度较小的脉冲是探测器噪声，其中主要是热噪声；脉冲幅度较大 的是单光电子峰。通过鉴别电平可以把高于它的脉冲鉴别出来并输出，以实现单光子 计数。 当可见光的辐射光功率低于1 0 x1 0 - 1 2 1 0 x1 0 4 4 时，光电倍增管的光电阴极上 产生的光电流不再是连续的，这样，在光电倍增管的输出端就有离散的数字脉冲信号 输出。当有一个光子信号打到光电阴极上，就会产生一定数量的光电子。这些光电子 在电场的作用下，经过打拿极倍增，在输出端就有相应的电脉冲输出。输出端电脉冲 的数目与光子数成正比，对这些电脉冲进行计数也就能够相应地确定光子的数目 1 3 o 光电倍增管单光子探测器主要采用的是一种逐个记录单光电子产生的脉冲数目的 探测技术。通常的光子探测器主要由光电倍增管、宽带放大器、比较器、前置放大器、 a d 转换器组成，由于输出脉冲频率较高，采用传统方法( 用a d 转换芯片实现的探 测器) 受到器件本身速度的限制，其计数的精度和速度都比较有限，随着半导体技术 和大规模可编程逻辑器件的发展，现在的可编程逻辑器件已达到较高的速度，完全可 以满足高速光子计数的要求，所以本系统采用了在可编程逻辑器件( c p l d ) 内部构建 计数器作为计数单元的方案来实现快速精确的光子计数检测。 光电倍增管是整个系统的基础，单光子信号经过光电倍增管，把光子信号转换为 电信