便携式近红外光谱分析仪.doc

便携式近红外光谱仪器总体设计 设计报告 姓名：xxxx学号：xxxxE-mail：xxxxx一、方案确定 采用傅里叶变换法，傅里叶变换红外光谱法是鉴别物质和分析物质结构存在的一种有用手段，已广泛应用在各种物质的鉴别和定量分析，以及研究分子间和分子内部相互作用的研究。它具有扫描速度快，光通量大，高分辨率，高信噪比，测定光谱范围宽的特点，在光谱研究中发挥着重要的作用。根据设计方案的选择，其系统框图为： 一、主要模块1、光学系统 主要参考麦克尔逊干涉试验：迈克尔逊干涉仪的光路和结构如图所示。M1、M2是一对精密磨光的平面反射镜，M1的位置是固定的，M2可沿导轨前后移动。G1、G2是厚度和折射率都完全相同的一对平行玻璃板，与M1、M2均成45角。G1的一个表面镀有半反射、半透射膜A，使射到其上的光线分为光强度差不多相等的反射光和透射光；G1称为分光板。当光照到G1上时，在半透膜上分成相互垂直的两束光，透射光（1）射到M1，经M1反射后，透过G2，在G1的半透膜上反射后射向E；反射光（2）射到M2，经M2反射后，透过G1射向E。由于光线（2）前后共通过G1三次，而光线（1）只通过G1一次，有了G2，它们在玻璃中的光程便相等了，于是计算这两束光的光程差时，只需计算两束光在空气中的光程差就可以了，所以G2称为补偿板。当观察者从E处向G1看去时，除直接看到M2外还看到M1的像M1。于是（1）、（2）两束光如同从M2与M1反射来的，因此迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉和M1M2间“形成”的空气薄膜的干涉等效。2、电路系统 电路系统由前置放大、数据采集、扫描驱动、系统控制等几个部分组成，采用低功耗设计间断式的工作方式，以降低系统的功耗。3、软件系统 仪器采用微处理器进行一起的底层驱动，PC或者PDA进行上层控制，并通过串口传输进行指令和数据。a、底层驱动，负责电路功能的实现，实现信号的提取并转换为计算机所能处理的数字信号后送往PC机。使用A/D转换，将处理过后的数据通过串口方式发送至处理器。底层驱动软件采用基于51单片机的汇编语言设计，程序按模块化设计，各部分功能独立。动镜驱动系统探测器RS232接口8051单片机控制系统前置放大系统数据采集系统b、上层控制，负责整个系统实现人机界面的交换，系统参数设置，光谱数据处理，现实及各部分功能测试，并把光谱数据保存为标准格式，以便于分析软件读取和处理。二、主要模块详细设计1、光学部分 图中M1和M2是相互垂直的的平面镜，M1固定不动，M2则可沿着图示方向作微小的移动。在M1和M2之间放置一呈45角的半透膜分束器BS，将光源L来的光分为相等的两部分，光束1和光束2。检测器是TGS，光束1穿过BS被动镜M2反射，沿原路回到BS并被反射达到检测器D，这样在检测器D上所得到是1和2的相干光。开始时，由于M1和M2与BS的距离相等，1光和2光达到检测器的相位相同，发生相长干涉，亮度最大。当动镜M2移动/4，则光束1的光程差的变化为/2，在检波器上两束光的的相位差为180，则发生相消干涉，亮度最小。如果M2连续移动，在检测器上就得到一个余弦信号：Ix=B（v）cos2xvdv。根据傅里叶变换的可逆性，就可计算出光源的光谱分布。Bv=-+I（x）cos（2xv）dx。波长范围：700-1100nm 。 2、光学机械部分动镜的移动获得光程差，在机械设计中一般采取两种方式：匀速直线运动和转动。其中，转动很小的范围就可以获得很大的光程差，而很难精确控制转动速度，加入了激光计量装置来精确测量光程差。3 信号检测部分红外干涉光到达红外探测器，经光电转换、放大、滤波输入到采样电路，配合激光计量分系统提供的时钟对放大信号进行采样。红外探测器选择性能较好的PV型，它将接收到的微弱光信号进行光电转换，电信号经宽带高增益放大器放大，滤波输出至采样电路。对于不同辐射背景，通过调节增益使放大增益处于比较理想的状态，以实现放大后的信号尽量占满ADC采样区间以改善整个系统的信噪比。检测器分辨率：7-10nm/1nm。4、信号采集部分 精度调节增益调节干涉光数据整合ADC采样放大电路红外探测器采样时钟红外干涉图采样子系统主要由红外探测器、放大电路、采样电路与数据整合部分构成。红外探测器使用响应速度较快的单象元PV型红外探测器，得到的输入是经过光学系统的红外干涉光，红外探测是对干涉光进行光电转换得到相应的微弱电信号。放大电路包括前置放大，主放和低通滤波电路并具有增益可调功能，主要是为了实现对探测器输出的电信号进行放大并滤除高频噪声，以适应ADC的采样动态范围。根据信号的特性ADC采样使用采样位数大于17BIT的ADC，而目前并没有找到满足要求的单ADC。那么，如果没有这样高位数，高采样时钟的单ADC时，可以采用双ADC技术，用两个14位的ADC来实现对一个通道数据的采样。采样间距达到 4nm。5、通信以及数据处理和PC通信采用串口RS232通信，数据处理可利用数据处理软件，其中数据处理需要永运傅里叶变换公式。干涉（傅立叶变换）光谱学的基本方程利用方程（2-9）可以直接得出光谱的表达式，它干涉图傅里叶逆变换通过简化计算，可最终得出如果已知干涉图，即探测器接收到的信号强度与光程差的关系()DI，则干涉图的傅立叶变换式给出波数1处的光谱强度B。为得到整个光谱，只需对所关心的波段内的每一个波数，利用式重复地进行傅立叶变换运算即可。思考题：（1） 便携式仪器设计的关键是什么？答：便携式仪器设计的关键是系统稳定，适合在不同的工作环境下工作，轻