CN101726359A - 多光栅单色仪及其定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光栅单色仪，主要包括单色分光系统、控制系统、计算机以及打印机，分光系统与控制系统设计为一体，仪器上部为光栅室，下部为控制器室；光栅室主要包括一个入射狭缝、两个出射狭缝、滤色片组、两个凹面镜、光栅转台、反光镜及步进电机，入射及出射狭缝的开合大小由手动控制；硬件电路采用二阶Butterworth滤波器进行抗混叠滤波，使用硬件8位脉宽调制方法实现对步进电机的控制。这种多光栅单色仪，克服以往采用RS232接口的数据传输速度低的瓶颈，采用USB2.0接口与计算机进行连接。将电源分配系统、光栅转台控制系统、滤色片轮控制系统、反光镜控制系统与高速、高精度的数据采集系统集成在一起来提高系统的集成度、可靠性、控制精度及扫描精度。新提出的自动扫描多光栅单色光谱仪系统具有广阔的发展前景。

Description

多光栅单色仪及其定标方法

技术领域

本发明涉及一种光谱分析及测量技术，特别是一种多光栅单色仪及其定标方法。

背景技术

单色仪是一种通过光栅的衍射作用把一束复合光分解为不同波长单色光的分光仪器，是光学及光电子领域进行光谱分析和测量的重要基础仪器。由于电子技术的高速发展，光电检测技术在仪器的分辨率、测量范围、测量灵敏度、测量速度及集成化、一体化等方面提出了更高的要求。提高单色光谱仪的波长扫描范围、速度、精度以及集成度是目前单色光谱仪控制系统设计的主要任务。原来的计算机控制自动光栅单色光谱仪多采用正弦机构，只能安装一块光栅，扫描光谱范围窄；另外正弦机构只能做往复运动，容易撞车，采用正弦机构的光栅单色光谱仪已面临淘汰的趋势。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术的不足而提供一种提高波长扫描范围和扫描精度，具有更高的可靠性、集成度及自动化程度的多光栅单色仪及其定标方法。

为了达到上述目的，本发明所设计的一种多光栅单色仪，主要包括单色分光系统、控制系统、计算机以及打印机，其特征是分光系统与控制系统设计为一体，仪器上部为光栅室，下部为控制器室；光栅室主要包括一个入射狭缝、两个出射狭缝、滤色片组、两个凹面镜、光栅转台、反光镜及步进电机，入射及出射狭缝的开合大小由手动控制；硬件电路采用二阶Butterworth滤波器进行抗混叠滤波，消除200KHz以上频率，软件设计中采用中值滤波法消除由光源供电系统引入的50Hz工频干扰；使用硬件8位脉宽调制(PWM)方法实现对步进电机的控制，在脉宽输出的下降沿产生硬件中断，中断服务程序启动AD转换后推出，AD转换结束后由AD转换中断服务程序将采样结果送入数据缓冲队列，由硬件方式实现了多任务机制，大大提高了控制及扫描精度。

本发明所设计的一种多光栅单色仪，在两个出射狭缝可根据测试要求，如波长范围、信号强度等，同时安装两种接收器，如CCD、光电倍增管、光电池、铟镓砷或硫化铅等；通过软件控制反光镜来选择单色光的出射方向以及相应的数据采集通道，很大程度减少了更换接收器的麻烦，增大波长扫描范围。由于光栅的衍射效率随着偏离闪耀波长区域距离的增大而逐渐降低，以至于偏离闪耀波长区的较远端会使探测器探测不到信号。在入射狭缝处安装有对入射光谱进行过滤的六组滤色片的滤色片轮，消除二级以上的衍射光的影响，该滤色片轮可根据波长范围由软件控制自动选择或者由人工选择。两个球面镜主要实现光线的聚焦和反射。光栅转台上安装有一块以上不同波长范围的光栅，如300g/mm、600g/mm、1200g/mm及2400g/mm等多块光栅，光栅转台由步进电机加蜗轮蜗杆进行驱动，实现对入射光的色散作用，安装不同光栅可实现的波长控制精度；控制室主要由控制电路，步进电机驱动器以及电源组成。

本发明所设计的一种多光栅单色仪，控制采集一体化，不需要单独的控制箱及数据采集器，控制电路及数据采集电路设计合并到一块电路上，并将控制及采集电路安装在单色仪箱体的底部；提高了集成度；控制系统采用USB总线接口连接计算机，通过计算机实现对光栅转台的实时控制、滤色片的自动或者人工切换，软件可选的出射方向；集成的信号采集单元可采集电压或电流信号，具有1～256倍可编程增益，同时具有两路的触发通道，实现自动光栅单色仪的实时控制及高速光谱数据扫描。

本发明所设计的一种多光栅单色仪，所述的光栅转台采用三光栅结构，实现紫外到红外光谱的自动扫描。在第三块光栅与第一块光栅之间安装有光栅零点定位使用的挡片；控制系统以C8051F060单片机为核心实现对光栅转台、滤色片轮、反光镜的控制以及双通道数据采集，采用USB接口与计算机连接；信号调理单元可实现电压电流的自动切换及软件可编程增益，可连接光电倍增管、光电池多种接收器。系统具有采样精度高、集成度高、自动化程度高及扫描速度快等优点。

为了达到发明目的，本发明提供的一种多光栅单色仪的定标方法，它包括使用待标定的光栅单色仪以及定标软件，以光电倍增管作为接收器，其特征是对汞灯标准谱线进行连续扫描，对公式S＝Aarcsin(Bλ)+S0中的常数B及S0进行标定，并使用钠灯的标准谱线对标定结果进行验证。其中λ为经单色仪分光后出射光的波长，S为出射波长为λ时所对应的步进电机的步数，A为由蜗轮蜗杆传动比、步进电机细分比及步进电机步距角所确定的常数，B为为由光栅常数及单色仪光路系统确定的常数，S0为光栅由机械零位旋转至零级光位置所应走的步进电机步数。公式中常数A可以由计算获得，常数B及S0需通过定标方法获得；使用公式S＝Aarcsin(Bλ)+S0实现光栅单色仪精确的波长控制。

所述的一种多光栅单色仪的定标方法，其特征是将新安装的光栅单色仪的光栅零点定位使用的挡片安装在第三块光栅与第一块光栅之间；每次扫描前首先将光栅转台重新定位至机械零点，即控制步进电机使光栅转台上的挡片旋转至光耦位置，然后以16步为间隔控制步进电机旋转，使光栅转台旋转一周，直到定位挡片重新回到光耦位置，即分别使用三块光栅完成对同一汞灯光谱的扫描；扫描过程中，定标软件将步数与采集数值以二维曲线形式实时显示扫描结果，其中横坐标为步数，纵坐标为光谱能量，并将步进电机由机械零位开始所走的步数及采集的光谱数值保存为文本文件；扫描一周完成后，使用定标软件将获得的数据曲线等分为三部分分别进行分析，该三段曲线分别为三块光栅所对应的汞灯谱线的扫描结果；针对每一段曲线，以最先出现的能量最强的光谱位置作为零级光，以此为准，最靠近零级光的谱线为紫光404.66所对应的谱线，以此类推分别为435.84、546.07、576.96及579.07等各条谱线，将包括零级光在内的各条谱线所对应的步进电机步数记录下来；通过以上方法扫描可以粗略的快速获得三块光栅各自的零级光及与汞灯标准谱线所对应的步进电机步数；然后针对每块光栅，分别以上述方法所确定的零级光及各标准谱线所对应的步进电机步数为中心，在区间[S-128，S+128]范围内以一步为间隔重新扫描每条谱线，将电机步数及对应的谱线采集结果记录下来，并从中找出最大值，该过程重复10次，对应该谱线位置获得10组步进电机步数，将10组数以中值平均法平均后作为最终的该谱线所对应的步进电机步数；通过以上方法可以分别获得安装的每块光栅所对应的为获得汞灯标准谱线波长应走的步数S；对每块光栅，将零级光对应的步进电机步数平均值作为S0，将各条谱线对应的步数平均值及波长带入公式B＝(sin(S-S0/A))/λ，参数A由机械细分及电细分比例确定，分别计算出各标准谱线所对应的参数B，然后由5个参数B进行几何平均后作为最终公式中使用的参数B；同时，公式中各项参数确定以后，使用低压钠灯的两条谱线589及589.6作为校准谱线对公式进行校准。实验结果表明，对于180∶1的机械细分及64∶1的电细分多光栅单色仪，完全能够达到所需定位精度。

本发明提出的多光栅单色仪以蜗轮蜗杆为传动机构，可以360度旋转，不会产生撞车的现象，并且在光栅转台上可安装一至三块光栅，在提高波长扫描范围的同时减少了更换光栅的麻烦。通过采用蜗轮蜗杆传动方式的机械细分及步进电机驱动器的电细分相结合，提高了波长控制精度。为克服以往采用RS232接口的数据传输速度低的瓶颈，采用USB2.0接口与计算机进行连接。将电源分配系统、光栅转台控制系统、滤色片轮控制系统、反光镜控制系统与高速、高精度的数据采集系统集成在一起来提高系统的集成度、可靠性、控制精度及扫描精度。新提出的自动扫描多光栅单色光谱仪系统具有广阔的发展前景。

附图说明

图1是多光栅单色仪总体结构图；

图2是光栅室内部结构图；

图3是硬件系统组成图；

图4是电源分配方案方框示意图；

图5是步进电机驱动器接口电路及光耦检测电路图；

图6是电压电流切换及差分放大电路图；

图7是信号采集通道组成原理图；

图8抗混叠滤波器电路原理图；

图9是USB接口电路图；

图10是滤波前波长579.96及579.07处重复扫描10次结果曲线图；

图11是滤波后波长579.96及579.07处重复扫描10次结果曲线图；

图12是钠灯标准谱线图；

图13是波长扫描精度表；

图14是1200刻线光栅汞灯标准谱线与步数对应关系表；

图15是各谱线位置表。

其中：单色分光系统1、光栅室1-1、控制系统2、控制器室2-1、计算机3、入射狭缝4、出射狭缝5、滤色片6、滤色片步进电机6-1、凹面镜7、光栅转台8、反光镜9、反光镜步进电机9-1、滤色片轮11、光栅12、蜗轮13-1、蜗杆13-2、蜗杆驱动步进电机13-3、控制电路14，步进电机驱动器15。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

实施例：

如图1所示，本实施例描述的一种多光栅单色仪，主要包括单色分光系统1、控制系统2、计算机3，计算机3可连接打印机，为了提高仪器的一体化及集成化，将单色分光系统1与控制系统2设计为一体，仪器上部为光栅室1-1，下部为控制器室2-1。图2所示，光栅室1-1主要包括一个入射狭缝4、两个出射狭缝5、滤色片6、两个凹面镜7、光栅转台8、反光镜9及步进电机10，入射狭缝4及出射狭缝5的开合大小由手动控制，两个出射狭缝5可根据测试要求(如波长范围、信号强度等)同时安装两种接收器，如CCD、光电倍增管、光电池、铟镓砷或硫化铅等；通过软件控制反光镜9来选择单色光的出射方向以及相应的数据采集通道，很大程度减少了更换接收器的麻烦，增大波长扫描范围。由于光栅的衍射效率随着偏离闪耀波长区域距离的增大而逐渐降低，以至于偏离闪耀波长区的较远端会使探测器探测不到信号。在入射狭缝4处安装具有六组滤色片6的滤色片轮11对入射光谱进行过滤，消除二级以上的衍射光的影响，该滤色片轮11可根据波长范围由软件控制自动选择或者由人工选择。两个凹面镜7主要实现光线的聚焦和反射。

多光栅单色仪要求通过计算机实现对光栅转台8的实时控制、滤色片6的自动或者手动切换，软件可选的出射方向以及软件可配置的光谱数据实时采集。光栅转台8可根据需要的波长范围安装300g/mm、600g/mm、1200g/mm及2400g/mm等多块光栅，本实施例在光栅转台8上安装有三块光栅12，由蜗杆驱动步进电机13-3加蜗轮13-1、蜗杆13-2进行驱动，实现对入射光的色散作用。控制室2-1主要由控制电路14，步进电机驱动器15以及电源组成。安装不同光栅可实现的波长控制精度，如图13所示。

例如使用1200g/mm光栅时波长最小分辨率为0.005nm，蜗轮蜗杆传动比为180∶1，步进电机驱动器细分比为64∶1，根据光栅衍射公式(1)，取m＝1，d＝1/1200，θ＝19.3°时，计算得Δλ≈0.00043nm，完全满足精度要求。数据采集部分要求可配置为电流或电压输入方式，具有1～256倍可编程增益，同时具有两路的触发通道。控制系统采用USB总线接口连接计算机，实现了多光栅单色仪的自动实时控制及高速光谱数据扫描。

其硬件系统：系统采用的C8051F060是完全集成的混合信号片上系统型MCU，其采用流水线结构CIP-51内核，与标准8051结构相比指令执行速度有很大提高，而指令集与MSC51完全兼容。CIP-51内核工作在最大系统时钟频率25MHz时，其峰值性能达到25MIPS。C8051F060片上资源丰富，具有59个数字IO引脚；两个16位、1Msps的ADC，并带有DMA控制器；两个12位DAC，具有可编程数据输出方式；64KB可在系统编程Flash存储器，4352字节片内RAM；可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口等。选择C8051F060作为核心控制器在满足系统要求的情况下可明显提高系统运行速度及集成度。控制系统主要有步进电机驱动器接口、模拟信号调理、扩展32KBRAM、USB接口电路、RS232接口电路及调试接口电路等组成，总体框图如图1所示。

对于供电电源：自动光栅单色仪控制系统含有步进电机驱动电路、数字电路和模拟电路，各部分需要不同的供电电源。驱动光栅转台的步进电机功率较大，要求24V-1.5A电源；驱动滤色片轮及反光镜的步进电机功率较小，需要12V-0.4A电源；步进电机驱动器需要+5V电源；单片机及外围电路需要+3.3V电源，模拟电路采用±5V电源。为了减小系统体积及功耗，选用具有24V2A及12V1A两路输出的开关电源。各步进电机的工作电源由开关电源经PCB电路板直接供给。由12V1A输出电源经开关电源芯片LM2576变换获得+5V电源，分别为步进电机驱动器、数字及模拟电路提供电源，由于步进电机工作电流大，对地线的干扰很大，需要将其工作及控制电源与数字电路及模拟电路电源进行隔离，采用具有输入输出相互隔离的集成DCDC分别获得数字及模拟电路电源，变换电路如图4所示。由NR5S5DC-DC模块变换获得TTL电路需要的+5V电源，然后使用LM117低压差线性稳压模块降压获得+3.3V电压，由NR5D5模块获得模拟电路所需的±5V电源。

对于电机驱动：光栅转台的驱动部分选用森创两相混合式步进电机42BYG250A及具有64细分的SH-20403步进电机驱动器。SH-20403驱动器内部已经将控制信号与电机驱动进行了隔离，因此采用NPN型三极管9013实现控制信号与单片机I/O口之间的缓冲连接。滤色片轮及反光镜的驱动部分选用精工成步进电机驱动器SMD-401，该驱动器集成度高，驱动相电流大，采用DIP封装，可直接焊接到电路板上以提高集成度。SMD-401驱动器的控制信号由于没有隔离，采用多路光电耦合器TLP280进行信号隔离。为了实现各个步进电机的初始定位，采用集成型光耦开关进行位置检测。光耦开关输出5V电压信号，单片机IO口的输入电压范围为0～3.3V，因此首先使用低电压74LV07实现两种电压信号之间的接口，然后采用施密特触发器74LV14对输入脉冲信号进行整形后输入单片机的I/O接口。步进电机驱动器接口电路及光耦检测电路如图5所示。

对于数据采集：设计的多光栅自动扫描光谱仪可同时安装3块刻线数不同的光栅，能够实现从紫外光谱到红外光谱范围的自动连续扫描。目前采用的大多数接收器的接受光谱范围有限，进行光谱扫描时经常需要更换接收器。为了避免更换接受器的麻烦，设计两个出射狭缝，可通过反光镜选择出射光的方向，硬件电路设计上采用两路独立信号通道实现两路数据采集。考虑到接收器输出信号类型及大小的多样性，设计的两路模拟信号通道可实现最大256倍可编程增益调整及电流电压信号切换可编程。信号接口前端采用5V双刀双掷继电器OMRON2235实现电压或电流的软件切换，为了减少信号传输路径中的共模干扰，对于电压信号及电流信号前级放大均采用差分输入模式，运算放大器采用OP07，电压电流切换及差分放大电路如图6所示。为了实现信号的可编程增益，后级放大器采用两片可编程增益放大器AD526串联连接。单片AD526可提供1、2、4、8和16倍增益，两片串联可提供最大256倍增益。AD526的增益控制采用透明模式，即将AD526的11引脚接高，13及14引脚接地。两路信号共需要4片AD526，每片AD526需要3个控制信号，共需要12个控制信号，因此采用74HC164串入并出芯片实现其与单片机的接口，减少对单片机I/O的占用，只需要4根I/O线既可实现两路信号的可编程增益控制。C8051单片机的接口电压为3.3V电压，而74HC164的接口电平为TTL电平，采用低电压的集电极开路芯片74LV07实现3.3电平与5V电平之间的接口。信号采集通道组成原理如图7所示。

对于硬件滤波：为了消除由AD转换造成的频率混叠噪声，在模拟信号进入AD转换之前使用低通滤波器对输入信号进行滤波处理，使用二阶巴特沃思滤波器低通滤波器，设计其-3db截止频率为200KHz，AD转换器采用500KHz采样频率对输入的模拟信号进行转换。使用的二阶巴特沃思滤波电路如图8所示。

对于USB接口电路：由于采用蜗轮蜗杆传动方式驱动光栅旋转，单色仪的出射波长与步进电机的步进数成非线性关系，上位机软件需要根据波长与步数的关系进行计算，实时的将波长增量所对应的步进数传递给下位机控制系统，控制光栅旋转，同时将采集的数据上传，系统通讯的数据量比较大。为了提高数据传输速度，控制系统采用USB接口与计算机连接，克服了原来采用RS232接口传输速度慢及无硬件CRC的限制。控制系统保留了RS232接口作为系统的调试信息输出接口。USB接口芯片采用南京沁恒电子有限公司生产的CH372。C8051F060与CH372采用外部存储器接口进行连接，接口电路如图9所示。C8051F060的外部存储器接口可以位于端口P3、P2、P1和P0或者位于端口P7、P6、P5和P4，通过配置EMI0CF的PRTSEL位选择高端端口。配置EMD2＝0，使端口工作在地/数据复用方式(分离的地址和数据引脚)，这样可以节省P5口以用作通用I/O口。C8051单片机的输入输出端口可配置，通过配置寄存器XBR0及XBR1，将UART0及CEX0配置到相应端口，将CH372的中断输出配置到P0.4，即外部中断0。

对于软件系统：

下位机软件设计：下位机软件开发采用集成开发环境Keil8.0。使用Silabs公司的JATG仿真器EC3进行系统调试。EC3仿真器通过其驱动程序EC3 forKeil uVision3实现与Keil集成开发环境的无缝连接，开发及调试非常方便。下位机软件主要完成系统各项参数初始化、步进电机控制、数据采集及USB接口通讯等任务。初始化工作主要有：1、CPU时钟选择外部22.1184MHz晶振时钟源；2、配置交叉开关，将UART0的TX0、RX0配置到P0.0及P0.1，将PCA0的外部输出CEX0配置到端口P0.2，并配置P0.1及P0.2为推挽输出，其他引脚为漏极开路输出，使能弱上拉；3、初始化UART0，使用定时器1作为波特率发生器，波特率为11.52K；4、配置ADC0及ADC1为单端输入方式，基准分别使用内部2.4V带隙电压基准REF0及REF1；5、使能两路DAC输出，基准使用内部2.4V基准REF2，其中DAC0输出用于光电倍增管副高压的调节控制；6、通过外部数据总线初始化USB接口芯片CH372，使其工作在外部设备模式，此时上位机能够检测到CH372并自动安装其驱动程序；7、初始化PCA0即可编程计数器阵列，使其工作在8位PWM方式，占空比位50％，计数器/定时器高字节PCA0H作为脉冲个数计数器，使能PCA0溢出中断；8、将光栅转台旋转到零级光位置；9、将滤色片轮及反光镜定位到初始位置。系统初始化完毕后进入命令监控状态。上位机通过USB接口将控制命令发送到下位机，接口芯片CH372接受到数据后使单片机产生外部中断0，在中断0服务程序中将接受到的命令送入命令缓冲队列，然后由主程序负责解释并执行各条命令。系统控制的关键是在进行光谱扫描时实现光栅转台的匀速旋转。为了能够使电机在旋转的时候能够同时进行数据采集及处理通讯，提高扫描速度，使用C8051F060的PCA0自动控制光栅电机旋转，将PCA0设置为8为PWM方式，占空比为50％，PCA0中断服务程序中控制AD转换的启动。AD转换完成以后在其中断服务程序中自动将数据存入上传数据队列，由主程序负责将数据送回上位机，通过硬件的方式实现了多任务的同时处理。

上位机软件设计：使用Visual C++6.0开发的软件系统具有非常高的运行效率，因此为了提高光谱仪控制系统的实时性，系统软件的开发采用VisualC++6.0。系统软件主要包括参数设置、光栅位置控制、波长扫描、曲线绘制、曲线管理、数据保存等功能。系统界面采用类似于Visual C++6.0的多文档窗口框架，在主界面左边实现可结合浮动窗口，以标签方式切换控制、扫描及曲线管理等功能，右侧主窗口用于绘制扫描曲线。系统可打开多条历史曲线，并在同一窗口下进行分析比较。系统可以文本、EXCEL及二进制格式保存数据，方便第三方软件的数据导入。

对于数字滤波处理：由于大多数光源受供电电源的影响，使用光谱仪对光谱数据进行扫描时，在数据采集的结果中往往掺杂有50Hz工频干扰以及高频干扰噪声，在下位机软件中采用极值滤波法消除50Hz工频干扰。低压汞灯标准谱线中两条黄线579.96nm与579.07nm波长相差仅0.89nm，对这两处波长位置附近不采用数字滤波进行连续10次扫描以及采用数字滤波进行连续10次扫描后的谱线进行对比，采用数字滤波后10次扫描曲线基本重合，取得了明显效果。图11为滤波前10次扫描结果，图12为滤波后连续10次扫描结果。

对于定标方法：本实施例提供的多光栅单色仪，通过光栅的旋转来改变入射角以获得不同波长单色光的分光仪器，其光路系统一般采用Czerny-Turner结构，使用两个具有相同曲率半径的凹面反光镜分别作为准直物镜和成像物镜，同时保证两个分离的凹面镜曲率中心重合。为了增加衍射光强，系统采用反射式闪耀光栅作为色散元件。根据C-T光路结构及光栅的衍射理论进行推导，光栅旋转角度与波长的对应关系为：

mλ＝2d sinαcosθ(1)

其中θ为固定值，与入射光及出射光夹角的一半相等，α为光栅由零级光位置开始所旋转的角度；m为衍射光的级次。当m＝0时为零级光，由于其包含了所有波长，为复合光。一般选用能量叫强的一级光作为出射光。根据公式(1)，取m＝1，步进电机的步距角为γ，步进电机驱动器的细分比为k₁，蜗轮蜗杆的传动比为k₂，光栅旋转到零级光位置所走的步数为S0，光栅旋转到某一波长单色光所走的步数为S，则步数与波长的对应关系为

$S=\frac{180k_1{k}_2\arcsin (\mathrm{\λ}/2d\cos \mathrm{\θ})}{\mathrm{\γ\π}}+S0---\left(2\right)$

公式(2)中除λ为自变量外，其余参数均为常数。令A＝180k₁k₂/γπ  B＝1/2dcosθ，则(2)简化为：

S＝Aarcsin(Bλ)+S0    (3)

公式(3)为最终的电机步数与出射波长的对应关系，其中A、B、S0为常数。

使用公式S＝Aarcsin(Bλ)+S0确定控制光栅旋转的波长与步进电机步数的对应关系，其中λ为经单色仪分光后出射光的波长，A为由蜗轮蜗杆传动比、步进电机细分比及步进电机步距角所确定的常数，B为由仪器结构及光栅常数所确定的常数，S0为光栅零级光位置距离机械零点的步数。公式中常数A可以由计算获得，常数B及S0需通过定标方法获得。

使用待标定的光栅单色仪以及专门设计的定标软件，以光电倍增管作为接收器，对汞灯标准谱线进行连续扫描，对公式(3)S＝Aarcsin(Bλ)+S0中的常数B及S0进行标定，并使用钠灯的标准谱线对标定结果进行验证。新安装的光栅单色仪要求光栅零点定位使用的挡片必须安装在第三块光栅与第一块光栅之间。每次扫描前首先将光栅转台重新定位至机械零点，即控制步进电机使光栅转台上的挡片旋转至光耦位置，然后以16步为间隔控制步进电机旋转，使光栅转台旋转一周，直到定位挡片重新回到光耦位置，即分别使用三块光栅完成对同一汞灯光谱的扫描。扫描过程中，定标软件将步数与采集数值以二维曲线形式实时显示扫描结果，其中横坐标为步数，纵坐标为光谱能量，并将步进电机由机械零位开始所走的步数及采集的光谱数值保存为文本文件。扫描一周完成后，使用定标软件将获得的数据曲线等分为三部分分别进行分析，该三段曲线分别为三块光栅所对应的汞灯谱线的扫描结果。针对每一段曲线，以最先出现的能量最强的光谱位置作为零级光，以此为准，最靠近零级光的谱线为紫光404.66所对应的谱线，以此类推分别为435.84、546.07、576.96及579.07等各条谱线，将包括零级光在内的各条谱线所对应的步进电机步数记录下来。通过以上方法扫描可以粗略的快速获得三块光栅各自的零级光及与汞灯标准谱线所对应的步进电机步数。然后针对每块光栅，分别以上述方法所确定的零级光及各标准谱线所对应的步进电机步数为中心，在区间[S-128，S+128]范围内以一步为间隔重新扫描每条谱线，将电机步数及对应的谱线采集结果记录下来，并从中找出最大值，该过程重复10次，对应该谱线位置获得10组步进电机步数，将10组数平均后作为最终的该谱线所对应的步进电机步数。通过以上方法可以分别获得安装的每块光栅所对应的为获得零级光应走的步数S0及获得汞灯标准谱线波长应走的步数S。

将零级光对应的步进电机步数平均值作为S0，将各条谱线对应的步数平均值及波长带入公式B＝(sin(S-S0/A))/λ，参数A由机械细分及电细分比例确定，分别计算出各标准谱线所对应的参数B，然后由5个参数B进行几何平均后作为最终公式中使用的参数B。同时，公式中各项参数确定以后，使用低压钠灯的两条谱线589及589.6作为校准谱线对公式进行校准。实验结果表明，对于180∶1的机械细分及64∶1的电细分多光栅单色仪，完全能够达到图13所列的定位精度。

定标方法举例；选择的步进电机的步距角为1.8°，蜗轮蜗杆传动比为180∶1，步进电机细分比为64∶1，可确定公式(3)中的常数A＝366693。由于生产过程中存在一定的加工误差及安装误差，不能使用机械结构设计时确定的参数来计算公式(3)中的常数B以及S0，使用设计的专用定标软件通过上述方法对常数B及S0进行重新标定。图14为使用1200刻线光栅进行扫描后获得汞灯谱线与步数的关系，图15为计算获得常数B，取平均值得B＝0.00063097964。使用同样的方法可以确定不同光栅常数的所使用的常数B。将计算获得的常数A以及实验获得的常数S0及B带入公式(3)，使用1200刻线光栅对低压钠灯谱线以0.01nm的精度进行扫描，能够很清晰的分辨589及589.6两条双D谱线，如图11所示，实验证明能够达到0.01nm的控制精度。

根据图14中的数据计算分别得到5个常数B如图15所示，取平均值的B＝0.0006309797。

Claims (6)

1.一种多光栅单色仪，主要包括单色分光系统、控制系统、计算机以及打印机，其特征是分光系统与控制系统设计为一体，仪器上部为光栅室，下部为控制器室；光栅室主要包括一个入射狭缝、两个出射狭缝、滤色片组、两个凹面镜、光栅转台、反光镜及步进电机，入射及出射狭缝的开合大小由手动控制；硬件电路采用二阶Butterworth滤波器进行抗混叠滤波，消除200KHz以上频率，软件设计中采用中值滤波法消除由光源供电系统引入的50Hz工频干扰；使用硬件8位脉宽调制方法实现对步进电机的控制，在脉宽输出的下降沿产生硬件中断，中断服务程序启动AD转换后推出，AD转换结束后由AD转换中断服务程序将采样结果送入数据缓冲队列，由硬件方式实现了多任务机制。

2.根据权利要求1所述的一种多光栅单色仪，其特征是两个出射狭缝同时安装两种接收器，在入射狭缝处安装有对入射光谱进行过滤的六组滤色片的滤色片轮，光栅转台上安装有一块以上不同波长范围的光栅，光栅转台由步进电机加蜗轮蜗杆进行驱动，控制室主要由控制电路，步进电机驱动器以及电源组成。

3.根据权利要求1或2所述的多光栅单色仪，其特征是控制采集一体化，控制电路及数据采集电路设计合并到一块电路上，并将控制及采集电路安装在单色仪箱体的底部；控制系统采用USB总线接口连接计算机，通过计算机实现对光栅转台的实时控制、滤色片的自动或者人工切换，集成的信号采集单元可采集电压或电流信号，具有1倍～256倍可编程增益，同时具有两路的触发通道，实现自动光栅单色仪的实时控制及高速光谱数据扫描。

4.根据权利要求1或2所述的多光栅单色仪，其特征是所述的光栅转台采用三光栅结构，在第三块光栅与第一块光栅之间安装有光栅零点定位使用的挡片；控制系统以C8051F060单片机为核心实现对光栅转台、滤色片轮、反光镜的控制以及双通道数据采集，采用USB接口与计算机连接；信号调理单元连接光电倍增管、光电池多种接收器。

5.一种多光栅单色仪的定标方法，它包括使用待标定的光栅单色仪以及定标软件，以光电倍增管作为接收器，其特征是对汞灯标准谱线进行连续扫描，对公式S＝Aarcsin(Bλ)+S0中的常数B及S0进行标定，并使用钠灯的标准谱线对标定结果进行验证；其中λ为经单色仪分光后出射光的波长，S为出射波长为λ时所对应的步进电机的步数，A为由蜗轮蜗杆传动比、步进电机细分比及步进电机步距角所确定的常数，B为为由光栅常数及单色仪光路系统确定的常数，S0为光栅由机械零位旋转至零级光位置所应走的步进电机步数；公式中常数A可以由计算获得，常数B及S0需通过定标方法获得；使用公式S＝Aarcsin(Bλ)+S0实现光栅单色仪精确的波长控制。

6.根据权利要求5所述的一种多光栅单色仪的定标方法，其特征是将新安装的光栅单色仪的光栅零点定位使用的挡片安装在第三块光栅与第一块光栅之间；每次扫描前首先将光栅转台重新定位至机械零点，即控制步进电机使光栅转台上的挡片旋转至光耦位置，然后以16步为间隔控制步进电机旋转，使光栅转台旋转一周，直到定位挡片重新回到光耦位置，即分别使用三块光栅完成对同一汞灯光谱的扫描；扫描过程中，定标软件将步数与采集数值以二维曲线形式实时显示扫描结果，其中横坐标为步数，纵坐标为光谱能量，并将步进电机由机械零位开始所走的步数及采集的光谱数值保存为文本文件；扫描一周完成后，使用定标软件将获得的数据曲线等分为三部分分别进行分析，该三段曲线分别为三块光栅所对应的汞灯谱线的扫描结果；针对每一段曲线，以最先出现的能量最强的光谱位置作为零级光，以此为准，最靠近零级光的谱线为紫光404.66所对应的谱线，以此类推分别为435.84、546.07、576.96及579.07等各条谱线，将包括零级光在内的各条谱线所对应的步进电机步数记录下来；通过以上方法扫描可以粗略的快速获得三块光栅各自的零级光及与汞灯标准谱线所对应的步进电机步数；然后针对每块光栅，分别以上述方法所确定的零级光及各标准谱线所对应的步进电机步数为中心，在区间[S-128，S+128]范围内以一步为间隔重新扫描每条谱线，将电机步数及对应的谱线采集结果记录下来，并从中找出最大值，该过程重复10次，对应该谱线位置获得10组步进电机步数，将10组数以中值平均法平均后作为最终的该谱线所对应的步进电机步数；通过以上方法可以分别获得安装的每块光栅所对应的为获得汞灯标准谱线波长应走的步数S；对每块光栅，将零级光对应的步进电机步数平均值作为S0，将各条谱线对应的步数平均值及波长带入公式B＝(sin(S-S0/A))/λ，参数A由机械细分及电细分比例确定，分别计算出各标准谱线所对应的参数B，然后由5个参数B进行几何平均后作为最终公式中使用的参数B；同时，公式中各项参数确定以后，使用低压钠灯的两条谱线589及589.6作为校准谱线对公式进行校准。

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