CN101968442A - 一种傅里叶变换光谱仪用曲柄滑块动镜扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种傅里叶变换光谱仪用曲柄滑块动镜扫描系统，该系统包括傅里叶变换红外光学系统、样品吸收池、红外光电探测器、前置调理电路、信号处理电路、计算机系统和精密驱动控制系统；所述傅里叶变换红外光学系统、样品吸收池、光电探测器、前置调理电路、信号处理电路、计算机系统和精密驱动控制系统依次顺序连接；傅里叶变换红外光学系统出射的干涉光束射入样品池前端，在样品池后端用红外光电探测器探测将光信号转变为电信号，该电信号依次经过前置调理电路和信号处理电路信号的调理和处理后，经由计算机数据采集系统采集和存储，再由傅里叶逆变换、光谱专用软件分析和计算，从而测出各物质成分的信息。该系统具有光谱分辨率高、成本低廉、运动稳定、扫描快速的特点，适合于红外光谱的快速、准确在线定量分析。

Description

一种傅里叶变换光谱仪用曲柄滑块动镜扫描系统

技术领域：

本发明属于光电领域，涉及一种曲柄滑块动镜扫描系统，尤其适用于傅里叶变换光谱仪进行在线光谱定量分析的动镜扫描系统.

背景技术：

傅里叶变换光谱仪具有分析灵敏度高、分析速度快、重复性好等特点，作为一种“绿色”分析仪器，具有工作效率高，分析成本低，已经广泛应用于工业、农业、地矿勘探、环境保护、交通、医疗等等诸多行业。傅里叶变换光谱仪利用如附图1所示的迈克尔逊干涉仪来实现物质成分及其含量的分析的：宽带光源经准直凹面反射镜反射后，形成平行光束射入分束器，经分束器分成两束光束，分别入射至固定镜和动镜系统，经过固定镜和动镜的反射后返回到分束器后形成干涉光束，凹面反射镜将其反射汇聚成像于检测器。动镜沿光轴方向的水平直线运动改变干涉光束间的光程差，从而实现光谱信号的振幅调制。检测器接收光谱干涉信号并将之转化为电信号输出，通过电路系统的调制解调、带通滤波、放大等处理后，经AD转化器采集为数字信号存储于计算机中，由计算机软件程序对采集的数字信号进行切趾、相位校正及FFT处理后获得测量光谱。

由上述迈克耳逊干涉仪原理可知，在傅里叶变换光谱仪中，高精度的动镜驱动系统是其核心和难点之一，特别是在对光谱分辨率、光谱扫描速度有更高要求的傅里叶变换光谱仪，动镜运动的匀速性、对振动的敏感性都将对光谱质量产生影响。

传统的动镜扫描装置通常有旋转电机机械传功，电控气动液压系统。传统的机械结构，机械元件易产生弹性变形、摩擦、反向间隙、非线性误差等缺陷。而电控气动液压系统虽然振动和倾斜小，但速度慢，结构复杂，需要供气供液系统，这不利于仪器的小型化，且受环境影响大。目前国外的商用傅里叶变换光谱仪的动镜扫描机构采用扭摆式机械传动结构型式，这种结构的优点是体积小，运动的稳定性较高，缺点是有效光程差短，光谱分辨率较低(一般都在1cm^-1，实验室常用是4cm^-1)，制造成本高。而国内的商用光谱仪动镜扫描机构采用楔块直线运动型式或者直线电机伸缩运动型式，这种结构的优点是制造成本相对低，缺点是楔块直线运动型式有效光程差短，光谱分辨率低，直线电机伸缩运动型式扫描速度慢，易磨损，运动稳定性较差(一般都在±2cm^-1)，环境适应能力均差。上述光谱仪目前仍只适用于实验室环境的气体、液体、固体物质成分的静态分析，或者浓度变化缓慢的应用场合。而在某些成分含量变化比较快的在线分析应用中，如某些化学反应过程监测，采用现有常规动镜扫描机构的傅里叶变换光谱仪难以满足在线定量分析系统的要求。

发明内容：

针对现有常规光谱仪在扫描速度和分辨率要求都很高的应用的现状和不足，本发明的目的在于，提供一种傅里叶变换光谱仪用曲柄滑块动镜扫描装置的设计方法，即该光谱仪的动镜扫描机构采用曲柄滑块扫描结构型式，通过合理的优化设计，并结合相应的光谱分析专用软件，解决光谱分辨率与扫描速度矛盾的问题，实现固体、液体、气体的快速、精确傅里叶变换光谱定量分析。

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种傅里叶变换光谱仪用曲柄滑块动镜扫描系统：该系统包括傅里叶变换红外光学系统、样品吸收池、红外光电探测器、前置调理电路、信号处理电路、计算机系统和精密驱动控制系统；所述傅里叶变换红外光学系统、样品吸收池、光电探测器、前置调理电路、信号处理电路、计算机系统和精密驱动控制系统依次顺序连接；傅里叶变换红外光学系统出射的干涉光束射入样品池前端，在样品池后端用红外光电探测器探测将光信号转变为电信号，该电信号依次经过前置调理电路和信号处理电路信号的调理和处理后，经由计算机数据采集系统采集和存储，再由傅里叶逆变换、光谱专用软件分析和计算，从而测出各物质成分的信息。

所述傅里叶变换红外光学系统包括傅里叶变换光谱仪动镜扫描装置；所述傅里叶变换光谱仪动镜扫描装置，包括动镜、动镜支撑架、连杆座、连杆、曲柄、电机安装支架、电动机、底座、滑块和线性导轨；所述电动机和线性导轨固定在底座上；所述线性导轨上设置有滑块，该滑块上固定设置动镜支撑架，在动镜支撑架上固定设置动镜和连杆座；所述连杆前端与与连杆座铰接，连杆后端与曲柄前端铰接，曲柄后端联接在电机输出轴上；所述曲柄随电机轴做连续回转运动时，带动连杆在空间做平面运动，连杆通过连杆座、动镜支撑架使滑块与导轨相配合做往复的直线运动，从而带动动镜做往复的直线运动，电机转一圈完成一次扫描过程。

所述动镜是空心角锥棱镜。

所述滑块上固定设置有零位检测刀口座和刀口，底座上固定设置有光电零位检测传感器；所述刀口经过光电零位检测传感器时，产生零位传感信号用于标记光谱仪的零光程差位置，该零位传感信号的触发精度优于0.1μm。

所述电动机为交流电机、步进电机或者伺服电机的一种。

所述导轨可以是V型、矩形、燕尾形。

傅里叶变换光谱仪的核心——迈克尔逊干涉仪动镜扫描装置采用曲柄滑块扫描结构形式，该装置包括底座、电机、曲柄、连杆、连杆座、动镜支撑架、动镜、线性滑轨组件(由滑块和线性导轨组成)、零位检测组件等。在所述机构中，电机和线性滑轨的导轨固定于底座上。曲柄一端联接在电机输出轴上，曲柄另一端和连杆一端铰接，连杆另一端与连杆座铰接。动镜和连杆座固定在动镜支撑架上，动镜支撑架固定在线性滑轨的滑块上。电机、曲柄构成曲柄滑块扫描机构的回转运动副。动镜、连杆座、动镜支撑架、线性滑轨构成曲柄滑块扫描机构的移动副。当曲柄随电机轴做连续回转运动时，带动连杆在空间做平面运动，连杆通过连杆座、动镜支撑架使滑块与导轨相配合做往复的直线运动，从而带动动镜做往复的直线运动，电机转一圈完成一次扫描过程。在所述机构中，电机轴只需要做单方向连续匀速回转运动，避免了传统直线扫描运动中电机往返运动的启动、加速、匀速、减速、停止等过程，从而提高了动镜移动速度的均匀性和稳定性。

鉴于曲柄滑块机构有效行程的重复性精度较低，特设计零位检测组件。零位检测组件由零位检测刀口座、刀口、光电零位检测传感器等构成，零位检测刀口座和刀口固定在滑块上，光电零位检测传感器固定在底板上。当刀口经过光电零位检测传感器时，可以产生零位传感信号用于标记光谱仪的零光程差位置，该零位传感信号的触发精度优于0.1μm。采用激光计量信号做等间距的触发采样，结合高精度的光电零位传感技术，从而提高光谱仪的光谱扫描重复性精度。

上述方案中所述的电机可以为交流电机、步进电机或者伺服电机的一种，电机输出转速由傅里叶变换光谱仪应用场合的扫描速度决定，电机做单一方向的连续回转运动，控制简单。

上述方案中所述的动镜采用空心角锥棱镜，为红外光束和激光计量光束共用，动镜固定安装在动镜支撑架上并随支撑架做往复直线运动。

上述方案中所述的曲柄连杆机构由连杆座、轴销、连杆轴承、连杆、轴承压盖、曲柄轴承、曲柄轴、曲柄等部件构成。曲柄一端固定联接在电机输出轴上，曲柄另一端通过曲柄轴、曲柄轴承、轴承端盖和连杆一端进行铰接，构成一个转动副，连杆通过连杆轴承和轴销铰接于连杆座上，构成另一个转动副，连杆座固定在动镜支撑架上，动镜支撑架固定在线性滑轨的滑块上。电机、曲柄构成曲柄滑块扫描机构的回转运动副。动镜、连杆座、动镜支撑架、线性滑轨构成曲柄滑块扫描机构的移动副。当曲柄随电机轴做连续回转运动时，带动连杆在空间做平面运动，连杆通过连杆座、动镜支撑架使滑块与导轨相配合做往复的直线运动，从而带动动镜做往复的直线运动。曲柄的长度根据光谱仪的光谱分辨率进行确定，连杆的长度根据空间位置进行优化设计确定。

上述方案中所述的线性滑轨组件由滑块和线性导轨构成，滑块置于固定于底座上的线性导轨中并与导轨相配合，滑块一端联接动镜，一端联接曲柄连杆机构，从而带动动镜做往复的直线运动。滑块和导轨之间的间隙必须调整的合适，既要保证一定的灵活性又要保证合适的运动精度。

上述方案中所述的零位检测组件由零位检测刀口座、刀口、光电零位检测传感器等构成，零位检测刀口座和刀口固定在滑块上，光电零位检测传感器固定在底板上。当刀口经过光电零位检测传感器时，可以产生零位传感信号用于标记光谱仪的零光程差位置，且要求该零位传感信号的触发精度优于0.1μm。

本发明为傅里叶变换光谱仪提供了一种合理的动镜扫描方案，具有光谱分辨率高、结构简单、成本低廉、运动速度稳定、扫描快速的特点，能够解决光谱分辨率和扫描速度矛盾的问题，适合应用于固体、液体、气体等物质的光谱在线定量分析。

附图说明：

图1是傅里叶变换光谱仪的内部迈克耳逊干涉仪光路结构示意图。

图中：19为He-Ne激光光源、20为激光反射镜、21为红外光源、22为第一球面镜、27为第二球面镜、30为第三球面镜、23为固定镜、24为分束器、1为动镜、25为动镜扫描机构、26为激光探测器、28为样品池、29为红外接收器。

图2是基于傅里叶变换光谱仪的光谱吸收型在线定量分析系统结构图。

图3(a)是本发明所述的傅里叶变换光谱仪动镜扫描装置正视图。

图3(b)是本发明所述的傅里叶变换光谱仪动镜扫描装置结构图。

图3中，1为动镜、2为动镜支撑架、3为连杆座、4为轴销、5为连杆轴承、6为连杆、7为轴承压盖、8为曲柄轴承、9为曲柄轴、10为曲柄、11为电机安装支架、12为电动机、13为底座、14为滑块、15为零位检测刀口座、16为刀口、17为光电零位检测传感器、18为线性导轨。

具体实施方式：

基于傅里叶变换红外光谱吸收原理的光谱在线定量分析系统主要由傅里叶变换红外光学系统、计算机系统(含光谱分析专用软件和控制软件)、样品吸收池、精密驱动控制系统、信号处理单元等部分组成，系统的总体结构如图2所示。精密驱动控制系统由计算机控制软件控制，按照要求控制傅里叶变换光谱仪的动镜扫描装置完成必要的扫描过程，傅里叶变换光学系统出射的干涉光束射入样品池，在样品池另一端用红外光电探测器探测将光信号转变为电信号，该电信号经过信号调理和处理后，经由计算机数据采集系统采集和存储、傅里叶逆变换、光谱专用软件分析和计算，从而测出各物质成分的信息。由图2可知，该系统的核心是傅里叶变换光谱仪的光学系统和光谱分析专用软件。

以经典迈克尔逊干涉仪为基础的傅里叶变换光谱仪光学系统结构图如图1所示，主要由He-Ne激光光源19，激光反射镜20，红外光源21，第一球面镜22、第二球面镜27、第三球面镜30，固定镜23，分束器24，动镜1，动镜扫描装置25，激光探测器26，样品池28，红外接收器29构成。被测物质放置在样品池29位置，红外光源21发出的光经过球面镜22准直后以平行光射向分束器24，之后红外光分为两束，一束反射进入固定镜23，一束透射进入由动镜扫描装置25驱动的动镜1，两束光束经反射后返回到分束器24发生干涉，干涉光经球面镜27会聚通过样品池28后，经过球面镜30汇聚到红外接收器29上。红外接收器29将透过样品池的干涉光信号转换成电信号，该电信号经过信号处理电路调理、滤波、放大，经计算机采集、存储，通过傅里叶余弦变换运算后得到被测对象的红外透射(吸收)光谱图，经过光谱分析专用软件分析处理后，即可获得被测物质各组分的浓度信息。

图1中，He-Ne激光光源19，激光反射镜20，分束器24，固定镜23，动镜1，激光探测器26构成激光干涉系统，激光探测器将激光干涉光信号转换成电信号，并经过信号调理、滤波、放大、整形成方波信号，用于傅里叶变换光谱仪等间距扫描采样的触发信号，实现红外光谱信号的采集。

上述傅里叶变换光谱仪的动镜扫描装置25如图3所示，该扫描装置采用曲柄滑块扫描形式，主要由电机12、底座13、曲柄连杆机构(件3-11)、动镜支撑架2、动镜1、线性滑轨组件(件14和件18)、零位检测组件(件15-17)组成。装置中，电机12和线性滑轨的导轨18固定于底座13上，曲柄10一端联接在电机输出轴上，曲柄另一端和连杆6一端铰接，连杆另一端与连杆座3铰接。动镜1和连杆座3固定在动镜支撑架2上，动镜支撑架固定在线性滑轨的滑块14上。电机12、曲柄10构成曲柄滑块扫描机构的回转运动副。动镜1、连杆座3、动镜支撑架2、滑块14、线性导轨18构成曲柄滑块扫描机构的移动副。当曲柄随电机轴做连续回转运动时，带动连杆在空间做平面运动，连杆通过连杆座、动镜支撑架使滑块与导轨相配合做往复的直线运动，从而带动动镜做往复的直线运动，实现傅里叶变换光谱仪的时间调制扫描。

装置中曲柄连杆机构由连杆座3、轴销4、连杆轴承5、连杆6、轴承压盖7、曲柄轴承8、曲柄轴9、曲柄10构成。连杆6通过连杆轴承5和轴销4连接于连杆座3上，连杆座固定在动镜支撑架2上，动镜支撑架固定在线性滑轨的滑块14上，在滑块14上，连杆相对连杆座可以相对转动。曲柄10一端固定联接在电机12的输出轴上，曲柄另一端通过曲柄轴9、曲柄轴承8、轴承端盖7和连杆6进行铰接，曲柄和连杆可以相对转动。连杆通过连杆轴承5和轴销4铰接于连杆座3上。电机、曲柄构成曲柄滑块扫描机构的回转运动副，动镜、连杆座、动镜支撑架、滑块、线性导轨构成曲柄滑块扫描机构的移动副。曲柄的长度根据光谱仪的光谱分辨率进行确定，连杆的长度根据空间位置进行优化设计确定。

装置中零位检测组件由零位检测刀口座15、刀口16、光电零位检测传感器17构成，零位检测刀口座15和刀口16固定联接在滑块14上，光电零位检测传感器17固定联接在底座13上。当滑块做往返扫描运动时，调整刀口的安装位置，使得当刀口经过光电零位检测传感器时，可以产生零位传感信号用于标记傅里叶变换光谱仪的零光程差位置。

该傅里叶变换光谱仪光学系统中，合理调整动镜扫描装置的安装位置，可以实现傅里叶变换光谱仪的单边单向扫描、单边双向向扫描、双边单向扫描、双边双向扫描等多种扫描方式，适合不同种类物质的定量分析要求。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种傅里叶变换光谱仪用曲柄滑块动镜扫描系统，其特征在于：该系统包括傅里叶变换红外光学系统、样品吸收池、红外光电探测器、前置调理电路、信号处理电路、计算机系统和精密驱动控制系统；所述傅里叶变换红外光学系统、样品吸收池、光电探测器、前置调理电路、信号处理电路、计算机系统和精密驱动控制系统依次顺序连接；傅里叶变换红外光学系统出射的干涉光束射入样品池前端，在样品池后端用红外光电探测器探测将光信号转变为电信号，该电信号依次经过前置调理电路和信号处理电路信号的调理和处理后，经由计算机数据采集系统采集和存储，再由傅里叶逆变换、光谱专用软件分析和计算，从而测出各物质成分的信息。

2.如权利要求1所述一种傅里叶变换光谱仪用曲柄滑块动镜扫描系统，其特征在于：所述傅里叶变换红外光学系统包括傅里叶变换光谱仪动镜扫描装置；所述傅里叶变换光谱仪动镜扫描装置，包括动镜、动镜支撑架、连杆座、连杆、曲柄、电机安装支架、电动机、底座、滑块和线性导轨；所述电动机和线性导轨固定在底座上；所述线性导轨上设置有滑块，该滑块上固定设置动镜支撑架，在动镜支撑架上固定设置动镜和连杆座；所述连杆前端与与连杆座铰接，连杆后端与曲柄前端铰接，曲柄后端联接在电机输出轴上；所述曲柄随电机轴做连续回转运动时，带动连杆在空间做平面运动，连杆通过连杆座、动镜支撑架使滑块与导轨相配合做往复的直线运动，从而带动动镜做往复的直线运动，电机转一圈完成一次扫描过程。

3.如权利要求2所述一种傅里叶变换光谱仪用曲柄滑块动镜扫描系统，其特征在于：所述动镜是空心角锥棱镜。

4.如权利要求2所述一种傅里叶变换光谱仪用曲柄滑块动镜扫描系统，其特征在于：所述滑块上固定设置有零位检测刀口座和刀口，底座上固定设置有光电零位检测传感器；所述刀口经过光电零位检测传感器时，产生零位传感信号用于标记光谱仪的零光程差位置，该零位传感信号的触发精度优于0.1μm。

5.如权利要求2所述一种傅里叶变换光谱仪用曲柄滑块动镜扫描系统，其特征在于：所述电动机为交流电机、步进电机或者伺服电机的一种。

6.如权利要求2所述一种傅里叶变换光谱仪用曲柄滑块动镜扫描系统，其特征在于：所述导轨可以是V型、矩形、燕尾形。

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