CN102072769A - 一种新型傅立叶红外光谱仪和分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种含磁编码器的傅立叶红外光谱仪，可代替传统含激光干涉系统的傅立叶红外光谱仪进行化学分析试验。该新型傅立叶红外光谱仪，其特征在不含有激光干涉系统，而是采用了带磁编码器的音圈电机来驱动干涉仪动镜运动以完成光谱扫描，磁编码器可实时输出反映音圈电机当前运动位置、方向的位相差90度的两路信号，以取代传统傅立叶红外光谱仪中的位相差90度的两路激光干涉信号。由于采用了磁编码器，这种新型的傅立叶红外光谱仪可以摈弃传统傅立叶红外光谱仪中的激光干涉系统，简化傅立叶红外光谱仪的光学结构，降低光学元件的加工成本和光路的调节难度，同时使用磁编码器从根本上避免了激光波长随温度漂移而引起的过零点漂移现象，可为高精度的红外光谱测量和分析奠定基础。
Description
技术领域
本发明属于红外光谱仪器研制领域，并涉及一种新型傅立叶红外光谱仪和分析方法。
技术背景
傅立叶红外光谱仪是一种广泛应用于化学分析，环境监测等领域的重要仪器。传统的傅立叶红外光谱仪(图5)使用了红外光源(501)和激光光源(513)，两者共用固定角镜(502)、运动角镜(504)和分束器(503)产生各自的干涉信号，为保证激光干涉信号的产生，分束器(503)表面除镀红外膜系，还镀有激光膜系(如图6A)，此外光路上还引入半透半反镜(512)、激光探测器(511)和激光探测器(509)。一般来说，激光干涉信号的引入有两个作用：一是用于监测运动角镜的位置和方向，保证其在零光程差附近作往复扫描；二是控制高速数据采集卡对红外光干涉信号进行等距离间隔(间隔为激光半波长的整数倍)采样。根据傅立叶变换红外光谱理论，可知红外光干涉信号的采样间隔Δx需满足条件：
式(1)中，νmax为红外光谱信号的波数区上限，νmin为红外光谱信号的波数区下限。
对传统的傅立叶红外光谱仪，通常采用波长为0.6328μm的He-Ne激光器作激光光源，以He-Ne波长作采样间隔，即Δx＝0.6328μm，由式(1)可知，相应的红外光谱测量范围宽度可达(νmax-νmin)＝7901cm-1。由于实际的光谱可测量范围还要受到红外光学元件光谱带宽的限制，如传统傅立叶红外光谱仪中最常用的溴化钾分束器，其光谱带宽为νmax＝7800cm-1，νmin＝375cm-1，结合式(1)知，以He-Ne激光波长作采样间隔，可以满足光谱仪测量范围宽度的要求。
传统上，受限于磁编码器分辨率低(数十微米量级)的问题，使得采用磁编码信号作采样间隔无法满足实际的光谱测量范围宽的要求。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种傅立叶红外光谱仪：其特征在于包括：红外光源，用于为光谱仪提供输入能量；固定角镜；红外分束器；运动角镜，其中：所述固定角镜、红外分束器、运动角镜构成迈克尔逊式的干涉仪结构；所述红外分束器用于将来自红外光源、固定角镜、运动角镜的透射和反射红外光束叠加，从而产生干涉效应，以获得红外光干涉信号。
根据本发明的另一个的方面，提供了一种傅立叶红外光谱分析方法：其特征在于包括：用一个红外光源为光谱仪提供输入能量；利用固定角镜、红外分束器、运动角镜构成迈克尔逊式的干涉仪结构，用所述红外分束器将来自红外光源、固定角镜、运动角镜的透射和反射红外光束叠加，从而产生干涉效应。
附图说明
图1显示了根据本发明的一个实施例的傅立叶红外光谱仪原理结构。
图2显示了根据本发明的一个实施例中采用的带磁编码器的音圈电机。
图3显示了根据本发明的一个实施例中采用的磁编码器原理结构。
图4显示了根据本发明的一个实施例中采用的带磁编码器的音圈电机运动控制框图。
图5显示了一种传统傅立叶红外光谱仪原理结构。
图6A示意显示了传统傅立叶红外光谱仪使用的分束器；图6B示意显示了根据本发明的一个实施例的傅立叶红外光谱仪使用的分束器。
图7显示了根据本发明的一个实施例的傅立叶红外光谱仪中红外光干涉信号等距离间隔采样。
具体实施方式
近来，随着磁编码技术的不断提高，现有的借助DSP芯片进行位相细分的磁编码器，其输出脉冲分辨率已达到亚微米级，与He-Ne激光波长接近，这使得采用亚微米级的磁编码信号作采样间隔以满足传统傅立叶红外光谱仪中光谱测量范围宽度的要求具有了可行性。
相比传统的傅立叶红外光谱仪，根据本发明的一个实施例的含磁编码器的傅立叶红外光谱仪(图1)，在结构上采用了包括磁头(7)和磁带(11)的磁编码器(见图2)，用输出的磁编码信号代替传统傅立叶红外光谱仪中的激光干涉信号，从而省去了传统方案中的激光光源(513)、半透半反镜(512)、激光探测器(511)和激光探测器(509)，并且不再要求分束器镀激光膜系(如图6B所示)，在保证相同的红外光通量情况下，显然根据本发明的光谱仪的分束器尺寸可以比传统分束器的尺寸做的更小，不仅简化了光谱仪的光路结构和调整难度，而且能显著降低光谱仪的制造成本，结合磁编码器自身的优点，使得这种新型的傅立叶红外光谱仪有广泛而实际的应用前景。磁编码器固有的优点体现在输出信号稳定，不易受环境温度、湿度的影响，长时间工作无温漂，体积小巧便于集成。
在根据本发明的一个实施例的一种傅立叶红外光谱仪，将磁编码器与驱动动镜的音圈电机集成在一起，使得音圈电机的运动位置和方向，可由磁编码器输出的编码信号提供，而不是由传统傅立叶光谱仪中的激光干涉信号提供。
根据本发明的一个实施例的一种傅立叶红外光谱仪包括：红外光源(1)、固定角镜(2)、红外分束器(3)、运动角镜(4)、音圈电机(5)、解码驱动电路(6)、磁头(7)、计算机(8)、多路同步数据采集卡(9)、红外探测器(10)、磁带(11)。其中：
红外光源(1)为光谱仪提供输入能量。
固定角镜(2)与红外分束器(3)、运动角镜(4)构成迈克尔逊式的干涉仪结构。
红外分束器(3)用于将透射和反射的红外光束叠加产生干涉效应，以获得红外光干涉信号。
运动角镜(4)挂载于音圈电机(5)上，随音圈电机(5)同步运动。
解码驱动电路(6)可根据磁头(7)输出的编码信号，生成音圈电机(5)的运动控制信号。
磁头(7)与磁带(11)相对运动，产生位相差90度的两路磁编码信号(图3)。
计算机(8)上装有数据采集和分析软件，可实时获取多路同步数据采集卡(9)的红外光干涉信号和磁编码信号，多路同步数据采集卡(9)负责同步采集磁编码信号和来自红外探测器(10)的电信号。
红外探测器(10)将红外光干涉信号转化为多路同步数据采集卡(9)可采集的电信号。
磁带(11)固定于音圈电机(5)上，跟随音圈电机(5)一起相对磁头(7)运动，使得磁头(7)输出位相差90度的两路磁编码信号。
根据本发明的一个实施例，根据磁编码器的输出信号，控制音圈电机驱动角镜做往复扫描，以获得红外干涉图和光谱图。
现在结合图4描述根据本发明的一种实施例的傅立叶红外光谱仪的工作过程。系统电源开启瞬间，启动信号经功率驱动模块(406)驱使音圈电机(5)启动，音圈电机(5)一旦启动起来，即带动磁带(11)同步运动，这时磁头(7)不停的输出90度位相差的编码信号A、B，经判向模块(401)，生成反映音圈电机(5)的运动方向的正、负向脉冲；该正、负向脉冲同步进入可逆计数模块(402)，计数输出到达位置计算模块(403)，同时编码信号A、B送入速度计算模块(405)，位置计算模块(403)和速度计算模块(405)输出的信号送入决策模块(404)，由决策模块(404)生成运动控制信号经功率驱动模块(406)驱动音圈电机(5)完成往复式的匀速扫描运动，同时可由如图1中所示的红外探测器(10)、多路同步数据采集卡(9)和计算机(8)在单路磁编码信号的上升沿对红外光干涉信号实施采样(如图7)，即可得到等距离间隔的红外光干涉信号，根据傅立叶光谱学知识，将图7中的红外光干涉信号经傅立叶变换和相位校正，即可获得相应的红外光谱信号。
Claims (10)
1.一种傅立叶红外光谱仪：其特征在于包括：
红外光源(1)，用于为光谱仪提供输入能量；
固定角镜(2)；
红外分束器(3)；
运动角镜(4)；
其中所述固定角镜(2)、红外分束器(3)、运动角镜(4)构成迈克尔逊式的干涉仪结构；
所述红外分束器(3)用于将来自红外光源(1)、固定角镜(2)、运动角镜(4)的透射和反射红外光束叠加，从而产生干涉效应，以获得红外光干涉信号。
2.根据权利要求1的傅立叶红外光谱仪：其特征在于进一步包括：
音圈电机(5)，
其中，所述运动角镜(4)挂载于音圈电机(5)上，从而使所述运动角镜(4)能够随音圈电机(5)同步运动。
3.根据权利要求2的傅立叶红外光谱仪：其特征在于进一步包括：
固定于音圈电机(5)上的磁带(11)，跟随音圈电机(5)一起相对于一个磁头(7)运动，使得所述磁头(7)输出位相差90度的两路磁编码信号，其中
所述磁头(7)，其与磁带(11)表面贴紧；
所述磁头(7)和磁带(11)在功能上构成了一个磁编码器。
4.根据权利要求3的傅立叶红外光谱仪：其特征在于进一步包括：
解码驱动电路(6)，用于根据磁头(7)输出的编码信号，生成音圈电机(5)的运动控制信号。
5.根据权利要求1-4中任何一项的傅立叶红外光谱仪：其特征在于进一步包括：
计算机(8)，用于实时获取并处理来自一个多路同步数据采集卡(9)的信号；
所述多路同步数据采集卡(9)，用于同步采集磁编码信号和来自红外探测器(10)的电信号；
红外探测器(10)，将红外光干涉信号转化为多路同步数据采集卡(9)可采集的电信号。
6.一种傅立叶红外光谱分析方法：其特征在于包括：
用一个红外光源(1)为光谱仪提供输入能量；
利用固定角镜(2)、红外分束器(3)、运动角镜(4)构成迈克尔逊式的干涉仪结构，用所述红外分束器(3)将来自红外光源(1)、固定角镜(2)、运动角镜(4)的透射和反射红外光束叠加，从而产生干涉效应。
7.根据权利要求6的方法：其特征在于进一步包括：
把所述运动角镜(4)挂载于一个音圈电机(5)上，使所述运动角镜(4)能够随音圈电机(5)同步运动。
8.根据权利要求7的方法：其特征在于进一步包括：
把磁带(11)固定于音圈电机(5)上，
使所述跟随音圈电机(5)一起相对于一个磁头(7)运动，使得所述磁头(7)输出位相差90度的两路磁编码信号，其中，
所述磁头(7)，其与磁带(11)表面贴紧；
所述磁头(7)和磁带(11)在功能上构成了一个磁编码器。
9.根据权利要求8的方法：其特征在于进一步包括：
用一个解码驱动电路(6)，根据磁头(7)输出的编码信号，生成音圈电机(5)的运动控制信号。
10.根据权利要求6-9中任何一项的方法：其特征在于进一步包括：
利用一个计算机(8)实时获取一个多路同步数据采集卡(9)的信号，
利用所述多路同步数据采集卡(9)同步采集磁编码信号和来自红外探测器(10)的电信号；
利用一个红外探测器(10)将红外光干涉信号转化为多路同步数据采集卡(9)可采集的电信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110525 |