CN104457988A - 一种红外光谱测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光谱测量装置，属于环境监测领域，具体涉及一种红外光谱测量装置。该装置利用磁编码器替代经典傅里叶红外光谱仪的中的激光器，不仅简化了傅里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，还从根本上避免了激光波长随温度漂移而导致光谱测量结果不准确，甚至直接导致光谱仪无法正常扫描的现象，为高稳定可靠的红外光谱测量分析提供基础。

Description

一种红外光谱测量装置

技术领域

本发明涉及一种光谱测量装置，属于环境监测领域，具体涉及一种红外光谱测量装置。

背景技术

傅里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。经典傅里叶变换红外光谱包含激光器，用于产生激光干涉信号，该信号的有两个作用：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干涉信号进行等距离间隔采样(间隔为激光半波长的整数倍)。

由于激光器的存在，使得传统傅里叶红外光谱仪光学结构复杂，并且增加了光学元件的加工成本和光路的调节难度。此外，由于激光波长随温度漂移还会导致光谱测量结果不准确，甚至直接导致光谱仪无法正常扫描，影响了传统傅里叶红外光谱仪工作的稳定性。

基于这一现状，申请人发明了一种红外光谱测量装置，该装置可以摈弃经典傅里叶红外光谱仪中的激光干涉系统，并且能够提高测量精度。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中所存在的无法针对大气中的光学结构复杂，光学元件的加工成本高，光路调节难度大以及工作稳定性差的技术问题，提供了一种红外光谱测量装置，该装置能够简化傅里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导致光谱测量结果不准确，甚至直接导致光谱仪无法正常扫描的现象，为高稳定可靠的红外光谱测量分析提供基础。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种红外光谱测量装置，包括：分束补偿器，第二反射镜、电机，控制电路，磁编码器，采样传输电路，红外探测器，其中：

所述第二反射镜位于分束补偿器的后方并与电机相连，所述红外探测器位于分束补偿器的下方并与采样传输电路的相连；

所述磁编码器与控制电路和采样传输电路的相连；

所述电机与控制电路相连，并且在控制电路的驱动下带动第二反射镜作轴向运动。

优化的，上述的一种红外光谱测量装置，还包括位于所述分束补偿器上方的第一反射镜。

优化的，上述的一种红外光谱测量装置，所述第一平反射镜和第二反射镜为平面直角反射镜。

优化的，上述的一种红外光谱测量装置，所述电机为音圈电机。

优化的，上述的一种红外光谱测量装置，所述控制电路包括：依次串联的用于判断第二反射模镜运动方向的判向模块、用于判断第二反射模镜运动距离的可逆计数模块、用于判断第二角反射镜位置的位置计算模块、用于确定第二角反射镜运动状态的决策模块、用于驱动电机运动的功率驱动模块，其中：

所述判向模块的输入端与磁编码器相连；所述功率驱动模块与间圈电机的运动控制信号输入端相连，所述判向模块还通过一个用于计算第二角反射模镜运动速度的速度计算模块与决策模块相连。

优化的，上述的一种红外光谱测量装置，所述分束补偿器不包含激光镀膜区。

因此，本发明具有如下优点：1.简化傅里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；2.使用磁编码器从根本上避免了激光波长随温度漂移而导致光谱测量结果不准确，甚至直接导致光谱仪无法正常扫描的现象，为高稳定可靠的红外光谱测量分析提供基础。

附图说明

附图1是现有技术中的经典傅里叶变换红外光谱仪原理图。

附图2是本发明的傅里叶变换红外光谱仪原理图。

附图3是本发明的磁编码器和音圈电机示意图。

附图4是本发明的磁编码器输出的两路位置信号示意图。

附图5是本发明的磁编码器和音圈电机示意图。

附图6是现有技术中的分束补偿器与本发明中的分束补偿器。

附图7是本发明的红外干涉数据采集原理。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，红外光源1、第一反射镜2、分束补偿器3、第一反射镜4、电机5、控制电路6、磁编码器7、计算机8、采样传输电路9、红外探测器10、判向模块401、可逆计数模块402、位置计算模块403、决策模块404、速度计算模块405、功率驱动模块406、红外光源501、第一角反射镜502、分束补偿器503、第一角反射镜504、电机505、计算机506、红外探测器507、采样传输电路508、第一激光探测器509、激光信号调理电路510、第二激光探测器511、激光反射镜512、激光器513。

实施例：

根据傅里叶变换红外光谱理论可知：红外干涉信号的采样间隔Δx需满足条件：

$\mathrm{\Δx}\≤\frac{1}{2(v_{\max }-v_{\min })}---\left(1\right)$

式(1)中，v_max为红外光谱信号的波数区上限，v_min为红外光谱信号的波数区下限。

对传统的傅里叶红外光谱仪，通常采用波长为0.6328μm的激光器作激光光源，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(v_max-v_min)＝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，如传统傅里叶红外光谱仪中最常用的溴化钾分束器，其光谱带宽为v_max＝7800cm^-1，v_min＝375cm^-1，结合式(1)知，以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。

根据以上原理设计的经典傅里叶变换红外光谱仪如图1所示。图中激光器513产生的激光干涉信号作用一是用于监测第二反射镜504的位置和方向，保证其在零光程差附近作往复扫描；二是控制采样传输电路508对红外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。

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。随着最近编码技术的提高，出现了0.5um甚至更高位置分辨率的磁编码器，可以与经典红外光谱仪中的激光波长接近。

利用新出现的磁编码器替换激光器的一种红外光谱测量装置如图2-3所示，包括：包括：第一反射镜2、分束补偿器3，第二反射镜4、电机5，控制电路6，磁编码器7，采样传输电路9，红外探测器10，其中：第二反射镜4位于分束补偿器3的后方并与电机5相连，红外探测器10位于分束补偿器3的下方并与采样传输电路9的相连，第一反射镜2位于分束补偿器3的上方；磁编码器7与控制电路6和采样传输电路9的相连；电机5与控制电路6相连，并且在控制电路6的驱动下带动第二反射镜4作轴向运动。其中，第一平反射镜2和第二反射镜4为平面直角反射镜，电机5为音圈电机。

本发明中磁编码器7用于替代传统经典傅里叶变换红外光谱仪中的激光器，其产生的信号用于采样和监测反射镜(4)的位置。磁编码器是一种新型的角度或者位移测量装置，其原理是采用磁阻或者霍尔元件对变化的磁性材料的角度或者位移值进行测量。由于磁性材料角度或者位移的变化会引起一定电阻或者电压的变化，因此通过放大电路对变化量进行放大，并输出信号，可以达到测量位置的目的。

在本发明中，磁编码器7输出如图4所示两路不同的信号，其中信号A和信号B的相位差为90度，如果A超前B 90度代表音圈电机向左运动，如果B超前A 90度代表音圈电机向右运动A,B信号的初始位相前后关系可以由电路具体设定。

如图5所示，控制电路6包括：依次串联的用于判断第二反射模镜4运动方向的判向模块401、用于判断第二反射模镜4运动距离的可逆计数模块402、用于判断第二角反射镜4位置的位置计算模块403、用于确定第二角反射镜4运动状态的决策模块404、用于驱动电机5运动的功率驱动模块406，其中：判向模块401的输入端与磁编码器7相连；功率驱动模块406与间圈电机5的运动控制信号输入端相连，判向模块401还通过一个用于计算第二角反射模镜4运动速度的速度计算模块405与决策模块404相连。

采用本发明后，分束补偿器3的结构也可得到简化，如图6所示，本发明的分束补偿器3能够不包含激光镀膜区。

图7是采用本发明后的采样示意图。现有的磁编码技术已经可以使编码器的位置分辨率达到0.5um，与经典光谱仪中常用的激光器0.633um接近，采用磁编码器替代激光器不仅能够简化傅里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，而且使用磁编码器从根本上避免了激光波长随温度漂移而导致光谱测量结果不准确，甚至直接导致光谱仪无法正常扫描的现象，为高稳定可靠的红外光谱测量分析提供基础。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了红外光源1、第一反射镜2、分束补偿器3、第一反射镜4、电机5、控制电路6、磁编码器7、计算机8、采样传输电路9、红外探测器10、判向模块401、可逆计数模块402、位置计算模块403、决策模块404、速度计算模块405、功率驱动模块406、红外光源501、第一角反射镜502、分束补偿器503、第一角反射镜504、电机505、计算机506、红外探测器507、采样传输电路508、第一激光探测器509、激光信号调理电路510、第二激光探测器511、激光反射镜512、激光器513等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (6)

1.一种红外光谱测量装置，其特征在于，包括：分束补偿器(3)，第二反射镜(4)、电机(5)，控制电路(6)，磁编码器(7)，采样传输电路(9)，红外探测器(10)，其中：

所述第二反射镜(4)位于分束补偿器(3)的后方并与电机(5)相连，所述红外探测器(10)位于分束补偿器(3)的下方并与采样传输电路(9)的相连；

所述磁编码器(7)与控制电路(6)和采样传输电路(9)的相连；

所述电机(5)与控制电路(6)相连，并且在控制电路(6)的驱动下带动第二反射镜(4)作轴向运动。

2.根据权利要求1所述的一种红外光谱测量装置，其特征在于，还包括位于所述分束补偿器(3)上方的第一反射镜(2)。

3.根据权利要求2所述的一种红外光谱测量装置，其特征在于，所述第一平反射镜(2)和第二反射镜(4)为平面直角反射镜。

4.根据权利要求1所述的一种红外光谱测量装置，其特征在于，所述电机(5)为音圈电机。

5.根据权利要求1所述的一种红外光谱测量装置，其特征在于，所述控制电路(6)包括：依次串联的用于判断第二反射模镜(4)运动方向的判向模块(401)、用于判断第二反射模镜(4)运动距离的可逆计数模块(402)、用于判断第二角反射镜(4)位置的位置计算模块(403)、用于确定第二角反射镜(4)运动状态的决策模块(404)、用于驱动电机(5)运动的功率驱动模块(406)，其中：

所述判向模块(401)的输入端与磁编码器(7)相连；所述功率驱动模块(406)与间圈电机(5)的运动控制信号输入端相连，所述判向模块(401)还通过一个用于计算第二角反射模镜(4)运动速度的速度计算模块(405)与决策模块(404)相连。

6.根据权利要求1所述的一种红外光谱测量装置，其特征在于，所述分束补偿器(3)不包含激光镀膜区。