一种傅里叶变换光谱仪用曲柄滑块动镜扫描系统技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电领域，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.
技术介绍
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，动镜运动的勻速性、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lcnT1，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(一般都在士2CHT1)，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。
技术实现思路
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3确傅里叶变换光谱定量分析。本专利技术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. 1 μ m。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 勻速回转运动，避免了传统直线扫描运动中电机往返运动的启动、加速、勻速、减速、停止等 过程，从而提高了动镜移动速度的均勻性和稳定性。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. ιμπι。 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 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘君华，朱凌建，汤晓君，张钟华，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]