基于线阵CCD和光纤导光的光谱仪设计

论文摘要

应用光谱特征对物质成分与含量进行检测是现代光谱测量技术的重要应用,使用线阵CCD构成的光谱测量仪具有现代测量仪器的主要特征。本文给出了应用平面衍射光栅作为分光元件,以2048像素线阵CCD作为光电转换器建立针对矿物宝石进行定性检测的光谱测量仪硬件系统的详细论述,文中还给出了应用多种现代数字信号处理方法对光谱信号进行滤波处理及分析,进而给出不同矿物宝石光谱特征的分析方法。在文中给出的光谱仪硬件构成中的Y型光纤导管,平面衍射光栅以及必要的光学辅助元件和线阵CCD的工作原理,分析了使用钨丝灯作为测量光源的原因与方法。讨论了光谱仪系统硬件调整对光谱测量数据的影响。论文第二部分给出了光谱仪器软件设计与实现方法。使用Visual C++编写了光谱数据采集和数据处理程序。分别采用中值滤波、哈尔函数、汉宁窗、海明窗、切比雪夫窗函数以及小波函数对光谱数据进行了处理,对各种滤波方法所取得的滤波效果进行了比较和分析。最后,应用所设计的CCD光谱仪系统,对不同矿物光谱测量作了比较实验。实验结果表明,本文提出的方法可行、数据可靠,可实现不同珠宝石材的区分,达到使用光谱检测技术对宝石鉴定的目的。该系统具有测量可靠、使用便携、生产成本低等优点,可作为珠宝行业专业检测仪器,对珠宝石材种类进行快速鉴别,具有很广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 矿物宝石鉴定简介
• 1.1.1 矿物的性质与鉴别
• 1.1.2 光谱分析仪器发展简介
• 1.1.3 CCD 器件的发展
• 1.1.4 光谱数据处理技术的发展
• 1.2 本课题研究的意义
• 1.3 本课题研究的工作
• 1.3.1 线阵CCD 光纤光谱仪的构建
• 1.3.2 光谱数据的数字信号处理
• 1.4 本论文内容安排
• 第二章 光谱测量原理
• 2.1 电磁辐射的波动性
• 2.1.1 散射
• 2.1.2 折射和反射
• 2.1.3 干涉
• 2.1.4 衍射
• 2.2 电磁波的粒子性
• 2.3 物质的能态
• 2.4 原子吸收与光谱分析
• 2.5 分子吸收与光谱分析
• 2.5.1 分子吸收光谱
• 2.5.2 光吸收定律
• 2.6 光谱分析仪器
• 2.6.1 光谱分析系统
• 2.6.2 光源
• 2.6.3 分光系统主要元件
• 2.6.4 试样容器和导光装置
• 2.6.5 光电检测器
• 第三章 CCD 基本原理
• 3.1 传统光电检测器
• 3.2 光电倍增管
• 3.2.1 暗电流
• 3.2.2 噪声和信噪比
• 3.2.3 灵敏度和光谱工作区
• 3.2.4 工作电压和工作温度
• 3.2.5 疲劳和老化
• 3.3 光导电检测器
• 3.4 光敏晶体管
• 3.4.1 光照特性
• 3.4.2 光谱特性
• 3.4.3 频率特性
• 3.5 CCD 传感器工作原理与特性
• 3.5.1 CDD 传感器工作原理
• 3.5.2 CCD 传感器特性参数
• 第四章 线阵CCD 光谱仪设计与实验
• 4.1 CCD 光谱仪光路结构
• 4.2 光源
• 4.3 光纤束
• 4.4 样品台的构建
• 4.5 平面衍射光栅
• 4.6 线阵CCD 数据采集
• 4.7 数据信号的采集
• 4.8 实验步骤
• 第五章 光谱仪实验结果分析及数据处理
• 5.1 光谱数据的预处理
• 5.2 光谱数据的数字滤波处理
• 5.2.1 中值滤波
• 5.2.2 哈尔函数滤波
• 5.2.3 窗函数滤波
• 5.2.4 小波函数滤波
• 5.3 实验效果与分析
• 5.3.1 光源归一化处理
• 5.3.2 中值滤波效果比较
• 5.3.3 哈尔函数滤波效果比较
• 5.3.4 窗口函数滤波效果比较
• 5.3.5 小波函数滤波效果比较
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢