智能微型近红外光纤光谱仪研制

论文摘要

本论文以精度高、速度快、体积小为设计目标,开发一款经济实用工作范围可覆盖900-2500nm的微型近红外光纤光谱仪。本文的主要工作归结如下：1)比较分析近红外光谱仪的常用光学系统结构和各自工作原理,研究光谱仪器的设计理论。出于对仪器要求扫描速度快,测量精度、分辨率、信噪比高,可靠性好,价格适中和适用于小型集成化在线分析等诸多因素的考虑,本课题最终采用固定光路检测器型光学系统作为课题所研发的微型近红外光纤光谱仪的系统结构框架。具体设计中通过对平面光栅两种分光系统水平式Ebert-Fastie和Czerny-Turner系统的性能研究,出于微型化设计需求,综合考虑到系统成像质量、光学分辨率、杂散光控制等技术指标要求,同时要兼顾系统结构紧凑,成本低,加工技术容易实现等因素,最终设计出由平面衍射光栅、制冷温控G9208型InGaAs探测器、SMA905接口光纤等多种新型器件构成的基于交叉非对称C-T光学平台的微型近红外光纤光谱仪的光学系统。完成了光栅、光纤、入射狭缝、准直物镜、成像物镜和InGaAs探测器等光路系统核心组件的参数设计。同时结合光路系统核心组件参数,对主机部分机械结构进行了设计,并制造出机械结构实物。2)为提高系统的灵活性,方便修改和升级,采用Altera公司的低成本FPGA芯片EP2C8T144C8作为核心控制元件,以此完成了近红外光谱仪数据采集硬件系统设计,主要内容包括：温控G9208型InGaAs驱动设计,基于C8051F020单片机的InGaAs半导体热电制冷温控系统设计,LTC1608CG型16位A/D转换设计、信号采集与存储设计、USB通讯设计、FPGA配置电路设计等方面。在具体设计中采用SOPC技术,在FPGA内部嵌入一个32位NiosII软核CPU作为核心处理器,不用外加微处理器。软硬件均编程实现,只需通过编程就可改变内部硬件电路和控制程序。同时将所有电路都集成在一个芯片中,抗干扰能力强,集成度高,有效地降低硬件的设计难度,减小电路板面积。在此基础上焊接出了硬件系统实物图。3)研究微型近红外光谱仪软件系统设计原理方法,包括底层软件设计流程,上位机应用程序软件开发,光谱数据处理和波长标定方法介绍以及用于光谱采集、处理和显示的计算机软件设计结构框图和实现流程。最后通过所研制样机的光学分辨率、积分时间和外形尺寸等预期性能指标与荷兰Avantes公司生产的AvaSpec-NIR256-2.5型近红外光谱仪性能指标做了比较。结果表明,本论文所研制的微型近红外光纤光谱仪,在光学分辨率、测量速度和体积微型化等方面都达到了先进水平。为仪器的商品化进行了有益探索。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 现代近红外光谱分析技术优势
• 1.3 近红外光谱仪的发展历程
• 1.4 国外近红外光谱仪发展现状
• 1.5 国内近红外光谱仪的发展成就和不足
• 1.6 本课题研究意义和内容
• 1.6.1 课题研究意义
• 1.6.2 论文研究主要内容
• 第二章 近红外分析理论及仪器工作原理
• 2.1 近红外光谱分析系统工作原理
• 2.2 近红外光谱分析理论基础
• 2.3 近红外光谱仪器的基本结构
• 2.4 典型近红外光谱仪及各自工作原理
• 2.5 近红外光谱仪器的主要性能指标
• 2.6 本章小结
• 第三章 近红外光谱仪光学原理与系统设计
• 3.1 光学系统基本构成
• 3.2 反射式平面衍射光栅的分光原理
• 3.2.1 光栅色散原理
• 3.2.2 角色散率
• 3.2.3 理论分辨率
• 3.2.4 自由光谱范围和光谱重叠的消除
• 3.2.5 闪耀光栅
• 3.3 常用平面光栅光谱仪光学结构
• 3.3.1 水平式Ebert-Fastie系统
• 3.3.2 Czerny-Turner系统及其优化
• 3.3.3 小结
• 3.4 相差分析理论
• 3.4.1 球差
• 3.4.2 彗差
• 3.5 光学系统设计
• 3.5.1 光源系统选用
• 3.5.2 分光系统结构设计
• 3.5.3 光栅确定
• 3.5.4 光纤选用
• 3.5.5 入射狭缝确定
• 3.5.6 探测器选用
• 3.5.7 准直和成像物镜的参数确定
• 3.5.8 光路组件参数
• 3.5.9 实际光路搭建
• 3.6 主机部分机械设计
• 3.7 本章小结
• 第四章 近红外光谱仪数据采集硬件系统设计
• 4.1 SOPC技术介绍及FPGA开发工具简介
• 4.1.1 基于SOPC技术的现代电子设计
• 4.1.2 Niosll CPU
• 4.1.3 SOPC开发流程
• 4.1.4 FPGA开发工具简介
• 4.2 探测系统整体电路方案设计及FPGA模块划分
• 4.3 InGaAS驱动电路设计
• 4.3.1 InGaAs PIN光电探测器概述
• 4.3.2 PIN探测器基本原理
• 4.3.3 G9208型线阵InGaAs的原理介绍及驱动设计
• 4.4 InGaAs热电制冷温控系统
• 4.4.1 半导体制冷原理及特点
• 4.4.2 PID控制原理
• 4.4.3 温控系统的工作原理及硬件控制设计
• 4.5 A/D转换设计
• 4.6 USB通讯电路设计
• 4.6.1 USB总线接口芯片选择
• 4.6.2 USB总线接口电路设计
• 4.7 FPGA电路设计
• 4.7.1 FPGA配置电路设计
• 4.7.2 FPGA时钟及供电电路设计
• 4.8 数据采集与存储设计
• 4.9 本章小结
• 第五章 近红外光谱仪软件系统设计研究及性能比对
• 5.1 底层软件设计
• 5.2 上位机应用程序开发
• 5.3 光谱数据处理
• 5.4 波长标定
• 5.5 计算机软件设计
• 5.5.1 图表控件TeeChart简介
• 5.5.2 计算机软件的基本结构
• 5.5.3 数据显示
• 5.5.4 峰值检出
• 5.6 性能比对
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢