基于MEMS微镜的小型化傅里叶变换红外光谱探测系统研究

摘要

食品安全问题频发给人们的身心健康造成了严重危害,从民众到政府都亟待一套高效的食品安全管理体系。以先进的检测技术对食品质量进行准确检测并结合完善的法律规范惩治违法行为是防治食品安全问题的理想途径。因此,能够实现食品问题快速检测的便携式分析仪器成为杜绝食品安全问题的重要保障。
　　红外光谱技术是一种广泛应用于物质检测和分析的技术,在食品安全检测中具有无可比拟的优势。作为红外光谱分析的主流仪器,傅里叶变换红外光谱仪因其具有高分辨率、高信噪比和高稳定性而受到人们的青睐。然而,食品安全问题的复杂性要求分析仪器能够实现物质的现场快速检测,目前商用的傅里叶变换红外光谱仪普遍存在体积大、抗震性差和便携性差的问题,难以在要求现场快速检测的食品安全问题的解决中发挥作用。为适应食品安全分析的市场需求,本文致力于研制一种能够应用于现场快速检测的便携式傅里叶变换红外光谱探测系统。
　　MEMS技术的成熟为分析仪器的小型化提供了契机,商用的MEMS微镜成本低、性能稳定。本文利用MEMS微镜的光学开关特性提出了基于MEMS微镜的小型化傅里叶变换红外光谱探测系统。该系统将MEMS微镜同改进的迈克尔逊干涉仪相结合,摒弃了传统傅里叶变换光谱仪中的动镜系统。论文建立了基于MEMS微镜的傅里叶变换红外光谱探测系统的理论模型,验证了其理论可行性并分析了该系统的主要特征参数,建立了阿达玛变换同该系统相结合的理论模型。在理论分析的基础上完成了系统的光学系统设计及实验,搭建了系统的软硬件系统并进行了基本性能测试。最后进行了光谱探测系统性能测试实验和物质光谱探测实验,验证了系统的可实现性和在物质分析领域的应用前景。本文的主要研究内容包括:
　　1)基于MEMS微镜技术提出了新型的小型化傅里叶变换红外光谱探测系统的实现方案。分析了该系统下傅里叶变换光谱探测的基本原理并得到了光谱复原的理论公式;对干涉仪倾斜臂的倾角容限进行了理论分析,通过在系统分辨率和调制度误差间取平衡,得到了干涉仪倾斜臂的倾角容限范围。
　　2)利用标量衍射理论和矢量衍射理论分别在近红外和中红外波段对MEMS微镜衍射效应进行了分析,探讨了衍射效应对干涉光强探测的影响。分析结果表明:在近红外和中红外波段,衍射光强绝大部分集中于零级衍射,因此在进行光学设计时仅需考虑采集零级衍射光强就能够得到满足光谱复原条件的携带光谱信息的干涉信号。
　　3)利用MEMS微镜由数字电路编码驱动的特性引入了阿达玛变换调制干涉光强来改善信噪比。把阿达玛和傅里叶变换光谱探测系统相结合,分析了该系统下实现阿达玛变换调制的可行性,并建立了阿达玛编码和解码实现的理论模型。弥补了微镜引入带来的信噪比下降。
　　4)分析了该光谱探测系统的性能特征参数并利用Zemax软件及Matlab软件对各光学单元进行了设计和仿真。从硬件系统出发,提出了该信号处理系统的实现方案,并逐一分析了系统中单片机、FPGA和ARM系统的硬件实现及其相互之间的承接关系,并对该系统的电源电路进行了设计,同时完成了系统用户软件和底层驱动软件的设计。
　　5)完成了各光学单元的加工并进行了测试,验证了光学设计的合理性。对准直光学系统,通过光斑一致性和九点法光斑均匀性测试验证了准直系统的性能,结果表明准直系统的光斑一致性偏差和光强均匀性偏差分别小于1.2％和4.8%。干涉系统的测试表明,制作完成的干涉具能得到明暗分明的等厚干涉条纹,实现了对光源的干涉调制。
　　6)完成了电路系统的性能测试。分别调试验证了MEMS微镜驱动电路的性能和信号前处理电路的性能。结果表明:MEMS微镜驱动电路系统能够准确地控制MEMS微镜实时偏转;信号前处理电路具备实现弱信号的探测及放大的能力。
　　7)在近红外波段搭建实验系统验证了基于MEMS微镜的傅里叶变换光谱探测方法的可实现性并测试了实验系统的特征参数。实验结果表明:阿达玛变换调制的引入明显地改善了复原光谱质量;在近红外1350nm为中心波长的波段,该系统的分辨率优于10nm,波长准确性优于4nm,系统稳定性优于0.4%。系统性实验验证了该系统的理论可行性,初步的物质吸收光谱实验验证了该系统在物质分析领域的应用前景。

目录

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英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 食品安全问题

1.2 红外光谱技术的发展及其在食品检测中的应用

1.3 微小型傅里叶变换光谱仪发展现状

1.4 本文研究意义及主要内容

1.5 本章小结

2 基于MEMS微镜的傅里叶变换红外光谱探测方法理论研究

2.1基于MEMS微镜的傅里叶变换红外光谱探测系统

2.2 倾斜反射镜倾角容限分析

2.3 MEMS微镜及其衍射特性分析

2.4 基于阿达玛变换的傅里叶变换光谱实现方法

2.5基于MEMS微镜的傅里叶变换红外光谱系统特性分析

2.6 本章小结

3 基于MEMS微镜的傅里叶变换红外光谱探测系统

3.1 光源系统

3.2 干涉具设计

3.3 信号采集光学系统设计

3.4 探测器选取

3.5 本章小结

4 基于MEMS微镜的傅里叶变换红外光谱探测系统

4.1 软硬件系统总体设计

4.2 核心元件选取及其外围配置电路设计

4.3 信号前处理电路设计

4.4软件系统设计

4.5 本章小结

5 实验及结果分析

5.1 系统搭建

5.2 系统调试

5.3系统性能测试实验

5.4 物质分析可行性探索

5.5 本章小结

6 结 论

致谢

参考文献

附录