微型光纤光栅光谱仪的研制及在物理实验中的应用

摘要

光谱检测是一种在科研和生产中广泛采用的技术。随着科研和生产技术的发展和进步，光谱检测技术正向原位和在线测量方向发展，因此对光谱检测仪器提出了微型化的要求。 本文针对这一要求，设计、制作了一台微型光纤光栅光谱仪。微型光纤光栅光谱仪选用小型光栅单色仪、电荷耦合器件(Charge Coupled Device简称CCD)和复杂可编程逻辑器件(Complex programmable logical Device简称CPLD)等最新技术研制。CCD作为感光元件，具有尺寸小、重量轻、功耗小、线性好、噪声低、动态范围大、光谱响应范围宽、寿命长、实时传输和自扫描等一系列优点。在对光栅光谱仪输出的光学信号进行光电转换后，经电路处理转换成数字信号，传送到上位机存储、处理和分析。通过电子电路，可以对微弱的光信号转换后的电信号进行放大和降噪处理，从整体上提高了测量系统的性能，实现了对光谱信息快速采样、存储、传输和数据处理等功能，从而使光谱的测量实现了数字化，拓宽了光谱测量的应用领域。系统的硬件电路由CPLD控制，包括CCD的驱动时序、A/D采样转换时序、数据缓存读写时序和上、下位机之间的数据与命令的通迅时序等。CPLD采用Verilog语言实行模块化编程，在Quartus II开发环境中编译、综合、仿真，并烧写器件。整个系统可通过JTAG接口进行现场编程烧录，调整电路的工作状态或是硬件控制程序的升级、更新。上、下位机之间的命令和数据的通讯，采用USB2.0协议，支持即插即用(Plug and Play)，传输速度可达到480Mbps，与CPLD的高速逻辑处理能力和响应速度相配合，能针对CCD的大数据量像素的光电信号进行高速采集和实时处理，这些功能由USB接口控制芯片实现。此外，系统从USB口汲取电源，能满足整个硬件电路正常工作所需，无须外加电源，为野外的便携式应用提供了可能。上位机的应用程序采用LabView语言编写，具有结构简单明了，交互界面友好等特点。研制的样机经测试，表明具有测量光谱范围宽、测量分辨率高、特别适用于光谱学实验教学和便携式的现场光谱采集。该光谱仪己被高校应用到实验教学中。

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论文说明：图表目录

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第1章绪论

1.1光谱仪器发展概述

1.2光谱仪器的基本结构

1.3现代光谱仪器的发展趋势

1.4现代光谱仪的应用

1.4.1在线光谱技术及其产品的应用

1.4.2光纤传感技术中的波长解调系统

1.5论文选题及研究的意义

1.6论文内容及研究技术路线

第2章微型光纤光栅光谱仪的光学系统的设计

2.1棱镜光谱仪光学原理与结构

2.2干涉光谱仪光学原理与结构

2.3光栅光谱仪光学原理与结构

2.3.1光栅分光原理

2.3.2光栅光谱仪常用基本结构

2.3.3光栅光谱仪的性能参数

2.4微型光纤光栅光谱仪的光学设计

2.5光纤传输原理

第3章微型光纤光栅光谱仪的电子学系统设计

3.1微型光纤光栅光谱仪的电子学系统工作原理

3.2微型光纤光栅光谱仪的硬件系统设计

3.2.1 CCD的原理和驱动电路的设计

3.2.2信号调理电路和模数转换电路的设计

3.2.3数据缓存和传输电路的设计

3.2.4控制和驱动逻辑的设计

3.3印制电路板设计和噪声抑制

第4章微型光纤光栅光谱仪的软件

4.1 USB设备的固件

4.2 PC端应用程序开发

第5章微型光纤光栅光谱仪在光谱分析中的应用

5.1光谱学和光谱分析

5.2光纤光栅光谱仪的测量与定标

5.3微型光纤光栅光谱仪在紫外激发荧光实验中的应用

结论与展望

参考文献

致谢

附录