一种用于傅立叶变换红外光谱仪的动镜扫描装置

摘要

本发明公开了一种用于傅立叶变换红外光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectrometer,FT-IR)的动镜扫描装置；包括固定板1，压条2，前弹簧片3，前夹板4，线圈5，空心立体角镜6，角镜座7，活动板8，后夹板9，永磁体座10，后弹簧片11。固定板1固定不动，线圈5通电时会产生磁场，其与永磁体座10上固定的磁铁产生磁场力，使角镜座7和空心立体角镜6能够沿磁场力方向移动，同时带动活动板8一起移动；线圈5的通电方向改变时，角镜座7的移动方向也会反向。本扫描装置为FT-IR提供了一种具有无摩擦、无需润滑、精密度高、寿命长等优点的动镜扫描方案，实用性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种傅立叶变换红外光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectrometer, FT-IR)的动镜扫描装置，属于物理光子学领域，特别是光谱分析仪器技术领域。 

背景技术

FT-IR光谱仪的核心部件为Michelson干涉仪，光的干涉来源于干涉仪动镜和定镜间相对运动所产生的光程差。动镜扫描系统是光谱仪的一个重要组成部分，高精度的动镜驱动系统是傅立叶变换光谱仪的核心和难点之一，在运动过程中，要保持动镜运动的匀速性，并且在运动过程中，对晃动或倾斜都有严格的要求。

传统的动镜扫描装置通常有旋转电机机械传动，电控气动液压系统。传统的机械结构(即旋转电动机+滚珠丝杠等中间环节)，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，不利于仪器的小型化和受环境影响大。也有采用动圈式直线电机，结合磁悬浮技术的聚四氟乙烯玻璃滑动轴承支撑的动镜扫描装置，其能够克服上述两种驱动系统的缺点，能有效地进行“直接驱动”，防止扫描过程中出现大的倾斜，且体积小，控制简单，精度也很高，但不能克服运动过程中存在的振动问题，而且动镜的回扫完全依赖于电流的控制，也存在速度慢的问题。

本发明采用了一种基于弹性结构支撑的音圈电机动镜扫描方案，能够有效的解决方向稳定性、速度稳定性、振动等问题，而且扫描速度更快。本扫描装置为FT-IR提供了一种具有无摩擦、无需润滑、精密度高、寿命长等优点的动镜扫描方案。

发明内容

本发明的目的为FT-IR提供了一种具有低成本、无摩擦、无需润滑、精密度高、抗振能力强、扫描速度快、寿命长等优点的动镜扫描方案，其能够有效的保证FT-IR光谱仪具有高的可靠性和良好的性能。

本发明的技术方案是：

一种用于傅立叶变换红外光谱仪的动镜扫描装置，包括固定板1、两个前弹簧片3、音圈电机、空心立体角镜6、角镜座7、活动板8、永磁体座10、两个后弹簧片11；

固定板1与活动板8通过两个前弹簧片3、两个后弹簧片11相连，永磁体座10固定安装在固定板1上，永磁体座10内嵌圆形永磁体12；空心立方角镜6固定在角镜座7的一端；音圈电机与角镜座7连为一体，音圈电机的线圈5缠绕在角镜座7的另一端，角镜座7固定在活动板8上。 

 所述的两个前弹簧片3，每个均用两片前夹板4夹持加固；所述的两个后弹簧片11通过两片后夹板9夹持固定在一起。 

所述的永磁体座10内嵌有一块圆形永磁体，永磁体南北极方向与空心立体角镜6上缠绕的圆形线圈5的轴向方向相同。

所述的角镜座7一端为圆形结构，线圈5绕在圆形结构上；另一端装有空心立体角镜6；线圈5、空心立体角镜6和角镜座7三者为一体，三者的重心位置处于活动板8的水平方向的1/2处。 

所述的空心立体角镜6由三片镀金平面镜组成，三片镀金平面镜互成90度。

所述固定板1与活动板8的板面完全平行；前弹簧片与后弹簧片相互平行，两者在活动板8和固定板1之间的长度完全相同。 

所述的四个弹簧片分别通过四个相同的压条2安装在固定板1和活动板8上。

使用时，将固定板1安装在一个固定的装置（位置）上，如一块大的底板或竖直的板子等地方。固定板1安装后即固定不动，在动镜在一个小的运动范围内扫描时，活动板8会沿着一个方向进行直线运动。四个弹簧片均安装在活动板的靠近四个顶点的位置，两个前弹簧片3和两个后弹簧片11的长度、宽度、厚度、材料等均完全相同；弹簧片采用强度、硬度、弹性、耐磨性、疲劳极限和耐热性能优良的合金材料制成，一般可选铍青铜材料；由于四个弹簧片比较薄，为了维持一定的刚性支撑能力，弹簧片采用了夹板加固的方法。两个前弹簧片3各用两片前夹板4夹持加固，两个后弹簧片11共用一个大的后夹板9进行夹持加固。

与角镜座7相连的镜片采用空心立体角镜。空心立体角镜6由三片镀金平面镜组成，三片平面镜互成90度，可以保证动镜扫描过程中，即使存在转动，轻微的振动，入射光线也能保持原平行方向返回。空心立体角镜6的运动位置受线圈5所通电流大小和方向的影响，通过调节电流大小，可以控制空心立体角镜6偏离平衡位置的距离，当角镜偏离平衡位置时，只需要给一个很小的反向电流或不通电流，其就能在弹簧力的作用下自然反向运动，从而使快速扫描变得十分容易。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1. 本发明采用了由弹簧片连接固定板和活动板的形式，消除了传统动镜机械扫描方式存在的摩擦力，无需润滑机构，且使动镜只能在一个方向运动，使动镜扫描的抗振性能得到了大大的加强，从而在很大程度上提高了光谱仪所获得的红外干涉图的质量。 

2. 本发明采用了音圈电机作为动镜（空心立体角镜）驱动部件，通过电流的大小和方向来控制动镜的位置和扫描速度，同时，可以借助于弹簧片的恢复力，实现动镜的快速回扫，使动镜的扫描速度能够得到大大提高。  

3. 本发明中的动镜采用了空心立体角镜，使到达动镜后反射的光线与对应的入射光能够保持严格的平行，从而克服了动镜运动过程中可能存在的倾斜或轻微振动引起的光线偏离问题，使干涉图的质量保持良好。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明中固定板1和活动板8的连接图。

图3是本发明中固定板、活动板及弹簧片构成的平行四边形结构俯视图；（a）为平衡位置形状图，(b)为形变后形状图。

图4 是本发明中永磁体座的结构。

图5 是本发明中角镜座与永磁体之间的摆放关系图。

图6是本发明中空心立体角镜的形状及结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

如图1所示，本发明包括固定板1、两个前弹簧片3、音圈电机、空心立体角镜6、角镜座7、活动板8、永磁体座10、两个后弹簧片11；固定板1与活动板8通过两个前弹簧片3、两个后弹簧片11相连，永磁体座10固定安装在固定板1上，永磁体座10内嵌圆形永磁体12；空心立方角镜6固定在角镜座7的一端；音圈电机与角镜座7连为一体，音圈电机的线圈5缠绕在角镜座7的另一端，角镜座7固定在活动板8上。 

图2描述了固定板1和活动板8的连接方式。固定板1与活动板8通过两组共四个弹簧片(两个前弹簧片3，两个后弹簧片11)相连。四个弹簧片其长度、宽度、厚度、材料等均完全相同，四个相同的压条2牢固的将弹簧片安装在固定板1和活动板8上。弹簧片采用强度、硬度、弹性、耐磨性、疲劳极限和耐热性能优良的合金材料制成，一般可选铍青铜材料。将四个弹簧片彼此相互平行，其在活动板8和固定板1之间的长度完全相同，四个弹簧片均安装在活动板的靠近上下边缘的位置。因此，固定板1和活动板8构成了一个长方体的两个相对面，四个弹簧片构成了连接这两个面的四条棱线。

图3描述了图2中，从顶部往下看的固定板、活动板及弹簧片构成的平行四边形结构下视图。从图中可以看出，当活动板发生位移时，活动板8始终与固定板1平行。活动板、固定板以及前后弹簧片构成一个平行四边形结构，保证在一定的运动范围内，活动板8只有一个方向的运动，从而保证了系统优异的抗振动性能。

由于活动板8需要支撑一定的动镜重量，而弹簧片又比较薄，为了防止在运动过程中弹簧片产生向下的扭曲形变，需要对弹簧片进行加固处理，如图1中所示，两个前弹簧片3均采用了由两个金属板组成的前夹板4夹持加固的方法。与前弹簧加固有所不同，两个后弹簧片11采用了有由两个大的金属板组成的后夹板9进行了夹持加固。

为了获得动镜的运动驱动力，采用了音圈电机的方法进行动镜驱动，利用永磁体与线圈产生的磁场相互作用的方法获得驱动力。图1中，永磁体座10固定安装在固定板1上。永磁体座10的具体结构如附图4所示，其内嵌一永磁体12，永磁体12具有极强的磁吸力，其为圆形结构，磁场的南北极垂直于圆形表面。

产生磁力的音圈电机与角镜座7连为一体，音圈电机的线圈5直接缠绕在角镜座的一端。永磁体12与角镜座7之间的摆放关系如图5所示。线圈5绕成圆形结构，其圆形平面平行于永磁体12的圆形平面，两个圆形的圆心共轴。当线圈5通电时，根据电磁感应定律，其会产生于一个南北极垂直于圆形平面的磁场。流过线圈的电流方向发生改变时，磁场的方向也会发生改变。电流大小发生改变时，磁场强度会发生改变。所产生的磁场会与永磁体12产生的磁场相互作用，产生吸引或排斥力。当永磁体与线圈产生磁力时，会推动角镜座7运动，由于角镜座7固定在活动板8上，因此，所产生的作用力也会作用在活动板8上，在此作用力下，四个弹簧片会产生形变，从而推动角镜座7运动。从前面的描述中，弹簧形变会让活动板8只能在一个自由度方向上运动，因此，角镜座7也只能在一个自由度方向上运动。空心角镜6是安装在角镜座7上的，这也就意味着空心角镜也只能在一个自由度方向上运动，从而保证了角镜运动具有很好的直线性。

从图1中，可以看出采用弹簧片的另一个好处是动镜扫描速度快。当角镜座7偏离平衡位置后，只要撤去加在线圈上的电流，那么磁场力会立即消失，角镜座7会在弹簧片的恢复力作用下自然向平衡位置运动，如果再加一个反向电流的话，那么角镜座向平衡位置回扫的速度会进一步加快。因此，扫描速度快是本发明的一大特点。

在传统的基于平面动镜的FT-IR干涉仪中，动镜扫描运动过程中，如果有一个小的角度偏移的话，那么反射光就会产生较大的偏离，从而导致干涉图出现异常。为了克服此问题，本发明采用了空心立体角镜作为反射镜。空心立体角镜6结构如图6所示，其由3片完全相同的平面镜胶合而成，3片平面镜相互成90度，形成一个空心的立体结构。采用空心角镜的好处是，入射到角镜上的光线经过几次反射后，会沿着平行于入射光线的方向返回，从而完全克服了反射光产生偏离的问题。由于光线在角镜上至少要经过两次反射，为了减少反射过程中的能量损失，镜片反射面进行了镀金处理，使光能损失极小。