發(fā)布時間：2020-09-01 20:46

　　 光譜儀是一種基本的光學(xué)測量儀器,通過對光譜信號的測量和分析,可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和成分的鑒定以及材料光學(xué)屬性的測量。光譜儀在工業(yè)現(xiàn)場、生物醫(yī)學(xué)、現(xiàn)代科學(xué)等各個領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的光譜儀由于存在成本高、體積大的缺點(diǎn),限制了其應(yīng)用場景,因此國內(nèi)外光譜儀朝著體積小、成本低和低功耗的方向發(fā)展,以適應(yīng)原位和現(xiàn)場檢測的需要。目前國內(nèi)便攜式光纖光譜儀的研究與國外相比還有很大的差距,因此研制一種體積小、功耗低、成本低的便攜式光纖光譜儀,有著十分重要的意義。完整的光譜儀主要由色散分光系統(tǒng)部分、光譜信號采集部分和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理與顯示部分組成。本文主要研究便攜式光纖光譜儀的信號探測處理與傳輸模塊的設(shè)計與實(shí)現(xiàn),該部分的正確性和穩(wěn)定性是整個光譜儀系統(tǒng)正常工作的保證。本文根據(jù)課題技術(shù)指標(biāo),確定了探測電路模塊的方案設(shè)計和器件選型,其中探測器選用了一款背照式面陣CCD圖像傳感器,具有高靈敏度、極大的動態(tài)范圍和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。由于CCD傳感器探測輸出的是模擬信號,不利于信號的傳輸和處理,需要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路將信號數(shù)字化,接著光譜數(shù)據(jù)通過USB2.0協(xié)議傳輸給上位機(jī)進(jìn)行分析處理和顯示。同時選用了溫濕度傳感器監(jiān)測系統(tǒng)環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)是以CPLD為控制中心,對各模塊提供正常工作需要的驅(qū)動時序信號,并與USB2.0控制芯片CY7C68013A構(gòu)成Slave FIFO傳輸模式,完成數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。在完成方案的原理性分析后,進(jìn)行了原理圖繪制、PCB制版、Verilog HDL代碼編寫、電路調(diào)試以及上位機(jī)軟件聯(lián)調(diào)測試等工作。最終實(shí)現(xiàn)了滿足系統(tǒng)指標(biāo)的光譜儀信號探測系統(tǒng)。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN911.7;TP212;TH744.1
【部分圖文】：

2 系統(tǒng)原理與總體方案設(shè)計本章首先對目前光譜儀系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理做了介紹，然后根據(jù)本課題的設(shè)計目標(biāo)，確定了信號探測處理與傳輸系統(tǒng)這部分的總體方案設(shè)計。并根據(jù)本課題的研究目標(biāo)，選取了滿足要求的 CCD 圖像傳感器。2.1 光譜儀的結(jié)構(gòu)和原理光譜儀本質(zhì)上是一個特殊的光電成像儀器，光譜測量主要包括光的波長、強(qiáng)度以及分布輪廓，被測光往往是物質(zhì)散射、吸收或者受激發(fā)射的熒光�；驹硎菍⑷肷涞谋粶y光中不同波長的光通過色散系統(tǒng)分離開來，對應(yīng)成像在接收器的不同位置。這樣就將波長與位置的關(guān)系對應(yīng)起來，利用光電探測器對不同位置的光強(qiáng)進(jìn)行探測，便能得到被測光各個波長的光譜信息。

圖 2-2 系統(tǒng)設(shè)計框圖2.4 CCD 圖像傳感器的工作原理與性能電荷耦合器件（charge coupled device，CCD）是 1970 年初發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體器件[21][22]，其突出特點(diǎn)是以電荷作為信號載體，不同于以電流或電壓作為信號的其它光電器件[23][24]。CCD 的基本功能包括信號電荷的產(chǎn)生、存儲、轉(zhuǎn)移和檢測[25]。接下來介紹 CCD 的主要特性參數(shù)：電荷轉(zhuǎn)移效率是表征 CCD 性能好壞的一個重要參數(shù)[26]，定義為：一次轉(zhuǎn)移后到達(dá)下一個勢阱中的電荷量與之前勢阱中的電荷量之比[27]。設(shè)原有的信號電荷量為 Q0，轉(zhuǎn)移到下一個柵極勢阱中的信號電荷量為 Q1（留在原來柵極下的電荷量為Q0-Q1），則電荷轉(zhuǎn)移效率為Q0Q1η (2-1)

圖 2-3 濱松 S10420-1106-01 背照式面陣 CCD的前向照明式 CCD探測器來說，由于入射光照射過多晶硅電極，而多晶硅電極對所有的入射光都，因此大部分光在進(jìn)入到 PN 結(jié)之前就損失掉了降。而背照式 CCD 將 PN 結(jié)放在結(jié)構(gòu)電極的外側(cè)耗，從而提高了探測器的量子效率。下圖為 S10以看到，該器件在從紫外到近紅外波段具有很高

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王丹丹;許強(qiáng);朱裕穗;楊紅國;高希娟;王永清;;微型光纖光譜儀用于寶玉石定性鑒定測量研究[J];電子測量技術(shù);2012年11期

2 鄭敏俠;尉淑瓊;王藺;劉渝;康彬;鐘發(fā)春;;微型光纖光譜儀在材料老化研究中的應(yīng)用[J];合成材料老化與應(yīng)用;2011年06期

3 顧聚興;;光纖光譜儀[J];紅外;2009年10期

4 ;微型光纖光譜儀在快速鉆石檢測中的應(yīng)用[J];現(xiàn)代科學(xué)儀器;2008年05期

5 唐勝君;張志偉;;微型光纖光譜儀在紫外可見吸收測量中的應(yīng)用[J];現(xiàn)代科學(xué)儀器;2007年04期

6 雨田;微型光纖光譜儀走向成熟[J];光機(jī)電信息;2004年05期

7 ;光纖光譜儀[J];光機(jī)電信息;2003年06期

8 江健銘;谷玉海;徐小力;哈亮;;基于FPGA的小型光纖光譜儀系統(tǒng)設(shè)計[J];微計算機(jī)信息;2012年09期

9 張波;溫志渝;;微型光纖光譜儀的研制及性能測試[J];半導(dǎo)體光電;2007年01期

10 李明;高超;陳芳;郝言慧;岳鵬遠(yuǎn);;一種小型光纖光譜儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J];光學(xué)與光電技術(shù);2013年02期

相關(guān)會議論文 前10條

1 張U喢

本文編號：2810234