（机械电子工程专业论文）小型光谱仪数字化基础研究.pdf

摘要 光谱仪器是光谱学和光谱技术中最基本的分析仪器之一，从牛顿开创光谱学至 今，光谱仪器经过了几百年的发展历史。光谱技术的应用覆盖了医学、化学、地质、 物理和天文学等几乎所有的科学领域。 近年来随着农业科技、军事应用分析、环境检测等方面的发展，对小型化、轻量 化的设备有了更高的需求。仪器的智能化、微小型化、集成化以及芯片化成为发展趋 势。小型光谱仪具有体积小、重量轻、灵活性高以及价格低等优点，其研究越来越受 到重视，已经成为当前光谱仪器研制的热点。 本文在回顾光谱仪器发展历史的基础上，分析了光谱仪器发展现状和发展趋势。 从光谱仪器的基本原理入手，介绍了光谱仪器以及平面衍射光栅分光系统的基本特 性。主要工作包括一下三个方面：1 通过对光谱仪各组成部分的分析和对比，选择并 设计了结构紧凑的艾伯特平面光栅光路系统作为光谱仪的分光系统。2 针对本光谱仪 设计了基于u s b 2 0 的线阵c c d 光谱信号采集系统。光谱通过c c d 转化为电信号， 经a d 转换后存入f i f o ，最后经由u s b 传入主机。3 采用c p l d 作为主控芯片为a d 、 c c d 和f i f o 提供驱动信号并协调其工作时序，同时控制激发光源开关并为分光系统 电机提供驱动信号。获得光谱数据采集、数据上传等关键技术，从而为光谱仪小型化 奠定了技术基础。 关键词：小型光谱仪；u s b 2 o ；线阵c c d ；c p l d a b s t r a c t s p e c t r o m e t e r , o n eo ft h em o s tb a s i ca n a l y t i c a li n s t r u m e n t si ns p e c t r o s c o p y , h a s d e v e l o p e da b o u th u n d r e d so fy e a r s ，f r o mn e w t o nh a sc r e a t e dt h eb a s i so fs p e c t r o s c o p yt o n o w n o w , t h ea p p l i c a t i o no fs p e c t r o s c o p i ct e c h n i q u e sa l m o s tc o v e r i n ga l lf i e l d so fs c i e n c e ， f r o mt h eb o t t o mo ft h eo c e a na sw e l la st h ed i s t a n tu n i v e r s e ，f r o mm i c r o o r g a n i s m st o a s t r o n ，i n c l u d es u c ha r e a sa sm e d i c i n e ，c h e m i s t r y , g e o l o g y , p h y s i c sa n da s t r o n o m ya n ds o 0 n i nr e c e n ty e a r s ，a st h ea g r i c u l t u r a ls c i e n c e ，m i l i t a r ya p p l i c a t i o n s ，a n de n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n gd e v e l o p e d ，t h em i n i a t u r i z a t i o na n dl i g h tw e i g h t i n gs p e c t r o m e t e r sh a v em o r e r e q u i r e d i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s ，m i c r o - m i n i a t u r i z a t i o n ，i n t e g r a t i o n ，a sw e l la sc h i p sh a v e b e c o m et h et r e n do ft h es p e c t r o m e t e rd e v e l o p m e n t s a tt h es a m et i m e ，m i n i s p e c t r o m e t e r , 丽t hc o m p a c t n e s s ，l i g h t - w e i g h t i n g ，h i g l lf l e x i b i l i t ya n dl o wp r i c e ，h a sb e c o m et h eh o t s p o t o fs p e c t r a li n s t r u m e n td e v e l o p m e n t p e o p l e p u tm o r ee f f o r t s o nt h er e s e a r c ho f m i n i s p e c t r o m e t e r 1 1 1 i sp a p e rr e v i e w st h ed e v e l o ph i s t o r yo fs p e c t r a ld e v i c e sa n da n a l y z et h ed e v e l o p c i r c u m s t a n c ea n dt r e n d t h e ni n t r o d u c e st h ef u n d a m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c so f s p e c t r o m e t e ra s w e l la sp l a n ed i f f r a c t i o ng r a t i n gi n s t r u m e n ts y s t e m ，b a s e do nt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so f s p e c t r o s c o p yi n s t r u m e n t i t sm a i nd u t i e si n c l u d ea b o u tt h r e ea s p e c t s f i r s t ，a f t e ra n a l y z i n g a n dc o m p a r i n ge a c hp a r to fs p e c t r o m e t e r ，t h ec o m p a c te b e r tp l a n eg r a t i n gs p e c t r o m e t e r o p t i c a ls y s t e mi sa d o p t e d s e c o n d ，t h el i n e a r - a r r a yc c ds y s t e mu s i n gf o rs p e c t r a ls i g n a l a c q u i s i t i o nb a s e do nu s b2 0i sd e s i g n e d s p e c t r u mi st r a n s l a t e di n t oe l e c t r i c a ls i g n a l s t h r o u g ht h ec c d ，a f t e ra dc o n v e r t e di n t of i f o ，t h e ni n t r o d u c e dt h ec o m p u t e rt h r o u g h u s bf i n a l l y m r d ，c p l d ，t h em a s t e rc h i p ，p r o v i d i n gd r i v i n gs i g n a lf o ra d ，c c d ，a n d f i f o ，c o o r d i n a t i n gt h ew o r ks c h e d u l e ，c o n t r o l st h ee x c i t a t i o nl i g h ts o u r c es w i t c ha n dd r i v e s t h ee l e c t r i cm o t o rf o rt h eg r a t i n gi n s t r u m e n ts y s t e m t h u so b t a i n e dk e yt e c h n o l o g y s ，s u c ha s d a t aa c q u i s i t i o na n dd a t au p l o a d t h e s ew o r k sh a v el a i dt h et e c h n i c a lf o u n d a t i o nf o rt h e m i n a t u r z a t i o no fs p e c t r o m e t e r s k e yw o r d s ：m i n i - s p e c t r o m e t e r ，u s b 2 0 ，l i n e a r - a r r a yc c d ， c p l d 天津科技大学硕士学位论文 1 前言 1 1 光谱仪的发展历史和发展趋势 光谱仪器是光学仪器的重要组成部分，它具有分析精度高、测量范围大、速度快 等优点，广泛地应用于冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境保护等领域；也是军 事侦察、宇宙探索、资源和水文探测等高科技领域必不可少的遥感设备。光谱仪器一 般由入射狭缝、准直镜、色散元件( 光栅或棱镜) 、聚焦光学系统和探测器等部分组 成【1 】【2 l 。 光谱学是近代建立起来的学科，从英国物理学家牛顿在1 6 6 6 年使用棱镜将白光 分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等单色光开始【3 】，人们终于了解到白光是复合的， 由此建立光谱学的基础，至此光谱学才真正成为一门学科。 1 8 5 9 年，弗朗和费研究出了第一台使用的光谱仪，用于研究金属光谱。1 8 5 9 1 8 6 2 间克希霍夫( k i r c hh o f f ) 和本生( b u n s e n ) 通过使用自己制造的光谱仪进行研究， 提出了各种物质在特定条件下具有自己的特殊光谱，建立了光谱分析的基础。所以， 后人将1 8 6 0 年作为光谱分析的诞生纪年。1 8 8 2 年，罗兰发明的凹面光栅简化了光谱 仪的结构，提高了其性能。到2 0 世纪开始，量子力学理论建立成为光谱学最强有力 的理论依据【4 j 。 1 9 2 6 年德国蔡斯公司设计生产的中型石英摄谱仪，其后美、英、苏等国也先后开 始了此类仪器的研制。随着科技的发展，对光谱仪的精度、质量等有了更高要求，棱 镜光谱仪的缺点逐渐显现出来，光栅光谱仪得到了很大的发展。1 9 4 0 年， a r n o l d b e c k r n a n 制造出的一台名为b e c k m a nd u 的仪器，被认为是第一台商业化的紫 外可见光分光光度计。从1 9 4 4 年赫斯特等人第一次提出光电直读仪开始，到2 0 世纪 6 0 年代，光谱仪器已经能够应用于各波段，建立了从紫外到红外完整的光谱定性、定 量分析方法和整套光谱图谱、线谱。随着科技的不断进步，对光谱检测技术提出了越 来越高的要求，由此出现了如赖曼光谱仪、傅立叶光谱仪、成像光谱仪等使用于不同 领域的光谱仪器【5 】【6 1 。 现今，光谱仪以及它的相关传感器技术已经发展成为巨大的产业，光谱技术的应 用覆盖了几乎所有的科学领域，包含医学、化学、地质、物理和天文学等众多领域。 从海洋底部以至遥远的宇宙，从微生物到大天体，光谱仪为我们收集物质特有的信息。 目前使用的光谱仪主要是基于物质散射、多缝衍射和多光束干涉三种原理。光谱 仪可以有多种分类方法。按照光谱仪的工作原理来分，现代光谱仪主要可以分为经典 光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪都属于狭缝光谱仪，它是根据空间色散原理来工作 的。新型光谱仪则是按照调制原理工作，采用圆孔进光。按照色散组件的分光原理， 光谱仪则可分为：棱镜光谱仪，衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪。 近年来随着农业科技、军事应用分析、环境检测等方面的发展，对小型化、轻量 1 前言 化的设备有了更多的需求。仪器的智能化、微小型化、集成化以及芯片化成为发展趋 势【7 】。小型光谱仪具有体积小、重量轻、灵活性高以及价格低等优点，其研究越来越 受重视，已经成为当前光谱仪器研制的热点【8 】。光谱仪的微小型化趋势可追溯到上个 世纪9 0 年代初期，这是随着它的相关技术的发展而发展的【9 1 。高效低廉的光学元件及 线性阵列检测器件的出现、个人计算机的发展以及m e m s ( 微机电系统) 及二元光学 等制造技术的发展为光谱仪器的小型化奠定了基础，使得光谱技术的应用延展到试验 室之外的广阔领域，包括战场、工厂及人体【lo j 【l 。 1 2 国内外小型光谱仪的发展及现状 目前有报道的国内外小型光谱仪产品按照工作模式来分，主要包括：基于调制原 理的微型光谱仪【1 2 1 、采用新型滤光技术的微型光谱仪【1 3 】、二元光学微型光谱仪【1 4 】、基 于集成光学导波的微型光谱仪【l5 1 。基于光纤的方便性，可以灵活地搭建光谱采集系统。 光纤光谱仪通常采用光纤作为信号耦合器件，将外部被测光引入到光谱仪进行光谱分 析。光纤光谱仪的优势在于系统的模块化和灵活性【1 6 】【1 7 】。 德国m u t 公司生产的t r i s t a i nu s b 系列高分辨率小型光纤光谱仪。3 6 4 8 像素 线阵c c d 作为探测器，u s b 2 0 直接供电，不需额外电源，只要配合笔记本就可外出 工作。其中u v v i s 型号光谱仪光栅密度为6 0 0 f m m ，狭缝宽度4 0l am ，光谱范围为 2 0 0 n m 8 0 0 n m 。 、 图1 1t r i s t a i nu s b 系列小型光纤光谱仪 f i g 卜1s m a l lf i b e ro p t i cs p e c t r o m e t e ro f t r i s t a i nu s b 荷兰a v a n t e s 公司的微型光纤光谱仪a v a s p e c 系列光谱仪采用对称式光路设计， 入射焦距和色散焦距比为严格的1 ：l 关系，在c c d 上成的是完美的直线象，没有象差， 并且由于不存在光路交叉，使得杂散光的影响被降低到最小。a v a s p e c 2 0 4 8 光谱仪使 用的是s o n y 二代i l x 5 5 型2 0 4 8 像素c c d 探测器。 a v a s p e c 一2 0 4 8 一u s b 2 光谱仪能够在接受外触发信号之后延迟1 u s 8 9 s e c 开始采样， 外触发信号可以从光谱仪的d b 2 接口输入。此外，该光谱仪还可以发出一个t t l 信号来触发脉冲激光器，而且在a v a s o f l f u l l 软件中可以设置光谱仪采样开始时间和 2 天津科技大学硕j i j 学位论文 激光脉冲间的延迟时间为2 0 n s 一8 9 s e c 。其延迟时间控制图1 2 所示，其中( t 1 = 外触发 信号与产生激光脉冲的延迟，1 u s 8 9 s e c ；t 2 = 激光脉冲与采样丌始时间的延迟，2 0 n s 一8 9 s e c ，步长2 1 n ；t i n t = 积分时间，1 1 m s 1 0 m i n ) e 埘e ，n a i t f g g 射d i i il t m 岫m s 邮u 壁i _；一 i n t e g r a t i o ns c a n ：i 圈唧 ii 圈衄 小i i ”： 图1 2 外触发和光谱仪采样时间延迟控制图 f i g 1 - 2e x t e r n a lt r i g g e ra n d t h ec o n t r lo fs p e c t r o m e t e r s a m p l i n gt i m e a v a s p e c 一2 0 4 8 型光谱仪的最高分辨率为0 0 4 n m ，而多通道光谱仪可以满足在 2 0 0 9 0 0 n m 光谱范围内，分辨率小于0 1 n m 。其中八通道光谱仪如图1 3 所示。 图1 3a v a s p e c 一2 0 4 8 8 八通道光谱仪 f i g 1 - 38 - c h a n n e ls p e c t r o m e t e ro f a v a s p e c - 2 0 4 8 8 美国海洋光学公司生产的j a z 光谱仪( 如图1 - 4 ) ，可谓是光纤传感领域的革命。 超越了传统意义上的光学传感器，强大的微处理器和板载显示的功能代替了p c ，可 堆叠的、模块化并可自成一体的组合，使用户可以根据各自的应用需要定制系统，以 太网连接和s d 卡存储的设计使远程操作成为了可能。它具有以下特点：可换狭缝和 光栅：采用超越传统设计理念的交叉式c z e m y t u r n e r 光学平台；锂电池可以通过以 太网、u s b 网线或外部供电来充电，系统的额定能耗小于2 5 w 。 3 l 前言 图1 - 4j a z 光纤光谱仪 f i g 1 - 4j a zf i b e ro p t i cs p e c t r o m e t e r 改革开放后，我国的科技水平有了飞速发展，基于科研及各行业的需求，光谱仪 也有了很大程度的发展。光谱技术主要应用于食品、化学、电子学等各种领域，概括 来说，基本上9 8 左右的领域中都能用到光谱技术。 1 9 9 2 年厦门大学的林竹光等开发出荧光分光光度计多功能应用软件，采集的数据 经过应用软件处理，可得到常规荧光光谱、导数荧光光谱、波长等。从1 9 9 5 年开始， 重庆大学微系统研究中心研制的微型光谱仪，得到了国家多项资助并取得了一定的成 绩。2 0 0 3 年重庆大学微系统研究中心在国内首次研制出具有完全自主知识产权的微型 光纤光谱仪( 图1 5 ) ，具有体积小、结构紧凑、抗振动干扰能力强等特点。采用光纤 输入，可根据需要灵活配置不同芯径的光纤【1 8 】【19 1 。u s b 2 0 接口，光谱范围3 4 0 7 7 0 n m ， 光谱带宽小于2 n m ，像元分辨率小于0 2 n m 。2 0 0 9 年成功地研制出达到实用化、具有 完全自主知识产权的微型近红外光谱仪2 0 1 1 2 1 1 ，其主要技术指标是：波长范围8 5 0 n m 1 7 0 0 n m ；光谱带宽s 1 3 n m ；分辨率s 1 0 m 图1 5 重庆大学微型近红外光谱仪 f i g 1 5m i n i a t u r en e a r - i n f r a r e ds p e c l r o m e t e r 微小型光谱议在一定程度上扩大了光谱仪的应用范围，在以往无法应用光谱仪的 4 天津科技大学硕士学位论文 领域，通过光谱仪的微小型化可以实现其许多新的应用【2 2 1 。 目前产业化的小型光谱仪一般是通用性产品，其性能指标不是很好、成本较高， 并不一定适合某些专用的领域【2 3 1 。这需要我们有针对性地进行研究开发。我国的光谱 仪水平还是落后于世界先进水平，国产光谱仪一般都为中低档产品，很难满足市场需 求，高档以及先进光谱仪都依赖进口。在这样的形式下，光谱仪事业的发展还需要予 以更多的关注和支持。 另外，从目前发展现状看，微型光谱仪基本上是研究所或大学研制的原理样机， 还无法成为实用化的产品。为了使得这种具有潜力的微型产品真正的走向实用化，还 有很多工作需要继续进行下去。 1 3 本文的研究意义及主要研究内容 1 3 1 选题背景及研究意义 光谱仪是种类繁多、应用极为广泛的一种理化分析仪器，微加工技术的发展和 e m m s ( 微机电系统) 、m o e m s ( 微光机电系统) 技术的出现为其微小型化提供了可 能性【2 4 1 。光谱仪的微小型化是我国光谱仪器的一个重要发展方向。和传统光谱仪相比， 微小型光谱仪的分辨率较低，但由于它体较小、价格便宜等优点广泛应用于许多测量、 控制领域。 图1 - 6w p f 6 型光谱仪 f i g 1 - 6w p f - 6s p e c t r o m e t e r 如图1 6 是天津光学仪器厂生产的w p f 6 型光谱仪，它主要用于测定金属谱线以 确定样品的金属成分。右边是它的激发源，属于电弧型激发源，工作时对其附近的电 子电器干扰较大。左边的是其分光系统和观察光谱的目镜，工人通过对比从目镜中观 察到得谱线和模板上的谱线来确定试样的金属成分。此方法有较大的人为因素影响分 析结果，而其许多复杂的谱线不易分辨，需要专业的技术人员，用眼强度大。为改变 以目测、凭经验识别光谱的传统方式，利用计算机、微电子等技术构建更具高性能， 数字化、智能化的光谱信号采集系统是十分必要的。 l 前言 随着电子技术的迅猛发展及计算机技术的出现，使光谱仪器向高精度，光电化， 自动化和智能化方向发展。但我国的光谱技术发展比较晚，应用还比较落后，其接收 系统也从最初的目视系统发展到如今的光电系统，需要对光谱信号的测量分析从定性 到定量，从静态到动态，从目测、摄谱对比到采用计算机进行模式识别；随着市场的 应用范围不断扩大，需要光谱仪器的操作也更加的简单，使工作人员可以集中精力于 对结果的分析处理上。本文研究小型光谱仪及其数字化技术，为开发一种小型数字化 光谱仪作准备工作，而这种小型光谱仪满足现在中国市场需要( 体积小携带方便，价 格便宜) 。 1 3 2 本文的目的以及主要研究内容 课题研究的是小型光谱仪的数字化，目的在于构建小型光谱数字化系统。该系统 从硬件上分为三个部分包括：光源( 激发) 模块、光谱分光模块和基于u s b 2 0 的线阵 c c d 数据采集模块。软件上分为上位机控制程序、u s b 固件程序和c p l d 控制程。基 于u s b 2 0 的线阵e e d 数据采集模块与软件结合是实现光谱信号数字化的关键。各个部 分的选件依据将在后续章节中详细说明。 课题中所做的工作即论文内容可分为软件和硬件设计两大部分。硬件部分分析了 光谱仪基本组成部分的特点，通过对比选择了适合本课题的光路系统，设计了基于 u s b 2 0 的c c d 采集板，构建了光谱仪系统。具体包括以下内容。 选取光谱仪的光源系统和分光系统。 u s b 接口硬件及其周边组件。 c c d 、a d 硬件电路设计。 c p l d 硬件电路设计。 软件部分主要包括如下内容： u s b 芯片固件开发。 上位机控制软件开放。 c p l d 控制时序开发。 1 4 本章小结 光谱仪作为一种重要的分析仪器，在各个领域得到了广泛的应用。本章回顾了光 谱仪器的发展历程，对国内外光谱仪的发展现状以及发展趋势作了全面分析。传统光 谱仪虽然应用广泛，但是其体积大、灵活性差。光谱仪的小型化成为了光谱仪发展的 方向。 6 天津科技大学硕士学位论文 2 光栅色散型发射光谱仪器 原子发光光谱仪通常简称为光谱仪，它是根据观测物质中不同原子在能级跃迁 时所发射的原子光谱，以确定该物质化学成分的仪器。通过发射光谱法得到的光谱 波长范围一般在1 9 0 - _ 9 0 0 1 1 i i l 。光谱仪按其分光原理的不同可分为空间色散型和调 制型，本章主要介绍的是基于空间色散原理的光谱仪【2 5 】【2 6 】。 2 1 光谱仪器的基本特性 光谱仪器的基本特性主要包括：工作光谱范围、色散率、分辨率、光强度和工 作效率等2 5 也7 1 。 一、工作光谱范围 工作光谱范围指光谱仪器所能记录的光谱范围，它主要决定于仪器中所采用的 探测系统的光谱灵敏度和光学零件的光谱投射率或反射率。例如，一般玻璃棱镜光 谱仪的工作光谱范围在4 0 0 n m - l o o o n m ，超出1 0 0 0 n m 的范围使用红外晶体材料制 造光学零件才能获得，小于4 0 0 n m 的则用石英或是荧石来制作。光电倍增管的光 谱灵敏度界限在8 5 0 n m 左右，红外波段则要改用热敏元件作为接收器。 二、色散率 色散率表明从光谱仪色散系统中射出的不同波长的光线在空间中彼此分开的 程度，或者是聚集到焦平面上彼此分开的距离。分别用角色散率和线色散率来表述。 1 角色散率 定义为d g d a ，表明二不同波长的光线彼此分开的角距离。其中d o 为二不同 波长的光纤经过色散系统后的偏向角之差；姒为二光线的波长差。角色散率的单 位为r a d n m ，其大小主要取决于色散系统的几何尺寸和它在仪器中的安放位置。 2 线色散率 定义为d l d 旯，表明二不同波长的谱线在成像系统焦平面上彼此分开的距离。 其中d l 表述两不同谱线之间的距离，d 五为两谱线的波长差。线色散率的单位是 m m n m ，有时也可以用上述数值的倒数来表述，称为线色散率倒数，其单位为 n m m m o 在棱镜和光栅光谱仪器中，角色散率与线色散率的关系如下，式中厂。为成像 物镜的焦距。 d 1d o 一= f d 丸。d 九 式( 2 1 ) 如果实际成像面位置不在理想的高斯面上，而是与光轴之间有夹角为占的倾 斜，则 堕：上粤 式(2-2)da 一= 一一 n lz - zj s i nea 九 j 7 2 光栅色散型发射光谱仪 由式( 2 2 ) 可知，当光谱仪器的成像平面与成像系统的光轴倾斜时，其线色 散率为垂直时的倍。 s m 占 以波长和波数表示的角色散率和线色散率之间的关系为 _ = d l ：名：二粤式( 2 - 3 ) 一= 九一r 一一 氏l z - j j do$m8 d 2 , 由式( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 可知，光谱仪器的线色散率不仅和元件的角色散率成正比 还与成像物镜的焦距成正比，与焦平面的倾斜角s 的正弦成反比。目前一般的中小 型光谱仪的线色散倒数约为( 1 0 1 ) n m m m ，大型光谱仪的为( 1 - 0 1 ) n m m i n 。 而法布里珀罗干涉光谱的线色散率倒数可达到( o 0 1 0 0 0 1 ) r i m r a m 。 三、分辨率 分辨率是表明光谱仪器分开两波长极为相近的二条谱线的能力，是光谱仪极其 重要的性能指标，表示为r = 名。例如，对于中型石英光谱仪，若要分开f e o 3 1 0 0 6 6 6a ，f e3 1 0 0 3 4a ，f e3 0 9 9 9 7a 这三条谱线，那么它的分辨率 r = 杉， 3 1 0 0 a 0 3 4 a - 9 0 0 0 。即它的分辨率要大于9 0 0 0 才能将这三条谱线分 ，凸1 , 开。 两相近谱线能不能被分开不仅决定于仪器的色散率，而其还和谱线的强度分布 轮廓、相对位置以及接受系统有关。光谱的强度分布轮廓是个复杂的函数，它与谱 线的真实轮廓、仪器色散系统、所用狭缝的宽带、入射狭缝的照明情况以及光学系 统的像差等因素有着密切的关系。一般中小型棱镜光谱仪的分辨率为1 0 3 一1 0 5 ，特 大型棱镜光谱仪可达l a x l 0 5 。衍射光栅光谱仪的分辨率可达5 x 1 0 5 ，而干涉光谱 仪的分辨率可高达5 1 0 7 。 四、光强度 光强度表征了光谱仪传递光能量的本领，用p 表示。表明了辐射光源的光谱亮 度和光谱仪直接测得的光强度数值之间的关系。 根据光度数值接收器的性质不同，光度分成了两类：一类是接受光的照度e 。 二是接收光能量q 。光电元件和眼睛所接受的是射入的总能量数值，所有光电光谱 仪和看谱仪的光度特性用“光通量的光强度 表示：感光板接收的是照度数值，所 以摄谱仪的光度特性用“照度光强度”表示。光度特性不仅与仪器的参数有关还与 光源的光谱特性有关。 五、工作效率 工作效率是光谱仪记录光谱的精度和速度的综合指标。精度包括了记录光谱波 长的精度和光谱强度的精度，和仪器的光强度、分辨率、色散率等因素有关。速度 8 天津科技大学硕士学位论文 是指从开动仪器到最后获得测量分析结果的时间。 一般而言把光谱仪器的分辨率和光强度乘积作为比较不同仪器工作效率的系 数r ，即 r = r p式( 2 - 4 ) p 为光强度，r 为分辨率。 2 2 平面衍射光栅的分光原理及基本特性 光栅的种类有很多，平面光栅、凹面光栅和阶梯光栅等，平面光栅又有透射式 和反射式两种。反射式衍射光栅是在高精度平面上刻有一系列等宽而又等间隔的刻 痕所形成的元件，一般的光栅在一毫米内刻有数十条至数千条刻痕【2 8 儿2 9 1 。 2 2 1 平面衍射光栅的分光原理 2 图2 1 平面光栅色散原理 f i g 2 - 1d i s p e r s i o np r i n c i p l eo fp l a n eg r a t i n g 如图2 1 所示，当一束平行的复合光入射到光栅上，它将被光栅分解为光谱， 这是由于多缝衍射和干涉结果造成的，光栅产生的光谱的谱线位置是由多缝衍射图 样中的主最大条件决定的。 垂直光栅刻痕的平面称为光栅的主截面，考虑光线在主截面内入射和衍射的情 况。如上图示，两刻痕对应的光线的光程差为 a = d ( s i n i + s i n o ) 相干光束干涉的极大条件值为 a = ，竹兄 由上两式得出光栅方程为 d ( s i n i + s i n 8 ) = 所见 式( 2 5 ) 式( 2 6 ) 式( 2 7 ) 式中f 为入射角，p 为衍射角，d 为刻痕间距( 通常称为光栅系数) ，m 为光谱 9 2 光栅色散型发射光谱仪 级次( 为整数，1 ，y 2 ，) 上式可改写为 广1 口：a r c s i n i 掣一s i n il式( 2 8 ) l 口i 由式( 2 8 ) 可见，当光栅常数和入射角一定时，除零级外，在确定的光谱级 中，波长越大的光栅衍射角越大。这样不同波长的同级主最大，从零级开始向左 右两侧，按波长次序由短波长向长波长散开。而由于总的刻线数目很大，所以主最 大对应的角度很小，在光栅后面的透镜焦平面上就形成了明亮的细线谱线。而 对于m = 0 时的零级光谱是没有散射的。在零级光谱两边，m o 的称为正光谱。 对于给定的光栅，可观察到的最高光谱级次是受下条件限制的， 即 s i n i + s i n 0 i 2 埘咄 i , 为了获得某一波长的m 级光谱，选用光栅时必须遵守上式。 2 2 2 平面衍射光栅的基本特性 一、光栅的角色散率 对光栅方程式( 2 7 ) 微分可得 d em 一：= 一 d ad c o s 0 上式即是光栅的叫色散率公式，由式可见 光谱的角色散率与光栅常数d 成反比。 光栅的色散率与光谱级次成正比。 式( 2 9 ) 式( 2 1 0 ) 光栅的角色散率与衍射角的余弦成反比，改变入射角以增大衍射角时也可 以增大角色散率。 光栅的线色散率由如下 一 一d s ：型 式( 2 1 1 ) d ；ld - c o s 9 二、光栅的分辨率 光栅的分辨率定义和棱镜的分辨率定义基本相同【3 0 j ，其表达式如下 足= 旦= m n式( 2 1 2 ) d a 上式是光栅理论分辨率公式，增加刻线总有两种途径，其一是增大光栅刻画面 l o 天津科技大学硕士学位论文 的宽度b ，这样可保持d 不变而使n 正大；其二就是减少光栅的刻痕间距d ，而从 式( 2 - 9 ) 可知减少间距d 和采用高级次光谱存在着矛盾。 三、光栅的横向放大率( 角放大率) 光栅在主界面内的横向放大率决定于入射光束的入射角余弦和衍射光束的衍 射角余弦之比 。d o c o s f k = 一= 一 d ic o s 秒 正负级光谱的放大率随着衍射角的增多而增大。 四、平面衍射光栅的光谱强度分布 在光谱面上任意一点的光谱强度为 式( 2 1 3 ) h 口2 ( 警) 2 ( 警) 2 北， 式中c 。比例常数； 口光栅单个刻槽的宽度o 正入射情况下，单个刻槽两边缘上两条衍射光线的相位差的一 半。p = 7 r a s i n 9 ；lo y 正入射情况下，相差一个刻槽的二条衍射光线的位相差的一半， v = 刀 a s i n d | 九。 五、光栅光谱的叠级和自由光谱范围 从光栅方程可见，在入射角一定的条件下，在同一衍射方向可有不同波长、不 同级次的光谱重叠在一起。 所i = m 2 如= 鸭五” 这种不同级次、不同波长的光谱重叠在一起的现象称为光栅光谱的叠级。一个 光谱级中不受其他级次光谱重叠的波段成为自由范围，可以相邻的级次能重叠的二 谱线的波长差五求出，即 允： m l 可见，光栅光谱的自由光谱范围和光谱级次是成反比的。 六、光栅光谱的缺级现象 从式( 2 1 4 ) 可见当a s i n 秒= 所允且m = l ，2 ，3 ，时 坐；0 式( 2 1 5 ) 式( 2 1 6 ) 从而i = o ，这表示本来应该是m 级主最大的方向现在合成强度为零，发生光谱 缺级现象。 2 光栅色散型发射光谱仪 d ：m ：k 一= - 一= 口胁 式( 2 1 7 ) 式( 2 1 6 ) 表明，当光栅常数d 和刻痕宽度a 的比值k 为整数时，在光谱中当 m = k ，2 k ，3 k 时，将产生缺级。因此一般的光栅上d 和a 的比不成整数。 2 3 色散型光谱仪基本结构 如图2 2 所示，传统的发射光谱仪主要包括激发光源、分光系统和检测系统三 部分【3 l 】。 图2 - 2 发射光谱仪的原理图 f i g 2 - 2s c h e m a t i co fe m i s s i o ns p e c 订o m e t c r l 一激发光源2 分光系统3 一检测元件 2 31 激发光源 光源的作用是使试样蒸发、解离、原子化、激发、跃迁产生光辐射。由此可见， 光源对整个光谱仪系统的精密度和准确度都有很大影响。目前常用的光源有直流电 弧、交流电弧、电火花及电感耦合高频等离子体( i c p ) 。 2 3 11 直流电弧 直流电弧【3 2 】是使用最早的发射光谱激发源，至今在稀有金属的纯度分析和地质 样品的定性以及半定性分析中仍被广泛应用。 图2 3 是直流电弧发生器的电路原理，直流电弧使通常大气压下的气体放电， 与固体导体不同，电弧的电阻受温度的影响很大【3 3 1 1 3 4 1 。直流电弧的优点是其分析 绝对灵敏度较高，尤其是对激发电位较低的元素有较好的检出限。直流电弧辐射的 光比较强、最终得到的光谱信号较强，因此预燃时间和曝光时间可以较短，从而缩 短光谱分析的时间。其缺点是电弧不稳定，结果重现性差，温度在4 0 0 0 - 7 0 0 0 c 。， 但是激发温度不高，对于对激发能要求较高的元素检出限差。而且谱线容易产生自 1 2 天津科技大学硕士学位论文 吸收现象。 课题要求是光谱仪的小型化，以适应更广泛的应用场合。由于直流电弧耗能大， 不适合做为本光谱分析系统的光源。 a c d c 酣 孓 c e 毒萎l 毛i p 1 t 1 t i 。 p 2 图2 3 直流电弧光源原理图 f i g 2 - 3s c h e m a t i co fd ca 佗 r ir 2 ：电阻t i ：变压器l 1l 2 ：互感线圈 c l ：振荡回路电容c 2 ：旁路电容p i ：放电间隙p 2 ：电极间隙 2 3 1 2 交流电弧 交流电弧光源1 3 5 l y 分为两类：高压和低压交流电弧。高压交流电弧是在两电极 间加上高达数千伏的电压使之击穿放电，高电压操作不安全，体积较大，因而使用 不多，应用较多的是低压交流电弧光源。低压交流电弧使用2 2 0 v 交流电源，但是 2 2 0 v 交流电压不能直接击穿电极间隙，故需用高频振荡回路来引燃交流电弧。 a c a c r 2 图2 4 交流电弧光源原理图 f i g 2 - 4s c h e m a t i co f a c 剐陷 r ir 2 ：电阻t 1 ：变压器l 1l 2 ：互感线圈 忑 c l ；振荡回路电容 2 光栅色散型发射光谱仪 交流电弧测量结果具有较好的重现性，但光谱背景较深，检测限比直流电弧差 p 引。同直流电弧一样受电源限制，本系统不能采用此光源。 2 3 1 3 电火花光源 火花光源也是光谱分析中常用光源之一 3 7 o 这种光源的主要是利用高压给电容 充电，借助电容放电使电极间隙气体电离而击穿，引起放电，放电时间可控3 8 】【3 9 1 【4 0 】。 火花放电特性是有很高的激发能力，电流密度相当高，温度可以达到7 0 0 0 1 0 0 0 0 k 以上。因此火花放电比电弧放电有更强的激发和电离能力，能产生很强的 离子光谱。因此适应于难激发元素分析，同时又由于放电间隙长，电极温度( 蒸发 温度) 低，检出限低，多适于分析易熔金属，合金样品及高含量元素分析。而且具 有放电稳定，放电重现性好，激发的谱线自吸小等优点。同时具有很好的可控性， 放电时间短且能控制，耗能较小，适合有电源要求的光谱系统。 2 3 1 4 等离子光源 等离子体是一种电离气体，与普通气体不同的是，它是电的导体，因为其中含 有大量的电子及正离子，且正负电荷相等，故称为等离子体( p l a s m a ) ，在现代科 技中等离子技术应用广泛【4 。 等离子光源是原子发射光谱分析仪的理想光源t a 2 j t 4 3 1 ，它是原子发射光谱分析 工作者在探求新光源方面取得的重要进展，是光谱分析发展史上的一个新里程碑， 使古老的光谱分析获得了新生。i c p 光源的蒸发和激发温度高，因此检测限低，且 集体效应小。具有稳定，精度高，背景小等优点。但是其设备要求和造价都较电火 花光源高很多。 综上所述，采用电火花光源作为课题设计中光谱仪的光源系统。 2 3 2 分光系统 分光系统将试样中待测元素的激发态原子或离子所发射的特征光色散分开，并 按波长顺序排列，形成我们熟知的光谱l 。光谱仪主要有以下几种分光系统【4 5 】： 棱镜分光系统、艾伯特( e b e 哟平面光栅分光系统、却尔尼一特纳( c z e m y - z u m e r ) 平面光栅分光系统、凹面光栅分光系统、中阶梯光栅分光系统。 早期的光谱仪多为棱镜分光系统，典型的分光系统是由入射狭缝、准直物镜、 分光棱镜及暗箱物镜构成。棱镜的分光作用是由于不同波长的光在同一介质中具有 不同折射率而产生的。棱镜的色散原理由科希经验公式表示： b 毒h 刀= a + 。刀式( 2 1 8 ) 刀一棱镜折射率a 、b 、h - 一常数力一光波波长 波长越长，折射率越小，不同波长的复合光通过棱镜时，不同波长的光因折射 率不同而分开。 1 4 天津科技大学硕：j ：学位论文 2 3 2 1 艾伯特( e b e r t ) 平面光栅分光系统 艾伯特平面光栅分光系统的特点是用一块球面反射镜的两部分分别代替了准 直物镜及暗箱物镜。优点是结构紧凑，像散较小，转动光栅就可以得到不同波段【4 6 】。 如图2 5 是艾伯特( e b e r t ) 平面光栅分光系统的基本结构。 卿嘲烹 一。 一_ 一句光曩 一一一一旬反射馕 b 鼠挟_ 、 图2 5 艾伯特平面光栅分光系统光路图 f i g 2 - 5l i g h tm a dm a po fe b e r tp l a n eg r a t i n go p t i c a ls p e c t r o s c o p i cs y s t e m 由于该分光系统在焦平面不动的情况下，只需转动光栅就可以得到不同波段的 光谱。采用该结构的光谱仪能在机构较小的情况下实现较宽波段的分析。 2 3 2 3 却尔尼一特纳( c z e m y t u r n e r ) 平面光栅分光系统 该分光系统工作原理如图2 6 。光源经狭缝s 1 进入光谱仪，经准直镜m l 及光 栅g 分光后由物镜m 2 成像至出射狭缝s 2 。此装置有两个特点：它的光路是水平 对称于光栅两侧；准光镜和物镜是两块凹面反射镜，体积较小，调节方便【47 j 【4 引。 s 】i i g l s 2 ii 。霸m 1 1 0 霸 ；1 m 2 3 图2 - 6 却尔尼一特纳平面光栅分光系统光路图 f i g 2 - 6l i g h tr o a dm a p o fc z e m y t u r n e rp l a n eg r a t i n go p t i c a ls p e c t r o s c o p i cs y s t e m 2 3 2 4 凹面光栅分光系统 如图2 7 ，凹面光栅分光系统只有入射狭缝、光栅和出射狭缝。凹面光栅既起 分光作用，又起成像作用，三者都位于同一圆周上，即所谓的罗兰圆( r o w l a n d c i r c l e ) ，将光电倍增管放在罗兰圆上即可采集光谱信号【4 9 1 。凹面光栅没有色差、没 有吸收、反射光损失较小、工作波段比较容易扩展到远紫外区和远红外区，但其像 2 光栅色散型发射光谱仪 散比较大，谱线是弯曲的。该分光系统多用于多通道分光系统，若是想得到较宽波 段的光谱，则采用该分光系统的光谱仪体积会较大【5 0 1 。 可 光栅 出射狭缝田已臣矗出 国 目7 臼国 a 鲁光源 图2 7 凹面光栅分光系统光路图 f i g 2 - 7l i g h tr o a dm a p o fc o n c a v eg r a t i n go p t i c a ls p e c t r o s c o p i cs y s t e m 2 3 2 5 中阶梯光栅分光系统 中阶梯光栅又称为e c h e l l e 光栅，其阶梯之间的距离等于波长1 0 到2 0 0 倍，高 级次的光谱有很好的效率。所以中阶梯光栅分光系