精密仪器设计18第七章课件

第七章精密仪器设计实例通过对便携式近红外光谱仪器、激光干涉测长仪*设计分析，掌握精密仪器的特点、要求、结构及设计方法。第七章精密仪器设计实例通过对便携式近红外光谱仪器、激光干内容7.1*近红外光谱仪器设计7.2激光干涉测长仪设计内容7.1*近红外光谱仪器设计7.1近红外光谱仪器设计一、近红外光谱仪器概述二、总体设计三、主要模块设计7.1近红外光谱仪器设计一、近红外光谱仪器概述二、总体设计1、确定方案2、主要模块二、总体设计1、确定方案1、确定方案仪器要求：便携式，固体样品、野外现场测量。主要技术指标：

1、波长范围：1300-2500nm2、分辨率：7-10nm3、采样间距：2或4nm4、光谱测量时间：20-60s5、仪器重量：低于5kg6、电源：野外电池供电光源：卤钨灯分光：单光路光栅扫描取样：漫反射积分球1、确定方案仪器要求：光源：卤钨灯系

统

结

构

框

图光源分光系统积分球PbS放大系统

单片机控制系统波长扫描驱动上层控制系统数据采集样品系统结构框图光分光积分球PbS放大单2、主要模块设计1、光学系统设计2、机械系统设计3、电路系统设计4、软件系统设计2、主要模块设计1、光学系统设计1、光路系统设计光源系统分光系统卤钨灯切光器光栅及两个凹面反射镜积分球样品出射狭缝入射狭缝探测器透镜聚光系统1、光路系统设计光源系统分光系统卤钨灯切光器光栅及两个积分球2、机械系统设计光源系统

积分球切光器

分光系统积分球传动机构分光系统仪器机械布局框图

2、机械系统设计光源系统分光系统仪器机械布局框图3、电路系统设计仪器电路框图

光栅扫描驱动系统89C2051控制系统MAX232/USB前放系统数据采集系统PbS探测器信号处理系统稳速电路参考信号检测电路调制装置3、电路系统设计仪器电路框图光栅扫描89C2051MAX24、软件系统设计主机控制软件系统自检模块启动自检模块功能自检模块光谱扫描模块背景扫描白板扫描样品扫描参数设置模块数据处理模块帮助模块样品光谱计算数据存储、调用、显示底层驱动软件框图

上层控制软件框图

等待上层命令并喂狗接受参数N根据参数处理命令处理命令反相转动N纳米通讯功能测试放大倍数设置采集次数设置回到光学零点开始采样释放步进电机命令有参数？初始化切光器控制发送处理结果正相转动N纳米YN4、软件系统设计系统自检模块启动自检模块功能自检模块光谱扫描三、主要模块设计（1）分光系统（2）分光扫描及其驱动系统（3）信号检测控制系统（4）通讯及数据处理模块三、主要模块设计（1）分光系统（1）分光系统（1）分光系统（2）分光扫描及其驱动系统1-螺杆2-螺母3-销4-滑槽5-摆杆6-轴7-光栅AOBβ（2）分光扫描及其驱动系统1-螺杆2-螺母3-销（3）信号检测控制系统传感器前放锁相放大器

A/D模块

机片

单电机驱动模块块模讯通（3）信号检测控制系统传感器前放锁相放大器A/锁相放大带通滤波器信号输入模拟移相器同步积分器脉冲产生电路方波整形电路滤波及倒相电路电压跟随器PSD信号通道参考通道CBA锁相放大带通信号模拟同步脉冲产生电路方波整形电路滤波及倒相电测控电路USB接口模拟信号USB接口芯片PDIUSBD12单片机AT89S52AD7715MC1413上位机步进电机测控电路USB模拟信号USB接口芯片单片机AD7715MC1（4）通讯及数据处理模块（4）通讯及数据处理模块精密仪器设计18第七章课件扫描型近红外光谱仪设计注意问题光学系统：机械系统：

扫描机构——

切光器——电路系统：

分光的范围与分辨率波长的准确性

检测信号的频率、参考信号的占空比。信号的稳定——光源、传感器线性——放大电路起始位置定位（机械零点）；电机的角度与波长的线性关系（步距当量）；扫描型近红外光谱仪设计注意问题光学系统：近红外光谱分析仪器的研制采取系列措施：

传感器稳压加制冷、光源稳流、调制信号稳压、分时控制、信号调理方法改进，提高自制仪器的稳定性、分辨率，降低功耗。PISA-2PISA-4近红外光谱分析仪器的研制采取系列措施：PISA-2PISA-PISA-4PISA-4PISA系列仪器PISA_MPISA_SFPISA_CFPISA_OUPISA_RCPISA_ASPISA系列仪器PI稳定性PISA-2PISA-4PISA-2PISA-42.82%0.98%仪器参数光谱范围：1200-2500nm采样间隔：4nm样品：高岭石固体取样方式：积分球稳定性PISA-2PISA-4PISA-2PISA-42.8分辨率PISA-2PISA-4小于16nm（@1400nm）分辨率PISA-2PISA-4小于16nm（@1400nm）测量对比便携式近红外光谱分析仪南京中地：BJKF-1自制PISA-2：光谱范围1200-2500nm

采样间隔4nm自制PISA-4：光谱范围1200-2500nm

采样间隔4nm南京中地（BJKF-1）光谱范围1300-2500nm

采样间隔2nm样品：滑石粉末PISA-2PISA-4测量对比便携式近红外光谱分析仪南京中地：BJKF-1自制P分辨率小于24nm（@2300nm）分辨率小于24nm（@2300nm）与国内外仪器对比对比结果表明：PISA-4的仪器性能指标，尤其是分辨率，达到国内外同类仪器产品的水平。与国内外仪器对比对比结果表明：四、思考（1）便携式仪器设计的关键是什么？（2）如何解决微型精密仪器的结构简单、紧凑与高精度的矛盾？四、思考（1）便携式仪器设计的关键是什么？第七章精密仪器设计实例通过对便携式近红外光谱仪器、激光干涉测长仪*设计分析，掌握精密仪器的特点、要求、结构及设计方法。第七章精密仪器设计实例通过对便携式近红外光谱仪器、激光干内容7.1*近红外光谱仪器设计7.2激光干涉测长仪设计内容7.1*近红外光谱仪器设计7.1近红外光谱仪器设计一、近红外光谱仪器概述二、总体设计三、主要模块设计7.1近红外光谱仪器设计一、近红外光谱仪器概述二、总体设计1、确定方案2、主要模块二、总体设计1、确定方案1、确定方案仪器要求：便携式，固体样品、野外现场测量。主要技术指标：

1、波长范围：1300-2500nm2、分辨率：7-10nm3、采样间距：2或4nm4、光谱测量时间：20-60s5、仪器重量：低于5kg6、电源：野外电池供电光源：卤钨灯分光：单光路光栅扫描取样：漫反射积分球1、确定方案仪器要求：光源：卤钨灯系

统

结

构

框

图光源分光系统积分球PbS放大系统

单片机控制系统波长扫描驱动上层控制系统数据采集样品系统结构框图光分光积分球PbS放大单2、主要模块设计1、光学系统设计2、机械系统设计3、电路系统设计4、软件系统设计2、主要模块设计1、光学系统设计1、光路系统设计光源系统分光系统卤钨灯切光器光栅及两个凹面反射镜积分球样品出射狭缝入射狭缝探测器透镜聚光系统1、光路系统设计光源系统分光系统卤钨灯切光器光栅及两个积分球2、机械系统设计光源系统

积分球切光器

分光系统积分球传动机构分光系统仪器机械布局框图

2、机械系统设计光源系统分光系统仪器机械布局框图3、电路系统设计仪器电路框图

光栅扫描驱动系统89C2051控制系统MAX232/USB前放系统数据采集系统PbS探测器信号处理系统稳速电路参考信号检测电路调制装置3、电路系统设计仪器电路框图光栅扫描89C2051MAX24、软件系统设计主机控制软件系统自检模块启动自检模块功能自检模块光谱扫描模块背景扫描白板扫描样品扫描参数设置模块数据处理模块帮助模块样品光谱计算数据存储、调用、显示底层驱动软件框图

上层控制软件框图

等待上层命令并喂狗接受参数N根据参数处理命令处理命令反相转动N纳米通讯功能测试放大倍数设置采集次数设置回到光学零点开始采样释放步进电机命令有参数？初始化切光器控制发送处理结果正相转动N纳米YN4、软件系统设计系统自检模块启动自检模块功能自检模块光谱扫描三、主要模块设计（1）分光系统（2）分光扫描及其驱动系统（3）信号检测控制系统（4）通讯及数据处理模块三、主要模块设计（1）分光系统（1）分光系统（1）分光系统（2）分光扫描及其驱动系统1-螺杆2-螺母3-销4-滑槽5-摆杆6-轴7-光栅AOBβ（2）分光扫描及其驱动系统1-螺杆2-螺母3-销（3）信号检测控制系统传感器前放锁相放大器

A/D模块

机片

单电机驱动模块块模讯通（3）信号检测控制系统传感器前放锁相放大器A/锁相放大带通滤波器信号输入模拟移相器同步积分器脉冲产生电路方波整形电路滤波及倒相电路电压跟随器PSD信号通道参考通道CBA锁相放大带通信号模拟同步脉冲产生电路方波整形电路滤波及倒相电测控电路USB接口模拟信号USB接口芯片PDIUSBD12单片机AT89S52AD7715MC1413上位机步进电机测控电路USB模拟信号USB接口芯片单片机AD7715MC1（4）通讯及数据处理模块（4）通讯及数据处理模块精密仪器设计18第七章课件扫描型近红外光谱仪设计注意问题光学系统：机械系统：

扫描机构——

切光器——电路系统：

分光的范围与分辨率波长的准确性

检测信号的频率、参考信号的占空比。信号的稳定——光源、传感器线性——放大电路起始位置定位（机械零点）；电机的角度与波长的线性关系（步距当量）；扫描型近红外光谱仪设计注意问题光学系统：近红外光谱分析仪器的研制采取系列措施：

传感器稳压加制冷、光源稳流、调制信号稳压、分时控制、信号调理方法改进，提高自制仪器的稳定性、分辨率，降低功耗。PISA-2PISA-4近红外光谱分析仪器的研制采取系列措施：PISA-2PISA-PISA-4PISA-4PISA系列仪器PISA_MPISA_SFPISA_CFPISA_OUPISA_RC