專利名稱：一種分離波長快速選擇的串行控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光諮儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種分離波長 快速選擇的串行控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
差分吸收和波長對(duì)測量方法是光譜學(xué)測量中的重要方法。為進(jìn)行大氣臭氧總量全球分布的測量，美國利用波長對(duì)測量技術(shù)從上世紀(jì)70年代末開始 研制臭氧總量繪圖語^f義(TOMS)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)各探測波長的快速測量，該儀器 采用固定光柵、陣列式出射狹縫光譜儀和波長選擇盤，由單個(gè)光電探測器對(duì) 6個(gè)分離波長的信號(hào)按時(shí)序進(jìn)行測量。這里，實(shí)現(xiàn)測量信號(hào)與探測波長的準(zhǔn) 確同步是整機(jī)成敗的關(guān)鍵?，F(xiàn)行的做法是(見參考文獻(xiàn)1: N81-22393， Multi-Channel Chopper System for Total Ozone Mapping Spectrometer)由時(shí)鐘 給出基準(zhǔn)頻率，通過鎖相電路使無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，波長選擇盤與時(shí)鐘同步、 并以固定相位和出射狹縫鎖定，實(shí)現(xiàn)探測波長與出射狹縫的同步。這種控制 系統(tǒng)的主要問題是對(duì)波長選擇盤轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性和鎖相精度要求高，即對(duì)時(shí) 鐘、鎖相電路、無刷電機(jī)和波長選擇盤這一機(jī)電系統(tǒng)要求精確同步、且以固 定相位和出射狹縫精確鎖定。當(dāng)波長選擇盤與出射狹縫的相位發(fā)生變化時(shí)或 波長選擇盤轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定時(shí)，都將會(huì)造成測量信號(hào)與探測波長不同步，這將會(huì) 引起探測信號(hào)的測量錯(cuò)誤、丟失、甚至造成整機(jī)的失效。根據(jù)雨云-7衛(wèi)星臭 氧總量繪圖譜儀的運(yùn)行結(jié)果表明，波長選擇盤鎖相精度的降低、使測量信號(hào) 與探測波長不同步是該儀器資料丟失和最終完全失效的重要原因(見參考文 獻(xiàn)2: NASA RP畫13 84, Nimbus-7 Toatal Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) Data Products User's Guide, 1996, Section 4.7 )。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)在進(jìn)行分離波長快速測量時(shí)，測 量信號(hào)與探測波長易產(chǎn)生不同步的問題，提出 一種不受波長選擇盤轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性影響、測量信號(hào)與探測波長長期同步、穩(wěn)定可靠的波長選擇盤一采樣脈沖—AD采集的串行控制系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的分離波長快速選擇的串行控制系 統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電路、直流無刷電機(jī)、波長選擇盤、位置傳感器、光電探測器以及信號(hào)處理單元；所述驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)，所述直流無刷電機(jī) 用于帶動(dòng)所述波長選擇盤轉(zhuǎn)動(dòng)；光譜儀的出射狹縫陣列和所述光電探測器分 別位于所述波長選擇盤的兩側(cè)；所述波長選擇盤具有波長選擇孔和采樣脈沖 齒，所述波長選擇孔是具有一定張角和寬度的通孔，各波長選擇孔的張角彼 此不重疊，各波長選擇孔距所述波長選擇盤的轉(zhuǎn)軸的距離與光語儀的出射狹 縫陣列中對(duì)應(yīng)于不同波長的出射狹縫的位置相對(duì)應(yīng);所述采樣脈沖齒位于所 述波長選擇盤的邊緣處，并且所述采樣脈沖齒與各波長選"^奪孔——對(duì)應(yīng)；所 述位置傳感器靠近所述波長選擇盤的邊沿，用于檢測所述采樣脈沖齒；所述 位置傳感器和光電探測器將信號(hào)傳輸給所述信號(hào)處理單元。上述技術(shù)方案中，所述波長選擇盤安裝在直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，波長 選擇盤的軸線與直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)軸重合，并放置在光譜儀出射狹縫后，緊 靠出射狹縫處。上述技術(shù)方案中，所述波長選擇孔呈弧形。上述技術(shù)方案中，所述波長選擇孔的寬度大于所述光譜儀的出射狹縫的 縫寬。上述技術(shù)方案中，所述采樣脈沖齒、所述波長選擇孔的開始處以及所述波長選擇盤的中心位于同一直線上。上述技術(shù)方案中，所述采樣脈沖齒是位于所述波長選擇盤邊緣的缺口 。 上述技術(shù)方案中，所述波長選擇盤分為空閑區(qū)和波長選擇區(qū)；所述空閑區(qū)和波長選擇區(qū)各占有一定張角，所述波長選擇孔均位于所述波長選擇區(qū)的張角內(nèi)。本發(fā)明具有如下技術(shù)效果對(duì)采用單個(gè)光電探測器測量多個(gè)分離波長的 光譜儀而言，利用本波長選擇盤一采樣脈沖一AD采集的串行控制系統(tǒng)，使 測量信號(hào)與探測波長長期穩(wěn)定可靠同步。通過波長選擇盤上同時(shí)載有波長選 擇孔和采樣脈沖齒的設(shè)計(jì)，使采樣脈沖齒和波長選擇孔具有按設(shè)計(jì)要求完全 同步，有效地消除了波長選擇盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性對(duì)測量信號(hào)與探測波長同步的影 響。即使當(dāng)環(huán)境條件或直流無刷電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)變化，使直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速變化和不穩(wěn)定時(shí)也不會(huì)造成資料的丟失，從而提高了資料的獲取率和整 機(jī)的可靠性。由于本系統(tǒng)探測波長的更換靠波長選擇盤的轉(zhuǎn)動(dòng)完成，從而實(shí) 現(xiàn)了探測波長的快速選擇。


以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖l是本發(fā)明波長選擇串行控制系統(tǒng)的原理示意圖；圖2是本發(fā)明波長選擇盤示意圖；圖3是本發(fā)明的信號(hào)采集部分程序流程圖。1驅(qū)動(dòng)電路 2--直流無刷電機(jī) 3--波長選擇盤 4——位置傳感器 5--光電探測器 6--信號(hào)處理單元 7—一光譜儀出射狹縫2-1——波長選擇區(qū) 2-2——空閑區(qū)2-1-1——波長選擇孔 2-1-2——采樣脈沖齒具體實(shí)施方式
實(shí)施例如圖1所示。本實(shí)施例包括驅(qū)動(dòng)電路1、直流無刷電才幾2、波長選擇盤3、 位置傳感器4、光電探測器5以及信號(hào)處理單元6組成。驅(qū)動(dòng)電路1將直流供電電源變?yōu)轵?qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)2所需要的三相電 源，按直流無刷電機(jī)2所需時(shí)序供給直流無刷電機(jī)2,以驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī) 2轉(zhuǎn)動(dòng)，直流無刷電機(jī)2用于帶動(dòng)波長選擇盤3的轉(zhuǎn)動(dòng)。直流無刷電機(jī)2采 用直流無刷力矩電^L，轉(zhuǎn)速為250rpm。波長選擇盤3安裝在直流無刷電機(jī)2的轉(zhuǎn)軸一端，波長選擇盤3的軸線 與直流無刷電機(jī)2的轉(zhuǎn)軸重合。波長選擇盤3放置在光譜儀出射狹縫7后， 緊靠出射狹縫處。波長選擇盤3的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它分為兩個(gè)區(qū)， 一個(gè)是 波長選擇區(qū)2-l，約占288。、即波長選擇盤的80%;余下的20%，為空閑區(qū) 2-2。波長選擇區(qū)2-l內(nèi)放置有波長選擇孔2-1-1和采樣脈沖齒2-1-2。在本例為六個(gè)探測波長的情況下，分別有六個(gè)波長選擇孔2-1-1和六個(gè)采樣脈沖齒 2-1-2。各波長選擇孔2-1-1中心到波長選擇盤3轉(zhuǎn)軸的徑向距離等于光譜儀 出射狹縫陣列中心到波長選擇盤3軸線的距離，以保證各波長選擇孔距所述 波長選擇盤的轉(zhuǎn)軸的距離與光譜儀的出射狹縫陣列中對(duì)應(yīng)于不同波長的出 射狹縫的位置相對(duì)應(yīng)。各波長選擇孔2-1-1在波長選擇區(qū)2-1范圍內(nèi)各占一 定的張角，彼此互不重疊；在本例情況下，波長選擇孔2-1-1的最大張角應(yīng) 小于48°。波長選擇孔2-1-1的寬度選取應(yīng)使其大于光譜儀單個(gè)出射狹縫的 寬度，但又要根據(jù)探測波長的情況不使相臨兩個(gè)出射狹縫的光輻射同時(shí)通過 同一波長選擇孔2-l-l。波長選擇孔2-1-1用于探測波長的選取，即隨著波長 選擇盤3的轉(zhuǎn)動(dòng)，在特定時(shí)刻，僅有一個(gè)波長的光輻射通過波長選擇孔2-1-1, 其余波長的光輻射均被波長選擇盤3阻擋。采樣脈沖齒2-1-2位于波長選擇盤3的邊緣、各波長選擇孔2-1-1的開 始處；采樣脈沖齒2-1-2相對(duì)波長選擇盤3轉(zhuǎn)軸的張角根據(jù)波長選擇盤3的 轉(zhuǎn)速和位置傳感器4的響應(yīng)特性確定，以使位置傳感器4有足夠的響應(yīng)，便 于確定采樣脈沖齒2-1-2的起始位置，在本例中取為2。；齒深以便于位置傳 感器測量為宜，在本例中取為4mm。采樣脈沖齒2-1-2用于提供波長選擇孔 的起始位置。波長選擇盤3的空閑區(qū)2-2用于波長選擇盤3起點(diǎn)的定位和信號(hào)預(yù)處理、 打包。光電探測器5采用R7111-01光電倍增管。光電探測器5放置在波長選 擇盤3后，緊貼波長選擇盤，且處于光語儀出射狹縫陣列的中間位置；光電 探測器5的高度與光譜儀出射狹縫7高度一致，使光電探測器可接收到通過 光譜儀各出射狹縫的光輻射。光電探測器5將通過光譜儀出射狹縫7的光輻 射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)供給信號(hào)處理單元6。通過波長選擇盤3的轉(zhuǎn)動(dòng)，波長選擇孔2-1-1按設(shè)計(jì)要求依次選取各探 測波長的光輻射(在本例中為6個(gè)探測波長)。當(dāng)給定探測波長的光輻射通 過波長選擇孔2-1-1到達(dá)光電探測器5時(shí)，與波長選擇孔2-1-1相應(yīng)的采樣 脈沖齒2-1-2也到達(dá)位置傳感器4。位置傳感器4采用美國霍尼威爾公司的 HOA1875型光斷續(xù)器。位置傳感器4放置在光譜儀出射狹縫7 —側(cè)，其高 度與光i普儀出射狹縫7高度相同。當(dāng)波長選擇盤3轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，波長選擇盤3上 的采樣脈沖齒2-1-2將通過位置傳感器4,切割位置傳感器4的光束，使采 樣脈沖齒2-1-2到達(dá)位置傳感器4位置時(shí)，位置傳感器4輸出一高電平脈沖，即釆樣脈沖，供給信號(hào)處理單元6。信號(hào)處理單元6由信號(hào)放大器、AD采集電路、單片機(jī)和相應(yīng)的軟件組 成。其作用是對(duì)光電探測器5和位置傳感器4測量的信號(hào)進(jìn)行放大、對(duì)光電 探測器5的測量信號(hào)進(jìn)行AD采集，并根據(jù)設(shè)計(jì)識(shí)別所探測的波長。當(dāng)信號(hào)處理單元收到采樣脈沖后，由軟件控制信號(hào)處理單元開始進(jìn)行數(shù) 據(jù)采集，獲得該波長的探測信號(hào)值；并根據(jù)設(shè)計(jì)識(shí)別所探測的波長。 采樣脈沖和探測信號(hào)釆集程序工作步驟如下參見圖3。 步驟S3-l,根據(jù)波長選擇盤3上的空閑區(qū)2-2判斷波長選擇盤3的起點(diǎn)； 步驟S3-2，根據(jù)位置傳感器4給出的采樣脈沖，確定采樣脈沖齒2-1-2、 即波長選擇孔2-1-1的位置，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)位置傳感器采集到采樣 脈沖時(shí)，信號(hào)處理單元首先進(jìn)行AD采集的預(yù)測量，并根據(jù)預(yù)測量值進(jìn)行光 電探測器放大器增益檔的判斷，并進(jìn)行光電探測器放大器增益檔的設(shè)定；步驟S3-3，在設(shè)定光電探測器放大器增益檔后，對(duì)探測信號(hào)進(jìn)行AD采 集。為減小AD轉(zhuǎn)換誤差，AD采集連續(xù)進(jìn)行16次，測量值為16次AD采 集的平均值；步驟S3-4，當(dāng)探測數(shù)據(jù)AD采集完成后，判斷本輪光譜測量是否完成。 在要求測量的6個(gè)探測波段的信號(hào)未完成，即釆樣脈沖計(jì)數(shù)小于6時(shí)，本輪 光譜測量未完成；此時(shí)應(yīng)返回步驟S3-2，繼續(xù)查找波長選擇盤3上的下一個(gè) 采樣脈沖齒2-1-2。當(dāng)采樣脈沖計(jì)數(shù)等于6時(shí)，本輪光譜測量已完成，則將 探測數(shù)據(jù)打包和進(jìn)行必要的預(yù)處理后輸出，等待下一輪光譜測量。
權(quán)利要求
1.一種分離波長快速選擇的串行控制系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、波長選擇盤、位置傳感器、光電探測器以及信號(hào)處理單元；所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于帶動(dòng)所述波長選擇盤轉(zhuǎn)動(dòng)；光譜儀的出射狹縫陣列和所述光電探測器分別位于所述波長選擇盤的兩側(cè)；所述波長選擇盤具有波長選擇孔和采樣脈沖齒，所述波長選擇孔是具有一定張角和寬度的通孔，各波長選擇孔的張角彼此不重疊，各波長選擇孔距所述波長選擇盤的轉(zhuǎn)軸的距離與光譜儀的出射狹縫陣列中對(duì)應(yīng)于不同波長的出射狹縫的位置相對(duì)應(yīng)；所述采樣脈沖齒位于所述波長選擇盤的邊緣處，并且所述采樣脈沖齒與各波長選擇孔一一對(duì)應(yīng)；所述位置傳感器靠近所述波長選擇盤的邊沿，用于檢測所述采樣脈沖齒；所述位置傳感器和光電探測器將信號(hào)傳輸給所述信號(hào)處理單元。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分離波長快速選擇的串行控制系統(tǒng)，其特 征在于，所述波長選擇盤安裝在直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，波長選擇盤的軸線 與直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)軸重合，并放置在光語儀出射狹縫后，緊靠出射狹縫處。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分離波長快速選擇的串行控制系統(tǒng)，其特 征在于，所述波長選擇孔呈弧形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的分離波長快速選擇的串行控制系統(tǒng)，其特 征在于，所述波長選擇孔的寬度大于所述光譜儀的出射狹縫的縫寬。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的分離波長快速選擇的串行控制系統(tǒng)，其特 征在于，所述采樣脈沖齒、所述波長選擇孔的開始處以及所述波長選擇盤的 中心位于同一直線上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分離波長快速選擇的串行控制系統(tǒng)，其特 征在于，所述釆樣脈沖齒是位于所述波長選擇盤邊緣的缺口 。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分離波長快速選擇的串行控制系統(tǒng)，其特 征在于，所述波長選擇盤分為空閑區(qū)和波長選擇區(qū)；所述空閑區(qū)和波長選擇 區(qū)各占有一定張角，所述波長選擇孔均位于所述波長選擇區(qū)的張角內(nèi)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分離波長快速選擇的串行控制系統(tǒng)，其特 征在于，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)包括驅(qū)動(dòng)電路和直流無刷電機(jī)；所述驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū) 動(dòng)直流無刷電機(jī)，所述直流無刷電機(jī)用于帶動(dòng)所述波長選擇盤轉(zhuǎn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種分離波長快速選擇的串行控制系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、波長選擇盤、位置傳感器、光電探測器以及信號(hào)處理單元；所述波長選擇盤具有波長選擇孔和采樣脈沖齒，所述波長選擇孔是具有一定張角和寬度的通孔，各波長選擇孔的張角彼此不重疊，各波長選擇孔距所述波長選擇盤的轉(zhuǎn)軸的距離與光譜儀的出射狹縫陣列中對(duì)應(yīng)于不同波長的出射狹縫的位置相對(duì)應(yīng)；所述采樣脈沖齒位于所述波長選擇盤的邊緣處，并且所述采樣脈沖齒與各波長選擇孔一一對(duì)應(yīng)；所述位置傳感器靠近所述波長選擇盤的邊沿，用于檢測所述采樣脈沖齒；所述位置傳感器和光電探測器將信號(hào)傳輸給所述信號(hào)處理單元。本發(fā)明能夠使測量信號(hào)與探測波長長期穩(wěn)定可靠同步。
文檔編號(hào)G01J3/28GK101216346SQ200810056090
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2008年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月11日
發(fā)明者呂建工, 張仲謀, 王詠梅, 王英鑒, 管鳳君, 濟(jì) 陳 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心