一种光栅切换装置及其在宽光谱仪器中的使用方法与流程

本发明属于分析仪器测量，尤其涉及光谱仪器测量技术，具体涉及一种光栅切换装置。

背景技术：

1、根据光栅方程，衍射光栅的刻线数及闪耀角确定了衍射光栅的适用范围，对于宽光谱仪器，则须根据光谱区间选用多块光栅，通过光栅之间的切换，满足仪器光谱范围的要求。

2、目前，光栅的切换采用正弦丝杠或者涡轮蜗杆机构，对于二光栅之间的切换，一般采用正弦丝杠驱动光栅转台，对于三光栅之间的切换，一般采用蜗轮蜗杆驱动光栅转台。

3、目前的正弦丝杠结构，光栅垂直置于光栅转台，通过步进电机驱动正弦丝杠，旋转光栅转台，以光电开关或者微动开关进行定位，按照光栅转台的旋转角度，实现光栅的切换；蜗轮蜗杆结构，光栅垂直置于光栅转台，通过步进电机驱动蜗轮蜗杆，旋转光栅转台，以光电开关进行定位，按照光栅转台的旋转角度，实现光栅的切换。

4、由于正弦丝杠及蜗轮蜗杆机构采用同一转台进行光栅之间的切换及旋转，光栅转台旋转过程中，光栅衍射面的旋转中心未能保持与光栅转台的旋转轴重合，光栅的中心偏离光路，导致出射光偏离及光强降低；此外，步进电机的失步、蜗轮蜗杆的机械回程差，导致出射单色光的波长示值偏差。

技术实现思路

1、针对当前正弦丝杠及蜗轮蜗杆机构导致出射光偏离及光强降低、步进电机失步、蜗轮蜗杆的机械回程差导致出射光的波长示值偏差等缺点，本发明提供一种以光栅切换装置及其在宽光谱仪器中的使用方法。

2、本发明是通过如下技术方案实现的：一种光栅切换装置，包括光电开关、由第一步进电机驱动旋转的光栅转台和第二步进电机驱动旋转的光栅切换转台，光栅切换转台设置定位孔和位于与光栅切换转台同心圆周上的多个光栅，借助光电开关和定位孔实现光栅切换转台机械零位的定位，以此为基准，通过旋转固定角度，实现光栅切换，切换完成后，光栅的衍射面中心线与光栅转台的旋转轴心重合，从而实现本发明目的。

3、本发明涉及的一种光栅切换装置，包括光栅切换装置底座、光栅转台和光电开关、光栅转台驱动装置、光栅转台定位测量装置、光栅切换转台、光栅切换转台驱动装置和光栅支架；所述光电开关安装在光栅转台上；光栅切换转台为齿轮圆盘结构，面内设置定位孔，其与光栅转台以偏心、可相对转动的方式设置，两者相对转动角度合适时，光电开关光路导通；所述光栅转台驱动装置用于驱动光栅转台围绕其轴心旋转；光栅转台定位测量装置用于定位光栅转台旋转位置并测量其旋转角度；光栅切换转台驱动装置用于驱动光栅切换转台旋转；光栅支架位于光栅切换转台上方，用于安装光栅，借助光栅切换转台的转动，可以使光栅的衍射面中心线与光栅转台的旋转轴心重合。

4、优选的，所述光栅转台驱动装置包括第一推力轴承座、第一推力轴承、蜗轮、第一步进电机、联轴器、第一蜗杆支架、蜗杆和第二蜗杆支架；所述第一推力轴承座固定在光栅切换装置底座上；第一推力轴承嵌于第一推力轴承座与涡轮之间，光栅转台固定在蜗轮上，四者同轴心；蜗杆通过联轴器与第一步进电机的旋转轴同心连接，通过第一蜗杆支架、第二蜗杆支架保持涡轮与蜗杆的齿轮连接。

5、优选的，所述光栅转台定位测量装置为光栅尺，贴合在光栅转台的外圆周上。

6、优选的，所述光栅切换转台驱动装置，包括第二推力轴承座、第二推力轴承和第二步进电机；第二推力轴承座和第二步进电机安装在光栅转台上；第二推力轴承嵌于第二推力轴承座与光栅切换转台之间，光栅切换转台由第二步进电机通过齿轮驱动。

7、优选的，所述光栅支架安装的光栅都与光栅切换转台平面垂直；光栅切换转台驱动装置用于驱动光栅切换转台绕其轴心旋转；所有光栅的衍射中心线位于与光栅切换转台同心的圆周上。

8、本发明还涉及了一种光栅切换装置在宽光谱仪器中的使用方法，其特征在于，操作步骤如下：

9、1）根据测量波长区间需求，确定适用光栅数量及型号；

10、2）将光栅切换装置安装到宽光谱仪器上；将确定的光栅安装到光栅切换装置的光栅支架上；

11、3）定位光栅切换转台的机械零点

12、利用光栅切换转台驱动装置驱动光栅切换转台转动，至光电开关的光路导通，即为光栅切换转台的机械零点；

13、4）计算光栅的零位波长补偿值及光栅转台定位测量装置的位移当量

14、以光栅所用光谱灯的辐射波长为参考，基于光栅入射光与出射光的主光路夹角和光栅转台的曲率半径，计算出光栅的零位波长补偿值及光栅转台定位测量装置的位移当量；

15、5）开展宽光谱仪器的测量工作

16、利用光栅切换转台驱动装置，将光栅切换转台从机械零点位置开始旋转合适角度，使所需光栅的衍射面中心线与光栅转台的旋转轴心重合；利用光栅转台切换装置将光栅转台旋转至机械零位；设置对应光栅的零位波长补偿值及光栅转台定位测量装置的位移当量，调整光栅转台至波长零位；利用宽光谱仪器在该光栅对应波长区间开展测量工作；测量完成后，将光栅切换转台返回到机械零点位置；

17、重复上述操作，直至利用宽光谱仪器完成在所有光栅对应波长区间的测量工作。

18、优选的，所述光栅切换转台驱动装置，包括第二步进电机；光栅切换转台的旋转角度，通过第二步进电机接收的脉冲数控制。

19、进一步优选的，测量开始前，先以光栅切换转台的机械零点为起点，确定光栅完成切换所需旋转的角度及旋转方向，基于该角度，计算出第二步进电机所需接收的脉冲数。

20、优选的，所述光栅转台驱动装置，包括第一步进电机、联轴器、涡轮、蜗杆、第一蜗杆支架、第二蜗杆支架。

21、本发明涉及的光栅切换装置，由第二步进电机驱动旋转的光栅切换转台设置定位孔和与光栅支架，借助光电开关和定位孔定位光栅切换转台的机械零位，以此为基准，通过旋转固定角度，实现光栅切换，从而提高了光栅切换效率和精度；测量所需光栅安装到光栅支架上后，其衍射中心线位于与光栅切换转台同心的圆周上，从而光栅切换后，可以保证所有光栅的中心线都能与光栅转台的旋转轴心重合，消除了光路偏离对出射光的波长偏离及光强的影响；采用光栅尺传感器测量光栅转台的旋转角度，角度示值等效于光栅尺传感器的位移，消除了步进电机失步及蜗轮蜗杆的机械回程差对波长示值的影响。从而大大降低了波长偏差的测量值，提高了测量精度。另外，本发明还有安装简单、操作方便等优点。

技术特征：

1.一种光栅切换装置，包括光栅切换装置底座、光栅转台和光电开关，其特征在于：还包括光栅转台（5）驱动装置、光栅转台（5）定位测量装置、光栅切换转台（9）、光栅切换转台（9）驱动装置和光栅支架（14）；所述光电开关（15）安装在光栅转台（5）上；光栅切换转台（9）为齿轮圆盘结构，面内设置定位孔，其与光栅转台（5）以偏心、可相对转动的方式设置，两者相对转动角度合适时，光电开关（15）光路导通；所述光栅转台（5）驱动装置用于驱动光栅转台（5）围绕其轴心旋转；光栅转台（5）定位测量装置用于定位光栅转台（5）旋转位置并测量其旋转角度；光栅切换转台（9）驱动装置用于驱动光栅切换转台（9）旋转；光栅支架（14）位于光栅切换转台（9）上方，用于安装光栅，借助光栅切换转台（9）的转动，可以使光栅的衍射面中心线与光栅转台（5）的旋转轴心重合。

2.根据权利要求1所述光栅切换装置，其特征在于：所述光栅转台（5）驱动装置包括第一推力轴承座（2）、第一推力轴承（3）、蜗轮（4）、第一步进电机（6）、联轴器（18）、第一蜗杆支架（19）、蜗杆（20）和第二蜗杆支架（21）；所述第一推力轴承座（2）固定在光栅切换装置底座（1）上；第一推力轴承（3）嵌于第一推力轴承座（2）与涡轮（4）之间，光栅转台（5）固定在蜗轮（4）上，四者同轴心；蜗杆（20）通过联轴器（18）与第一步进电机（6）的旋转轴同心连接，通过第一蜗杆支架（19）、第二蜗杆支架（21）保持涡轮（4）与蜗杆（20）的齿轮连接。

3.根据权利要求1所述光栅切换装置，其特征在于：所述光栅转台（5）定位测量装置为光栅尺传感器（17），贴合在光栅转台（5）的外圆周上。

4.根据权利要求1所述光栅切换装置，其特征在于：所述光栅切换转台（9）驱动装置，包括第二推力轴承座（7）、第二推力轴承（8）和第二步进电机（16）；第二推力轴承座（7）和第二步进电机（16）安装在光栅转台（5）上；第二推力轴承（8）嵌于第二推力轴承座（7）与光栅切换转台（9）之间，光栅切换转台（9）由第二步进电机（16）通过齿轮驱动。

5.根据权利要求1所述光栅切换装置，其特征在于：所述光栅支架（14）安装的光栅都与光栅切换转台（9）平面垂直；光栅切换转台（9）驱动装置用于驱动光栅切换转台（9）绕其轴心旋转；所有光栅的衍射面中心线位于与光栅切换转台（9）同心的圆周上。

6.一种权利要求1所述光栅切换装置在宽光谱仪器中的使用方法，其特征在于，操作步骤如下：

7.根据权利要求6所述光栅切换装置在宽光谱仪器中的使用方法，其特征在于：所述光栅切换转台（9）驱动装置，包括第二步进电机（16）；光栅切换转台（9）的旋转角度，通过第二步进电机（16）接收的脉冲数及设置的旋转方向控制。

8.根据权利要求7所述光栅切换装置在宽光谱仪器中的使用方法，其特征在于：测量开始前，先以光栅切换转台（9）的机械零点为起点，确定光栅完成切换所需旋转的角度及旋转方向，基于该角度，计算出第二步进电机（16）所需接收的脉冲数。

9.根据权利要求6所述光栅切换装置在宽光谱仪器中的使用方法，其特征在于：所述光栅转台（5）驱动装置，包括齿轮连接的涡轮（4）与蜗杆（20）。

技术总结
本发明公开了一种光栅切换装置及其在宽光谱仪器中的使用方法，属于分析仪器测量技术领域。本发明的光栅切换装置，通过旋转光栅切换转台，将设定的光栅衍射面的中心线与光栅转台的旋转轴心重合，消除了光路偏离对出射光的波长偏离及光强的影响；采用光栅尺传感器测量光栅转台的旋转角度，角度示值等效于光栅尺传感器的位移，消除了步进电机失步及蜗轮蜗杆的机械回程差对波长示值的影响。从而降低了波长偏差，提高了测量精度。另外，本发明还有安装简单、操作方便等优点。

技术研发人员：潘忠泉,陶威,拓锐,王琳琳,刘霞,孙文慧,李昕,张江浩,杨欣欣
受保护的技术使用者：山东非金属材料研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15