专利名称：一种分离波长快速选择的串行控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光谘仪器技术领域，具体地说，本发明涉及一种分离波长 快速选择的串行控制系统。
背景技术：
差分吸收和波长对测量方法是光谱学测量中的重要方法。为进行大气臭氧总量全球分布的测量，美国利用波长对测量技术从上世纪70年代末开始 研制臭氧总量绘图语^f义(TOMS)。为实现对各探测波长的快速测量，该仪器 采用固定光栅、阵列式出射狭缝光谱仪和波长选择盘，由单个光电探测器对 6个分离波长的信号按时序进行测量。这里，实现测量信号与探测波长的准 确同步是整机成败的关键。现行的做法是(见参考文献1: N81-22393， Multi-Channel Chopper System for Total Ozone Mapping Spectrometer)由时钟 给出基准频率，通过锁相电路使无刷电机转速稳定，波长选择盘与时钟同步、 并以固定相位和出射狭缝锁定，实现探测波长与出射狭缝的同步。这种控制 系统的主要问题是对波长选择盘转动的稳定性和锁相精度要求高，即对时 钟、锁相电路、无刷电机和波长选择盘这一机电系统要求精确同步、且以固 定相位和出射狭缝精确锁定。当波长选择盘与出射狭缝的相位发生变化时或 波长选择盘转速不稳定时，都将会造成测量信号与探测波长不同步，这将会 引起探测信号的测量错误、丟失、甚至造成整机的失效。根据雨云-7卫星臭 氧总量绘图谱仪的运行结果表明，波长选择盘锁相精度的降低、使测量信号 与探测波长不同步是该仪器资料丟失和最终完全失效的重要原因(见参考文 献2: NASA RP画13 84, Nimbus-7 Toatal Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) Data Products User's Guide, 1996, Section 4.7 )。发明内容因此，本发明的目的是克服现有技术在进行分离波长快速测量时，测 量信号与探测波长易产生不同步的问题，提出 一种不受波长选择盘转动稳定性影响、测量信号与探测波长长期同步、稳定可靠的波长选择盘一采样脉冲—AD采集的串行控制系统。为实现上述发明目的，本发明提供的分离波长快速选择的串行控制系 统包括驱动电路、直流无刷电机、波长选择盘、位置传感器、光电探测器以及信号处理单元；所述驱动电路用于驱动直流无刷电机，所述直流无刷电机 用于带动所述波长选择盘转动；光谱仪的出射狭缝阵列和所述光电探测器分 别位于所述波长选择盘的两侧；所述波长选择盘具有波长选择孔和采样脉冲 齿，所述波长选择孔是具有一定张角和宽度的通孔，各波长选择孔的张角彼 此不重叠，各波长选择孔距所述波长选择盘的转轴的距离与光语仪的出射狭 缝阵列中对应于不同波长的出射狭缝的位置相对应;所述采样脉沖齿位于所 述波长选择盘的边缘处，并且所述采样脉冲齿与各波长选"^奪孔——对应；所 述位置传感器靠近所述波长选择盘的边沿，用于检测所述采样脉冲齿；所述 位置传感器和光电探测器将信号传输给所述信号处理单元。上述技术方案中，所述波长选择盘安装在直流无刷电机的转轴上，波长 选择盘的轴线与直流无刷电机的转轴重合，并放置在光谱仪出射狭缝后，紧 靠出射狭缝处。上述技术方案中，所述波长选择孔呈弧形。上述技术方案中，所述波长选择孔的宽度大于所述光谱仪的出射狭缝的 缝宽。上述技术方案中，所述采样脉冲齿、所述波长选择孔的开始处以及所述波长选择盘的中心位于同一直线上。上述技术方案中，所述采样脉冲齿是位于所述波长选择盘边缘的缺口 。 上述技术方案中，所述波长选择盘分为空闲区和波长选择区；所述空闲区和波长选择区各占有一定张角，所述波长选择孔均位于所述波长选择区的张角内。本发明具有如下技术效果对采用单个光电探测器测量多个分离波长的 光谱仪而言，利用本波长选择盘一采样脉冲一AD采集的串行控制系统，使 测量信号与探测波长长期稳定可靠同步。通过波长选择盘上同时载有波长选 择孔和采样脉沖齿的设计，使采样脉沖齿和波长选择孔具有按设计要求完全 同步，有效地消除了波长选择盘转速稳定性对测量信号与探测波长同步的影 响。即使当环境条件或直流无刷电机、驱动电路参数变化，使直流无刷电机转速变化和不稳定时也不会造成资料的丢失，从而提高了资料的获取率和整 机的可靠性。由于本系统探测波长的更换靠波长选择盘的转动完成，从而实 现了探测波长的快速选择。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中图l是本发明波长选择串行控制系统的原理示意图；图2是本发明波长选择盘示意图；图3是本发明的信号采集部分程序流程图。1驱动电路 2--直流无刷电机 3--波长选择盘 4——位置传感器 5--光电探测器 6--信号处理单元 7—一光谱仪出射狭缝2-1——波长选择区 2-2——空闲区2-1-1——波长选择孔 2-1-2——采样脉沖齿具体实施方式
实施例如图1所示。本实施例包括驱动电路1、直流无刷电才几2、波长选择盘3、 位置传感器4、光电探测器5以及信号处理单元6组成。驱动电路1将直流供电电源变为驱动直流无刷电机2所需要的三相电 源，按直流无刷电机2所需时序供给直流无刷电机2,以驱动直流无刷电机 2转动，直流无刷电机2用于带动波长选择盘3的转动。直流无刷电机2采 用直流无刷力矩电^L，转速为250rpm。波长选择盘3安装在直流无刷电机2的转轴一端，波长选择盘3的轴线 与直流无刷电机2的转轴重合。波长选择盘3放置在光谱仪出射狭缝7后， 紧靠出射狭缝处。波长选择盘3的结构如图2所示。它分为两个区， 一个是 波长选择区2-l，约占288。、即波长选择盘的80%;余下的20%，为空闲区 2-2。波长选择区2-l内放置有波长选择孔2-1-1和采样脉沖齿2-1-2。在本例为六个探测波长的情况下，分别有六个波长选择孔2-1-1和六个采样脉冲齿 2-1-2。各波长选择孔2-1-1中心到波长选择盘3转轴的径向距离等于光谱仪 出射狭缝阵列中心到波长选择盘3轴线的距离，以保证各波长选择孔距所述 波长选择盘的转轴的距离与光谱仪的出射狭缝阵列中对应于不同波长的出 射狭缝的位置相对应。各波长选择孔2-1-1在波长选择区2-1范围内各占一 定的张角，彼此互不重叠；在本例情况下，波长选择孔2-1-1的最大张角应 小于48°。波长选择孔2-1-1的宽度选取应使其大于光谱仪单个出射狭缝的 宽度，但又要根据探测波长的情况不使相临两个出射狭缝的光辐射同时通过 同一波长选择孔2-l-l。波长选择孔2-1-1用于探测波长的选取，即随着波长 选择盘3的转动，在特定时刻，仅有一个波长的光辐射通过波长选择孔2-1-1, 其余波长的光辐射均被波长选择盘3阻挡。采样脉冲齿2-1-2位于波长选择盘3的边缘、各波长选择孔2-1-1的开 始处；采样脉冲齿2-1-2相对波长选择盘3转轴的张角根据波长选择盘3的 转速和位置传感器4的响应特性确定，以使位置传感器4有足够的响应，便 于确定采样脉冲齿2-1-2的起始位置，在本例中取为2。；齿深以便于位置传 感器测量为宜，在本例中取为4mm。采样脉冲齿2-1-2用于提供波长选择孔 的起始位置。波长选择盘3的空闲区2-2用于波长选择盘3起点的定位和信号预处理、 打包。光电探测器5采用R7111-01光电倍增管。光电探测器5放置在波长选 择盘3后，紧贴波长选择盘，且处于光语仪出射狭缝阵列的中间位置；光电 探测器5的高度与光谱仪出射狭缝7高度一致，使光电探测器可接收到通过 光谱仪各出射狭缝的光辐射。光电探测器5将通过光谱仪出射狭缝7的光辐 射转换为电信号供给信号处理单元6。通过波长选择盘3的转动，波长选择孔2-1-1按设计要求依次选取各探 测波长的光辐射(在本例中为6个探测波长)。当给定探测波长的光辐射通 过波长选择孔2-1-1到达光电探测器5时，与波长选择孔2-1-1相应的采样 脉冲齿2-1-2也到达位置传感器4。位置传感器4采用美国霍尼威尔公司的 HOA1875型光断续器。位置传感器4放置在光谱仪出射狭缝7 —侧，其高 度与光i普仪出射狭缝7高度相同。当波长选择盘3转动时，波长选择盘3上 的采样脉冲齿2-1-2将通过位置传感器4,切割位置传感器4的光束，使采 样脉冲齿2-1-2到达位置传感器4位置时，位置传感器4输出一高电平脉沖，即釆样脉沖，供给信号处理单元6。信号处理单元6由信号放大器、AD采集电路、单片机和相应的软件组 成。其作用是对光电探测器5和位置传感器4测量的信号进行放大、对光电 探测器5的测量信号进行AD采集，并根据设计识别所探测的波长。当信号处理单元收到采样脉冲后，由软件控制信号处理单元开始进行数 据采集，获得该波长的探测信号值；并根据设计识别所探测的波长。 采样脉沖和探测信号釆集程序工作步骤如下参见图3。 步骤S3-l,根据波长选择盘3上的空闲区2-2判断波长选择盘3的起点； 步骤S3-2，根据位置传感器4给出的采样脉冲，确定采样脉沖齿2-1-2、 即波长选择孔2-1-1的位置，开始进行数据采集。当位置传感器采集到采样 脉冲时，信号处理单元首先进行AD采集的预测量，并根据预测量值进行光 电探测器放大器增益档的判断，并进行光电探测器放大器增益档的设定；步骤S3-3，在设定光电探测器放大器增益档后，对探测信号进行AD采 集。为减小AD转换误差，AD采集连续进行16次，测量值为16次AD采 集的平均值；步骤S3-4，当探测数据AD采集完成后，判断本轮光谱测量是否完成。 在要求测量的6个探测波段的信号未完成，即釆样脉冲计数小于6时，本轮 光谱测量未完成；此时应返回步骤S3-2，继续查找波长选择盘3上的下一个 采样脉冲齿2-1-2。当采样脉冲计数等于6时，本轮光谱测量已完成，则将 探测数据打包和进行必要的预处理后输出，等待下一轮光谱测量。
权利要求
1.一种分离波长快速选择的串行控制系统，包括驱动电机、波长选择盘、位置传感器、光电探测器以及信号处理单元；所述驱动电机用于带动所述波长选择盘转动；光谱仪的出射狭缝阵列和所述光电探测器分别位于所述波长选择盘的两侧；所述波长选择盘具有波长选择孔和采样脉冲齿，所述波长选择孔是具有一定张角和宽度的通孔，各波长选择孔的张角彼此不重叠，各波长选择孔距所述波长选择盘的转轴的距离与光谱仪的出射狭缝阵列中对应于不同波长的出射狭缝的位置相对应；所述采样脉冲齿位于所述波长选择盘的边缘处，并且所述采样脉冲齿与各波长选择孔一一对应；所述位置传感器靠近所述波长选择盘的边沿，用于检测所述采样脉冲齿；所述位置传感器和光电探测器将信号传输给所述信号处理单元。
2. 根据权利要求1所述的分离波长快速选择的串行控制系统，其特 征在于，所述波长选择盘安装在直流无刷电机的转轴上，波长选择盘的轴线 与直流无刷电机的转轴重合，并放置在光语仪出射狭缝后，紧靠出射狭缝处。
3. 根据权利要求1所述的分离波长快速选择的串行控制系统，其特 征在于，所述波长选择孔呈弧形。
4. 根据权利要求3所述的分离波长快速选择的串行控制系统，其特 征在于，所述波长选择孔的宽度大于所述光谱仪的出射狭缝的缝宽。
5. 根据权利要求4所述的分离波长快速选择的串行控制系统，其特 征在于，所述采样脉冲齿、所述波长选择孔的开始处以及所述波长选择盘的 中心位于同一直线上。
6. 根据权利要求1所述的分离波长快速选择的串行控制系统，其特 征在于，所述釆样脉沖齿是位于所述波长选择盘边缘的缺口 。
7. 根据权利要求1所述的分离波长快速选择的串行控制系统，其特 征在于，所述波长选择盘分为空闲区和波长选择区；所述空闲区和波长选择 区各占有一定张角，所述波长选择孔均位于所述波长选择区的张角内。
8. 根据权利要求1所述的分离波长快速选择的串行控制系统，其特 征在于，所述驱动电机包括驱动电路和直流无刷电机；所述驱动电路用于驱 动直流无刷电机，所述直流无刷电机用于带动所述波长选择盘转动。
全文摘要
本发明提供一种分离波长快速选择的串行控制系统，包括驱动电机、波长选择盘、位置传感器、光电探测器以及信号处理单元；所述波长选择盘具有波长选择孔和采样脉冲齿，所述波长选择孔是具有一定张角和宽度的通孔，各波长选择孔的张角彼此不重叠，各波长选择孔距所述波长选择盘的转轴的距离与光谱仪的出射狭缝阵列中对应于不同波长的出射狭缝的位置相对应；所述采样脉冲齿位于所述波长选择盘的边缘处，并且所述采样脉冲齿与各波长选择孔一一对应；所述位置传感器靠近所述波长选择盘的边沿，用于检测所述采样脉冲齿；所述位置传感器和光电探测器将信号传输给所述信号处理单元。本发明能够使测量信号与探测波长长期稳定可靠同步。
文档编号G01J3/28GK101216346SQ200810056090
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月11日 优先权日2008年1月11日
发明者吕建工, 张仲谋, 王咏梅, 王英鉴, 管凤君, 济 陈 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心