波长扫描是光谱仪器中通过控制色散元件的运动从复色光中分离出不同波长的单色光的技术,单色仪是用来从具有复杂光谱组成的光源中、或从连续光谱中分离出不同波长的单色光的仪器,其中应用广泛的光栅单色仪中就是通过控制光栅转动来获得不同波长的单色光光谱的[1]。
传统的光栅单色仪中的波长扫描技术,大多采用开环的步进电机及其细分驱动作为动力来控制扫描光栅转动,由于步进电机的细分倍数不够,所以还需要连接一套机械传动机构,利用机械传动机构的传动比来进一步细分,以达到波长扫描的精度。但是这种波长扫描系统由于存在机械机构,所以具有机械间隙和机械磨损等缺陷;同时步进电机细分技术存在控制精度低、稳定性差,振动和噪声大等问题;并且步进电机开环控制易产生丢步、堵转及过冲等弊病,所以此类波长扫描机构的控制精度与稳定性受到限制。
为解决上述问题,人们往往采用提高机械传动机构的精度来解决,如:对波长扫描中常用的正弦机构的丝杠进行精密研磨;增加直线导轨磨损自动补偿装置等方法,这些方法虽然对系统的精度和稳定性有所改善,但都没有从根本上解决问题。
本研究采用了高精度交流伺服电机直接带动扫描光栅转动的方法来实现波长扫描,去除了机械传动机构,增加了光电编码器的反馈环节而使系统形成闭环控制,大大提高了系统的稳定性及控制精度,尤其是系统的重复性指标可大幅度提升。采用此种光栅扫描机构的单色仪可满足市场对高端仪器的需求,而且由于实现了完全电细分控制而去除了机械机构的调整,使产品的生产、调试、校准及维护简单易行,更利于厂家的批量生产和用户的方便使用。
1无机械传动的波长扫描原理
将一台传统的采用步进电机带动涡轮蜗杆传动的光栅单色仪作为样机,进行去除机械传动的波长扫描技术的试验研究。此样机相关数据为:工作波长范围200~1 700 nm;双光栅扫描即光栅转台上背靠背安装两块(一块光栅刻线密度为1 200 L/mm,工作波长范围200~800 nm;另一块光栅刻线密度为600 L/mm,工作波长范围800~1 700 nm)光栅;光栅扫描全程旋转角度为38°;仪器分辨率为0. 1nm (波长435. 8 nm处)。按照以上数据:分辨率为0. 1 nm,光栅旋转角度为38°,工作波长范围200-800 nm的指标,折算最小步距角为: 38°÷(8 000-2 000)=0. 006 3°=22. 8″。
试验采用的电机是带17位编码器的交流伺服电机,驱动器每接收217=131 072个脉冲电机转一圈,即其脉冲当量为360°/131 072=9. 89″。根据光栅方程,一级光谱中单色光波长λ和光栅转角α满足关系
λ=2dcosβ·sinα(1)
式中,d为光栅常数,由光栅刻线密度确定(本机为1 mm/1 200);β为入射臂(入射狭缝中心与光栅中心连线)和出射臂(出射狭缝中心与光栅中心连线)夹角的一半,是常量,α为光栅转角[2]。
本设计采用的样机的相关数据为:光栅刻线密度为1 200 L/mm,故d=1mm/1 200;β为19.3°;光栅转角α接近0时,取sinα≈α弧度。
用光栅方程演算出波长扫描精度为0. 072nm[3]。
2系统设计
2.1系统概况
本系统构成框图如图1所示。
系统由PC机、扫描控制器、伺服电机及驱动器、光电编码器、扫描光栅组成。其工作原理是:根据波长扫描的设定值, PC机向控制器发送指令,控制器根据指令输出相应的信号给伺服电机驱动器,驱动器驱动电机转动进而带动与电机直联的扫描光栅转动,同时与伺服电机同轴安装的光电编码器检测到伺服电机的角位移量并将获取的信息反馈给伺服电机驱动器,实现对扫描光栅角位移的精确控制。
2.2伺服电机选型及参数设置
伺服电机及驱动器选用日本松下公司的MS2MA012CIG型电机和配套的MSDA013DIA型驱动器,伺服电机指标为220 V, 100W,带17位绝对式光电编码器。
伺服电机驱动器有多项参数设置,其中主要参数设置如下:
控制方式选择:参数Pr02设定值为0(位置控制方式);指令脉冲输入方式选择:参数Pr42设定值为1(CW /CCW脉冲指令方式);脉冲指令分倍频功能(电子齿轮)设定:参数Pr46设定值为1 ;参数Pr4A设定值为1;Pr4B设定值为2,则每发131 072个脉冲,电机角位移量为360°,步距角精度可达9. 89″。
2.3扫描控制器硬件电路
扫描控制器的CPU采用ATMEL公司AT89C52芯片,看门狗电路采用DS1232芯片,串行通信电平转换采用MAX232PE芯片,电路如图2所示。
控制器硬件电路还包括相应的接口电路以实现对伺服电机驱动器的多种控制和显示等功能。其中控制器与驱动器的指令脉冲输出接口电路采用长线驱动器芯片AM26LS31;模拟信号输入接口电路芯片为AM26LS32,以保持信号的可靠性。
2.4系统软件设计
扫描光栅的控制是通过上位PC机和下位控制器一起完成的,所以软件设计包括上位PC机软件和下位控制器软件两部分。上位PC机软件包括:人机界面、RS-232通讯驱动模块、下位机控制模块、波长扫描非线形校正模块、管理模块等,采用Microsoft的VisualC6. 0进行开发。
下位控制器软件包括:电机的扫描控制、运行指示、与上位机的通讯信、信号采集、接口控制等,采用高级语言C51编写。
其中扫描控制流程如图3所示。
3结论
系统完成后经多次试验,运行状态平稳,无振动、无噪声,扫描控制灵敏、准确。
本系统采用伺服电机直接带动光栅转动,消除了机械传动的影响,并且采用了高精度的闭环控制,所以其定位误差几乎为零,重复误差大大优于其分辨率指标,系统的重复性和稳定性得到了显著提高,系统的精度指标得到切实保证。
如果采用性能更优的交流伺服电机,如PAR2KER公司生产的高分辨率高精度交流伺服电机,其电机细分的分辨率为4. 096×106步/转,重复性精度可达±2″,波长扫描的精度还可进一步提高。
本研究使波长扫描系统去除了机械传动机构,从根本上解决了影响波长扫描的控制精度及稳定性的关键问题,可以在单色仪及其它光谱仪器上广泛应用。
参考文献:
[1]李全臣,蒋月娟.光谱仪器原理[M].北京:北京理工大学出版社, 1999
[2]王晓峰,于国萍,魏正和,等.对光栅单色仪信号采集和处理的改进[J].物理实验, 2004(11):19-21
[3]孙善高,孙百生,谷玉海.自动光栅单色仪嵌入式控制系统的研制[J].中国仪器仪表, 2005(11): 58-62
作者简介:张祖刚(1948- ),男,北京市人,北京机械工业学院北京市机电系统测控重点实验室工程师,大专,主要从事机电系统测控技术方面的研究。
