主题：【原创】光谱仪器的波长扫描机构介绍

原文由 祥子(nemoium) 发表:
作者:anping  nemoium

绪：anping老师又提供了一种新的波长扫描机构---凸轮机构，原来的贴名---正弦机构就不合适了，所以此帖就作为波长扫描机构有关资料的整理贴，大家讨论一下。

最后，感谢anping老师的帮助。

关键词: 波长扫描机构 正弦机构 余割机构 凸轮机构  波长扫描机构 光栅方程

正文

波长扫描机构介绍

    波长扫描机构用于将分光系统分离出来的单色光依序输出并显示其波长值。对波长扫描机构的要求是：使输出光束的波长按线性变化，以获得波长坐标为均匀刻度的谱图。
    常用的波长扫描机构有凸轮机构、正弦机构、余割机构等。扫描机构与光栅座连接，可使光栅工作面绕其中心轴转动。

一.正弦机构介绍

(一)正弦机构简介

    正弦机构是波长扫描机构的一种。
     
    正弦机构能令与单色光衍射角正弦成正比的波长输出读数变成简单的线性。目前多数原子吸收光谱仪器的波长扫描使用正弦机构。

        正弦机构是机械系统中杠杆传动中的一种。正弦机构具有精密度和可靠性高的特点。

（二）正弦机构图示

正弦机构的实物图

              图1是上海精科的AA320的背部图。

图1-a



图1-b anping老师提供

注：图1-b并不是图1-a的内部图。

正弦尺的结构示意图如图2、3.

图2

图3-a


图3-b  anping老师提供

（三）正弦机构的工作原理

      如图3-a，光栅平面转动中心与一被称为正弦尺的金属杆的A端连接，杆的B端装有滚动轴承， 正弦尺的A点到B点距离，即光栅平面转动中心与轴承转动中心间距离，设为L。滚动轴承靠近丝母C的端面，当精密丝杆转动时，使螺母沿丝杆移动，X值（丝母沿丝杆移动的距离）变化，最终推动正弦杆带着光栅绕其中心轴转动，从而AB线和CA线间的夹角即光栅的衍射角β随之改变。

以图1-b为例来说明：波长马达通过传动皮带驱动精密丝杆转动，丝杆带动滑块移动，由于正弦臂杆是靠在滑块上的，所以正弦臂杆也跟着转动，从而带动光栅转动。

（四）波长的线性化

图3-a的简化图如图4。为了便于说明，以下的说明基于李特洛型光栅单色器或者闪耀光栅。


图4

          光栅型单色器依据的原理是光栅方程 mλ=d（sinα+sinβ）。
         
          光栅方程
                                            mλ=d（sinα+sinβ）       

          m为光谱级次，λ为衍射光波长，d光栅常数，α为入射角，β为衍射角。

          入射角α和衍射角β的正负号规定为：衍射光和入射光在法线的同一侧时，入射角和衍射角同号，否则异号。
          m=0为零级光，零级光两侧均有光谱，m>0的为正级光谱，m<0的为负级光谱。

光栅方程mλ=d（sinα+sinβ），可以写成 mλ = 2 * d * sin[(α+β)/2] * cos[(α-β)/2]  式1-1

设计单色器系统以使上式简化，对于正弦机构，设计机构，使 （α-β）为一常数。

    对于李特洛型光栅单色器或者闪耀光栅，衍射角β和入射角α相等，即α=β。


图5

      式1-1简化为：
                        mλ=2d（sinβ）              式1-2

      根据图4可以看出，

                        sinβ = X / L                式1-3
      得
                          mλ = 2d（X/L）            式1-4
   
      对于一定的光谱级次m和固定的正弦杆长度L；对于固定的光栅，d固定。
   
      可以看到        λ = KX        式1-5
    衍射波长λ和丝母沿丝杆移动的距离X成正比。这意味着波长随丝杆转动而线性变化，从而使波长读数值呈线性变化成为可能，如图1-b, 7.5nm/周，波长被线性化了。

      现代仪器一般采用精密步进电机驱动丝杆，如图1-b，步进电机转动的角度由微处理器计算，这样也就可以算出相应的波长。

参考文献：

1. 原子吸收光谱仪    章诒学 何华焜 陈江韩
2. 光学原理与应用    廖延彪
3. 精密机械设计        徐峰
4. WGD-8A多功能光栅光谱仪结构和原理
5. 上海精科AA320使用说明书
6. 光谱仪器原理 

后记：现在想想以前看见别的师傅在做原子吸收波长校正时，调节正弦尺，用游标卡尺量距离，我想是确定光栅的初始角度。如图1-b中的12.667,用游标卡尺就是确定这个距离。有了这个距离，仪器在初始化时，可以确定各个波长时光栅要转过的角度，如图1-b左下角表格。为了确定波长和角度的关系，必须有个参考位置，参考位置可以是零级光或者闪耀波长处，有了参考位置，由于光路、光学组件固定，光谱图中各个波长的间距是可以计算出来的。当然，前提是必须找到参考位置，仪器驱动步进电机必须在某个步数内找到零级光或者闪耀处，用游标卡尺量就是使光栅的初始角度能使仪器在指定步数内找到零级光或闪耀处。

另附

分光光度计723的波长自动定位原理。


图6

注，由于723中未采用正弦机构，所以，723计算机输出与波长成正弦关系的脉冲步进数。


图7

二.凸轮机构介绍

（一）凸轮机构简介

    作为一种机械构件，凸轮机构的特点是：只要选择合适的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件（这里可以简单理解为光栅）的位移、速度、加速度严格的按照预订的规律变化，而机构却比较简单紧凑。
    尤其在主动件（驱动凸轮机构）作连续运动，而从动件必须做重复往复运动时，用凸轮机构实现预定的运动规律最简单。

（二）凸轮机构示意图


图8 凸轮机构简视图


图9 凸轮波长扫描机构未加注释  anping老师提供


图10 凸轮波长扫描机构加了注释  anping老师提供

图10中的光电断续器一般由发光二极管和光敏三极管组成，这样，当凸轮旋转时，挡光板不断的遮住光，微处理器就可以检测到一串脉冲串了，就是图中所说的pulse。

如图中的，
0~200nm，355pulse ，可能是指凸轮转到200nm时，光电断续器输出355个脉冲。

200nm~900nm,3500pulse，就是输出3500个脉冲了。

图中的,

cam : 0.2nm/nm 、4.800 pulse(one rotation) ，其中 0.2nm/nm不知道什么意思。是凸轮曲线每走1nm,波长变化0.2nm吗？？ 4.800pulse是不是应该为4800pulse？？是说凸轮转动一圈（one rotation）光电断续器输出4800个脉冲？？

Gear ratio :1/6就是指，大小齿轮的齿轮数比。


图11 凸轮机构实物图  anping老师提供

具体的凸轮机构的波长线性方法，请参考《光谱仪器原理》这个附件的第211页。

三.余割机构介绍

待整理.......