[发明专利]一种用于微小型近红外光谱仪的信号采集装置及采集方法

说明书

本发明公开了一种用于微小型近红外光谱仪的信号采集装置及采集方法，它包括微镜驱动电路模块、干涉信号调理电路模块和干涉信号采集电路模块，所述干涉信号调理电路模块和干涉信号采集电路模块分别为两套；FPGA处理器数字量输出端口与微镜驱动电路模块输入端连接；微镜驱动电路模块输出端与微镜扫描驱动端连接；干涉信号调理电路模块输入端与光电探测器输出端连接；干涉信号调理电路模块输出端与干涉信号采集电路模块输入端连接；干涉信号采集电路模块输出端与FPGA处理器数字量输入端连接；解决了现有技术对MEMS微镜数据采用等时采样或等光程差采样，由于MEMS微镜非等速运动造成的采样误差大等技术问题。

技术领域

本发明属于光学技术和数据采集电路技术领域，尤其涉及一种用于微小型近红外光谱仪的信号采集装置及采集方法。

背景技术

傅里叶变换光谱仪相较于色散型光谱仪，具有高通量、高分辨率、高信噪比的优点，光谱范围可以从可见光延伸到近红外，甚至到中红外波段。在化学和生物医学中已广泛的应用于未知物的检测以及有害物质的检测当中。傅里叶变换光谱检测具有高效、绿色、便捷的特点：样本仅需简单的预处理便可进行光谱检测，完成一个样本光谱图的检测仅需几秒，并且结果具有可重复性；根据样本和检测条件的变化，可采用透射、反射以及漫反射等多种检测方式进行检测；光谱信息丰富多样，不仅包含化学信息，还包含物理性质和检测条件等非化学组成成分变化所带来的光谱信息。

相较于其他检测技术，虽然傅里叶变换光谱检测技术的优点十分突出，但是传统的傅里叶变换光谱仪体积庞大、成本高，并且易碎，且对环境因素如温度变化、灰尘、振动等很敏感，因此对检测条件要求十分的苛刻。光谱仪的尺寸大小直接限制了傅里叶变换光谱仪的应用范围，仅仅在实验室中有应用，无法将其应用到实时检测和过程控制中，也不能作为便携式的设备进行现场检测。

典型的傅里叶变换光谱仪主要是基于迈克尔逊干涉仪，干涉结构包括动镜、定镜和分束器，干涉信号采用光电探测器进行采集。其中动镜的扫描位移决定了光谱仪的分辨率，扫描位移与光谱分辨率呈正比关系，因此，傅里叶变换光谱小型化的主要任务之一就是在不严重牺牲光谱仪性能的条件下，缩小动镜扫描结构的尺寸。目前，傅里叶变换光谱仪小型化最常用的方法就是采用MEMS微镜替代迈克尔逊干涉仪结构中的动镜。

MEMS技术是一种微型化的强有力工具。MEMS微镜是将MEMS微制动器与微反射镜，采用MEMS技术制造而成的光学MEMS器件。MEMS微镜可以在微观尺度实现光学元件的运动，使得光路微型化、集成化，并已得到广泛的应用，如显微镜、光学开关以及投影仪等。MEMS技术应用于傅里叶变换光谱仪，可使其小型化并降低成本，而且可用于在线分析和现场检测。

目前，已用于傅里叶变换光谱仪小型化的MEMS微镜有静电、电磁以及电热三种类型。压电致动的MEMS微镜虽然已经开发出来，但是受制于有限的扫描位移，至今尚未有应用。静电致动的MEMS微镜具有速度快、低功耗的特点，但是很难获得大的扫描位移。电磁致动的MEMS微镜通常需要外部磁场，不利于系统集成，并且可能会出现电磁干扰。电热致动的MEMS微镜是应用于傅里叶变换光谱仪的首选，其可在低电压驱动下产生1mm的扫描位移且无需共振和真空环境。

通常，傅里叶变换光谱仪干涉信号的采样方式主要采用等时采样或等光程差采样；由于MEMS微镜的移动速度并非匀速，在此情况下采用等时采样将导致较大的采样误差。等时采样是将激光干涉条纹调制成为方波信号，进而触发ADC进行采样，得到样本光干涉信号的等光程差采样数据。此种方法需要设计专门的电路，存在电路复杂、成本高、采样延迟误差以及参考激光频率限制了光谱检测范围等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种用于微小型近红外光谱仪的信号采集装置及采集方法，以解决现有技术对MEMS微镜数据采用等时采样或等光程差采样，由于MEMS微镜非等速运动造成的采样误差大等技术问题。

本发明的技术方案是：