无刷直流电机在近红外光谱仪中的应用

　　1　引　言

　　滤光片型近红外光谱仪需要采用斩光器来调制光频率。工作时,由电机控制斩光器将连续光源发出的光信号调制成固定频率的交变信号,以便于放大和抑制噪声及进行滤波处理。若调制有误差,则其调制波偏离理论波形,检测信号的信噪比降低。因此电机的工作性能成为决定近红外仪器信噪比的重要因素之一。

　　应用同步电机时发现有以下问题:首先,电机的发热现象显著,温度极高,而温度是影响近红外光谱分析结果准确性的主要因素之一[2]。现有的解决方案是应用大量的散热片,结果造成仪器体积大,机械设计不理想,且影响预测精度。其次,由于同步电机不能调速,其转速的稳定性取决于电网频率的稳定性,带来无法克服的频率波动。而频率的稳定性对提高近红外光谱仪的信噪比起关键性作用。而有刷直流电机在换向时易产生电火花、噪音大,导致采样信号不稳定。基于上述原因,提出应用无刷直流电机以克服温度问题带来的不利影响并利用无刷直流电机良好的调速性能来获得稳定可靠的调制频率。

　　2　系统设计构想

　　2. 1　系统组成

　　滤光片型近红外光谱仪结构框图如图1所示,光源采用卤钨灯。光经过斩光器在时间上分为N束(N为斩光器的遮光板个数)。斩光器以一定的频率旋转,光交替透过或被吸收,透过部分经滤光片后成为单色光,照到样品上,用与样品成一定角度的检测器检测光信号,转动滤光片架,使光从不同波长的滤光片透过,即可得到各个不同波长的信号[3]。

　　由电机带动斩光器旋转,电机的转轴频率fM决定了斩光器调制光的频率f0。电动机转动的不稳定表现为其转动频率的变化ΔfM,这种变化将直接反映到调制波频率的变化Δf0,因为f0=NfM,则Δf0=NΔfM。因此,为了获得稳定、可靠的调制频率,要求电机的转速稳定,调速性能好。

　　2. 2温度的影响

　　近红外光谱是分子的能量光谱,因此任何温度的变化都会改变光谱的形状[4-5]。就仪器设计而言,首先,温度的变化会影响光源的稳定性与强度,从而直接影响仪器的信噪比。其次,近红外分析仪的检测器对温度变化特别敏感[6],这也是温度影响近红外分析结果的主要原因之一。图2是硫化铅(PbS)型检测器的温度敏感特性曲线。

　　由图2可见温度的变化对PbS的灵敏度影响极大,会严重影响仪器的信噪比。因此必须减少仪器本身的温度变化以减少对检测器的影响,从而提高分析结果的准确性。采用转速稳定且工作时无升温现象的无刷直流电机是一种理想的解决方案。

　　3　无刷直流电机的工作原理