无机械传动的波长扫描技术研究

　　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