基于线阵ccd的光谱探测器设计【字数：10171】
基于物质光谱的光谱分析技术，通过对物质光谱的特征信息提取，实现对物质类别与特性的判别。光谱分析技术为人类了解物质世界提供了新的途径，进一步促进了科学技术的发展与进步。光谱探测器是一种有效的物质光谱获取工具，是光谱分析技术得以实施的重要前端，其基本原理为，利用光的色散和衍射原理来探测光频和光强。传统光谱探测器不能同时检测多个波长的光，同时还存在仪器庞大、系统复杂、受环境限制、价格昂贵等问题，这些问题导致了光谱分析技术仍无法在各领域得到广泛的应用。因此，设计一种小型便携、操作简便、价格低廉的光谱探测仪，是一个具有实际意义的研究课题。因此，本课题旨在设计与搭建一套简易的光谱分析实验系统，为后续的便携式光谱探测仪设计与实现提供基础。在实验系统的设计过程中，考虑到CCD传感器具有输出饱和特性，暗输出特性，不失真，灵敏度高，分辨率高，噪声低，功耗低，成本低廉等特点，同时基于CCD的微型光谱探测器具有集成化、使用灵活方便、性能优越的特点，使得线阵CCD探测器在一些方面优于传统的PMT光谱探测器。在此分析基础上，课题研究了一种基于线阵CCD与STM32F401单片机的一种简易光谱探测实验系统，并通过简单的实验，初步证明了该系统的有效性。
目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2目前的研究现状 2
1.3课题研究的内容与过程 3
1.4论文的框架 3
第二章 线阵CCD的工作原理和采集电路设计 4
2.1 微型光谱探测器的结构 4
2.2 CCD的工作原理 5
2.3 线阵CCD器件TCD1304 7
2.4 线阵CCD采集电路 9
第三章 基于线阵CCD的光谱探测器的数据测量误差分析 10
3.1 机械误差 10
3.2 电路噪音 10
第四章 简易光谱探测系统搭建 12
4.1 搭建思路 12
4.2 实验结果以及测试 14
第五章 课题总结 19
参考文献 21
致谢 22
第一章 绪论
1.1课题研究的背景及意义
在大自然中，绝大多数物质都 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
可以吸收或者散射辐射，物质由于本身具有一定的温度，也能自身发射辐射，把这种特性以波长为参数记下来，就得到了它的“谱分布”。光谱分析技术就是根据物质的“谱分布”来确定其化学成分及各成分含量的科学技术。
光谱探测器是能够将成分复杂的复色光按波长展开并测量各单色光的光强，然后进行光谱分析的重要仪器。随着科学技术的进步和发展，光谱分析技术的应用越来越广泛，光谱分析也成为对物质成分和特点进行分析的重要方式。光谱分析是可以探测一个物体的光谱，从而分析这个物体的成分。而传统光谱仪由于一些限制条件——庞大、内部结构复杂、昂贵等等，导致它的推广十分艰难，所以，如今很多的领域急切需要一种微型化、结构简单、成本比较低的微小型光谱仪器，它已成为光谱仪发展的主要趋势。微型光谱探测器不仅可以进行传统光谱探测，在传统光谱仪不能涉及的领域，它也能涉及。小型光谱探测器扩展了光谱分析技术的应用范围。微型光谱仪的工作原理与传统光谱仪的工作原理相同，只是增加了小型化设计概念。在科学技术飞速发展的这些年，微电子等领域的逐步发展和壮大为微型光谱探测器的发展带来了巨大的好处，极大地促进了光谱探测器的发展。
与传统的光谱探测器相比，微型光谱探测器具有灵活性大的特点，而传统的光谱探测器因为条件限制，操作起来很复杂，一点也不简便。从商业的角度看，仪器的大小会影响这种产品的推广，在某些特定领域，一种产品的外观大小是至关重要的。一般来说，产品越娇小，越容易推广。刚开始研究的时候，科学家们主要研究如何才能让系统微型化以及集成化。微型化是为了尽量减小系统的元件和结构，集成化是为了可以集成加工微型光谱探测器的各个元件，把所有的元件联结起来变成一个整体。在研究的过程中我们发现，基于线阵CCD的微型光谱探测器具有几乎所有我们所希望新产品能拥有的特点，所以研究基于CCD的光谱探测器对于发展微型光谱仪能起到一定的作用。
与国外相比，目前国内生产的微型光谱仪在产品性能等方面都远远不如国外一些老牌公司，导致我们不得不通过进口来满足国内对此类仪器的需求。因此，我国亟需开发出性能更完善的微型光谱探测器。但是，我国生产光谱仪公司中，拥有自主知识产权的公司屈指可数，总体来说，国产的产品在国际市场上占尽劣势。因此，研究和开发全方面性能都很高的微型光谱探测器对于我国的研发人员来说是一项意义深远的课题。这一课题对于我国的各项生产、建设设计等行业的发展有着非常重要的现实意义和长远的战略意义。
1.2目前的研究现状
最近几年来看，基于线阵CCD的光谱探测器发展势头十分迅速，一些国外的公司(比如Ocean Optics, Avantes等)在该探测器的研发上面颇有成效，产品已经趋近成熟。反观国内，光谱探测器的研制起步晚，虽然有一些国内高校和研究所也开始为这种探测器的研发投入大量人力和物力，但是与国外相比差距仍然不小。
Ocean Optics公司，它目前拥有一个非常受欢迎的高性能产品——US400光谱仪，这种产品采用模拟化设计，这形成了它的内部结构。它采用16位的A/D转换，以及4种触发模式。CCD探测器TCD1304——也是本文所用到的重要仪器件平台，它是由东芝公司生产的，探测范围十分广泛，大概为200nm1100nm，它的重量十分微小，十分吻合微型光谱探测器的设计理念。AvaSpec2048光纤光谱仪系列——是由Avantes公司研发的，该系列的光谱仪的设计理念是，它拥有具有2048个像素的探测器，波长范围大概是2001100nm。
在国内，微型光谱探测器发展远远不如国外先进，能够投入大量生产的更是少之又少。近年来，一些研究部门对研究这种探测器投入了大量的精力和心血，比如浙大、中科院研究所等等。一些技术比较先进的公司，比如北京普析通用仪器有限公司，也开始着手研制能与国际接轨的新型光谱探测器。
中科院研究所研究了一种新型的微型光谱探测器，该光谱探测器使用微硅片作为入射狭缝，而传统的光谱探测器是使用机械狭缝。微硅片的使用可以抑制探测时产生的杂散光，这样一来探测结果自然更加精确了。微硅片的好处远远不止如此，它的使用还缩小了光谱探测器的体积，让微型化付诸事实。重庆大学的研究人员们则是研制出了一种检测器是线阵CCD的新型光谱探测器，在光谱探测器的设计上，线阵CCD的优势比CCD更加明显，它拥有的好处更多。所以该光谱探测器在测量上更加精确，分辨率也十分高。我们上文中提到的国内比较先进的公司代表——北京普析通用仪器公司首次研制出了一款我国拥有的第一个属于中国的微型光谱探测器——PORS15便携式快速光谱仪器，这成为国内微型光谱探测器研制的里程碑。
1.3课题研究的内容与过程
本课题主要研究的是基于CCD的光谱探测器设计。总的研究方法是在课题研究之前，掌握一定的理论基础，了解线阵CCD和拉曼光谱，在理论中寻找适合本课题的设计方案；然后，了解线阵CCD的应用，将线阵CCD与光谱检测结合起来。具体措施如下：
1.首先阅读广泛资料，了解线阵CCD对光谱探测的作用。
2.CCD是光谱探测器的光电接收器件，设计各部分电路，包括采集电路，电源电路等等。
目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2目前的研究现状 2
1.3课题研究的内容与过程 3
1.4论文的框架 3
第二章 线阵CCD的工作原理和采集电路设计 4
2.1 微型光谱探测器的结构 4
2.2 CCD的工作原理 5
2.3 线阵CCD器件TCD1304 7
2.4 线阵CCD采集电路 9
第三章 基于线阵CCD的光谱探测器的数据测量误差分析 10
3.1 机械误差 10
3.2 电路噪音 10
第四章 简易光谱探测系统搭建 12
4.1 搭建思路 12
4.2 实验结果以及测试 14
第五章 课题总结 19
参考文献 21
致谢 22
第一章 绪论
1.1课题研究的背景及意义
在大自然中，绝大多数物质都 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
可以吸收或者散射辐射，物质由于本身具有一定的温度，也能自身发射辐射，把这种特性以波长为参数记下来，就得到了它的“谱分布”。光谱分析技术就是根据物质的“谱分布”来确定其化学成分及各成分含量的科学技术。
光谱探测器是能够将成分复杂的复色光按波长展开并测量各单色光的光强，然后进行光谱分析的重要仪器。随着科学技术的进步和发展，光谱分析技术的应用越来越广泛，光谱分析也成为对物质成分和特点进行分析的重要方式。光谱分析是可以探测一个物体的光谱，从而分析这个物体的成分。而传统光谱仪由于一些限制条件——庞大、内部结构复杂、昂贵等等，导致它的推广十分艰难，所以，如今很多的领域急切需要一种微型化、结构简单、成本比较低的微小型光谱仪器，它已成为光谱仪发展的主要趋势。微型光谱探测器不仅可以进行传统光谱探测，在传统光谱仪不能涉及的领域，它也能涉及。小型光谱探测器扩展了光谱分析技术的应用范围。微型光谱仪的工作原理与传统光谱仪的工作原理相同，只是增加了小型化设计概念。在科学技术飞速发展的这些年，微电子等领域的逐步发展和壮大为微型光谱探测器的发展带来了巨大的好处，极大地促进了光谱探测器的发展。
与传统的光谱探测器相比，微型光谱探测器具有灵活性大的特点，而传统的光谱探测器因为条件限制，操作起来很复杂，一点也不简便。从商业的角度看，仪器的大小会影响这种产品的推广，在某些特定领域，一种产品的外观大小是至关重要的。一般来说，产品越娇小，越容易推广。刚开始研究的时候，科学家们主要研究如何才能让系统微型化以及集成化。微型化是为了尽量减小系统的元件和结构，集成化是为了可以集成加工微型光谱探测器的各个元件，把所有的元件联结起来变成一个整体。在研究的过程中我们发现，基于线阵CCD的微型光谱探测器具有几乎所有我们所希望新产品能拥有的特点，所以研究基于CCD的光谱探测器对于发展微型光谱仪能起到一定的作用。
与国外相比，目前国内生产的微型光谱仪在产品性能等方面都远远不如国外一些老牌公司，导致我们不得不通过进口来满足国内对此类仪器的需求。因此，我国亟需开发出性能更完善的微型光谱探测器。但是，我国生产光谱仪公司中，拥有自主知识产权的公司屈指可数，总体来说，国产的产品在国际市场上占尽劣势。因此，研究和开发全方面性能都很高的微型光谱探测器对于我国的研发人员来说是一项意义深远的课题。这一课题对于我国的各项生产、建设设计等行业的发展有着非常重要的现实意义和长远的战略意义。
1.2目前的研究现状
最近几年来看，基于线阵CCD的光谱探测器发展势头十分迅速，一些国外的公司(比如Ocean Optics, Avantes等)在该探测器的研发上面颇有成效，产品已经趋近成熟。反观国内，光谱探测器的研制起步晚，虽然有一些国内高校和研究所也开始为这种探测器的研发投入大量人力和物力，但是与国外相比差距仍然不小。
Ocean Optics公司，它目前拥有一个非常受欢迎的高性能产品——US400光谱仪，这种产品采用模拟化设计，这形成了它的内部结构。它采用16位的A/D转换，以及4种触发模式。CCD探测器TCD1304——也是本文所用到的重要仪器件平台，它是由东芝公司生产的，探测范围十分广泛，大概为200nm1100nm，它的重量十分微小，十分吻合微型光谱探测器的设计理念。AvaSpec2048光纤光谱仪系列——是由Avantes公司研发的，该系列的光谱仪的设计理念是，它拥有具有2048个像素的探测器，波长范围大概是2001100nm。
在国内，微型光谱探测器发展远远不如国外先进，能够投入大量生产的更是少之又少。近年来，一些研究部门对研究这种探测器投入了大量的精力和心血，比如浙大、中科院研究所等等。一些技术比较先进的公司，比如北京普析通用仪器有限公司，也开始着手研制能与国际接轨的新型光谱探测器。
中科院研究所研究了一种新型的微型光谱探测器，该光谱探测器使用微硅片作为入射狭缝，而传统的光谱探测器是使用机械狭缝。微硅片的使用可以抑制探测时产生的杂散光，这样一来探测结果自然更加精确了。微硅片的好处远远不止如此，它的使用还缩小了光谱探测器的体积，让微型化付诸事实。重庆大学的研究人员们则是研制出了一种检测器是线阵CCD的新型光谱探测器，在光谱探测器的设计上，线阵CCD的优势比CCD更加明显，它拥有的好处更多。所以该光谱探测器在测量上更加精确，分辨率也十分高。我们上文中提到的国内比较先进的公司代表——北京普析通用仪器公司首次研制出了一款我国拥有的第一个属于中国的微型光谱探测器——PORS15便携式快速光谱仪器，这成为国内微型光谱探测器研制的里程碑。
1.3课题研究的内容与过程
本课题主要研究的是基于CCD的光谱探测器设计。总的研究方法是在课题研究之前，掌握一定的理论基础，了解线阵CCD和拉曼光谱，在理论中寻找适合本课题的设计方案；然后，了解线阵CCD的应用，将线阵CCD与光谱检测结合起来。具体措施如下：
1.首先阅读广泛资料，了解线阵CCD对光谱探测的作用。
2.CCD是光谱探测器的光电接收器件，设计各部分电路，包括采集电路，电源电路等等。
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