近红外光谱仪中调制器的误差分析

　　1　引　　言

　　在近红外光谱仪器中,由于传感器的探测信号微弱、背景噪声大,常通过调制器(又称为斩光器或切光器)挡光和通光的交替将其转换为交流信号[1～5]以便于放大和抑制噪声,而且为了进一步提高信噪比还需进行滤波处理。调制波的波形和频率不仅要与滤波的波形和频率相匹配,而且要满足传感器和放大电路的要求[6]。因此光谱仪器对调制器的精度有严格要求。否则,若调制器有误差,则其调制波偏离理论波形,检测信号的信噪比降低,经放大、滤波后无法达到要求的幅度。

　　2　光谱仪器对调制器要求

　　光谱仪器中常见的调制器主要由直流电动机、调制盘、轴套等组成。调制盘的形状根据调制波的要求进行设计,如要求调制波是频率为f0,占空比为1∶1的方波,则调制盘的调制部位应为等间隔的交替的扇形齿和扇形缺口,如图1(a)所示。齿数n=f0/fM(fM为直流电动机的频率),调制盘所在位置处光斑宽度与调制盘齿宽w0的2倍之比应小于等于0.08,从而忽略由于狭缝宽度引起调制波的上升沿和下降沿的过渡段,使之近似为方波[7,8]。

　　调制器安装在光谱仪器的入射狭缝或出射狭缝的附近,如图1(b)所示,要求直流电动机的轴线垂直狭缝平面(即调制盘与狭缝平面平行),且与狭缝平面的交点(即调制盘的轴心)位于狭缝中心线的延长线上。若安装不正确,对调制波的波形和检测信号的强度均有影响,而且影响的程度与调制波的波形和光斑(或狭缝)的形状有关。下面以要求调制波频率为f0,占空比为1∶1的方波为例,分析调制器几种常见的误差对调制波及检测信号的影响,假设各项误差为独立不相干。

　　3　误差对调制波波形的影响

　　3.1　调制盘偏心

　　如图2(a)调制盘几何中心位于O,电动机轴心位于O′,即调制盘有安装偏心e,S为狭缝中心。当电动机轴转过θ角时,调制盘几何中心转至O1,在S位置产生的转角误差Δθ如图2(b)所示[9],为:

　　由于调制器产生的调制波的周期T与调制盘分度角对应的实际转角成正比,T=(θ0+Δθ)/(2πf0),其中θ0=π/n。则由于偏心引起的转角误差使调制波周期偏离理论值,发生周期变化。此项误差为变频误差。

　　3.2　调制盘的轴心偏离狭缝中心

　　如图3(a),调制盘的轴心O不位于狭缝中心线的延长线上,而偏离a。则调制盘转动时其调制齿通过狭缝将出现两个过渡段,无法将狭缝完全遮挡。设狭缝中心位置S(a,y),狭缝高为l。则过渡段转角φ1、φ2满足:

　　而调制波是通过狭缝的光线经调制后的光强信号,因此调制波在上升沿和下降沿处出现过渡段,如图3(b)中0～t0,T/2～T/2+t0段,其中:t0=(φ2-φ1)/(2πf0)。对于过渡段,根据: