一種用於傅立葉變換紅外光譜儀的動鏡掃描裝置製造方法
2023-05-03 18:26:06
一種用於傅立葉變換紅外光譜儀的動鏡掃描裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於傅立葉變換紅外光譜儀(Fourier?Transform?Infrared?Spectrometer,FT-IR)的動鏡掃描裝置；包括固定板1，壓條2，前彈簧片3，前夾板4，線圈5，空心立體角鏡6，角鏡座7，活動板8，後夾板9，永磁體座10，後彈簧片11。固定板1固定不動，線圈5通電時會產生磁場，其與永磁體座10上固定的磁鐵產生磁場力，使角鏡座7和空心立體角鏡6能夠沿磁場力方向移動，同時帶動活動板8一起移動；線圈5的通電方向改變時，角鏡座7的移動方向也會反向。本掃描裝置為FT-IR提供了一種具有無摩擦、無需潤滑、精密度高、壽命長等優點的動鏡掃描方案，實用性強。
【專利說明】一種用於傅立葉變換紅外光譜儀的動鏡掃描裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種傅立葉變換紅外光譜儀(Fourier Transform InfraredSpectrometer, FT-1R)的動鏡掃描裝置，屬於物理光子學領域，特別是光譜分析儀器【技術領域】。
【背景技術】
[0002]FT-1R光譜儀的核心部件為Michelson幹涉儀，光的幹涉來源於幹涉儀動鏡和定鏡間相對運動所產生的光程差。動鏡掃描系統是光譜儀的一個重要組成部分，高精度的動鏡驅動系統是傅立葉變換光譜儀的核心和難點之一，在運動過程中，要保持動鏡運動的勻速性，並且在運動過程中，對晃動或傾斜都有嚴格的要求。
[0003]傳統的動鏡掃描裝置通常有旋轉電機機械傳動，電控氣動液壓系統。傳統的機械結構(即旋轉電動機+滾珠絲槓等中間環節)，機械元件易產生彈性變形、摩擦、反向間隙、非線性誤差等缺陷。而電控氣動液壓系統雖然振動和傾斜小，但速度慢，結構複雜，需要供氣供液系統，不利於儀器的小型化和受環境影響大。也有採用動圈式直線電機，結合磁懸浮技術的聚四氟乙烯玻璃滑動軸承支撐的動鏡掃描裝置，其能夠克服上述兩種驅動系統的缺點，能有效地進行「直接驅動」，防止掃描過程中出現大的傾斜，且體積小，控制簡單，精度也很高，但不能克服運動過程中存在的振動問題，而且動鏡的回掃完全依賴於電流的控制，也存在速度慢的問題。
[0004]本發明採用了一種基於彈性結構支撐的音圈電機動鏡掃描方案，能夠有效的解決方向穩定性、速度穩定性、振動等問題，而且掃描速度更快。本掃描裝置為FT-1R提供了一種具有無摩擦、無需潤滑、精密度高、壽命長等優點的動鏡掃描方案。
【發明內容】
[0005]本發明的目的為FT-1R提供了一種具有低成本、無摩擦、無需潤滑、精密度高、抗振能力強、掃描速度快、壽命長等優點的動鏡掃描方案，其能夠有效的保證FT-1R光譜儀具有高的可靠性和良好的性能。
[0006]本發明的技術方案是:
一種用於傅立葉變換紅外光譜儀的動鏡掃描裝置，包括固定板1、兩個前彈簧片3、音圈電機、空心立體角鏡6、角鏡座7、活動板8、永磁體座10、兩個後彈簧片11 ；
固定板I與活動板8通過兩個前彈簧片3、兩個後彈簧片11相連，永磁體座10固定安裝在固定板I上，永磁體座10內嵌圓形永磁體12 ;空心立方角鏡6固定在角鏡座7的一端；音圈電機與角鏡座7連為一體，音圈電機的線圈5纏繞在角鏡座7的另一端，角鏡座7固定在活動板8上。
[0007]所述的兩個前彈簧片3，每個均用兩片前夾板4夾持加固；所述的兩個後彈簧片11通過兩片後夾板9夾持固定在一起。
[0008]所述的永磁體座10內嵌有一塊圓形永磁體，永磁體南北極方向與空心立體角鏡6上纏繞的圓形線圈5的軸向方向相同。
[0009]所述的角鏡座7 —端為圓形結構，線圈5繞在圓形結構上；另一端裝有空心立體角鏡6 ;線圈5、空心立體角鏡6和角鏡座7三者為一體，三者的重心位置處於活動板8的水平方向的1/2處。
[0010]所述的空心立體角鏡6由三片鍍金平面鏡組成，三片鍍金平面鏡互成90度。
[0011]所述固定板I與活動板8的板面完全平行；前彈簧片與後彈簧片相互平行，兩者在活動板8和固定板I之間的長度完全相同。
[0012]所述的四個彈簧片分別通過四個相同的壓條2安裝在固定板I和活動板8上。
[0013]使用時，將固定板I安裝在一個固定的裝置(位置)上，如一塊大的底板或豎直的板子等地方。固定板I安裝後即固定不動，在動鏡在一個小的運動範圍內掃描時，活動板8會沿著一個方向進行直線運動。四個彈簧片均安裝在活動板的靠近四個頂點的位置，兩個前彈簧片3和兩個後彈簧片11的長度、寬度、厚度、材料等均完全相同；彈簧片採用強度、硬度、彈性、耐磨性、疲勞極限和耐熱性能優良的合金材料製成，一般可選鈹青銅材料；由於四個彈簧片比較薄，為了維持一定的剛性支撐能力，彈簧片採用了夾板加固的方法。兩個前彈簧片3各用兩片前夾板4夾持加固，兩個後彈簧片11共用一個大的後夾板9進行夾持加固。
[0014]與角鏡座7相連的鏡片採用空心立體角鏡。空心立體角鏡6由三片鍍金平面鏡組成，三片平面鏡互成90度，可以保證動鏡掃描過程中，即使存在轉動，輕微的振動，入射光線也能保持原平行方向返回。空心立體角鏡6的運動位置受線圈5所通電流大小和方向的影響，通過調節電流大小，可以控制空心立體角鏡6偏離平衡位置的距離，當角鏡偏離平衡位置時，只需要給一個很小的反向電流或不通電流，其就能在彈簧力的作用下自然反向運動，從而使快速掃描變得十分容易。
[0015]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
1.本發明採用了由彈簧片連接固定板和活動板的形式，消除了傳統動鏡機械掃描方式存在的摩擦力，無需潤滑機構，且使動鏡只能在一個方向運動，使動鏡掃描的抗振性能得到了大大的加強，從而在很大程度上提高了光譜儀所獲得的紅外幹涉圖的質量。
[0016]2.本發明採用了音圈電機作為動鏡(空心立體角鏡)驅動部件，通過電流的大小和方向來控制動鏡的位置和掃描速度，同時，可以藉助於彈簧片的恢復力，實現動鏡的快速回掃，使動鏡的掃描速度能夠得到大大提高。
3.本發明中的動鏡採用了空心立體角鏡，使到達動鏡後反射的光線與對應的入射光能夠保持嚴格的平行，從而克服了動鏡運動過程中可能存在的傾斜或輕微振動引起的光線偏離問題，使幹涉圖的質量保持良好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明的整體結構示意圖。
[0018]圖2是本發明中固定板I和活動板8的連接圖。
[0019]圖3是本發明中固定板、活動板及彈簧片構成的平行四邊形結構俯視圖；(a)為平衡位置形狀圖，(b)為形變後形狀圖。
[0020]圖4是本發明中永磁體座的結構。[0021]圖5是本發明中角鏡座與永磁體之間的擺放關係圖。
[0022]圖6是本發明中空心立體角鏡的形狀及結構圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發明做進一步詳細的描述。
[0024]如圖1所示，本發明包括固定板1、兩個前彈簧片3、音圈電機、空心立體角鏡6、角鏡座7、活動板8、永磁體座10、兩個後彈簧片11 ;固定板I與活動板8通過兩個前彈簧片3、兩個後彈簧片11相連，永磁體座10固定安裝在固定板I上，永磁體座10內嵌圓形永磁體12 ;空心立方角鏡6固定在角鏡座7的一端；音圈電機與角鏡座7連為一體,音圈電機的線圈5纏繞在角鏡座7的另一端，角鏡座7固定在活動板8上。
[0025]圖2描述了固定板I和活動板8的連接方式。固定板I與活動板8通過兩組共四個彈簧片(兩個前彈簧片3，兩個後彈簧片11)相連。四個彈簧片其長度、寬度、厚度、材料等均完全相同，四個相同的壓條2牢固的將彈簧片安裝在固定板I和活動板8上。彈簧片採用強度、硬度、彈性、耐磨性、疲勞極限和耐熱性能優良的合金材料製成，一般可選鈹青銅材料。將四個彈簧片彼此相互平行，其在活動板8和固定板I之間的長度完全相同，四個彈簧片均安裝在活動板的靠近上下邊緣的位置。因此，固定板I和活動板8構成了一個長方體的兩個相對面，四個彈簧片構成了連接這兩個面的四條稜線。
[0026]圖3描述了圖2中，從頂部往下看的固定板、活動板及彈簧片構成的平行四邊形結構下視圖。從圖中可以看出，當活動板發生位移時，活動板8始終與固定板I平行。活動板、固定板以及前後彈簧片構成一個平行四邊形結構，保證在一定的運動範圍內，活動板8隻有一個方向的運動，從而保證了系統優異的抗振動性能。
[0027]由於活動板8需要支撐一定的動鏡重量，而彈簧片又比較薄，為了防止在運動過程中彈簧片產生向下的扭曲形變，需要對彈簧片進行加固處理，如圖1中所示，兩個前彈簧片3均採用了由兩個金屬板組成的前夾板4夾持加固的方法。與前彈簧加固有所不同，兩個後彈簧片11採用了有由兩個大的金屬板組成的後夾板9進行了夾持加固。
[0028]為了獲得動鏡的運動驅動力，採用了音圈電機的方法進行動鏡驅動，利用永磁體與線圈產生的磁場相互作用的方法獲得驅動力。圖1中，永磁體座10固定安裝在固定板I上。永磁體座10的具體結構如附圖4所示，其內嵌一永磁體12，永磁體12具有極強的磁吸力，其為圓形結構，磁場的南北極垂直於圓形表面。
[0029]產生磁力的音圈電機與角鏡座7連為一體，音圈電機的線圈5直接纏繞在角鏡座的一端。永磁體12與角鏡座7之間的擺放關係如圖5所示。線圈5繞成圓形結構，其圓形平面平行於永磁體12的圓形平面，兩個圓形的圓心共軸。當線圈5通電時，根據電磁感應定律，其會產生於一個南北極垂直於圓形平面的磁場。流過線圈的電流方向發生改變時，磁場的方向也會發生改變。電流大小發生改變時，磁場強度會發生改變。所產生的磁場會與永磁體12產生的磁場相互作用，產生吸引或排斥力。當永磁體與線圈產生磁力時，會推動角鏡座7運動，由於角鏡座7固定在活動板8上，因此，所產生的作用力也會作用在活動板8上，在此作用力下，四個彈簧片會產生形變，從而推動角鏡座7運動。從前面的描述中，彈簧形變會讓活動板8隻能在一個自由度方向上運動，因此，角鏡座7也只能在一個自由度方向上運動。空心角鏡6是安裝在角鏡座7上的,這也就意味著空心角鏡也只能在一個自由度方向上運動，從而保證了角鏡運動具有很好的直線性。
[0030]從圖1中，可以看出採用彈簧片的另一個好處是動鏡掃描速度快。當角鏡座7偏離平衡位置後，只要撤去加在線圈上的電流，那麼磁場力會立即消失，角鏡座7會在彈簧片的恢復力作用下自然向平衡位置運動，如果再加一個反向電流的話，那麼角鏡座向平衡位置回掃的速度會進一步加快。因此，掃描速度快是本發明的一大特點。
[0031]在傳統的基於平面動鏡的FT-1R幹涉儀中，動鏡掃描運動過程中，如果有一個小的角度偏移的話，那麼反射光就會產生較大的偏離，從而導致幹涉圖出現異常。為了克服此問題，本發明採用了空心立體角鏡作為反射鏡。空心立體角鏡6結構如圖6所示，其由3片完全相同的平面鏡膠合而成，3片平面鏡相互成90度，形成一個空心的立體結構。採用空心角鏡的好處是，入射到角鏡上的光線經過幾次反射後，會沿著平行於入射光線的方向返回，從而完全克服了反射光產生偏離的問題。由於光線在角鏡上至少要經過兩次反射，為了減少反射過程中的能量損失，鏡片反射面進行了鍍金處理，使光能損失極小。
【權利要求】
1.一種用於傅立葉變換紅外光譜儀的動鏡掃描裝置，其特徵在於:包 括固定板1、兩個前彈簧片3、音圈電機、空心立體角鏡6、角鏡座7、活動板8、永磁體座10、兩個後彈黃片11 ； 固定板I與活動板8通過兩個前彈簧片3、兩個後彈簧片11相連，永磁體座10固定安裝在固定板I上，永磁體座10內嵌圓形永磁體12 ;空心立方角鏡6固定在角鏡座7的一端；音圈電機與角鏡座7連為一體，音圈電機的線圈5纏繞在角鏡座7的另一端，角鏡座7固定在活動板8上。
2.按權利要求1所述的一種用於傅立葉變換紅外光譜儀的動鏡掃描裝置，其特徵在於:所述的兩個前彈簧片3，每個均用兩片前夾板4夾持加固；所述的兩個後彈簧片11通過兩片後夾板9夾持固定在一起。
3.按權利要求2所述的一種用於傅立葉變換紅外光譜儀的動鏡掃描裝置，其特徵在於:所述圓形永磁體12南北極方向與空心立體角鏡6上纏繞的圓形線圈5的軸向方向相同。
4.按權利要求3所述的一種用於傅立葉變換紅外光譜儀的動鏡掃描裝置，其特徵在於:所述的角鏡座7 —端為圓形結構，線圈5繞在圓形結構上；另一端裝有空心立體角鏡6 ;線圈5、空心立體角鏡6和角鏡座7三者為一體，三者的重心位置處於活動板8的水平方向的1/2處。
5.按權利要求4所述的一種用於傅立葉變換紅外光譜儀的動鏡掃描的裝置，其特徵在於:所述的空心立體角鏡6由三片鍍金平面鏡組成，三片鍍金平面鏡互成90度。
6.按權利要求5所述的一種用於傅立葉變換紅外光譜儀的動鏡掃描裝置，其特徵在於:所述固定板I與活動板8的板面完全平行；前彈簧片與後彈簧片相互平行，兩者在活動板8和固定板I之間的長度完全相同。
7.按權利要求1-6中任意一項所述的一種用於傅立葉變換紅外光譜儀的動鏡掃描裝置，其特徵在於:所述的四個彈簧片分別通過四個相同的壓條2安裝在固定板I和活動板8上。
【文檔編號】G01J3/45GK103528683SQ201310510306
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2013年10月25日
【發明者】吳瓊水, 曾立波, 石磊 申請人:武漢大學