专利名称：基于msp430的手持式光谱分析仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于MSP430的手持式光谱分析仪，属于光纤传感器领域，是ー种光纤光栅传感器解调技木。
背景技术：
光纤布拉格光栅(FBG)传感技术是上世纪80年代末发展起来的光纤传感技术,它是在光纤中写入布拉格光栅，利用其选择性反射特性从外界宽带入射光中产生窄带谐振反射光谱，当外界物理量，如应力、温度等改变时，布拉格周期被调制，从而引起反射光谱中心的移动，通过探测光谱中心的移动就能測量外界物理量的变化。与传统的机械类和电子类传感器相比，FBG传感器具有如下几方面的优势(I)抗电磁干扰，电绝缘性好，抗腐蚀，能在高温高压和易燃易爆等恶劣环境下工作；(2)光纤轻巧柔软，尺寸�。亓壳幔屎侠砣胧郊觳猓�(3)传输损耗�。墒迪衷毒嗬氩饬康�。与普通光纤传感器相比，FBG传感器还具有自己独特的优点，如(I)測量信息是波长编码的，不受光源功率起伏、光纤微弯损耗、连接损耗和探測器老化等因素的影响；(2)避免了一般干渉型传感器中对相位測量參考点的需要；(3)容易采用波分复用技术实现分布式组网测量。因此，FBG传感作为光纤传感的ー个重要的分支，受到了广泛关注，并且已经取得了持续和快速的发展，目前已在军事装备、エ矿企业、能源环保、大型建筑等方面获得了广泛应用。基于FBG的传感器，其核心技术除了传感器探头设计外就是光信号解调技木。传统的测量方法是通过机械扫描式光谱仪进行直接观测，其缺点是体积大、速度慢、价格高，常用于实验室解调，达不到工程应用化和产业化的要求。此外的主要解调方法还有匹配滤波法(M.A. Davis and A. D. Kersey, Electronics Letters 31,822 (1995), B. Jiang, etal. , Optics and Lasers in Engineering 49,415 (2011)),光纤法布里-拍罗可调谐滤波器(FFP-TF)法(W.R. Allan, et al. , Sensors Journal, IEEE 9,936(2009), A. D. Kersey,et al. , Opt. Lett. 18,1370 (1993))、边缘滤波法(Q. Wu, et al. , Optics & amp ；LaserTechnology 42，653 (2010))、波长扫描光纤激光器法(S. H. Yun, et al.，OPt. Lett. 23,843(1998),ff. Yiping,et al. ,Photonics Technology Letters, IEEE 18,1539(2006))等。其中匹配滤波和边缘滤波法的主要缺点是解调范围较�。現FP-TF法虽然具有较大解调范围，但是需要附加温漂抑制措施以使其稳定工作，扫描激光器法速度和范围都比较理想，但是体积还稍大并且比较昂贵。本说明书所述基于MSP430的手持式光谱分析仪采用线阵探测器光栅光谱仪亚像素拟合法。日本滨松光子学株式会社(http://www.hamamatsu.com)介绍了该公司基于微机电系统(MEMS)光栅和Back-thinned (XD/CM0S线阵/InGaAs线阵图像传感器的类似产品，但因为该产品线为通用光谱分析设备，并非针对C波段(1529-1561nm)FBG传感所设计，所以工作波段不匹配并且分辨率不能满足FBG信号解调要求。美国海洋光学(http://www.oceanoptics.com/)的产品同样存在上述问题。丹麦Ibsen光子公司(http://www.ibsenphotonics. com/)的产品主要以OEM�？樾问匠鍪郏枰杉ê蚉C机等设备协同エ作，不适合直接作为便携式产品在外场使用。
发明内容要解决的技术问题为了避免现有产品的不足之处，本发明提出一种针对C波段FBG传感用基于MSP430的手持式光谱分析仪，可以满足FBG传感器现场测量要求。技术方案—种基于MSP430的手持式光谱分析仪,其特征在于包括电源管理�？�、信号处理�？�、分光探测�？�、光纤法兰、触摸屏和LCD�？椤⒋娲⑵髂？椤SB接口管理�？�、USB接口、时钟�？�、温度测量�？楹偷缌坎饬磕？椋籙SB数据线连接USB接口，信号处理�？榉直鹩敕止馓讲饽？�、触摸屏和LCD模块、存储器�？�、时钟�？�、USB接口管理�？椤⑽露炔饬磕？楹偷缌坎饬磕？榱樱缭垂芾砟？榈�+5V电源输出连接USB接口，+3. 3V电源输出连 接信号处理�？�、触摸屏和LCD模块、存储器�？�、时钟�？楹蚒SB接口管理�？椋�5V电源输出连接分光探测模块，+3. 7V锂电池电源输出连接电量探测�？楹褪敝幽？椋槐惶讲夤庑藕啪庀朔ɡ冀敕止馓讲饽？椋媚？椴捎霉庹ざ匀肷涔饨衅追纸獠床ǔた占溆成涞较哒筇讲馄魃希馇磕Ｄ饬烤瑼D转换后以数字量输出至信号处理�？椋藕糯砟？槎郧慷确植冀醒窍袼厥的夂喜⑻崛〕龇逯挡ǔぃ偷酱ッ梁蚅CD�？橹邢允荆蛘咄ü齍SB接口管理�？楹蚒SB接口传送到上位计算机中。所述电源管理模块包括充电口、锂电池、稳压电路、开关电路和指示灯；充电电源连接充电口、USB接口、充电口和锂电池连接开关电路，开关电路连接稳压电路，稳压电路连接指示灯，稳压电路对外输出电源线为+3. 3V和±5V电压，锂电池对外输出电源线为+3. 7V电压。所述的分光探测模块采用I-MON 80D，包含80个像素探测点，工作于C波段。所述的信号处理�？椴捎肕SP430F5438混合信号处理器。所述的USB接口管理�？椴捎肨USB3410芯片。有益效果本发明的有益效果是利用光栅分光、线阵探测器提取光信号，基于MSP430的手持式光谱分析仪将对光频域谱的分析转换为空间域强度的测量，而后通过混合信号处理器MSP430F5438对原始数据运用亚像素算法进行拟合，提升了光谱的空间分辨率，因此非常适合于C波段基于FBG的传感器波长信号解调。因为整机采用全固态设计，没有机械运动部件，所以本说明书所述光谱分析仪工作更加稳定、可靠；同时没有机械运动惯性，光谱的获取更加迅速；其三是结构紧凑，小巧，便于携带和现场测量。
图I :为本发明基于MSP430的手持式光谱分析仪原理功能框图；图2 :为本发明原理功能框图中电源管理�？榈哪诓靠蛲迹煌�3 :为本发明基于MSP430的手持式光谱分析仪联机工作与独立工作示意图；图4 :为本发明基于MSP430的手持式光谱分析仪第一实施方式的结构示意图；图5 :为本发明基于MSP430的手持式光谱分析仪第二实施方式的结构示意图；[0020]图6 :为本发明基于MSP430的手持式光谱分析仪的ー个典型測量界面截图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进ー步描述參见图1，基于MSP430的手持式光谱分析仪包括电源管理�？�、信号处理�？椤⒎止馓讲饽？�、光纤法兰、触摸屏和LCD�？�、存储器�？�、USB接ロ管理�？�、USB接ロ、时钟�？椤⑽露葴y量�？楹偷缌坎饬磕？�。信号处理模块采用MSP430F5438混合信号处理器芯片，USB接ロ管理�？椴捎肨USB3410桥接芯片，分光探测�？椴捎肐-MON 80D器件，存储器�？檠∮肊2PR0MAT24LC256芯片，时钟�？檠∮肞CF8563芯片，稳压电路选用MAX856、TPS7333、TPS6735芯片。光路联接关系为外界光线号连接光纤法兰，光纤法兰再连接分光探測�？椤５缏妨庸叵滴猆SB数据线连接USB接ロ，USB接ロ的+5V电源连接电源管理�？椋涞绲缭戳拥缭垂芾砟？椋坏缭垂芾砟？榻�+3. 3V输出到信号处理�？�、触摸屏和LCD�？�、存储器�？�、时钟�？楹蚒SB接ロ管理�？椋�5V输出到分光探測�？椋绯�+3. 7V输出到电量探测�？楹褪敝幽？椋恍藕糯砟？榉直鸷头止馓讲饽？�、触摸屏和IXD�？�、存储器�？�、时钟�？�、USB接ロ管理�？椤⑽露炔饬磕？楹偷缌坎饬磕？榱�。參见图2，为电源管理�？榈哪诓靠蛲肌０ǔ涞绁�、锂电池、稳压电路、开关电路和指示灯。电路联接关系为充电电源连接充电ロ，USB接ロ、充电口和锂电池连接开关电路，开关电路连接稳压电路，稳压电路连接指示灯，稳压电路对外提供+3. 3V和±5V电压，锂电池对外提供+3. 7V电压。基于MSP430的手持式光谱分析仪的详细工作流程为1、充电模式通过开关电路，将充电电源通过充电ロ连接到锂电池，可对本分析仪内可充电锂聚合物电池进行充电；2、工作模式通过开关电路，将锂电池电压提供到稳压电路，或者将USB数据线的电压通过USB接ロ提供到稳压电路，指示灯亮，本分析仪开始工作。首先内部參数(如时钟周期、平均次数、拟合方法、判定阈值、校准方法等)由存储器模块传送到信号处理�？椋黄浯瓮獠勘惶綔y光信号经光纤法兰送入内部分光探測�？椋止馓綔y�？椴捎霉庹ざ匀肷涔饨衅灯追纸猓纸夂蟮墓庥�80点16bit分辨率光电线阵探測器接收并进行AD转换，得到量化光功率谱分布；接着80点数据在信号处理�？槭敝拥耐较滤腿肽？槟诓縍AM中，而后查询峰值点并进行亚像素数值拟合分析，提取中心波长值；最后中心波长值送至IXD显示，或者通过USB接ロ管理�？楹蚒SB接口上传到计算机中。另外，信号处理�？橹芷谛远寥∈敝邮�、温度測量数据、电量測量数据送到LCD显示，内部參数可以通过上位计算机、触摸屏进行设置并保存到存储器�？橹小Ｋ龅难窍袼厥的夂纤惴òㄖ市哪夂纤惴�、Gauss拟合算法和带宽中心算法。其中质心拟合算法的基本原理是以光功率为加权系数，计算峰值点附近波长的加权平均值，作为FBG反射谱的中心波长。公式表示为⑴[0034]其中Ii为峰值点附近p个采样点第i个的光功率，A i为相应波长。Gauss拟合算法的思想是，将峰值局域看成Gauss函数，对拟合采样点用最小二乘法进行最佳拟合判定，获得的Gauss函数中心作为FBG反射谱的中心波长。Gauss函数表示的光谱功率分布为
权利要求1.一种基于MSP430的手持式光谱分析仪,其特征在于包括电源管理�？�、信号处理�？�、分光探测�？�、光纤法兰、触摸屏和LCD�？�、存储器�？�、USB接ロ管理模块、USB接ロ、时钟�？椤⑽露葴y量�？楹偷缌坎饬磕？椋籙SB数据线连接USB接ロ，信号处理�？榉直鹩敕止馓讲饽？�、触摸屏和LCD�？�、存储器�？椤⑹敝幽？�、USB接ロ管理�？�、温度测量�？楹偷缌繙y量模块连接，电源管理�？榈�+5V电源输出连接USB接ロ，+3. 3V电源输出连接信号处理�？椤⒋ッ梁蚅CD�？�、存储器�？椤⑹敝幽？楹蚒SB接ロ管理�？椋�5V电源输出连接分光探測�？椋�+3. 7V锂电池电源输出连接电量探测�？楹褪敝幽？椋槐惶綔y光信号经光纤法兰进入分光探测�？椋媚？椴捎霉庹ざ匀肷涔饨衅追纸獠床ǔた占溆成涞较哒筇綔y器上，光强模拟量经AD转换后以数字量输出至信号处理�？椋藕糯砟？槎郧慷确植冀醒窍袼厥的夂喜⑻崛〕龇逯挡ǔぃ偷酱ッ梁蚅CD�？橹邢允荆蛘咄ü齍SB接ロ管理�？楹蚒SB接ロ传送到上位计算机中。
2.根据权利要求I所述的基于MSP430的手持式光谱分析仪，其特征在于所述电源管理�？榘ǔ涞绁�、锂电池、稳压电路、开关电路和指示灯；充电电源连接充电ロ、USB接ロ、充电ロ和锂电池连接开关电路，开关电路连接稳压电路，稳压电路连接指示灯，稳压电路对外输出电源线为+3. 3V和±5V电压，锂电池对外输出电源线为+3. 7V电压。
3.根据权利要求I所述的基于MSP430的手持式光谱分析仪，其特征在于所述的分光探测�？椴捎肐-MON 80D，包含80个像素探测点，工作于C波段。
4.根据权利要求I所述的基于MSP430的手持式光谱分析仪，其特征在于所述的信号处理�？椴捎肕SP430F5438混合信号处理器。
5.根据权利要求I所述的基于MSP430的手持式光谱分析仪，其特征在于所述的USB接ロ管理�？椴捎肨USB3410芯片。
专利摘要本实用新型涉及一种基于MSP430的手持式光谱分析仪，技术特征在于利用光栅分光、线阵探测器提取光信号，基于MSP430的手持式光谱分析仪将对光频域谱的分析转换为空间域强度的测量，而后通过混合信号处理器MSP430F5438对原始数据运用亚像素算法进行拟合，提升了光谱的空间分辨率，因此非常适合于C波段基于FBG的传感器波长信号解调。因为整机采用全固态设计，没有机械运动部件，所以本说明书所述光谱分析仪工作更加稳定、可靠；同时没有机械运动惯性，光谱的获取更加迅速；其三是结构紧凑，小巧，便于携带和现场测量。
文档编号G01J3/28GK202420675SQ20112054706
公开日2012年9月5日 申请日期2011年12月18日 优先权日2011年12月18日
发明者姜亚军, 姜碧强, 杨德兴, 秦川, 赵建林 申请人:西北工业大学
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