CN102519937B - 一种手持式拉曼探头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了光谱分析技术，特别是一种手持式拉曼探头。包括探头和控制电路；其中：所述的探头由光纤、聚焦镜、全息窄带滤光器、光束截止器、准直镜、样品窗、反光镜、带通滤波片、开关、外壳和线缆组成；光纤、聚焦镜、全息窄带滤光器、光束截止器、准直镜、样品窗依光通路安放在外壳内。本发明既考虑光源稳定性控制，又考虑使用中采样的自动控制。采用反馈控制光源的稳定性，采用电阻桥触摸开关控制采样，使其可广泛用于农业、食品、石油、化工等领域的在线监测和现场采样。本发明结构紧凑，功耗低，具有光源稳定控制，自动采样等功能，便于随身携带，适合在线监测和现场采样。
Description
技术领域
本发明涉及光谱分析技术，特别是一种手持式拉曼探头。
背景技术
拉曼散射是光与物质非弹性散射的一种现象，是重要的光谱分析技术，因其灵敏度高、快速、无损、所需样品极少、并可利用显微光路对样品进行微区检测和成像检测等优点，已在固体物理、半导体物理、催化、表面、生物化学、材料表征和宝石鉴定等领域得到广泛应用。
作为传感器的光纤探头具有可以屏蔽外界杂散光、减少电磁干扰、充分聚集微区信号、高灵敏度等优点，适于进行远距离遥控检测、高温高压等非接触检测。将光纤探头作为测样附件，极大推动了拉曼光谱的应用和推广。
目前，已有多种光纤探头的商品出售，主要由美国新泽西州的Dilor仪器公司、麻省的EIC Laboratories制造，其特点是具有高效能的双光纤设计，并配有微型光学元件、分束器及滤光器。该类探头需要进行光学校准，具有可调的光斑尺寸及工作距离，如果样品的距离不能保持不变，则光学效率会受到一定的影响。为了使光纤探头更加结实耐用，探头的设计应尽量减少光学元件的数量。保持样品与探头的窗口是相接触的，而不是保持一固定的工作距离，这样探头与样品间的几何关系易于复现。
专利CN1278423A发明了一种近红外光医学成像装置的单发射双接收探头；专利CN1457427A发明了一种用于测量光散射的探头，包括光的光输入光纤和传输散射光的散射光测量光纤；专利CN1162440A发明了一种接触式腔内激光探头装置；专利CN2546846Y发明了一种二维光线传输探头；专利CN2578823Y发明了一种包括壳体、探针、双光纤的探头；专利CN2558970Y发明了一种输入、输出光纤成两底角45°、顶角90°布置的探头；CN2248872Y发明了一种双通道式光电探测探头；专利CN2368096Y发明了一种用于检测烟雾的光纤探头；专利CN201043948Y发明了一种用于气体在线分析的一体化探头；但以上专利中涉及的光纤探头中，第一：未考虑光源老化、电压浮动等因素，会造成入射样品光强的变化，进而影响测量结果的准确性；第二：只能简单的控制激光光路的开关，而无法控制采样检测，因此在实际的野外和现场检测采用手持采样时，往往需要一边将探头对准样品，一边在电脑上操作软件进行检测，十分不便。
发明内容
本发明的目的是提供一种带自动控制功能的手持式拉曼探头，克服现有技术的不足，以实现光源稳定控制和自动采样，使其可应用于农业、食品、石油、化工等领域。
为实现上述目的，本发明所采用技术方案如下：
一种手持式拉曼探头，包括探头和控制电路；其中：激光器与探头连接，探头与探测器连接，探测器与电脑连接；所述的探头由光纤、聚焦镜、全息窄带滤光器、光束截止器、准直镜、样品窗、反光镜、带通滤波片、开关、外壳和线缆组成；光纤、聚焦镜、全息窄带滤光器、光束截止器、准直镜、样品窗依光通路安放在外壳内；反射镜设在样品窗的一侧，反射镜与样品窗平面倾斜放置，带通滤波片、聚焦镜、光纤依次安放在反射光通路上；外壳上安置开关、线缆。
一种手持式拉曼探头，包括探头和控制电路；其中：激光器与探头连接，探头与探测器连接，探测器与电脑连接；所述的探头由光纤、聚焦镜、全息窄带滤光器、光束截止器、准直镜、样品窗、反光镜、带通滤波片、开关、外壳和线缆组成；光纤、聚焦镜、全息窄带滤光器、光束截止器、准直镜、样品窗依光通路安放在外壳内；反射镜设在样品窗的一侧，反射镜与样品窗平面倾斜放置，带通滤波片、聚焦镜、光纤依次安放在反射光通路上；外壳上安置开关、线缆；所述的控制电路由光源稳定性控制电路和自动采样控制电路组成；光源稳定性控制电路由驱动LD、PD监测、差分放大器、A/D转换、单片机、存储器、D/A转换、电压/电流转换；PD监测与差分放大器单向连接，差分放大器与A/D转换单向连接，A/D转换与单片机单向连接，单片机与D/A转换单向连接，单片机与存储器双向连接，D/A转换与电压/电流转换单向连接、电压/电流转换与驱动LD单向连接；自动采样控制电路由开关、电压比较器、LED指示灯、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和电容C组成；开关的一端通过R9与电压比较器的第5#管脚连接，开关通过R10、R11、R12、R13、LED指示灯连接到电压比较器的第2#管脚；开关的另一端与电压比较器的第12#管脚连接并接地；电压比较器的第4#管脚通过R8接地，电压比较器的第4#管脚通过R7分别与电压比较器的第3#管脚、电源、电容C连接，电容C的另一端接地；电压比较器的第2#管脚通过LED指示灯、R13连接到电源。
一种手持式拉曼探头，其中：该探头的工作步骤如下：
第一步、通过计算机设置好硬件参数；
第二步、手持拉曼探头，使拉曼探头的样品窗与待测的固体或粉末样品贴紧或深入液体样品内部一定深度；
第三步、开关控制拉曼光谱的采集，激光光源发出的激光经光纤传至聚焦镜，汇聚成平行光，平行光经全息窄带滤光器和光束截止器后，滤除杂散光；经准直镜汇聚成点光源，经样品窗照射至样品，激发出拉曼散射光；拉曼散射光经反射镜反射后，经带通滤波片后，由聚焦镜汇聚后，进入光纤；
第四步、光源稳定性控制过程：PD监测监测驱动LD驱动的电流变化，经差分放大器差分放大后变成一个电压量，经高精度A/D转换器采样量化后送入单片机，与存储器内的参考值作差，产生电压偏差信号；再对偏差信号进行PID运算，运算结果经D/A转换及电压/电流转换，成为驱动LD驱动电流；
第五步、差分放大过程中，监测电流（Im）与参考电流（Iref）经四个电阻及温度系数相等的高精度电阻（R1~R4=50K）组成的桥式电路，经高输入阻抗差分放大器（INA114）放大后，输出电压Vo；调整可调电阻(Rg=500K)调节放大倍数；
第六步、输出电压Vo经过A/D（MAX1062）转换后，进入单片机与参考值作差，经D/A（AD5551）转换的输出电压V1，进行电压/电流转换；V1经低噪声高精度运算放大器（OP07）放大后，经场效应管（NMOS）漏极产生驱动LD的电流，驱动电流由V1及电阻Rs（30Ω）决定，实现光源稳定性控制；
第七步、用握持拉曼探头的手指，轻轻触动拉曼探头上的开关一次，电压比较器第2#管角输出低电平信号，使发光二极管LED指示灯导通发光，同时发送高电平信号至光谱仪的触发管角，完成一次采样。
本发明的优点和效果：本发明既考虑光源稳定性控制，又考虑使用中采样的自动控制。采用反馈控制光源的稳定性，采用电阻桥触摸开关控制采样，使其可广泛用于农业、食品、石油、化工等领域的在线监测和现场采样。本发明结构紧凑，功耗低，具有光源稳定控制，自动采样等功能，便于随身携带，适合在线监测和现场采样。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是本发明的探头B的结构示意图。
图3是本发明的光源稳定性控制流程图。
图4是本发明的自动采样控制的电路图。
图5是本发明的光源稳定性控制的差分放大电路图。
图6是本发明的光源稳定性控制的电压电流转换电路图。
附图说明：激光器A、探头B、探测器C、电脑D、光纤1、聚焦镜2、全息窄带滤光器3、光束截止器4、准直镜5、样品窗6、反光镜7、带通滤波片8、开关9、外壳10、线缆11、差分放大13、PD检测14、存储器15、A/D转换16、单片机17、D/A转换18、电压/电流转换19、驱动LD20、LED指示灯21、电压比较器22。
具体实施方式
实施例1、一种手持式拉曼探头，包括探头B和控制电路；其中：激光器A与探头B连接，探头B与探测器C连接，探测器C与电脑D连接；所述的探头由光纤1、聚焦镜2、全息窄带滤光器3、光束截止器4、准直镜5、样品窗6、反光镜7、带通滤波片8、开关9、外壳10和线缆11组成；光纤1、聚焦镜2、全息窄带滤光器3、光束截止器4、准直镜5、样品窗6依光通路安放在外壳10内；反射镜7设在样品窗6的一侧，反射镜7与样品窗6平面倾斜放置，带通滤波片8、聚焦镜2、光纤1依次安放在反射光通路上；外壳10上安置开关9、线缆11。
实施例2、一种手持式拉曼探头，包括探头和控制电路；其中：激光器A与探头B连接，探头B与探测器C连接，探测器C与电脑D连接；所述的探头由光纤1、聚焦镜2、全息窄带滤光器3、光束截止器4、准直镜5、样品窗6、反光镜7、带通滤波片8、开关9、外壳10和线缆11组成；光纤1、聚焦镜2、全息窄带滤光器3、光束截止器4、准直镜5、样品窗6依光通路安放在外壳10内；反射镜7设在样品窗6的一侧，反射镜7与样品窗6平面倾斜放置，带通滤波片8、聚焦镜2、光纤1依次安放在反射光通路上；外壳10上安置开关9、线缆11；所述的控制电路由光源稳定性控制电路和自动采样控制电路组成；光源稳定性控制电路由驱动LD20、PD监测14、差分放大器13、A/D转换16、单片机17、存储器15、D/A转换18、电压/电流转换19；PD监测14与差分放大器13单向连接，差分放大器13与A/D转换16单向连接，A/D转换16与单片机17单向连接，单片机17与D/A转换18单向连接，单片机17与存储器15双向连接，D/A转换18与电压/电流转换19单向连接、电压/电流转换19与驱动LD20单向连接；自动采样控制电路由开关9、电压比较器22、LED指示灯21、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和电容C组成；开关9的一端通过R9与电压比较器22的第5#管脚连接，开关9通过R10、R11、R12、R13、LED指示灯21连接到电压比较器22的第2#管脚；开关9的另一端与电压比较器22的第12#管脚连接并接地；电压比较器22的第4#管脚通过R8接地，电压比较器22的第4#管脚通过R7分别与电压比较器的第3#管脚、电源、电容C连接，电容C的另一端接地；电压比较器22的第2#管脚通过LED指示灯21、R13连接到电源。
实施例3、一种手持式拉曼探头，其中：该探头的工作步骤如下：
第一步、通过计算机设置好硬件参数；
第二步、手持拉曼探头，使拉曼探头的样品窗与待测的固体或粉末样品贴紧或深入液体样品内部一定深度；
第三步、开关9控制拉曼光谱的采集，激光器A的光源发出的激光经光纤1传至聚焦镜2，汇聚成平行光，平行光经全息窄带滤光器3和光束截止器4后，滤除杂散光；经准直镜5汇聚成点光源，经样品窗6照射至样品，激发出拉曼散射光；拉曼散射光经反射镜反射后，经带通滤波片8后，由聚焦镜2汇聚后，进入光纤1；
第四步、光源稳定性控制过程：PD监测14监测驱动LD20驱动的电流变化，经差分放大器13差分放大后变成一个电压量，经高精度A/D转换器采样量化后送入单片机17，与存储器15内的参考值作差，产生电压偏差信号；再对偏差信号进行PID运算，运算结果经D/A转换18及电压/电流转换19，成为驱动LD20驱动电流；
第五步、差分放大过程中，监测电流（Im）与参考电流（Iref）经四个电阻及温度系数相等的高精度电阻（R1~R4=50K）组成的桥式电路，经高输入阻抗差分放大器（INA114）放大后，输出电压Vo；调整可调电阻(Rg=500K)调节放大倍数；
第六步、输出电压Vo经过A/D（MAX1062）转换后，进入单片机与参考值作差，经D/A（AD5551）转换的输出电压V1，进行电压/电流转换；V1经低噪声高精度运算放大器（OP07）放大后，经场效应管（NMOS）漏极产生驱动LD的电流，驱动电流由V1及电阻Rs（30Ω）决定，实现光源稳定性控制；
第七步、用握持拉曼探头的手指，轻轻触动拉曼探头上的开关9一次，电压比较器22第2#管角输出低电平信号，使发光二极管LED指示灯21导通发光，同时发送高电平信号至光谱仪的触发管角，完成一次采样。
其余同实施例1或2。
Claims (2)
1.一种手持式拉曼探头，包括探头（B）和控制电路；其特征在于：激光器（A）与探头（B）连接，探头（B）与探测器（C）连接，探测器（C）与电脑（D）连接；所述的探头（B）由光纤（1）、聚焦镜（2）、全息窄带滤光器（3）、光束截止器（4）、准直镜（5）、样品窗（6）、反光镜（7）、带通滤波片（8）、开关（9）、外壳（10）和线缆（11）组成；光纤（1）、聚焦镜（2）、全息窄带滤光器（3）、光束截止器（4）、准直镜（5）、样品窗（6）依光通路安放在外壳（10）内；反射镜（7）设在样品窗（6）的一侧，反射镜（7）与样品窗（6）平面倾斜放置，带通滤波片（8）、聚焦镜（2）、光纤（1）依次安放在反射光通路上；外壳（10）上安置开关（9）、线缆（11）；所述的控制电路由光源稳定性控制电路和自动采样控制电路组成；光源稳定性控制电路由驱动LD（20）、PD监测（14）、差分放大器（13）、A/D转换（16）、单片机（17）、存储器（15）、D/A转换（18）、电压/电流转换（19）；PD监测（14）与差分放大器（13）单向连接，差分放大器（13）与A/D转换（16）单向连接，A/D转换（16）与单片机（17）单向连接，单片机（17）与D/A转换（18）单向连接，单片机（17）与存储器（15）双向连接，D/A转换（18）与电压/电流转换（19）单向连接、电压/电流转换（19）与驱动LD（20）单向连接；自动采样控制电路由开关（9）、电压比较器（22）、LED指示灯（21）、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和电容C组成；开关（9）的一端通过R9与电压比较器（22）的第5#管脚连接，开关（9）通过R10、R11、R12、R13、LED指示灯（21）连接到电压比较器（22）的第2#管脚；开关（9）的另一端与电压比较器（22）的第12#管脚连接并接地；电压比较器（22）的第4#管脚通过R8接地，电压比较器（22）的第4#管脚通过R7分别与电压比较器的第3#管脚、电源、电容C连接，电容C的另一端接地；电压比较器（22）的第2#管脚通过LED指示灯（21）、R13连接到电源。
2.如权利要求1所述的一种手持式拉曼探头，其特征在于：该探头的工作步骤如下：
第一步、通过计算机设置好硬件参数；
第二步、手持拉曼探头，使拉曼探头的样品窗与待测的固体或粉末样品贴紧或深入液体样品内部一定深度；
第三步、开关（9）控制拉曼光谱的采集，激光器（A）的光源发出的激光经光纤（1）传至聚焦镜（2），汇聚成平行光，平行光经全息窄带滤光器（3）和光束截止器（4）后，滤除杂散光；经准直镜（5）汇聚成点光源，经样品窗（6）照射至样品，激发出拉曼散射光；拉曼散射光经反射镜反射后，经带通滤波片（8）后，由聚焦镜（2）汇聚后，进入光纤（1）；
第四步、光源稳定性控制过程：PD监测（14）监测驱动LD（20）驱动的电流变化，经差分放大器（13）差分放大后变成一个电压量，经高精度A/D转换器采样量化后送入单片机（17），与存储器（15）内的参考值作差，产生电压偏差信号；再对偏差信号进行PID运算，运算结果经D/A转换（18）及电压/电流转换（19），成为驱动LD（20）驱动电流；
第五步、用握持拉曼探头的手指，轻轻触动拉曼探头上的开关（9）一次，电压比较器（22）第2#管脚输出低电平信号，使发光二极管LED指示灯（21）导通发光，同时发送高电平信号至光谱仪的触发管脚，完成一次采样。
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