CN104713596A - 一种太赫兹实验环境的智能监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太赫兹实验环境的智能监测系统及监测方法，用于解决现有技术中没有能够实时监测太赫兹实验箱体内温度、湿度、气压和光路微小形变的方案的问题。本发明提供的智能监测系统包括：设置于实验箱体内的预定场测量点处的至少一个湿度传感器、温度传感器和一个绝对压力传感器，以及分别设置于太赫兹射线入射口和射线出射口位置的应变测量模块，以及输入端与每个湿度传感器、温度传感器、绝对压力传感器的输出端连接的智能控制装置，以及与智能控制装置的输出端无线连接的上位机。上述方案中，通过各传感器实时监测太赫兹实验箱体内温度、湿度、气压和光路微小形变，为研究太赫兹射线提供了实验环境参考数据，提高了实验的测量精度。

Description

一种太赫兹实验环境的智能监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特别是指一种太赫兹实验环境的智能监测系统及监测方法。

背景技术

太赫兹波(terahertz，THz)是介于微波和红外光之间的电磁波，因其良好的透视性、安全性以及较高光谱分辨能力，已成为在线、无损的成分检测手段之一。由于THz射线能量远低于X射线，可用于人体或物品无损成像，在生物领域可分析多聚糖、肽、蛋白质结构，构建完整的三维乃至四维图像；其次THz射线对于电介质材料、复合材料及塑料等有很好的透射性，可对复合材料结构进行无损探伤、邮政等包装内物品进行安全检查。

太赫兹实验属于光学实验，对于实验环境要求较高，尤其水对太赫兹吸收明显，因此实验过程中温度、湿度以及实验箱体内气压的变化都将影响太赫兹实验数据，进而影响实验结果的准确性。

太赫兹实验箱体采用半密闭结构，使用99.999％高纯氮气作为实验箱体保护气。在实验过程中持续向箱体内充入氮气，由于腔体不绝对密封，少量气体可通过上部盖体缝隙逸出。通气初期高纯氮气可以置换出箱体中原有的空气，特别是水蒸气成分，进而减少水蒸气对太赫兹射线的影响；由于箱体内持续通入高纯氮气，箱体内绝对压力略高于外界大气压，箱体两端太赫兹射线入射口与射线出射口几何位置发生微小形变，造成光路的变化；可见，太赫兹实验数据采集的实时性要求较高，尤其在准备实验过程中，需要待实验箱体内的温度、湿度、绝对压力满足实验条件要求并稳定后，才可以进行实验。故对箱体内湿度、实验箱体内绝对压力及光路微小形变的实时是太赫兹实验中十分重要的环节，但是，目前还未有能够有效实时监测太赫兹实验箱体内温度、湿度、气压 和光路微小形变的方案。

发明内容

为了解决现有技术中没有能够实时监测太赫兹实验箱体内温度、湿度、气压和光路微小形变的方案的问题，本发明提供一种太赫兹实验环境的智能监测系统及监测方法，该智能监测系统及方法能够实现太赫兹实验箱体内温度、湿度、气压和光路微小形变的实时监测，提高了太赫兹光学实验的测量精度。

本发明提供的一种太赫兹实验环境的智能监测系统，包括：至少一个湿度传感器、至少一个温度传感器、一个绝对压力传感器、两个应变测量模块、智能控制装置和上位机；每个所述湿度传感器、温度传感器、绝对压力传感器分别设置于当前太赫兹实验箱体内的预定场测量点，且每个湿度传感器、温度传感器、绝对压力传感器的输出端均与智能控制装置相连接；两个所述应变测量模块分别设置于当前太赫兹实验箱体两侧的太赫兹射线入射口和射线出射口位置，所述应变测量模块用于测量太赫兹射线入射口与射线出射口位置的形变并将测量值发送给与其输出端连接的所述智能控制装置；所述智能控制装置的输出端与所述上位机无线连接。

其中，所述应变测量模块为一个全桥差动电路，所述全桥差动电路的每个桥臂上串联有一片电阻应变片。

其中，所述智能监测系统还包括蓝牙发送模块和蓝牙接收模块；所述蓝牙发送模块的输入端与所述智能控制装置的输出端连接，输出端与所述蓝牙接收模块的输入端无线连接；所述蓝牙接收模块的输出端与所述上位机连接，所述智能控制装置通过蓝牙发送模块和蓝牙接收模块实现与所述上位机的无线连接。

其中，所述蓝牙发送模块和蓝牙接收模块为HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块，采用自动连接工作模式。

其中，该智能监测系统中的温度传感器和湿度传感器的个数均为4。

其中，所述智能控制装置为以STM32芯片为核心的处理器电路，所述湿度传感器的输出端通过I²C接口与所述STM32芯片通信。

其中，所述智能监测系统还包括与所述智能控制装置连接的蜂鸣器，所述 智能控制装置在所述绝对压力传感器监测到的当前太赫兹实验箱体内的绝对压力值大于预先存储的绝对压力阈值时，控制所述蜂鸣器鸣叫示警。

本发明还提供一种太赫兹实验环境的智能监测方法，该方法包括步骤：

S1：在当前太赫兹实验箱体内的若干个预定场测量点处设置至少一个湿度传感器、至少一个温度传感器、一个绝对压力传感器，在太赫兹射线入射口与射线出射口位置分别设置应变测量模块，并将各湿度传感器、温度传感器、绝对压力传感器和应变测量模块的输出端与智能控制装置的输入端连接，将所述智能控制装置的输出端与上位机无线连接；

S2：为各湿度传感器、温度传感器、绝对压力传感器、应变测量模块和智能控制装置进行上电检测；

S3：智能控制装置控制各湿度传感器、温度传感器、绝对压力传感器和应变测量模块对当前太赫兹实验箱体内的湿度、温度、压力以及太赫兹射线入射口、射线出射口的形变值进行轮询检测；

S4：智能控制装置将当前一轮检测到的当前太赫兹实验箱体内的湿度、温度、压力以及太赫兹射线入射口、射线出射口的形变数据发送给上位机，上位机根据收到的数据结束检测或通知智能控制装置开始下一轮检测。

其中，所述S3包括以下步骤：

S31：智能控制装置开始当前一轮检测，首先判断所述湿度传感器监测到的当前太赫兹实验箱体内湿度是否正常，若是，则执行S32，否则返回执行S2；

S32：判断所述应变测量模块监测到的太赫兹射线入射口、射线出射口的形变是否正常，若是，则执行S33，否则返回执行S2；

S33：判断所述温度传感器监测到的当前太赫兹实验箱体内温度是否正常，若是，则执行S34，否则返回执行S2；

S34：判断所述绝对压力传感器监测到的当前太赫兹实验箱体内的绝对压力是否正常，若是，则执行S4，否则返回执行S2。本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过集成电路芯片采集设置于实验箱体内预定位置处的温度、湿度、压力传感器所采集的相应数据以及射线出、入射口的形变，并将上 述监测数据传输给上位机，能够实现太赫兹实验箱体内温度、湿度、气压和光路微小形变的实时监测，为研究太赫兹射线提供了实验环境参考数据，为精确测量并分析太赫兹实验结果奠定了基础，提高了太赫兹光学实验的测量精度。可以满足当代太赫兹精密实验的需要。且该实智能监测系统同时可应用于其他相关实验场所，实用性强。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种太赫兹实验环境的智能监测系统的结构示意图；

图2为图1中应变测量模块4的优选实施结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种太赫兹实验环境的智能监测系统的一种优选实施结构示意图；

图4为本发明实施例提供的太赫兹实验环境的智能监测系统的各部件与太赫兹实验箱体的相对位置示意图；

图5为本发明实施例提供的一种太赫兹实验环境的智能监测方法流程图；

图6为图5中步骤S3的优选实施方式。

[主要附图标记说明]

1、  湿度传感器； 

2、  温度传感器； 

3、  绝对压力传感器；

4、  应变测量模块；

5、  智能控制装置；

6、  上位机；

7、  电阻应变片； 

8、  蓝牙发送模块；

9、  蓝牙接收模块；

10、 太赫兹射线入射口；

11、 太赫兹射线出射口；

12、 实验样品镜架。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1为本发明实施例提供的一种太赫兹实验环境的智能监测系统的结构示意图，如图1中所示，该系统包括：至少一个湿度传感器1、至少一个温度传感器2、一个绝对压力传感器3、两个应变测量模块4、智能控制装置5和上位机6。其中，每个湿度传感器1、温度传感器2、绝对压力传感器3分别设置于当前太赫兹实验箱体内的预定场测量点，且每个湿度传感器1、温度传感器2、绝对压力传感器3的输出端均与智能控制装置5相连接。两个应变测量模块4分别设置于当前太赫兹实验箱体两侧的太赫兹射线入射口和出射口的位置，应变测量模块4用于测量太赫兹射线入射口与射线出射口位置的形变并将测量值发送给与其输出端连接的智能控制装置5。智能控制装置5的输出端与上位机6无线连接。多个温度传感器、湿度传感器根据预先设定的空间坐标位置进行均匀布设，用于测量实验箱体的温度场、湿度场分布。将上述传感器与箱体内智能控制装置相连，完成数据监测及处理，智能控制装置5将实时监测到的各项数据无线传输给上位机6进行存储或提供给管理人员。

优选地，如图2所示，本发明提供的监测系统内的应变测量模块4为一个全桥差动电路，全桥差动电路的每个桥臂上串联有一片电阻应变片7。用于测量形变的电阻应变片7布设在实验箱体的太赫兹射线入射口与出射口，经全桥差动电路处理，将全桥差动电路输出的电压差U₀输出至智能控制装置，完成射线入射口和出射口的数据处理。

优选地，该系统中智能控制装置通过蓝牙模块将各传感器数据以无线传输的方式传给上位机。如图3所示为本发明实施例提供的一种太赫兹实验环境的智能监测系统的一种优选实施结构示意图，如图3中所示，本发明提供的智能监测系统还包括蓝牙发送模块8和蓝牙接收模块9；蓝牙发送模块8的输入端与智能控制装置5的输出端连接，输出端与蓝牙接收模块9的输入端无线连接；蓝牙接收模块9的输出端与上位机6连接，智能控制装置5通过蓝牙发送模块和蓝牙接收模块实现与上位机6的无线连接，从而实现将封闭实验箱体内实验 数据的上传与存储功能。

优选地，图3中的蓝牙发送模块8和蓝牙接收模块9为HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块，采用自动连接工作模式。当模块处于自动连接工作模式时，模块将自动按照根据事先设定的方式连接的数据传输。通过控制模块外部引脚(PIO11)输入电平，可以实现模块工作状态的动态转换。

优选地，该智能监测系统中的温度传感器2和湿度传感器1的个数均为4。图4所示为本发明实施例提供的太赫兹实验环境的智能监测系统的各部件与太赫兹实验箱体的相对位置示意图。如图4中所示，优选地在实验箱体内按空间位置均匀安装4个温度传感器2、4个湿度传感器1，布设1个绝对压力传感器3，形成监测场，实现对温度、湿度和绝对压力的测量；采用2组电阻应变片7与全桥差动电路测量箱体两端太赫兹射线入射口10和出射口11两位置对应形变，图中太赫兹射线光路上设置有实验样品镜架12。

优选地，智能控制装置5采用基于STM32芯片为核心的处理器电路，该智能控制装置5基于Cortex-M3内核，时钟频率72MHZ，具有一个专用的32KHZ振荡器，64KB内存，有着出色的实时性能，优秀的功效及良好的集成性。集成在该芯片上的I²C接口为诸多传感器提供了便捷的接入方式，湿度传感器1的输出端通过I²C接口与STM32芯片通信。由于所涉及的部分传感器需要挂载在STM32的I²C上，因此具体实施时I²C总线的信号的时序要合理分配给各个传感器。

优选地，上述太赫兹实验环境的智能监测系统还包括与智能控制装置连接的蜂鸣器，智能控制装置在绝对压力传感器监测到的当前太赫兹实验箱体内的绝对压力值大于智能控制装置自身预先存储的绝对压力阈值时，控制蜂鸣器鸣叫示警，以通知实验人员注意实验环境指标的变化，并采取相应的措施，如降低进气量等，从而实现绝对压力阈值报警功能。

对应于本发明提供的太赫兹实验环境的智能监测系统，如图5所示，本发明实施例还提供一种太赫兹实验环境的智能监测方法，该方法包括步骤：

S1：在当前太赫兹实验箱体内的若干个预定场测量点处设置至少一个湿度传感器、至少一个温度传感器、一个绝对压力传感器，在太赫兹射线入射口与射线出射口位置分别设置应变测量模块，并将各湿度传感器、温度传感器、绝 对压力传感器和应变测量模块的输出端与智能控制装置的输入端连接，将智能控制装置的输出端与上位机无线连接；

S2：为各湿度传感器、温度传感器、绝对压力传感器、应变测量模块和智能控制装置进行上电检测；

S3：智能控制装置控制各湿度传感器、温度传感器、绝对压力传感器和应变测量模块对当前太赫兹实验箱体内的湿度、温度、压力以及太赫兹射线入射口、射线出射口的形变值进行轮询检测；

S4：智能控制装置将当前一轮检测到的当前太赫兹实验箱体内的湿度、温度、压力以及太赫兹射线入射口、射线出射口的形变数据发送给上位机，上位机根据收到的数据结束检测或通知智能控制装置开始下一轮检测。

图6为图5中步骤S3的优选实施方式，如图6中所示，S3包括以下步骤：

S31：智能控制装置开始当前一轮检测，首先判断湿度传感器监测到的当前太赫兹实验箱体内湿度是否正常，若是，则执行S32，否则返回执行S2；

S32：判断应变测量模块监测到的太赫兹射线入射口、射线出射口的形变是否正常，若是，则执行S33，否则返回执行S2；

S33：判断温度传感器监测到的当前太赫兹实验箱体内温度是否正常，若是，则执行S34，否则返回执行S2；

S34：判断绝对压力传感器监测到的当前太赫兹实验箱体内的绝对压力是否正常，若是，则执行S4，否则返回执行S2。

上述方案中，通过实现为集成电路芯片的智能控制装置采集设置于实验箱体内预定位置处的温度、湿度、压力传感器所采集的相应数据以及射线出、入射口的形变，并将上述监测数据传输给上位机，能够实现太赫兹实验箱体内温度、湿度、气压和光路微小形变的实时监测，通过对比分析这些监测数据可精确掌握达到理想实验环境的准备时间，为合理安排实验和降低高纯氮气的消耗具有重要意义，而且通过测量实验箱内的绝对压力及光路应变，可以分析两者之间的相关性，进而为光路的调整提供参考依据。可见，本发明提供的方案为研究太赫兹射线提供了实验环境参考数据，为精确测量并分析太赫兹实验结果奠定了基础，提高了太赫兹光学实验的测量精度。可以满足当代太赫兹精密实验的需要。且该实智能监测系统同时可应用于其他相关实验场所，实用性强。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种太赫兹实验环境的智能监测系统，其特征在于，包括：至少一个湿度传感器、至少一个温度传感器、一个绝对压力传感器、两个应变测量模块、智能控制装置和上位机；

每个所述湿度传感器、温度传感器、绝对压力传感器分别设置于当前太赫兹实验箱体内的预定场测量点，且每个湿度传感器、温度传感器、绝对压力传感器的输出端均与智能控制装置相连接；

两个所述应变测量模块分别设置于当前太赫兹实验箱体两侧的太赫兹射线入射口和射线出射口位置，所述应变测量模块用于测量太赫兹射线入射口与射线出射口位置的形变并将测量值发送给与其输出端连接的所述智能控制装置；

所述智能控制装置的输出端与所述上位机无线连接。

2.如权利要求1所述的太赫兹实验环境的智能监测系统，其特征在于，所述应变测量模块为一个全桥差动电路，所述全桥差动电路的每个桥臂上串联有一片电阻应变片。

3.如权利要求1所述的太赫兹实验环境的智能监测系统，其特征在于，所述智能监测系统还包括蓝牙发送模块和蓝牙接收模块；所述蓝牙发送模块的输入端与所述智能控制装置的输出端连接，输出端与所述蓝牙接收模块的输入端无线连接；所述蓝牙接收模块的输出端与所述上位机连接，所述智能控制装置通过蓝牙发送模块和蓝牙接收模块实现与所述上位机的无线连接。

4.如权利要求3所述的太赫兹实验环境的智能监测系统，其特征在于，所述蓝牙发送模块和蓝牙接收模块为HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块，采用自动连接工作模式。

5.如权利要求1所述的太赫兹实验环境的智能监测系统，其特征在于，该智能监测系统中的温度传感器和湿度传感器的个数均为4。

6.如权利要求1至4任一项所述的太赫兹实验环境的智能监测系统，其特征在于，所述智能控制装置为以STM32芯片为核心的处理器电路，所述湿度传感器的输出端通过I²C接口与所述STM32芯片通信。

7.如权利要求6所述的太赫兹实验环境的智能监测系统，其特征在于，所述智能监测系统还包括与所述智能控制装置连接的蜂鸣器，所述智能控制装置在所述绝对压力传感器监测到的当前太赫兹实验箱体内的绝对压力值大于预先存储的绝对压力阈值时，控制所述蜂鸣器鸣叫示警。

8.一种太赫兹实验环境的智能监测方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1：在当前太赫兹实验箱体内的若干个预定场测量点处设置至少一个湿度传感器、至少一个温度传感器、一个绝对压力传感器，在太赫兹射线入射口与射线出射口位置分别设置应变测量模块，并将各湿度传感器、温度传感器、绝对压力传感器和应变测量模块的输出端与智能控制装置的输入端连接，将所述智能控制装置的输出端与上位机无线连接；

S2：为各湿度传感器、温度传感器、绝对压力传感器、应变测量模块和智能控制装置进行上电检测；

S3：智能控制装置控制各湿度传感器、温度传感器、绝对压力传感器和应变测量模块对当前太赫兹实验箱体内的湿度、温度、压力以及太赫兹射线入射口、射线出射口的形变值进行轮询检测；

S4：智能控制装置将当前一轮检测到的当前太赫兹实验箱体内的湿度、温度、压力以及太赫兹射线入射口、射线出射口的形变数据发送给上位机，上位机根据收到的数据结束检测或通知智能控制装置开始下一轮检测。

9.如权利要求8所述的太赫兹实验环境的智能监测方法，其特征在于，所述S3包括以下步骤：

S31：智能控制装置开始当前一轮检测，首先判断所述湿度传感器监测到的当前太赫兹实验箱体内湿度是否正常，若是，则执行S32，否则返回执行S2；

S32：判断所述应变测量模块监测到的太赫兹射线入射口、射线出射口的形变是否正常，若是，则执行S33，否则返回执行S2；

S33：判断所述温度传感器监测到的当前太赫兹实验箱体内温度是否正常，若是，则执行S34，否则返回执行S2；

S34：判断所述绝对压力传感器监测到的当前太赫兹实验箱体内的绝对压力是否正常，若是，则执行S4，否则返回执行S2。