CN109781650B - 一种基于ftir光谱仪的数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于FTIR光谱仪的数据采集装置，其目的是用以克服现有技术中结构集成度低、大数据量数据处理速度慢以及传输速率低的问题。该装置包括下层结构箱以及上层结构箱；下层结构箱内设置数据采集电路以及微型工控机；数据采集电路与微型工控机采用USB3.0接口电连接；下层结构箱侧壁上设置有电机控制信号接口以及激光器控制信号接口；上层结构箱底部设置激光器供电模块、红外制冷机供电模块、前置放大器、前置放大器供电模块、激光探测器供电模块、电机控制器供电模块以及微型工控机供电模块；上层结构箱侧壁上设置供电输入输出接口、开关控制接口、红外干涉信号输入接口以及激光干涉信号输入接口。

Description

一种基于FTIR光谱仪的数据采集装置

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种基于FTIR光谱仪的数据采集装置。

背景技术

傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术具有光通量大、光谱分辨率高、和高信噪比等显著优点，已经成为气体环境监测的重要技术，加上可靠的电路数据采集和处理系统，能够实现实时、在线和快速地对气体环境进行监测。

现有技术中也公开了多种FTIR测量系统，例如：

中国专利，申请号：201220094007.0，公开了一种基于FTIR原理的多组分气体监测装置，该装置包括电源管理模块，FTIR红外取样装置，基于DSP的数据采集处理分析模块和实时控制分析模块。具有高效、精确的优点并能实现自动连续控制。

中国专利，申请号：201510498674.3，公开了一种基于伴热池的烟气高精度的FTIR在线测量系统，其包括采样探头、伴热管、伴热池、探测器、傅立叶变换红外光谱仪、内插采集卡的PC机等，该系统的有益效果是将伴热式池和FTIR技术结合起来，应用到烟气多组分气体测量系统中。

中国专利，申请号：201010219761.8，公开了一种便携式可移动多组分气体分析仪，包括中红外多组分气体分析仪和可移动分析模块。可移动分析模块包括:与中红外多组分气体分析仪集成在一起的微型计算机、装于微型计算机上的无线上网卡、接入互联网的便携计算机；该微型计算机装有光谱分析软件、交互DLL程序和因特网服务程序。

但是以上三个专利公开的FTIR测量系统存在的问题：

1、第一个专利技术中，采用基于DSP的数据采集分析模块，受工作主频和硬件资源的限制，难以实现大数据量的高速处理。

2、第二个专利技术中，数据采集采用的是内插采集卡的PC机，内插采集卡的PC机的体积通常比较大，数据采集系统集成度不高；

3、第三个专利技术中，可移动分析模块采用的微型计算机，并且微型计算机采用无线网卡，传输速率较低；

4、上述三个FTIR测量系统种的数据采集装置均不能适用在无人机、无人车等无人设备中。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于FTIR光谱仪的数据采集装置，用以克服现有技术中结构集成度低、大数据量数据处理速度慢以及传输速率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

一种基于FTIR光谱仪的数据采集装置，其特殊之处在于：

包括下层结构箱以及上层结构箱；

下层结构箱内设置数据采集电路以及微型工控机；所述数据采集电路与微型工控机采用USB3.0接口电连接；

下层结构箱侧壁上设置有电机控制信号接口以及激光器控制信号接口；

上层结构箱底部设置激光器供电模块、红外制冷机供电模块、前置放大器、前置放大器供电模块、激光探测器供电模块、电机控制器供电模块以及微型工控机供电模块；

上层结构箱底部对应所述数据采集电路的位置开设有一缺口；

上层结构箱侧壁上设置供电输入输出接口、开关控制接口、红外干涉信号输入接口以及激光干涉信号输入接口；

外部电源依次通过供电输入输出接口、开关控制接口分别与前置放大器供电模块、数据采集电路、微型工控机供电模块、激光探测器供电模块、红外制冷机供电模块、激光器供电模块以及电机控制器供电模块连接。

进一步地，上述数据采集电路包括滤波调理电路、A/D转换电路、数据传输电路以及FPGA芯片；

所述滤波调理电路通过A/D转换电路与数据传输电路电连接；所述FPGA芯片分别与A/D转换电路、数据传输电路电连接。

进一步地，上述滤波调理电路包括低通滤波电路、高通滤波电路以及放大偏置电路。

进一步地，上述A/D转换电路是由具有两个通道的A/D转换芯片构成。

进一步地，上述的数据传输电路采用USB3.0接口。

进一步地，上述激光探测器供电模块用于将28V电压转化为±15V；电机控制器供电模块用于将28V电压转化为24V；微型工控机供电模块用于将28V电压转化为19.5V；前置放大器供电模块用于将28V电压转化为±15V；红外制冷机供电模块、激光器供电模块用于将28V电压转化为12V。

进一步地，所述供电输入输出接口为5个，开关控制接口为8个。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用上下层箱体结构，将数据采集电路、微型工控机、前置放大器以及多个供电模块进行集成使得FTIR光谱仪的数据采集装置具有小型化、结构紧凑、大数据量数据处理速度快的优点，并且该装置能够适合用于无人机、无人车等无人设备中，拓宽了数据采集装置的适用范围。

2、本发明利用USB3.0接口对数据采集电路、微型工控机进行连接，降低了应用数据采集卡的成本，同时提高了数据传输率和接口的通用性。

3、本发明采用上下分层的箱体结构，将数据处理部分和供电部分进行了物理隔离，降低了电磁波对干涉信号以及数据采集、传输和处理过程的干扰。

附图说明

图1是实施例中下层结构箱的结构示意图；

图2是实施例中下层结构箱和上层结构箱组装后的结构示意图；

图3是本发明电路结构框图；

图4是本发明中数据采集电路的结构框图。

图中，1-数据采集电路；2-微型工控机；3-下层结构箱；4-激光器供电模块；5-红外制冷机供电模块；6-前置放大器；7-前置放大器供电模块；8-供电输入输出接口；9-激光探测器供电模块；10-电机控制器供电模块；11-微型工控机供电模块；12-上层结构箱；13-电机控制信号接口；14-激光器控制信号接口；15-云台控制信号接口；16-开关控制接口；17-红外干涉信号输入接口；18-激光干涉信号输入接口；19-缺口。

具体实施方式

基本结构

本发明提出了一种基于FTIR光谱仪的数据采集装置，其采用上下层箱体结构，将数据采集电路和微型工控机集成在下层箱体内，将前置放大器以及各供电模块集成在上层箱体中，并且采用USB3.0接口对数据采集电路、微型工控机进行连接。该装置不仅集成度高，结构紧凑并且数据传输速度快。

下面结合附图和实施例对本发明的结构加以详细说明：

实施例

如图1和2所示，一种基于FTIR光谱仪的数据采集装置，包括上层结构箱以及下层结构箱；

下层结构箱3内设置数据采集电路1以及微型工控机2(本例中微型工控机采用基于Windows的微型工控机，其具有大数据量处理速度快的特性)；数据采集电路1与微型工控机2采用USB3.0接口电连接；如图4所示，数据采集电路1包括滤波调理电路、A/D转换电路、数据传输电路以及FPGA芯片；滤波调理电路通过A/D转换电路和数据传输电路连接；FPGA芯片分别与A/D转换电路、数据传输电路电连接。

滤波调理电路包括低通滤波电路、高通滤波电路以及放大偏置电路。A/D转换电路是由具有两个通道的A/D转换芯片构成。数据传输电路采用USB3.0接口。

微型工控机2用于对完成数据处理并且需对电机控制器、激光控制器和云台控制器进行控制。

下层结构箱3侧壁上设置有电机控制信号接口13以及激光器控制信号接口14以及云台控制器15；

上层结构箱12底部设置激光器供电模块4、红外制冷机供电模块5、前置放大器6、前置放大器供电模块7、激光探测器供电模块9、电机控制器供电模块10以及微型工控机供电模块11；其中，激光器供电模块4用于将28V电压转化为±15V；电机控制器供电模块10用于将28V电压转化为24V；微型工控机供电模块11用于将28V电压转化为19.5V；前置放大器供电模块7用于将28V电压转化为±15V；红外制冷机供电模块5、激光器供电模块4用于将28V电压转化为12V。

上层结构箱12底部对应所述数据采集电路1的位置开设有一缺口19；该缺口19的目的有二：

一是，方便对下层结构箱内的数据采集电路的元器件进行调整或者拆卸、维修。

二是,方便上层结构箱和下层结构箱的导线连接。

上层结构箱12侧壁上设置供电输入输出接口8、开关控制接口16、红外干涉信号输入接口17以及激光干涉信号输入接口18；

外部电源依次通过供电输入输出接口8、开关控制接口16分别与前置放大器供电模块7、数据采集电路1、微型工控机供电模块11、激光探测器供电模块9、红外制冷机供电模块5、激光器供电模块4以及电机控制器供电模块10连接。

供电输入输出接口8为5个，开关控制接口16为8个；

如图3所示，一个供电输入输出接口作为总供电输入输出接口，其对应连接一个开关控制接口。

一个供电输入输出接口通过四个开关控制接口分别与激光器供电模块、红外制冷机供电模块、激光探测器供电模块以及电机控制器供电模块连接，对激光器、红外制冷机、激光探测器以及电机供电；

一个供电输入输出接口通过一个开关控制接口与前置放大器供电模块连接，对前置放大器进行供电。

一个供电输入输出接口通过一个开关控制接口与数据采集电路连接，对数据采集电路进行供电。

一个供电输入输出接口通过一个开关控制接口与微型工控机供电模块连接，对微型工控机进行供电。

工作原理

如图3所示，该数据采集装置通过红外干涉信号输入接口以及激光干涉信号输入接口分别接收模拟红外干涉信号和激光干涉信号，并同时通过一个供电输入输出接口接收28V直流电源输入；

由于红外干涉信号非常微弱，因此信号经过前置放大电路，然后进入数据采集电路；

激光干涉信号直接进入数据采集电路；经过数据采集电路的采样将两种模拟干涉信号转换为数字干涉信号，然后通过USB3.0传输到微型工控机完成后续数据反演等工作；在数据采集的同时微型工控机需要产生摆镜电机、激光器和云台的控制信号；

输入的直流28V供电通过多种电源模块转换给前置放大器、数据采集电路、微型工控机、电机控制器、激光探测器、红外制冷机和激光器供电；

具体是：激光探测器供电模块用于将28V电压转化为±15V；电机控制器供电模块用于将28V电压转化为24V；微型工控机供电模块用于将28V电压转化为19.5V；前置放大器供电模块用于将28V电压转化为±15V；红外制冷机供电模块、激光器供电模块用于将28V电压转化为12V；

数据采集电路接收激光干涉信号和经过前置放大后的红外干涉信号后的处理过程是：

首先根据FTIR光谱仪的系统调制频率，确定低通滤波器和高通滤波器的滤波带宽，完成两种信号的滤波；

其次对两种滤波后的信号完成放大和偏置调节，使它们满足A/D芯片的输入范围；

然后在FPGA的控制下通过A/D芯片完成两种信号的采样；最后还是在FPGA芯片的控制下，数据通过USB3.0接口芯片完成输出。

Claims (3)

1.一种基于FTIR光谱仪的数据采集装置，其特征在于：

包括下层结构箱(3)以及上层结构箱(12)；

下层结构箱(3)内设置数据采集电路(1)以及微型工控机(2)；所述微型工控机(2)采用基于Windows的微型工控机，所述数据采集电路(1)与微型工控机(2)采用USB3.0接口电连接；

下层结构箱(3)侧壁上设置有电机控制信号接口(13)以及激光器控制信号接口(14)；

上层结构箱(12)底部设置激光器供电模块(4)、红外制冷机供电模块(5)、前置放大器(6)、前置放大器供电模块(7)、激光探测器供电模块(9)、电机控制器供电模块(10)以及微型工控机供电模块(11)；

上层结构箱(12)底部对应所述数据采集电路(1)的位置开设有一缺口(19)；

上层结构箱(12)侧壁上设置供电输入输出接口(8)、开关控制接口(16)、红外干涉信号输入接口(17)以及激光干涉信号输入接口(18)；

外部电源依次通过供电输入输出接口(8)、开关控制接口(16)分别与前置放大器供电模块(7)、数据采集电路(1)、微型工控机供电模块(11)、激光探测器供电模块(9)、红外制冷机供电模块(5)、激光器供电模块(4)以及电机控制器供电模块(10)连接；

所述数据采集电路(1)包括滤波调理电路、A/D转换电路、数据传输电路以及FPGA芯片；所述滤波调理电路通过A/D转换电路和数据传输电路连接；所述FPGA芯片分别与A/D转换电路、数据传输电路电连接；

所述滤波调理电路包括低通滤波电路、高通滤波电路以及放大偏置电路；

所述A/D转换电路是由具有两个通道的A/D转换芯片构成；

所述数据传输电路采用USB3.0接口；

所述激光探测器供电模块(9)用于将28V电压转化为±15V；电机控制器供电模块(10)用于将28V电压转化为24V；微型工控机供电模块(11)用于将28V电压转化为19.5V；前置放大器供电模块(7)用于将28V电压转化为±15V；红外制冷机供电模块(5)、激光器供电模块(4)用于将28V电压转化为12V。

2.根据权利要求1所述的基于FTIR光谱仪的数据采集装置，其特征在于：所述下层结构箱侧壁上还设置有云台控制信号接口。

3.根据权利要求2所述的基于FTIR光谱仪的数据采集装置，其特征在于：所述供电输入输出接口(8)为5个，开关控制接口(16)为8个。