CN205157426U - 一种基于半导体激光器的近红外光谱分析仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于半导体激光器的近红外光谱分析仪，包括半导体激光器采集装置和光谱处理装置，所述半导体激光器采集装置包括半导体激光器、样品池、检测器以及检测器信号采集电路，所述检测器的输出端通过检测器信号采集电路进而与光谱处理装置的输入端连接。本实用新型半导体激光器采集装置包括半导体激光器，通过半导体激光器将光源与分光器合二为一，减小了近红外光谱分析仪的整体体积且节省了成本，与传统的近红外光谱分析仪相比，体积更小且价格更低廉。本实用新型可广泛应用于光谱检测领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及光谱检测领域，尤其是一种基于半导体激光器的近红外光谱分析仪。
背景技术
近红外光谱分析技术是一种典型的高效分析技术，这种光谱分析技术是20世纪80年代初发展起来的一项可以实现无损检测的测试技术，它是现代电子技术、光谱分析技术、计算机技术和化学计量技术的集合体。
传统的近红外光谱分析仪由光源、样品池、分光器、检测器及计算机这5部分组成，并可分为两大类：固定波长型和扫描型。
固定波长型又分为滤光片型与LED型，滤光片型近红外光谱分析仪采用若干片干涉滤光片对光源发射出的光进行分光，测量时根据需要的波长转动片轮选择一个合适的滤光片光路，仪器体积大且不方便携带，这种分析仪的单色光的谱带较宽，波长分辨率差，功耗大，有效光功率小，寿命短。LED（即发光二极管)型近红外光谱分析仪采用LED作为光源，通过不同的发光二极管产生不同波长的光，该类近红外分析仪的光谱半宽过大，达到30nm以上，满足不了精确地选择特定波长的要求；此外，有些仪器上还会采用LED加滤光片的方式，同样会出现有效光功率过小的情况，影响了测量精度和准确性。
扫描型又分为光栅型、傅里叶型、声光可调滤光器型（A0TF型)和多通道型。光栅型近红外分析仪采用了光栅进行分光，因狭缝的限制而导致其分辨率和灵敏度均较低，且其对光路要求严格，外界光强会影响测试结果，扫描速度较慢。傅里叶型近红外分析仪因带有移动部件，在扫描过程中会发生晃动和偏转，造成干涉信号的不稳定，降低了其灵敏度。声光可调滤光器型（A0TF型)近红外分析仪通过交变电场控制晶体的排列来对复合光进行分光，分光的谱带较宽，分辨率较低，且自然界的杂光会影响分析的结果。多通道型近红外分析仪光源发出的光经过样品后聚焦到固定光栅上，经全息光栅色散后的光由多通道检测器同时检测，其缺点是动态范围有限，且对温度敏感。
终上所述，传统的近红外光谱分析仪由于光源及分光系统的复杂性，一般体积都比较大且价格比较昂贵，不利于其进行推广和应用。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型的目的是：提供一种体积小且价格低廉的，基于半导体激光器的近红外光谱分析仪。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于半导体激光器的近红外光谱分析仪，包括半导体激光器采集装置和光谱处理装置，所述半导体激光器采集装置包括半导体激光器、样品池、检测器以及检测器信号采集电路，所述检测器的输出端通过检测器信号采集电路进而与光谱处理装置的输入端连接。
进一步，所述半导体激光器在以检测器为中心的圆周上均匀分布。
进一步，所述半导体激光器的数量为12个。
进一步，所述样品池包括样品杯、杯托和转盘，所述杯托设在样品杯的左侧，所述转盘设在样品杯的下方。
进一步，所述检测器信号采集电路包括检测信号调理电路、信号放大电路和信号采集电路，所述检测器信号调理电路的输入端与检测器的输出端连接，所述检测器信号调理电路的输出端通过信号放大电路进而与信号采集电路的输入端连接，所述信号采集电路的输出端与光谱处理装置的输入端连接。
进一步，所述半导体激光器采集装置还包括外部电源模块和DC-DC稳压芯片，所述外部电源模块的输出端通过DC-DC稳压芯片而分别与检测器的输入端以及检测信号调理电路的输入端、信号放大电路的输入端以及信号采集电路的输入端连接。
进一步，所述外部电源模块采用19V电源模块，所述DC-DC稳压芯片采用MP24943稳压芯片。
进一步，所述半导体激光器采集装置还包括半导体激光器驱动芯片，所述半导体激光器驱动芯片的输出端与半导体激光器的输入端连接，所述半导体激光器驱动芯片采用GN25L95芯片。
进一步，所述信号放大电路采用AD8304放大器芯片。
进一步，所述信号采集电路采用AD7985模数转换芯片，所述光谱处理装置采用STM32芯片。
本实用新型的有益效果是：半导体激光器采集装置包括半导体激光器，通过半导体激光器将光源与分光器合二为一，减小了近红外光谱分析仪的整体体积且节省了成本，与传统的近红外光谱分析仪相比，体积更小且价格更低廉。进一步，半导体激光器在以检测器为中心的圆周上均匀分布，以满足不同波长光的采集要求及进一步降低近红外光谱分析仪的体积。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型一种基于半导体激光器的近红外光谱分析仪的系统结构框图；
图2为本实用新型半导体激光器的切面图；
图3为本实用新型半导体激光器的俯视图；
图4为本实用新型半导体激光器与样品池组合后的结构示意图；
图5为本实用新型半导体激光器采集装置的具体结构框图。
附图标记：1、半导体激光器；2、检测器；3、样杯；4、杯托；5、转盘。
具体实施方式
参照图1，一种基于半导体激光器的近红外光谱分析仪，包括半导体激光器采集装置和光谱处理装置，所述半导体激光器采集装置包括半导体激光器、样品池、检测器以及检测器信号采集电路，所述检测器的输出端通过检测器信号采集电路进而与光谱处理装置的输入端连接。
参照图2和3，进一步作为优选的实施方式，所述半导体激光器在以检测器为中心的圆周上均匀分布。
激光的入射与发射均有一定的角度，故半导体激光器在以检测器为中心的圆周上均匀分布，满足了采集装置的结构要求以及不同波长光的采集要求，更加准确与全面。此外，半导体激光器在以检测器为中心的圆周上均匀分布，与直线排列分布方式相比，体积更小。
进一步作为优选的实施方式，所述半导体激光器的数量为12个。
参照图4，进一步作为优选的实施方式，所述样品池包括样品杯、杯托和转盘，所述杯托设在样品杯的左侧，所述转盘设在样品杯的下方。
其中，样品杯，用于装载样品。
杯托，用于托着样品杯。
转盘，用于通过转动使样品均匀分布，以使采集的数据更准确。
参照图5，进一步作为优选的实施方式，所述检测器信号采集电路包括检测信号调理电路、信号放大电路和信号采集电路，所述检测器信号调理电路的输入端与检测器的输出端连接，所述检测器信号调理电路的输出端通过信号放大电路进而与信号采集电路的输入端连接，所述信号采集电路的输出端与光谱处理装置的输入端连接。
参照图5，进一步作为优选的实施方式，所述半导体激光器采集装置还包括外部电源模块和DC-DC稳压芯片，所述外部电源模块的输出端通过DC-DC稳压芯片而分别与检测器的输入端以及检测信号调理电路的输入端、信号放大电路的输入端以及信号采集电路的输入端连接。
进一步作为优选的实施方式，所述外部电源模块采用19V电源模块，所述DC-DC稳压芯片采用MP24943稳压芯片。
其中，DC-DC稳压芯片用于将19V电源稳压为12V电源，以为半导体激光器采集装置的各部分供电。DC-DC稳压芯片的发热量比线性稳压器的低，能降低点电路板上的温度。
参照图5，进一步作为优选的实施方式，所述半导体激光器采集装置还包括半导体激光器驱动芯片，所述半导体激光器驱动芯片的输出端与半导体激光器的输入端连接，所述半导体激光器驱动芯片采用GN25L95芯片。
其中，半导体激光器驱动芯片采用了GN25L95专用驱动芯片，该芯片提供了自动功率控制(即APC)的功能。APC电路用于补偿芯片老化及温度变化所引起的光输出功率变化，它能自动监测半导体激光器的光输出并将其转换为光电流，然后由APC功能对半导体激光器的偏置电流进行调节使得其光输出功率恒定。
进一步作为优选的实施方式，所述信号放大电路采用AD8304放大器芯片。
其中，信号放大电路采用ANALOGDEVICES公司专用的AD8304放大器芯片来对光电信号进行有效的放大。AD8304放大器芯片是一款单芯片对数检波器，针对光纤系统中的低频信号功率测量进行了优化，它采用了先进的跨导线性技术，可提供多样、易用和极宽的动态范围；利用专有设计和精密的激光调整技术，它还可实现宽范围的测量和具有高精度的特性。
进一步作为优选的实施方式，所述信号采集电路采用AD7985模数转换芯片，所述光谱处理装置采用STM32芯片。
其中，信号采集电路使用ANALOGDEVICES公司的AD7985专用模数转换芯片，AD7985是一款16位、2.5MSPS逐次逼近型模数转换器，它内置一个低功耗、高速、16位采样ADC、一个内部转换时钟、一个内部基准电压源（和缓冲）、纠错电路以及一个多功能串行接口端口。在CNV上升沿，AD7985对IN+与IN-之间的模拟输入电压差进行采样，范围从0V至REF。该器件具有两种采样模式：极高采样速率turbo模式（TURBO为高电平）；低功耗正常模式（TURBO为低电平），适用于低功耗应用，其功耗与吞吐量呈比例关系。
光谱处理装置采用意法半导体公司的STM32F4XX系列芯片，以根据信号采集电路采集的数字信号进行处理（显示、运算和分析），得到检测结果。
STM32F4XX芯片是一款强大的ARMCORTEX-M4系列的微控制器，它内部集成了硬件浮点运算单元，对浮点运算进行了加速，而且集成了丰富的外围接口使得BOM成本降低，而且其能对内存进行扩充，可对光谱进行更复杂的预处理运算；还具备双以太网接口，不需要改造现有的网络接入环境。
下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。
实施例一
如图1-5所示，本实用新型新一种基于半导体激光器的近红外光谱分析仪，包括半导体激光器采集装置和光谱处理装置。其中，半导体激光器采集装置包括半导体激光器驱动芯片、半导体激光器、样品池、检测器、检测器信号采集电路、外部电源模块和DC-DC稳压芯片。而检测器信号采集电路包括检测信号调理电路、信号放大电路和信号采集电路。
在光路的设计方面，本实用新型采用了半导体激光器，将光源和分光器合二为一，减小了体积。而且，半导体激光器在以检测器为中心的圆周上均匀分布，样品池包括样品杯、杯托和转盘，杯托设在样品杯的左侧，转盘设在样品杯的下方。出于设计方便的考虑，本实用新型在以检测器为中心的圆周上均匀分布的半导体激光器优选为12个。
本实用新型的半导体激光器（即LD)的工作原理为：利用半导体物质（即利用电子）在能带间的跃迁发光，以半导体晶体的解理面形成的两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，以输出激光。与其他种类的激光器相比，半导体激光器除了具有体积小、重量轻、转换效率高、省电等优点外，其激射频率可在较宽的范围内调谐，激射功率和频率可以方便、高效地进行直接调制，且调制的范围大。此外，与LED光谱相比，LD光谱的半宽小于2nm，边膜抑制比大于30dB，有效光功率更高。
本实用新型的工作过程为：首先，在半导体激光器驱动芯片的驱动作用下，半导体激光器发出激光。接着，半导体激光器发出的激光被样品池内的样品反射给检测器，由检测器将反射的激光转换为相应的电信号并进行输出。再接着，检测器输出的电信号依次经过检测信号调理电路以及信号放大电路后，得到放大后的电信号。最后，放大后的电信号经信号采集电路转换为数字信号后发送给光谱处理装置，由光谱处理装置根据接收的数字信号进行后续处理，以输出检测结果。同时，电源模块输出的19V电源经DC-DC稳压芯片稳压为12V稳压电源后，再为半导体激光器采集装置的各部分供电。
本实用新型的光谱处理装置虽然涉及数据处理的内容，但其可采用现有的技术手段来实现，在此不再重复描述。
以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种基于半导体激光器的近红外光谱分析仪，其特征在于：包括半导体激光器采集装置和光谱处理装置，所述半导体激光器采集装置包括半导体激光器、样品池、检测器以及检测器信号采集电路，所述检测器的输出端通过检测器信号采集电路进而与光谱处理装置的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光器的近红外光谱分析仪，其特征在于：所述半导体激光器在以检测器为中心的圆周上均匀分布。
3.根据权利要求2所述的一种基于半导体激光器的近红外光谱分析仪，其特征在于：所述半导体激光器的数量为12个。
4.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光器的近红外光谱分析仪，其特征在于：所述样品池包括样品杯、杯托和转盘，所述杯托设在样品杯的左侧，所述转盘设在样品杯的下方。
5.根据权利要求1所述的一种基于半导体激光器的近红外光谱分析仪，其特征在于：所述检测器信号采集电路包括检测信号调理电路、信号放大电路和信号采集电路，所述检测器信号调理电路的输入端与检测器的输出端连接，所述检测器信号调理电路的输出端通过信号放大电路进而与信号采集电路的输入端连接，所述信号采集电路的输出端与光谱处理装置的输入端连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于半导体激光器的近红外光谱分析仪，其特征在于：所述半导体激光器采集装置还包括外部电源模块和DC-DC稳压芯片，所述外部电源模块的输出端通过DC-DC稳压芯片而分别与检测器的输入端以及检测信号调理电路的输入端、信号放大电路的输入端以及信号采集电路的输入端连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于半导体激光器的近红外光谱分析仪，其特征在于：所述外部电源模块采用19V电源模块，所述DC-DC稳压芯片采用MP24943稳压芯片。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于半导体激光器的近红外光谱分析仪，其特征在于：所述半导体激光器采集装置还包括半导体激光器驱动芯片，所述半导体激光器驱动芯片的输出端与半导体激光器的输入端连接，所述半导体激光器驱动芯片采用GN25L95芯片。
9.根据权利要求5-7任一项所述的一种基于半导体激光器的近红外光谱分析仪，其特征在于：所述信号放大电路采用AD8304放大器芯片。
10.根据权利要求5-7任一项所述的一种基于半导体激光器的近红外光谱分析仪，其特征在于：所述信号采集电路采用AD7985模数转换芯片，所述光谱处理装置采用STM32芯片。
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| CN118162377A (zh) * | 2024-04-03 | 2024-06-11 | 揭阳市万佳晟环保科技有限公司 | 建筑废料分离系统 |
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