CN212843971U - 一种蓝牙/usb双通讯式手持拉曼光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种蓝牙/USB双通讯式手持拉曼光谱仪，硬件系统包括机体及设置在机体上的用于采集被测样品发出的拉曼信号的探头模块、用于发射激光的半导体激光模块、用于将接收到的拉曼信号转化为电信号的光谱检测模块、用于显示处理结果的显示器模块、控制电路模块、用于给各模块进行供电的电池模块、使控制电路模块与终端设备进行无线通讯的无线通讯模块、使控制电路模块与终端设备进行有线通讯的Micro‑USB接口和各功能按钮；所述半导体激光模块和光谱检测模块分别与探头模块电连接，半导体激光模块、光谱检测模块、无线通讯模块、显示器模块和Micro‑USB接口均与控制电路模块电连接；分析系统包括拉曼光谱分析软件，加载于基于Windows系统或Android系统的终端设备上。

Description

一种蓝牙/USB双通讯式手持拉曼光谱仪

技术领域

本实用新型属于微型仪器技术领域，具体涉及一种蓝牙/USB双通讯式手持拉曼光谱仪。

背景技术

拉曼光谱技术是1930年由印度科学家C.V.拉曼发现的一种可以对分子结构进行分析的一种检测技术，可以应用于毒品侦测、药物鉴别、食品安全、环境监测等领域。随着技术的发展与应用需求的推动，拉曼光谱仪逐渐微型化与集成化，目前市场上已经出现多款手持式拉曼光谱仪。

目前的手持式拉曼光谱仪主要由拉曼光谱硬件系统与拉曼光谱分析系统，拉曼光谱硬件系统包括光谱仪，半导体激光器、采样光路系统，拉曼光谱仪控制系统，拉曼光谱分析系统包括应用处理器系统、显示系统与拉曼光谱分析软件。显示系统与使用者进行人机交互，接受使用者的命令，再由应用处理器系统向拉曼光谱仪控制系统发出指令，控制激光器发出激光，经过采样光路系统照射到样品上，被测样品向四周发出拉曼信号，采样光路采集一定角度的信号，传输至光谱仪，进行分光之后由探测器将光信号转化为电信号，再由拉曼光谱仪控制系统传输至应用处理器系统由拉曼光谱分析软件进行数据分析处理，通过显示系统呈现检测结果。

拉曼光谱分析技术作为一种光谱分析技术，可以检测物质类型数目是很多的。为实现拉曼光谱分析，硬件需要拉曼光谱仪，软件需要拉曼光谱分析软件。但拉曼光谱分析软件的运行，需要Android或Windows或Linux操作系统的支持，支持这种操作系统运行的硬件设备由应用处理器系统提供，这种应用处理器系统的核心为ARM A系列SoC或Intel Atom系列SoC，功耗均在W级或以上。操作系统的人机交互界面为触摸显示屏，功耗大。

目前的手持式拉曼光谱仪将拉曼光谱仪和拉曼光谱分析软件集成在了同一个设备之内，导致的问题是：

1.应用处理器系统的能耗超过了拉曼光谱检测的能耗。为了增加系统续航时间，一方面降低能耗，厂商会选择运行速度较慢的SoC，屏幕的尺寸也会缩减，但这导致了用户体验的降低；另一方面增加电池容量，使得电池的重量和体积增加，导致产品体积变大变重。

2.实际使用场景中，手持式设备并不一定总是人的手持，也可能是自动化设备的“手持”。比如采集位于高处(如岩石，壁画等)或对人体有危害(有毒物，爆炸物)的样品的拉曼光谱，此时该手持光谱仪并不需要操作系统支持的人机交互界面，只需要将采集到的拉曼光谱数据远程传输给位于远程的终端即可。

3.手持式拉曼光谱仪的某些应用定位不是一种通用的拉曼光谱检测设备，而是作为某种或某几种特定物质的拉曼光谱检测设备，其终端用户期望的检测结果只是某几种物质的有，无，含量多少。但其上加载的拉曼光谱分析软件则基本上是一种全功能的、专业的拉曼光谱分析软件，对非专业终端用户并不友好。

实用新型内容

本实用新型的目：为解决现有手持拉曼光谱仪面临的功耗大、远程操作不便和对非专业用户不友好等问题，本实用新型提出了一种具备简易人机界面和蓝牙/USB双通信接口的紧凑型手持式拉曼光谱仪。

技术方案：一种蓝牙/USB双通讯式手持拉曼光谱仪，包括硬件系统和分析系统；所述硬件系统包括机体及设置在所述机体上的用于采集被测样品发出的拉曼信号的探头模块、用于发射激光的半导体激光模块、用于将接收到的拉曼信号转化为电信号的光谱检测模块、用于显示处理结果的显示器模块、控制电路模块、用于给各模块进行供电的电池模块、使控制电路模块与终端设备进行无线通讯的无线通讯模块、使控制电路模块与终端设备进行有线通讯的Micro-USB接口和各功能按钮；

所述半导体激光模块和光谱检测模块分别与探头模块电连接，半导体激光模块、光谱检测模块、无线通讯模块、显示器模块和Micro-USB接口均与控制电路模块电连接；

所述分析系统包括拉曼光谱分析软件，所述拉曼光谱分析软件加载于基于Windows系统或Android系统的终端设备上；

所述控制电路模块通过无线通信模块或Micro-USB接口与终端设备进行双向通信。

终端设备向控制电路模块发出指令，由控制电路模块控制半导体激光模块发出激光，该激光照射到被测样品上，由探头模块采集被测样品发出的拉曼信号，将其传输至光谱检测模块将光信号转化为电信号，由控制电路模块将该电信号传输至终端设备进行数据分析处理，处理结果由终端设备传输至控制电路模块，再有控制电路模块传输至显示器模块进行处理结果显示。

优选的，所述光谱检测模块为光栅分光光谱检测模块，在该光栅分光光谱检测模块中包括阵列光电检测器。

优选的，所述控制电路模块包括用于处理光谱检测模块输出的模拟信号的AD模块和FPGA模块、用于控制半导体激光模块功率的稳功率模块、用于控制半导体激光模块的温度的PID控制模块、用于控制蓝牙模块、显示器模块、Micro-USB接口、FPGA模块及接收来自各功能按钮信号的ARM微处理器和用于向ARM微处理器传输电池模块电量信息的电源管理模块；在所述ARM微处理器中运行有拉曼光谱仪固件。

优选的，所述功能按钮包括电源开关按钮和拉曼光谱检测按钮。

优选的，所述蓝牙模块设置在所述机体的上端。

优选的，所述半导体激光模块的热沉设置在机体外壳的金属部分。

优选的，所述探头模块设置在半导体激光模块的一侧，所述光谱检测模块紧密堆叠在半导体激光模块和探头模块之上，所述控制电路模块堆叠于光谱检测模块之上，所述显示模块堆叠于控制电路模块之上。

优选的，所述探头模块包括拉曼探头，所述拉曼探头向外延伸出机体。

优选的，所述探头模块包括与半导体激光模块连接的可插拔光纤准直接口和与光谱检测模块连接的光纤耦合接口；所述光谱检测模块设有可插拔光纤接口，该半导体激光模块通过其尾纤与探头模块相连，光谱检测模块通过多模光纤与探头模块相连。

有益效果：本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型通过分离拉曼光谱仪硬件和拉曼光谱分析软件运行所需的应用处理器系统来减小手持设备功耗，将应用处理系统加载于运行Android或Windows或Linux操作系统的终端设备上；

2、本实用新型通过蓝牙模块提供的蓝牙通信将拉曼光谱仪硬件和应用处理器系统，即所谓的终端系统连接起来，实现终端设备与拉曼光谱仪硬件通过蓝牙设备进行双向通信；

3、本实用新型通过为拉曼光谱仪硬件系统配置一个低功耗的单色显示器，为拉曼光谱仪硬件提供一个简单的人机界面，非专业终端用户可以直观的通过这个低功耗单色显示器获取测试结果而不必从位于终端的拉曼光谱分析软件去读取；

4、本实用新型具备蓝牙和USB两种终端通讯接口，可将该手持机转化为桌面拉曼光谱分析设备，方便使用者在不同场景下的应用；

5、本实用新型加载的拉曼光谱分析软件具有与云端光谱数据存储、处理平台的通讯接口，可将该手持式拉曼光谱仪变为物联网的终端硬件。

附图说明

图1是本实用新型的主视图；

图2是本实用新型的侧视图；

图3是本实用新型的探头模块、半导体激光器模块和光谱检测模块的连接示意图；

图4是本实用新型的探头模块光机结构示意图；

图5是本实用新型的电路系统结构示意图。

具体实施方式

本实施例的蓝牙通讯式手持拉曼光谱仪的其基本思路为将拉曼光谱仪硬件与拉曼光谱分析软件分离，在本实施例中只包括拉曼光谱仪硬件部分，拉曼光谱分析软件则加载于运行Android或Windows或Linux操作系统的终端设备上，终端设备与拉曼光谱仪硬件通过蓝牙设备进行双向通信，拉曼光谱仪硬件系统将拉曼光谱测量数据发送给终端设备，终端设备将拉曼光谱分析结果返回给拉曼光谱硬件系统。

现结合附图1至5进一步阐述本实施例的技术方案。

参见图1和图2，本实施例的拉曼光谱仪的硬件系统包括机体1，在机体1前段上设置有具有可插拔光纤接口的拉曼探头模块2、光纤输出的半导体激光模块3、具有可插拔光纤接口的光栅分光光谱检测模块4、低功耗单色显示器模块5、蓝牙模块6、基于ARM微处理器的控制电路模块7；在机体1后段上设置有电池模块8，在机体1侧面设置有电源开关按钮9和Micro-USB接口10，在机体1前段正面设置有拉曼光谱检测按钮11。本实施例的光栅分光光谱检测模块4中包括阵列光电检测器(CCD或CMOS)。

如图3所示，本实施例的拉曼探头模块2包括由汇聚透镜211构成的拉曼探头21和探头主体22，在该探头主体22上设有与半导体激光模块3连接的可插拔的光纤准直接口221和与光栅分光光谱检测模块4连接的光纤耦合接口222，接口的光纤插芯使用陶瓷插芯，保证插拔的可靠性，光栅分光光谱检测模块4设有可插拔光纤接口，该半导体激光模块3通过其尾纤与拉曼探头模块2相连，光栅分光光谱检测模块4通过多模光纤23与拉曼探头模块2相连，实现了手持式拉曼光谱仪光机结构的模块化。

参见图5，控制电路模块7与半导体激光模块3、光栅分光光谱检测模块4中的阵列光电检测器(CCD或CMOS)、蓝牙模块6、低功耗单色显示器模块5、Micro-USB接口10、电源开关按钮9、拉曼光谱检测按钮11连接。

本实施例的控制电路模块7采用单个PCB板，具体包括用于处理光栅分光光谱仪模块4中阵列光电检测器(CCD或CMOS)传输的模拟信号的AD模块和FPGA模块、用于控制半导体激光模块3功率的稳功率模块、控制半导体激光模块3的温度的PID控制模块、用于控制蓝牙模块6、低功耗单色显示器模块5、Micro-USB接口10、FPGA模块以及接收来自电源开关按钮9、拉曼光谱检测按钮11电信号的ARM微处理器以及与电池模块8相连接的电源管理模块，电源管理模块为所有电路提供5V电源，并向ARM微处理器传输电池电量信息，在ARM微处理器中运行有拉曼光谱仪固件。

本实施例的低功耗单色显示模块5在低功耗ARM嵌入式控制器的控制下进行信息显示，低功耗单色显示模块5提供简易的人机界面使得非专业用户可在手持机上直接看检测结果，同时电池电量、激光器状态、蓝牙连接状态也通过低功耗单色显示器显示。

本实用新型具备蓝牙和USB两种终端通讯接口，方便使用者在不同场景下的应用。

本实施例结构紧凑，即除电池模块8外的其它模块堆叠安装于光谱仪机体前段，其中，蓝牙模块6位于手持机最前部以获得最佳的信号收发能力，半导体激光模块3与手持机金属外壳部分连接，拉曼探头模块2在半导体激光模块3的一侧，光栅分光光谱检测模块4紧密堆叠于半导体激光模块3和拉曼探头模块2之上，控制电路模块7堆叠于光栅分光光谱检测模块4之上，低功耗单色显示器模块5堆叠于控制电路模块7之上。拉曼探头模块2中拉曼探头21在手持机机体前部并伸出机体1，结构紧凑；半导体激光模块3的热沉与手持拉曼光谱仪外壳的金属外壳相连接，为被动散热方式，与外壳的连接增大散热面积，有利于降低TEC PID电路模块的功耗，光栅分光光谱检测模块4紧密堆叠于半导体激光模块3之上，半导体激光模块3发出的热辐射使光栅分光光谱检测模块4的温度更趋于平衡和稳定，提升光谱检测的稳定性。具体位置关系可参见图1和图2。

本实施例的手持拉曼光谱仪的软件系统包括加载于终端设备的基于Windows系统或Android系统的拉曼光谱分析软件，该软件可以设置拉曼光谱仪的硬件参数比如激光器功率，光谱平均次数，积分时间等；该软件具备光谱分析功能，比如光谱预处理，光谱比对，光谱定量分析功能等；该软件具有与云端光谱数据存储、处理平台的通讯接口，从而可实现B/S，C/S架构，可将该手持式拉曼光谱仪变为物联网的终端硬件，如图5所示，该拉曼光谱分析软件为现有软件。

本实施例的工作原理为：终端设备向控制电路模块7发出指令，由控制电路模块7控制半导体激光模块3发出激光，该激光照射到被测样品上，由拉曼探头模块2采集被测样品发出的拉曼信号，将其传输至光栅分光光谱检测模块4将光信号转化为电信号，由控制电路模块7将该电信号传输至终端设备进行数据分析处理，处理结果由终端设备传输至控制电路模块7，再有控制电路模块7传输至低功耗单色显示器模块5进行处理结果显示。

本实施例中，ARM微处理器微STM32F0，蓝牙模块为HC-02，支持蓝牙4.0，单色显示器模块为2.42英寸OLED显示屏，电池模块为单颗18650锂电池，CMOS芯片为滨松S11639。

系统软件包括两部分：加载于终端的拉曼光谱分析软件和控制电路模块中运行于ARM微处理器上的拉曼光谱仪固件。

其中，加载于终端的拉曼光谱分析软件：有Android系统和Windows系统两个版本的软件，Android系统的GUI由Android系统平台编程实现，Windows系统的GUI由Qt库实现。其功能包括完成与手持拉曼设备之间的蓝牙连接，与手持拉曼设备之间的蓝牙数据接收与发送，手持拉曼设备的硬件参数设置，手持拉曼设备谱线校准，操作拉曼光谱本地数据库功能，拉曼光谱预处理，拉曼光谱定性分析，与云端光谱数据存储、处理平台的通信，光谱显示，光谱峰位标定。

在控制模块中并运行于ARM微处理器上的拉曼光谱仪固件：其针对STM32F0处理器，采用C语言编程实现。主要功能有完成与终端的蓝牙连接和蓝牙数据传输，拉曼光谱仪的积分时间设置，激光器功率设置，与FPGA模块的通信获取光谱数据，完成与终端的USB连接和USB数据传输，控制单色显示器显示界面，处理电池电量信息，处理拉曼光谱采集按钮信号，处理电源开关按键信号，该拉曼光谱仪固件为现有技术。

Claims (9)

1.一种蓝牙/USB双通讯式手持拉曼光谱仪，其特征在于：包括硬件系统和分析系统；所述硬件系统包括机体及设置在所述机体上的用于采集被测样品发出的拉曼信号的探头模块、用于发射激光的半导体激光模块、用于将接收到的拉曼信号转化为电信号的光谱检测模块、用于显示处理结果的显示器模块、控制电路模块、用于给各模块进行供电的电池模块、使控制电路模块与终端设备进行无线通讯的无线通讯模块、使控制电路模块与终端设备进行有线通讯的Micro-USB接口和各功能按钮；

所述半导体激光模块和光谱检测模块分别与探头模块电连接，半导体激光模块、光谱检测模块、无线通讯模块、显示器模块和Micro-USB接口均与控制电路模块电连接；

所述分析系统包括拉曼光谱分析软件，所述拉曼光谱分析软件加载于基于Windows系统或Android系统的终端设备上；

所述控制电路模块通过无线通信模块或Micro-USB接口与终端设备进行双向通信。

2.根据权利要求1所述的一种蓝牙/USB双通讯式手持拉曼光谱仪，其特征在于：所述光谱检测模块为光栅分光光谱检测模块，在该光栅分光光谱检测模块中包括阵列光电检测器。

3.根据权利要求1所述的一种蓝牙/USB双通讯式手持拉曼光谱仪，其特征在于：所述控制电路模块包括用于处理光谱检测模块输出的电信号的AD模块和FPGA模块、用于控制半导体激光模块功率的稳功率模块、用于控制半导体激光模块的温度的PID控制模块、用于控制无线通讯模块、显示器模块、Micro-USB接口、FPGA模块及接收来自各功能按钮信号的ARM微处理器和用于向ARM微处理器传输电池模块电量信息的电源管理模块；在所述ARM微处理器中运行有拉曼光谱仪固件。

4.根据权利要求1或3所述的一种蓝牙/USB双通讯式手持拉曼光谱仪，其特征在于：所述功能按钮包括电源开关按钮和拉曼光谱检测按钮。

5.根据权利要求1所述的一种蓝牙/USB双通讯式手持拉曼光谱仪，其特征在于：所述无线通讯模块包括蓝牙模块，所述蓝牙模块设置在所述机体的上端。

6.根据权利要求1所述的一种蓝牙/USB双通讯式手持拉曼光谱仪，其特征在于：所述半导体激光模块的热沉设置在机体外壳的金属部分上。

7.根据权利要求1或6所述的一种蓝牙/USB双通讯式手持拉曼光谱仪，其特征在于：所述探头模块设置在半导体激光模块的一侧，所述光谱检测模块紧密堆叠在半导体激光模块和探头模块之上，所述控制电路模块堆叠于光谱检测模块之上，所述显示器模块堆叠于控制电路模块之上。

8.根据权利要求1所述的一种蓝牙/USB双通讯式手持拉曼光谱仪，其特征在于：所述探头模块包括拉曼探头，所述拉曼探头向外延伸出机体。

9.根据权利要求1所述的一种蓝牙/USB双通讯式手持拉曼光谱仪，其特征在于：所述探头模块包括与半导体激光模块连接的可插拔光纤准直接口和与光谱检测模块连接的光纤耦合接口；所述光谱检测模块设有可插拔光纤接口，该半导体激光模块通过其尾纤与探头模块相连，光谱检测模块通过多模光纤与探头模块相连。

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