样品压片承载装置、太赫兹光谱测量系统及测量方法与流程

本发明涉及太赫兹光谱测量设备技术领域，尤其涉及一种样品压片承载装置、太赫兹光谱测量系统及测量方法。

背景技术：

太赫兹辐射是介于0.1THz～10THz(1THz＝10¹²Hz)之间频率的电磁辐射，其对应的波长范围为30nm～3mm，属于远红外波段，它刚好处于电子学与光子学的过渡区域。这一频段的电磁波在电子学中被称为毫米波或亚毫米波，而在光谱学中则被称为远红外线。

目前，太赫兹光谱的用途日益广泛，人们利用太赫兹光谱技术去进行如农业、天文、色度计量、环境检测、半导体工业、成分检测等工作。太赫兹光谱应用的推广离不开前期光谱实验的探究，研究发现：太赫兹波对水分有着很强吸收的特性，非常敏感，在进行实验时通常需要利用氮气排除，为避免氮气的浪费，因而太赫兹试验样品夹持区不宜过大，结构相对简单；取出样品盒放入样品不易过频繁。

此外，太赫兹能被一些高危物质吸收，所以也用来做一些相关实验，实验人员如果长时间与之接触，难免会影响身体健康，因而对于这种情况，我们需要样品承载装置能实现远程控制，而目前的太赫兹光谱实验仪器中在样品压片承载夹持装置上仍然存在一定的不足，需要加以改进。

一般，在进行太赫兹光谱实验时使用较多的为单夹持可缩放式样品压片承载装置，虽然该装置结构简单，价格较低，但存在以下缺点：

(1)夹持效果不甚理想，尤其是对于较薄样品压片很难卡紧，在使用过程中，当出现样品压片强度较低的时候，很容易使得压片破碎，影响测量；

(2)该装置无法连续对多样品压片进行测量，效率较为低下；

(3)对焦过程基本是利用人眼观测实现的，精度低；

(4)无法实现自动控制，需要实验人员长时间与药品接触。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供了一种样品压片承载装置、太赫兹光谱测量系统及测量方法，适用于不同强度的样品压片，能够实现连续测量和自动对焦。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种样品压片承载装置，包括压片固定组件、驱动组件和控制组件，所述压片固定组件用于同时固定多个样品压片，所述控制组件通过驱动组件与压片固定组件连接，以通过控制驱动组件的转动角位移驱动压片固定组件的水平移动量。

进一步的，所述驱动组件包括步进电机和丝杠，所述控制组件通过步进电机与丝杠连接，以带动所述丝杠转动；所述压片固定组件套设于所述丝杠外，在所述丝杠的转动带动下沿丝杠水平移动，所述丝杠转动的角位移量与所述压片固定组件沿丝杠的水平移动量之间具有预设比例。

进一步的，所述步进电机同时连接有至少两条平行设置的所述丝杠，各条所述丝杠均处于同一水平面上，所述压片固定组件同时套设于各条所述丝杠外，通过各条所述丝杠同时转动驱动压片固定组件同步的沿各条所述丝杠水平移动。

进一步的，所述压片固定组件包括移动块和固定架，所述固定架固定在移动块上，所述移动块套设于驱动组件外，所述驱动组件通过转动驱动移动块水平移动；所述固定架上设有多个用于固定样品压片的固定凹槽。

进一步的，所述固定架包括底板和固定板，所述底板固定在移动块的上表面上，所述固定板垂直的固定在底板的上表面上，所述固定板内竖直设有多个所述固定凹槽，且侧面贯通设置有多个测量口，各个所述测量口分别与各个固定凹槽对应设置，所述底板和固定板之间设有用于调节所述样品压片高度的垫片。

进一步的，还包括激光定位组件，所述激光定位组件固定设置于所述压片固定组件以外，且与所述控制组件连接，所述压片固定组件相对于激光定位组件水平移动，通过所述激光定位组件为压片固定组件的水平移动定位。

进一步的，所述激光定位组件包括激光发射端和激光接收端，激光接收端与控制组件连接；所述激光发射端和激光接收端分别对称的固定设置在所述压片固定组件的两侧，以在所述激光发射端和激光接收端之间形成激光束，所述压片固定组件在水平移动时切割所述激光束；所述压片固定组件上设置有用于使所述激光束穿过的透光孔。

进一步的，所述控制组件包括微机控制端，所述微机控制端上加载有用于控制驱动组件转动的虚拟仪器图形用户界面。

本发明还提供了一种太赫兹光谱测量系统，其特征在于，包括如上所述的样品压片承载装置。

本发明还提供了一种太赫兹光谱测量方法，包括以下步骤：

S1、确定A个待测样品压片为一组，将各个所述待测样品压片分别固定在压片固定组件的各个固定凹槽内；

S2、对A个所述待测样品压片中的第a个待测样品进行至少两步对焦；

S3、通过太赫兹测量设备测量所述第a个待测样品；

S4、返回步骤S2，且使a＝a+1，直至a＝A时，测量结束。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明的样品压片承载装置包括压片固定组件、驱动组件和控制组件，压片固定组件用于同时固定多个样品压片，控制组件通过驱动组件与压片固定组件连接，以通过控制驱动组件的转动角位移驱动压片固定组件的水平移动量，从而有效提高样品压片的连续测量和自动对焦的精确度，无需实验人员观察辨识调整对焦，避免人为因素造成的影响，提高实验效果的准确性，同时，本装置适用于不同强度、薄厚的压片，样品压片成组连续测量，可以有效提高实验效率，通过太赫兹光谱测量方法利用系统进行太赫兹实验时，能大大降低氮气消耗，节约成本；此外，利用控制组件还能实现远程控制，避免实验人员直接接触有害样品而对人体造成危害。

附图说明

图1为本发明实施例的样品压片承载装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的样品压片承载装置(不含控制组件)的俯视图；

图3为本发明实施例的固定架的主视图；

图4为图3中A-A向剖视图；

图5为本发明实施例的装置利用激光定位组件进行粗对焦时、控制组件接收到的信号图；

图6为本发明实施例的装置利用激光定位组件进行微对焦时、控制组件接收到的信号图。

其中，1、支座；2、滑条；3、丝杠；4、移动块；5、垫片；6、步进电机；7、微机控制端；8、固定架；9、安装孔；10、固定凹槽；11、测量口；12、底板；13、固定板；14、激光接收端；15、激光发射端；16、激光固定架；17、透光孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供的样品压片承载装置包括压片固定组件、驱动组件和控制组件，其中，压片固定组件用于同时固定多个样品压片，利用样品压片的自身重力与压片固定组件的反支力将整组样品压片固定，从而实现连续测量多个样品压片；控制组件通过驱动组件与压片固定组件连接，以通过控制驱动组件的转动角位移驱动压片固定组件的水平移动量，从而有效提高样品压片的连续测量和自动对焦的精确度，无需实验人员观察辨识调整对焦，避免人为因素造成的影响，提高实验效果的准确性，同时，本装置适用于不同强度、薄厚的压片，样品压片成组连续测量，可以有效提高实验效率，特别是在太赫兹实验中，能大大降低氮气消耗，节约成本；此外，利用控制组件还能实现远程控制，避免实验人员直接接触有害样品而对人体造成危害。

如图2所示，本实施例的驱动组件优选包括步进电机6和丝杠3，控制组件通过步进电机6与丝杠3连接，以带动丝杠3转动，压片固定组件套设于丝杠3外，在丝杠3的转动带动下沿丝杠3水平移动，利用控制组件将电脉冲通过步进电机6转换为角位移，带动丝杠3转动，从而利用滚珠丝杠3转动副将转动量按比例转化为压片固定组件的水平移动量，进而实现精确自动对焦，且由于丝杠3转动的角位移量与压片固定组件沿丝杠3的水平移动量之间具有预设比例，能有效提高自动对焦的准确性，进一步提升实验数据的准确性，提高实验效果。

为了进一步保证压片固定组件平移时的稳定性，优选步进电机6同时连接有至少两条平行设置的丝杠3，各条丝杠3均处于同一水平面上，压片固定组件同时套设于各条丝杠3外，通过各条丝杠3同时转动驱动压片固定组件同步的沿各条丝杠3水平移动。

如图3、图4所示，本实施例的压片固定组件包括移动块4和固定架8，固定架8固定在移动块4上，移动块4套设于驱动组件外，驱动组件通过转动驱动移动块4水平移动；固定架8上设有多个用于固定样品压片的固定凹槽10。

优选的，固定架8包括底板12和固定板13，底板12固定在移动块4的上表面上，固定板13垂直的固定在底板12的上表面上，固定板13内竖直设有多个固定凹槽10，且各个固定凹槽10的侧面分别贯通设置有多个测量口11，各个测量口11分别与各个固定凹槽10对应设置，当样品压片竖直插入固定凹槽10内时，利用样品压片的自身重力和固定凹槽10的反支力的共同作用，使样品压片竖直固定在固定凹槽10内，且带观测的样品位置能够对应位于测量口11内，以便对样品进行自动对焦和测量，同时提高压片测量时的卡固稳定性，从而使该装置可以用于承载不同强度、不同薄厚的压片，而不会损伤压片本身；此外，由于固定板13内设有多个固定凹槽10，因此可以一次承载多个样品压片，利用仪器同时对该组的多个样品压片进行对焦和测量，以实现连续测量，提高实验效率，特别是在太赫兹实验中，由于每次测量前需要向样品压片输入能够大大减少氮气消耗，节约成本。

当样品压片中的样品位置与测量口11不能很好的对应设置时，优选在底板12和固定板13之间设有用于调节样品压片高度的垫片5，为了便于调节压片位置，垫片5的数量为多个，且厚度各不相同，通过垫片5的高度调整样品压片中的样品位置，以使其准确的对准在测量口11内；此外，为了保证底板12和移动块4之间的可靠连接，优选在底板12上均匀的设有多个安装孔9，利用螺栓穿过安装孔9，以将固定架8的底板12固定在移动块4的上表面上，同时将不同厚度的垫片5固定在移动块4和固定架8之间。

本实施例的控制组件包括微机控制端7，优选为PC机，微机控制端7上加载有用于控制驱动组件转动的虚拟仪器图形用户界面(以下简称GUI)。本实施例中，微机控制端7上加载的程序开发环境优选为LabVIEW，LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器公司(简称NI公司)研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式；在Labview环境中，配合NI公司的运动控制卡采用虚拟仪器图形化编程GUI，通过微机控制端7将电脉冲转换为步进电机6的角位移，从而精确控制丝杠3转动量，进而将丝杠3的转动量按比例转化为移动块4的平移量，从而实现精确化自动对焦；优选的，本实施例的微机控制端7通过GUI控制步进电机6时，可以采用有线连接，也可以采用远程无线控制，利用微机控制端7作为上位机，利用GUI作为操作界面，可以实现远程精确控制系统的测量实验过程，从而避免有害样品压片与人体直接接触，而对人体造成危害。

本实施例的装置还包括支座1和滑动条，驱动组件和滑动条分别固定在支座1上，滑动条穿设于压片固定组件内，且与压片固定组件的水平移动方向平行设置。

具体的，本实施例的支座1两端之间平行的固定有两条丝杠3，两条丝杠3的轴线设置于同一水平面上，两条丝杠3的同一端同时与步进电机6连接，以通过步进电机6带动而同步转动；移动块4的底部两侧分别套装在两条丝杠3外，且两条丝杠3中间设置有滑条2，滑条2穿过移动块4底部内，以保证移动块4在滑动时更加稳定，滑条2的两端分别于支座1两端固定，当步进电机6同步驱动两条丝杠3转动时，移动块4在两条丝杠3的同步转动带动下稳定的水平移动，丝杠3转动的角位移与移动块4的水平移动量之间具有预设比例，以确保自动对焦的精确性。

移动块4的上表面通过六个螺栓固定有固定架8，其中，固定架8的底板12上分别设置有六个安装孔9，其水平轴线位置上竖直设置有固定板13，在固定板13的两侧各对称的设有三个安装孔9，以利用螺栓将底板12可靠固定在移动块4的上表面上；在底板12与移动块4之间还设置有多个厚度不同的垫片5；在固定板13上竖直的设置有三个固定凹槽10，在每个固定凹槽10的两侧分别贯通设置有一圆形测量口11，以便于对压片样品的测量；测量口11也可以为方形、多边形或其他形状。

需要说明的是，本实施例的安装孔9设置为三个，也可以设置为多个，优选将多个安装孔9对称的布置在固定板13的两侧，以保证固定架8的稳定性；本实施例的固定凹槽10的数量为三个，也可以设置为两个或者三个以上，具体数量根据移动块4的大小和压片样品大小设置即可。

为了更加精确定位压片固定组件的水平移动位置和水平移动量，该装置还包括激光定位组件，激光定位组件固定设置于压片固定组件以外，且与控制组件连接，压片固定组件相对于激光定位组件水平移动，通过激光定位组件为压片固定组件的水平移动定位。

具体的，本实施例的激光定位组件包括激光发射端15和激光接收端14，激光接收端14与控制组件连接；激光发射端15和激光接收端14分别对称的固定设置在压片固定组件的两侧，并在激光发射端15和激光接收端14之间形成激光束，压片固定组件在水平移动时切割激光束，激光束被切割时，由于激光接收端14无法接收到激光束，从而能向控制组件反馈压片固定组件的位置；在压片固定组件上设置有用于使激光束穿过的透光孔17，当压片固定组件移动切割激光束时，利用激光束穿过透光孔17来判断压片固定组件的位置。优选激光发射端15和激光接收端14分别通过激光固定架16固定在支座1的两侧，此外，为了避免激光固定架16影响到太赫兹测量设备通过测量口11准确测量压片样品，优选激光固定架16的高度不高于测量口11的最低点。

优选在压片固定组件的固定架8上设置有若干个透光孔17，透光孔17的数量与测量口11的数量对应设置，并将太赫兹测量系统中的太赫兹测量设备与激光束的位置对应设置，使得当激光束透过任一透光孔17时，保证太赫兹测量设备的测量角度与测量口位置精确对焦。

具体的，本实施例中优选在固定架8下端开有多个细长缝隙，以此作为多个透光孔17，每个细长缝隙均竖直设置于测量口的下方，且保证与测量口的轴心垂直；利用步进电机6对移动块4的移动距离进行自动控制，在激光发射端15和激光接收端14的辅助下实现了自动对焦功能，提高了实验精度；本实施例的步进电机6的步距角为1.5°，滚珠丝杠3的基本导程为4mm，步进电机各阶段的速度则由GUI的数据重置部分的脉冲间隔决定，所以可以在GUI上通过启动、暂停、右移、左移以及微调按钮来控制移动块4的行程。

本实施例的控制组件中，作为微机控制端7的PC机上加载有GUI，利用GUI连接步进电机6，以远程控制步进电机6的进给量，从而控制丝杠3转动的角位移，GUI可以通过输入测量实验的各项参数，从而推算出准确的自动对焦数据，进而通过控制丝杠3转动的角位移来精确控制移动块4的水平移动量，以实现更为准确的自动对焦。

本实施例还提供了一种太赫兹光谱测量系统，该系统包括如上所述的样品压片承载装置。在利用该系统进行样品压片的测量时，首先将制好的整组三个样品压片分别对应竖直插入固定架8的三个固定凹槽10内，以将样品压片固定，然后用玻璃罩罩住本实施例的装置，向玻璃罩内通入氮气，以排除空气中水蒸气的干扰；利用GUI控制移动块4水平移动完成自动对焦，对焦过程中，首先点击启动GUI控制程序，根据当前位置，选择左移或右移完成粗对焦，当激光定位组件首次接收到激光束形成的脉冲信号时，步进电机6停止，这时点击微调按钮，在微调控制程序的辅助下，进行微对焦；然后开启系统中的太赫兹测量设备对样品压片进行测量，当一个样品压片测量完成后，可点击GUI界面控制步进电机6运动，使移动块4水平移动带动第二个样品压片处于测量位置并完成自动对焦，从而实现连续测量；当整组样品压片先后完成测量后，取出测完的样品压片，重新向固定凹槽10内放入下一组样品压片，重复上述过程，直至样品压片全部测量完成即可完成实验。

本实施例还提供了一种太赫兹测量方法，该方法包括以下步骤：

S1、确定A个待测样品压片为一组，将各个所述待测样品压片分别固定在压片固定组件的各个固定凹槽内；

S2、对A个所述待测样品压片中的第a个待测样品进行至少两步对焦；

S3、通过太赫兹测量设备测量所述第a个待测样品；

S4、使a＝a+1,重复步骤S2～S3，直至a＝A时，测量结束。

其中，所述步骤S2进一步包括：

S201、通过控制组件控制步进电机启动，驱动所述压片固定组件的移动块以第二速度由一端向另一端移动；

S202、所述移动块带动第a个样品压片经过控制停止位置时，所述控制组件接收到激光定位组件反馈的第一信号；

S203、根据所述第一信号，所述控制组件控制步进电机停止，使得所述移动块带动第a个样品压片停在实际停止位置，此时，所述控制组件接收到激光定位组件反馈的第二信号；

S204、根据所述第二信号，所述控制组件控制步进电机启动，驱动所述移动块以第三速度、且按等比数列的行程量反复前后移动，当所述移动块带动第a个样品压片移动至微调控制停止位置时，所述控制组件接收到激光定位组件反馈的第三信号；

S205、根据所述第三信号，所述控制组件控制步进电机停止，以使所述移动块的最终位置无限趋近于目标位置。

具体的，以A＝3为例，即3个待测样品压片为一组，先对第1个待测样品进行至少两步对焦，然后通过太赫兹测量设备测量第1个待测样品，接着对第2个、第3个顺序进行对焦和测量，直至a＝A＝3时，即3个待测样品压片全部测量完成后，测量结束，从而实现系统连续测量的效果。

在步骤S2中，当压片固定组件未移动至测量位置时，由于固定架8的遮挡，激光接收端15没有信号接收，即接收信号为0；每当固定架8的透光孔17移动到激光发射端14和激光接收端15中心时，即激光束穿过透光孔17时，激光接收端15接收到信号为1的脉冲，从而将信号反馈至控制组件的PC机上，进而利用信号判断压片固定组件的当前位置，并根据其位置对步进电机进行控制，以实现系统在连续测量的基础上完成精确自动对焦的工作。

进一步的，对样品压片进行自动对焦的时间与信号关系图如图5、图6所示，图5中，t0时刻的压片固定组件的位置为目标位置，t1时刻的压片固定组件的位置为粗调控制停止位置，t2时刻的压片固定组件的实际停止位置，t3时刻的压片固定组件的位置为微调控制停止位置。

在上述步骤S201～S205中，以压片固定组件向左移为例，整个自动对焦过程可优选分为粗对焦和微对焦两大步骤进行，具体如下所示：

第一步、粗对焦：如图5所示，首先微机控制端的内置程序控制步进电机6，驱动移动块4由左端起以较大的第一速度V1迅速向右移动，直至激光束靠近待测压片所在的测量口下端的透光孔17时，改为以第二速度V2较慢移动，其中V1＞V2；当微机控制端7首次接收到脉冲信号为1时，即第一信号，则控制步进电机6停止，由于在t1时刻微机控制端7向步进电机6输入停止信号时，步进电机的转速较大，即移动块4的速度V2依然具有较大速度，容易导致移动块4因信号延迟或惯性作用而位置偏离，从而使移动块4停止在t2时刻所在的实际停止位置，此时激光束无法穿过透光孔17，而导致信号脉冲再次为0，即第二信号，从而导致移动块4的位置与目标位置偏离较大。

第二步、微对焦：利用微机控制端7的内置程序记录下实际停止位置及第二信号内容，然后根据第二信号控制步进电机缓慢转动，在程序计算控制下，移动块4先以第三速度V3向左移n个行程，然后右移2n个行程，再左移3n个行程，随后右移4n个行程，利用按等比数列不断增加行程的规律左右移动，直到脉冲信号由0变成1，即控制组件接收到来自激光定位组件的第三信号时，控制步进电机6停止转动，以使移动块4的位置无限趋近于目标位置；其中，为了确保微对焦的精准性，优选V3<<V2<V1。

综上所述，本实施例的样品压片承载装置包括压片固定组件、驱动组件和控制组件，压片固定组件用于同时固定多个样品压片，控制组件通过驱动组件与压片固定组件连接，以通过控制驱动组件的转动角位移驱动压片固定组件的水平移动量，从而有效提高样品压片的连续测量和自动对焦的精确度，无需实验人员观察辨识调整对焦，避免人为因素造成的影响，提高实验效果的准确性，同时，本装置适用于不同强度、薄厚的压片，样品压片成组连续测量，可以有效提高实验效率，特别是在太赫兹实验中，能大大降低氮气消耗，节约成本；此外，利用控制组件还能实现远程控制，避免实验人员直接接触有害样品而对人体造成危害。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。