检测控制装置及太赫兹光谱仪的制作方法

本实用新型涉及太赫兹波检测技术领域，特别是涉及一种检测控制装置及太赫兹光谱仪。

背景技术：

太赫兹(THz)波是指频率在0.1THz～10THz之间的电磁波，具有波长短、没有电离辐射、包含丰富的光谱信息、可以鉴别物质类比和成分的特点。因此，太赫兹技术在医疗、食品、安全监测以及军事等领域具有较大的应用前景。传统的太赫兹光谱仪的体积较大，无法适用于不同的应用场景。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的太赫兹光谱仪的体积较大的问题，提供一种检测控制装置及太赫兹光谱仪。

一种检测控制装置，应用于太赫兹光谱仪内；所述检测控制装置包括：

壳体；所述壳体内形成有容纳空腔；

主控电路板，设置在所述容纳空腔内；所述主控电路板上集成有所述太赫兹光谱仪的检测控制电路；所述检测控制电路中的各功能模块电路在所述主控电路板上分区设置；以及

接口面板；所述接口面板设置在所述容纳空腔内；所述接口面板上设置有接口；所述接口固定在所述壳体上；所述接口用于实现所述检测控制电路与所述太赫兹光谱仪内的功能设备之间的连接。

上述检测控制装置的主控电路板上集成了太赫兹光谱仪的检测控制电路，从而极大地提高了整个太赫兹光谱仪的集成度，有利于实现太赫兹光谱仪的小型化，使得其能够适用于不同的应用场景。并且检测控制电路中的各功能模块在主控电路板上分区设置，相互之间的干扰较小，从而确保整个检测控制装置的正常运行。

在其中一个实施例中，所述主控电路板上设置有连接器；所述接口面板上设置有与所述主控电路板上的连接器匹配的连接器；所述主控电路板上的各功能模块电路均通过所述主控电路板上的连接器相互连接或者与所述太赫兹光谱仪内的功能设备连接。

在其中一个实施例中，所述检测控制电路包括激光器控制电路、数据处理采集电路、偏置电源产生电路、电机驱动电路和控制模块电路；所述数据处理采集电路和所述激光器控制电路设置在所述主控电路板的一侧；所述偏置电源产生电路和所述电机驱动电路设置在所述主控电路板上与所述数据处理采集电路所在侧相对的一侧；所述控制模块电路设置在所述主控电路板上远离所述接口面板的一端。

在其中一个实施例中，所述数据处理采集电路包括依次连接的信号处理模块电路和数据采集模块电路；信号处理模块电路包括依次连接的光电转换模块电路、信号放大模块电路；所述数据采集模块电路包括依次连接的抗混叠滤波电路和数据采集模块；所述抗混叠滤波电路与所述信号放大模块电路连接；所述信号处理模块电路集成在所述主控电路板的第一区域且靠近所述接口面板的一端设置；所述数据采集模块电路集成在所述主控电路板的第二区域；所述第一区域和所述第二区域均位于所述主控电路板的一侧且相互间隔设置；所述激光器控制电路集成在所述主控电路板的第三区域；所述第三区域设置所述第二区域的远离所述接口面板的一侧；

所述接口面板上设置有传感器信号输入接口和信号输出接口；所述传感器信号输入接口与所述光电转换模块电路的输入端连接；所述信号输出接口与所述数据采集模块的输出端连接。

在其中一个实施例中，所述偏置电源产生电路设置在所述主控电路板的第四区域；所述第四区域与所述第一区域相对设置，且位于所述主控电路板上靠近所述接口面板的一侧；所述接口面板上还设置有偏置电源驱动接口；所述偏置电源驱动接口与所述偏置电源产生电路的输入端连接。

在其中一个实施例中，所述电机驱动电路包括快扫电机控制模块电路、慢扫电机控制模块电路以及成像电机控制模块电路；所述快扫电机控制模块电路、所述慢扫电机控制模块电路和所述成像电机控制模块电路分别设置在第五区域～第七区域；所述第五区域～第七区域均与所述第四区域位于同一侧，且相互间隔设置；所述接口面板上还设置有快扫电机接口、光栅尺接口、慢扫电机接口和成像电机接口；所述快扫电机接口和所述光栅尺接口与所述快扫电机控制模块电路连接；所述慢扫电机接口与所述慢扫电机控制模块电路连接；所述成像电机接口与所述成像电机控制模块电路连接。

在其中一个实施例中，所述控制模块电路包括主控制模块电路和微处理器电路；所述微处理器电路设置在第八区域；所述第八区域设置在所述第三区域的远离所述第二区域的一侧；所述主控制模块电路设置在所述主控电路板上远离所述接口面板的一端。

在其中一个实施例中，所述主控电路板上还集成有通信模块电路；所述通信模块电路与所述主控制模块电路设置在同一侧；所述壳体上还固定有通信模块接口；所述通信模块接口设置在所述壳体上与所述接口面板相对的一面上。

在其中一个实施例中，所述壳体为具有信号屏蔽作用的壳体。

一种太赫兹光谱仪，包括外壳和固定在所述外壳内的各功能设备，所述太赫兹光谱仪还包括如前述任一实施例所述的检测控制装置。

附图说明

图1为一实施例中的检测控制装置的结构示意图；

图2为图1所示的检测控制装置在另一视角下的结构示意图；

图3为一实施例中的检测控制装置的内部结构示意图；

图4为一实施例中的主控电路板上集成的检测控制电路的电路框图；

图5为图1所示实施例中的接口面板的结构示意图；

图6为图1所示实施例中的检测控制电路的电路框图；

图7为图1实施例中的主控电路板的区域划分示意图；

图8为采用图1所示实施例中的检测控制装置的太赫兹光谱仪的时域效果图；

图9为采用图1所示实施例中的检测控制装置的太赫兹光谱仪的频域效果图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”以及“外”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申请和简化描述，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申请的限制。此外，需要说明的是，当元件被称为“形成在另一元件上”时，它可以直接连接到另一元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以直接连接到另一元件或者同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。

光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器。一实施例中的太赫兹光谱仪包括外壳、设置在外壳内的各功能设备以及设置在外壳内部的检测控制装置。外壳用于固定和保护太赫兹光谱仪内的各功能设备。可以理解，外壳上回设置不同的端口以实现太赫兹光谱仪与外界设备的连接。

在一实施例中，外壳具有防水设计，从而使得太赫兹光谱仪能够在不同的环境下工作。太赫兹光谱仪内的各功能设备均指能够在电路控制下执行相应功能的设备，从而相互作用后共同实现太赫兹光谱仪所需要具备的功能。比如，功能设备可以包括各种电机、激光器、偏置电源、成像电机扫描模块样品架等。

图1为一实施例中的检测控制装置200的结构示意图。图2为图1所示的检测控制装置200在另一视角下的结构示意图。图3为一实施例中的检测控制装置200的内部结构示意图。参见图1～图3，该检测控制装置200包括壳体210、主控电路板220和接口面板230。其中，壳体210内形成有容纳空腔。主控电路板220和接口面板230均设置在该容纳空腔内。主控电路板220上集成有太赫兹光谱仪的检测控制电路。检测控制电路中的各功能模块电路在主控电路板220 上分区设置。接口面板230上则设置有相应的接口，以实现检测控制电路与太赫兹光谱仪内的功能设备的连接。

上述检测控制装置的主控电路板220上集成了太赫兹光谱仪的检测控制电路，从而极大地提高了整个太赫兹光谱仪的集成度，有利于实现太赫兹光谱仪的小型化，使得其能够适用于不同的应用场景。并且检测控制电路中的各功能模块在主控电路板220上分区设置，相互之间的干扰较小，从而确保整个检测控制装置的正常运行。

在一实施例中，主控电路板220上设置有连接器222，接口面板230上同样设置有与连接器222匹配的连接器232。连接器222与主控电路板220上的各功能模块电路连接，从而使得各功能模块电路可以通过连接器222与其他的功能模块电路连接，或者与太赫兹光谱仪内部的功能设备相连，从而实现对各功能设备的控制。通过连接器222来实现功能模块电路与其他电路的连接，可以使得主控电路板220上的布线不会过于复杂，并减少各功能模块电路之间的相互干扰。并且，采用连接器222和连接器232进行连接，可以简化安装工艺并提升维护效率。在一实施例中，连接器222和连接器232可以为PCB板载式的对接插座，如采用96PIN的PCB板载式的对接插座。

主控电路板220上集成的检测控制电路的电路框图如图4所示。参见图4，检测控制电路包括偏置电源产生电路310、激光器控制电路320、电机驱动电路 330、数据处理采集电路340和控制模块电路350。其中，偏置电源产生电路310 的输出端与数据处理采集电路340的输入端连接，用于向其提供偏置电源。激光器控制电路320用于对太赫兹光谱仪内的激光器进行控制，以控制激光器进行工作产生太赫兹波信号。电机驱动电路330则用于对太赫兹光谱仪内的各对应的电机进行控制，使得激光器产生的太赫兹的时域信号可以通过数据处理采集电路340进行采集后通过太赫兹光谱仪内的显示设备等进行显示。控制模块电路350则用于对各个模块进行控制，从而实现对整个太赫兹光谱仪的工作控制。传统的太赫兹光谱仪中，控制模块电路均集成在不同的功能设备中，从而导致整体的集成度较低，不能满足小型化的发展需求。

在本实施例中，上述检测控制电路均集成在主控电路板220上，极大地提高了集成度。具体地，数据采集处理电路340和激光器控制电路320设置在主控电路板220的一侧，偏置电源产生电路310和电机驱动电路340则设置在主控电路板220上与数据采集处理电路340相对的一侧，且相互间隔设置。控制电路350则设置在主控电路板220上远离接口面板230的一端。通过将各模块电路在主控电路板220上分区设置，可以降低集成在同一主控电路板220上的各模块电路之间的干扰，提高整个装置的稳定性。并且，在本实施例中，将数据采集处理电路340与电机驱动电路340以及偏置电源产生电路310相对设置在主控电路板220的不同侧，可以降低各功能模块电路对数据采集处理电路340 的干扰，提高数据采集过程的精准度。在一实施例中，数据采集处理电路340 设置在主控电路板220上靠近接口面板230的一端。接口面板230上设置有传感器信号输入接口402和信号输出接口404，如图5所示。数据采集处理电路 340的输入端与传感器信号输入接口402连接，以接收传感器检测到的太赫兹波信号。信号输出端口404则用于接收数据采集处理电路340得到的信号，并将其输出。由于传感器信号输入接口402传输来的太赫兹波信号的电流较小，通常为几纳安培，因此即便是较小的干扰也会对其结果产生较大的影响。在本实施例中，通过将数据处理采集电路340靠近接口面板230所在的一端设置，可以缩短信号从接口到完成数据采集时的所需要经过的路径，避免路径过长时受到其他线路中信号干扰的问题发生，从而提高采集的精准度。同时，将控制模块电路350设置在远离接口面板230的一端，可以避免控制模块电路350产生的信号对其他模块电路产生干扰，进一步提高装置的稳定性。

在一实施例中，数据处理采集电路340包括依次连接的光电转换模块电路、信号放大模块电路、抗混叠滤波电路和数据采集模块。具体地，光电转换模块电路包括太赫兹发射天线341、太赫兹接收天线342、参考信号处理模块343、前置放大器模块344、锁相放大器模块345、抗混叠滤波电路346和数据采集模块347，如图6所示。其中，太赫兹发射天线341与偏置电源产生电路310连接。偏置电源产生电路310用于在控制模块电路350的控制下产生偏置电源输出至太赫兹发射天线。在一具体实施例中，控制模块电路350内部的DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器)产生正弦波信号输出，比如生成幅值为±40V的高压正弦波信号作为偏置电源。

太赫兹接收天线342则用于接收太赫兹发射天线342发射来的太赫兹波信号，进行光电转换后通过前置放大器模块344进行放大以及电流/电压转换后输出至锁相放大器模块345。参考信号处理模块343用于在控制模块电路350的控制下生成参考信号后输出锁相放大器模块345中进行解调。锁相放大器模块345 对放大转换后的信号进行调制解调后输出给抗混叠滤波电路346。抗混叠滤波电路346对信号进行滤波后输出至数据采集模块347进行数据采集。通常，太赫兹的产生和探测利用飞秒激光激发半导体表面和利用光电导发射接收机制进行产生和探测。其中，太赫兹光电导探测器是通过半导体材料上面的光导天线耦合太赫兹电磁波，形成载流子高速运动，从而产生瞬间电流。低温生长的砷化镓(LT-GaAs)具有较高的电子迁移速率和较快的电信号捕获时间，形成的光电导偶极天线具有很强的性噪比，所以广泛作为衬底材料应用于太赫兹波光电导型探测器中。因此，在太赫兹接收端也即太赫兹接收天线普遍采用光电导天线接收，会伴随着比较大的噪声和干扰信号，或者噪声信号掩盖信号。在本实施例中，通过在信号处理采集过程中增加了光电转换以及抗混叠滤波处理，可以进一步提高整个太赫兹光谱仪的信噪比。

在一实施例中，控制模块电路350包括主控制模块电路352和微处理器电路354。其中，控制模块电路350与其他各模块电路均连接，从而对各模块电路进行控制。微处理器电路354则还与锁相放大器模块345连接。主控制模块电路352通过总线与数据采集模块347中的ADC(模数转换器)进行数据通信，采集数据，然后通过网络传输至外部的PC电脑端10。在一实施例中，主控制模块电路352为FPGA模块，而微处理器电路354则为ARM模块。所以整机的控制监测由ARM和FPGA共同完成。在一实施例中，锁相放大器模块345的状态监测和参数调节由ARM模块控制。

在一实施例中，上述检测控制电路中还包括网络通信模块360。网络通信模块360与主控制模块电路352连接，从而实现主控制模块电路352与外部PC电脑端10的数据通信。在本实施例中，主控电路板220上还固定有网络通信接口 260。网络通信接口260设置壳体210上与接口面板230所在的一面相对的一面。

在一实施例中，电机驱动电路340包括快扫电机控制模块电路342、慢扫电机控制模块电路344和成像电机控制模块电路346。在本实施例中，快扫电机控制模块电路342、慢扫电机控制模块电路344和成像电机控制模块电路346均由主控制模块电路352进行控制。具体地，主控制模块电路252控制慢扫电机驱动电路调节慢扫电机运动至适当的位置，当太赫兹光谱仪内的成像电机扫描模块样品家换成投射或者反射模块时，主控制模块电路352自动识别并控制慢扫电机调节光程至合适的位置。主控制模块电路352还用于控制快速电机控制模块电路342对快速扫描电机以及光栅尺进行控制，并控制成像电机沿坐标轴进行运动扫描，进而使得太赫兹的时域信号可以通过数据处理采集电路340进行采集。在本实施例中，快速电机和慢扫电机均为步进电机。快速电机的扫描频率大于慢扫电机的扫描频率。

主控电路板220上集成有上述任一实施例中的检测控制电路。在一实施例中，主控电路板220上包括相互间隔的第一区域A1～第八区域A8，如图7所示。在本实施例中，将太赫兹发射天线341、太赫兹接收天线342、参考信号处理模块343以及前置放大器模块344和锁相放大器模块345作为信号处理模块电路集成在第一区域A1；将抗混叠滤波电路346和数据采集模块347作为数据采集模块电路集成在第二区域A2。第一区域A1和第二区域A2沿主控电路板220的一侧设置，且第一区域A1位于主控电路板220上靠近接口面板230的一端。激光器控制电路330集成在主控电路板220的第三区域A3。第三区域A3设置在第二区域A2的远离接口面板230的一侧。此时，接口面板230上形成有激光器口 406。激光器口406用于与太赫兹光谱仪内的激光器进行连接，以对激光器进行控制。

在一实施例中，将偏置电源产生电路310集成在主控电路板220的第四区域A4。第四区域A4和第一区域A1相对设置，且同样位于主控电路板220上靠近接口面板230的一端。由于偏置电源产生电路310用于向太赫兹发射天线341 提供偏置电源，因此同样希望其输出信号所经过的路径最短，从而降低干扰，提高装置的信噪比。此时，接口面板230上还设置有偏置电源驱动接口408。偏置电源驱动接口408与偏置电源产生电路310的输入端连接，并用于与偏置电源连接。

在一实施例中，快扫电机控制模块电路342、扫描电机控制模块电路344以及成像电机控制模块电路346分别集成在第五区域A5～第七区域A7。第五区域 A5～第七区域A7设置在与第一区域A1相对的一侧，且位于偏置电源产生电路 310上远离接口面板230的一侧，从而避免产生的高电流信号对数据处理采集过程的微弱电流信号产生较大的干扰。在一实施例中，接口面板230上设置有快扫电机接口410、光栅尺接口412、慢扫电机接口414和成像电机接口416，以实现主控电路板220上的各功能模块电路与对应的功能设备连接并对其进行控制。微处理器电路254则集成在第八区域A8。第八区域A8设置在第三区域A3 的远离第二区域A2的一侧。

在一实施例中，接口面板230上还设置有电源接口420。电源接口420用于与电源连接，从而向整个检测控制装置200提供工作电压。在本实施例中，接口面板230上还设置有触发信号输出接口218。触发信号输出接口218用于接收主控制模块电路252输出的触发信号，并输出给相应的受控设备。

在一实施例中，壳体210为具有信号屏蔽作用的壳体，从而可以屏蔽太赫兹光谱仪内部的各功能设备对其产生的信号干扰，进一步提高整个装置的信噪比。

为对本实施例中的检测控制装置的优点进行说明，将该检测控制装置设置在太赫兹光谱仪内部，对太赫兹光谱仪进行整机测试，测试得到的时域图如图8 所示，频域图如图9所示。从图8和图9中可以看出，采用该检测控制装置的太赫兹光谱仪具有理想的信噪比。并且，由于检测控制装置的集成度较高，有利于实现整个太赫兹光谱仪的小型化。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。