一种工业现场用光谱仪

摘要

本发明公开了一种工业现场用光谱仪，属于光谱仪技术领域。本发明包括集光准直模块、成像模块、处理模块和控制模块以及接口扩展转换模块，集光准直模块用于收集目标反射光，对收集到的光进行准直、分光，并输出处理后的光；成像模块中CCD驱动电路控制CCD检测器采集经集光准直模块处理后的光谱；处理模块对CCD检测器采集的光谱数据进行处理及显示，处理模块包括信号调理单元、数据采集单元以及电源单元；控制模块用于向处理模块以及CCD驱动电路发送控制信号，接口扩展转换模块用于扩展光谱仪的接口。本发明加装了漏电开关，使得光谱仪工作更加安全可靠，且实现了高能量利用率和高分辨率的完美结合。

权利要求

1.一种工业现场用光谱仪，包括集光准直模块、成像模块、处理模块和控制模块，其特征在于：所述的集光准直模块用于收集目标反射光，对收集到的光进行准直、分光，并输出处理后的光；所述的成像模块包括CCD检测器和CCD驱动电路，集光准直模块的输出端与所述CCD检测器的输入端相连，所述CCD驱动电路控制CCD检测器采集经集光准直模块处理后的光谱，并输出采集的光谱数据；所述的处理模块与成像模块连接，对CCD检测器采集的光谱数据进行处理及显示，该处理模块包括信号调理单元、数据采集单元以及电源单元，所述信号调理单元包含信号放大、滤波电路和AD转换电路，该信号调理单元将输入的光谱数据进行调理后输出到数据采集单元，所述电源单元向信号调理单元以及CCD驱动电路供电；所述控制模块包括数据分析界面显示单元和控制系统单元；该控制模块嵌入处理模块，用于向所述处理模块以及CCD驱动电路发送控制信号；

所述的集光准直模块包括集光准直透镜(2)、柱面镜(3)、狭缝(4)、准直透镜(5)、光栅(6)、成像透镜(7)、DMD(8)、聚焦透镜(9)和单点光电二极管(10)，所述的集光准直透镜(2)和柱面镜(3)构成集光结构，检测目标(1)的反射光经光纤端口入射到集光准直透镜(2)，由集光准直透镜(2)准直为复色平行光后入射到柱面镜(3)，经柱面镜(3)将圆形光束变为带状光束后入射到狭缝(4)，由狭缝(4)出射的光束经过准直透镜(5)准直为复色平行光后入射到光栅(6)，经光栅(6)色散为光谱带；调整DMD(8)的角度，使光谱带由成像透镜(7)会聚后按波长顺序依次入射到DMD(8)的不同位置，经DMD(8)进行波长选通后由聚焦透镜(9)聚焦在单点光电二极管(10)上，单点光电二极管(10)将接收的光谱信息传送给CCD检测器处理；

所述的电源单元加装有漏电开关，该漏电开关的一端与电源出线相连，所述的漏电开关的另一端连接有一隔离变压器，所述的隔离变压器的匝数比为1:1；

工业现场用光谱仪还包括接口扩展转换模块，所述的接口扩展转换模块包括接口单元、接口控制单元和上级总线接口单元，所述的接口单元与上述数据采集单元的接口相连，该接口单元用于传送光谱仪采集的光谱测量数据；所述的接口控制单元与接口单元相连，用于控制光谱仪中光谱测量数据的传送，并对光谱仪发送控制命令；所述的上级总线接口单元的一端与接口控制单元相连，该上级总线接口单元的另一端与上级系统相连，用于将光谱仪采集到的光谱数据传送到数据接收设备。

2.根据权利要求1所述的一种工业现场用光谱仪，其特征在于：所述的集光准直透镜(2)、准直透镜(5)和成像透镜(7)均为双胶合透镜。

3.根据权利要求2所述的一种工业现场用光谱仪，其特征在于：所述的狭缝(4)的宽度为45μm，长度为1.5mm。

4.根据权利要求3所述的一种工业现场用光谱仪，其特征在于：所述接口单元的接口种类包括CAN、RS422、RS485、RS232及USB。

说明书

一种工业现场用光谱仪

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光谱仪，更具体地说，涉及一种工业现场用光谱仪。

背景技术

[0002] 光是一种电磁辐射波，具有一定的能量，不同波长光的能量与分子或原子内电子的某个量子化能级差相对应，当光作用于待测物质时，会引起反射、吸收和散射等现象，从而产生入射光信号的变化，入射光信号的变化直接反映了化合物原子或分子电磁辐射的吸收量、反射量或散射量，光谱技术就是测量其变化，得到光吸收、反射或散射的光谱图，从而进行定性或者定量分析，识别化合物。

[0003] 物质的光谱与分子的结构密切相关，是研究表征分子结构的一种有效手段，与其它方法相比较，由于光谱分析对样品没有任何限制，是一种公认的重要分析工具。在分子构型和构象研究、化学化工、物理、能源、材料、天文、气象、遥感、环境、地质、生物、医学、药物、农业、食品、法庭鉴定和工业过程控制等多方面的分析测定中都有十分广泛的应用。能形成物质的光谱，能区分、分析、度量光谱的仪器统称光谱仪。

[0004] 目前，工业现场使用的光谱仪有多种接口，不同的光谱仪会有不同的接口。但一般的光谱仪通常只有一个或两个接口，通常为RS232或USB接口。这样的光谱仪在某些特定场合就难于使用，如需要将测量数据通过无线方式实时传送到中心站，一般的接口就难于胜任。另外，由于工业现场使用的光谱仪狭缝的长宽、光栅参数在很大程度上决定了光谱仪的能量利用率和分辨率。提高了光谱仪的分辨率则光能利用率较低，提高了光能利用率则分辨率会下降；上述因素极大的限制了光谱仪的使用。

[0005] 此外，目前使用的光谱仪还存在加装漏电开关后，光谱仪极易跳电的情况。漏电开关作为一种电路保护器件，对电路起着非常重要的保护作用，光谱仪不能安装漏电开关，势必会使得光谱仪在工作过程中存在很大的安全隐患。且国家也有明文规定，类似光谱仪的电气设备必须安装漏电开关，怎样能够让光谱仪很好的获得漏电开关保护的同时，又不因易跳电而影响光谱仪的正常工作，也成了一直困扰现场检测人员的一大难题。

发明内容

[0006] 1.发明要解决的技术问题

[0007] 本发明的目的在于克服现有光谱仪存在的：1)不能同时保证高能量利用率和高分辨率；2)接口单一，不便在特殊场合使用；3)不能安装漏电开关，保护电路的问题，提供了一种工业现场用光谱仪，本发明的光谱仪实现了高能量利用率和高分辨率的完美结合，且制造成本低、使用效果好。

[0008] 2.技术方案

[0009] 为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

[0010] 本发明的一种工业现场用光谱仪，包括集光准直模块、成像模块、处理模块和控制模块，所述的集光准直模块用于收集目标反射光，对收集到的光进行准直、分光，并输出处理后的光；所述的成像模块包括CCD检测器和CCD驱动电路，集光准直模块的输出端与所述CCD检测器的输入端相连，所述CCD驱动电路控制CCD检测器采集经集光准直模块处理后的光谱，并输出采集的光谱数据；所述的处理模块与成像模块连接，对CCD检测器采集的光谱数据进行处理及显示，该处理模块包括信号调理单元、数据采集单元以及电源单元，所述信号调理单元将输入的光谱数据进行调理后输出到数据采集单元，所述电源单元向信号调理单元以及CCD驱动电路供电；所述控制模块包括数据分析界面显示单元和控制系统单元；该控制模块用于向所述处理模块以及CCD驱动电路发送控制信号；

[0011] 所述的集光准直模块包括集光准直透镜、柱面镜、狭缝、准直透镜、光栅、成像透镜、DMD、聚焦透镜和单点光电二极管，所述的集光准直透镜和柱面镜构成集光结构，检测目标的反射光经光纤端口入射到集光准直透镜，由集光准直透镜准直为复色平行光后入射到柱面镜，经柱面镜将圆形光束变为带状光束后入射到狭缝，由狭缝出射的光束经过准直透镜准直为复色平行光后入射到光栅，经光栅色散为光谱带；调整DMD的角度，使光谱带由成像透镜会聚后按波长顺序依次入射到DMD的不同位置，经DMD进行波长选通后由聚焦透镜聚焦在单点光电二极管上，单点光电二极管将接收的光谱信息传送给CCD检测器处理；

[0012] 所述的电源单元加装有漏电开关，该漏电开关的一端与电源出线相连，所述的漏电开关的另一端连接有一隔离变压器，所述的隔离变压器的匝数比为1:1；

[0013] 工业现场用光谱仪还包括接口扩展转换模块，所述的接口扩展转换模块包括接口单元、接口控制单元和上级总线接口单元，所述的接口单元与数据采集单元的接口相连，该接口单元用于传送光谱仪采集的光谱测量数据；所述的接口控制单元与接口单元相连，用于控制光谱仪中光谱测量数据的传送，并对光谱仪发送控制命令；所述的上级总线接口单元的一端与接口控制单元相连，该上级总线接口单元的另一端与上级系统相连，用于将光谱仪采集到的光谱数据传送到数据接收设备。

[0014] 作为本发明更进一步的改进，所述的集光准直透镜、准直透镜和成像透镜均为双胶合透镜。

[0015] 作为本发明更进一步的改进，狭缝的宽度为45μm，长度为1.5mm。

[0016] 作为本发明更进一步的改进，所述接口单元的接口种类包括CAN、RS422、RS485、RS232、及USB。

[0017] 3.有益效果

[0018] 采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

[0019] (1)本发明的一种工业现场用光谱仪，在光纤与狭缝之间添加了集光结构，大大提高了对待测光的能量利用率；通过设计合适的狭缝宽度、光栅入射角度等，使光谱仪在分辨率较高的同时，有较高的能量利用率，提高了光谱仪对微弱光谱信号的检测能力；

[0020] (2)本发明的一种工业现场用光谱仪，其接口扩展转换模块与光谱仪的数据采集单元的接口相连，克服了目前使用的光谱仪接口单一，不便于在特殊场合使用的状况，使现有的光谱仪可以接入到规模更大、更复杂的系统中去；

[0021] (3)本发明的一种工业现场用光谱仪，通过加装隔离变压器，并设置了合适的隔离变压器匝数比，克服了现有光谱仪不能加装漏电开关的难题，使得光谱仪工作更加安全可靠。

附图说明

[0022] 图1为本发明的一种工业现场用光谱仪的模块连接示意图；

[0023] 图2为本发明中集光准直模块的工作原理图；

[0024] 示意图中的标号说明：

[0025] 1、检测目标；2、集光准直透镜；3、柱面镜；4、狭缝；5、准直透镜；6、光栅；7、成像透镜；8、DMD；9、聚焦透镜；10、单点光电二极管。

具体实施方式

[0026] 为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

[0027] 实施例1

[0028] 结合附图，本实施例的一种工业现场用光谱仪，包括集光准直模块、成像模块、处理模块和控制模块，所述的集光准直模块用于收集目标反射光，对收集到的光进行准直、分光，并输出处理后的光。所述的集光准直模块包括集光准直透镜2、柱面镜3、狭缝4、准直透镜5、光栅6、成像透镜7、DMD8、聚焦透镜9和单点光电二极管10，所述的集光准直透镜2和柱面镜3构成集光结构，检测目标1的反射光经光纤端口入射到集光准直透镜2，由集光准直透镜2准直为复色平行光后入射到柱面镜3，经柱面镜3将圆形光束变为带状光束后入射到狭缝4，由狭缝4出射的光束经过准直透镜5准直为复色平行光后入射到光栅6，经光栅6色散为光谱带。利用驱动电路调整DMD8的角度，使光谱带由成像透镜7会聚后按波长顺序依次入射到DMD8的不同位置，经DMD8进行波长选通后由聚焦透镜9聚焦在单点光电二极管10上，单点光电二极管10将接收的光谱信息传送给CCD检测器处理。本实施例中集光准直透镜2、准直透镜5和成像透镜7均为双胶合透镜，双胶合透镜能够更好地校正像差。

[0029] 本实施例在光纤与狭缝之间添加了集光结构，大大提高了对待测光的能量利用率。所述的狭缝4的宽度为45μm，长度为1.5mm，通过设计合适的狭缝宽度，并通过调整DMD(数字微镜元件)8的角度合理调整光栅入射角度，使光谱仪在分辨率较高的同时，有较高的能量利用率，提高了光谱仪对微弱光谱信号的检测能力。

[0030] 所述的成像模块包括CCD检测器和CCD驱动电路，集光准直模块的输出端与所述CCD检测器的输入端相连，所述CCD驱动电路控制CCD检测器采集经集光准直模块处理后的光谱，并输出采集的光谱数据。所述的处理模块与成像模块连接，对CCD检测器采集的光谱数据进行处理及显示，该处理模块包括信号调理单元、数据采集单元以及电源单元，所述信号调理单元包含信号放大、滤波电路和AD转换电路，信号调理单元将输入的光谱数据进行调理后输出到数据采集单元，所述电源单元向信号调理单元以及CCD驱动电路供电。电源单元加装有漏电开关，该漏电开关的一端与电源出线相连，所述的漏电开关的另一端连接有一隔离变压器，所述的隔离变压器的匝数比为1:1，该隔离变压器的另一端与相关电路连接。通过加装隔离变压器，并设置了合适的隔离变压器匝数比，克服了现有光谱仪不能加装漏电开关的难题，使得光谱仪工作更加安全可靠。此处值得说明的是，本实施例虽然只是通过简单添加了一个隔离变压器，并设置了合适的隔离变压器匝数比就解决了光谱仪加装漏电开关的问题，却是在长期的生产实践中摸索得到的，生产实践证明通过本实施例提供的技术方案，加装漏电开关的光谱仪在现场使用过程中跳电频率大大降低，检测速度大大加快，为整个工业现场开展检测项目节省了时间。

[0031] 所述控制模块包括数据分析界面显示单元和控制系统单元。该控制模块用于向所述处理模块以及CCD驱动电路发送控制信号。本实施例将控制模块嵌入处理模块，通过将控制模块嵌入处理模块，对硬件系统发出工作指令完成各部分的工作，包括数据采集，积分时间控制，数据存储、数据发送、数据分析等相关指令操作。

[0032] 为了克服现有工业现场用光谱仪接口单一，不便于在特殊场合使用的状况。本实施例的光谱仪还包括接口扩展转换模块，所述的接口扩展转换模块包括接口单元、接口控制单元和上级总线接口单元，所述的接口单元与光谱仪的数据采集单元的接口相连，接口单元上的接口与数据采集单元的接口一致，该接口单元用于按照接口标准传送光谱仪采集的光谱测量数据，并传送来自接口控制单元的控制命令；接口可以符合CAN、RS422、RS485、RS232、USB等通用或专用接口标准。所述的接口控制单元与接口单元相连，用于控制光谱仪中光谱测量数据的传送，并对光谱仪发送控制命令。所述控制命令包括控制光谱仪的光源开关、光源切换、数据采集和数据传输等操作。所述的接口控制单元包括数据读取单元、数据存储和处理单元、数据发送单元；数据读取单元用于根据光谱仪的通讯协议，读取光谱仪中的光谱数据；数据存储和处理单元用于存储读取的光谱数据，并对数据进行处理；数据发送单元用于按照上级总线接口的通讯协议将数据存储和处理单元的数据打包传送给上级总线接口单元。所述的上级总线接口单元的一端与接口控制单元相连，该上级总线接口单元的另一端与上级系统相连，用于将光谱仪采集到的光谱数据传送到数据接收设备。上级总线接口单元接口形式也符合CAN、RS422、RS485、RS232、USB等通用或专用接口标准。

[0033] 上述实施例的一种工业现场用光谱仪，实现了高能量利用率和高分辨率的完美结合，加装了漏电开关，使得光谱仪工作更加安全可靠，光谱仪的接口也更加多样化，使现有的光谱仪可以接入到规模更大、更复杂的系统中去，且制造成本低、使用效果好。

[0034] 以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。