太赫茲試驗環境監控系統的製作方法

2023-05-13 20:27:46 2

本發明涉及太赫茲技術領域，特別是涉及太赫茲試驗環境監控系統。

背景技術：

太赫茲(THz)波是電磁波，波長短，沒有電離輻射產生，在醫療、食品、安全監測、軍事等領域具有很大的應用前景。大多數極性分子如水分子，對太赫茲波具有強烈的吸收。在太赫茲技術中，利用對水的強烈吸收特性可分辨生物組織的不同狀態，如對人體燒傷部位的損傷程度進行診斷，還可以進行產品質量控制，如測量食品表面水分含量以確定其新鮮程度。因此在太赫茲測試、實驗中，對實驗或測試環境要求較高，溫度、溼度、壓力將影響測量數據。

通常使用的太赫茲實驗箱採用的是箱體內部填充高純度的氮氣，將實驗箱體內部的水分等氣體排出，使測試結果不受幹擾，保證實驗的準確性。而此時試驗箱中的溫度、溼度、空氣壓強等實驗環境參數未知，不能準確的判定實驗的正確性。

技術實現要素：

基於此，有必要針對上述問題，提供一種可以檢測和能夠保持太赫茲試驗箱內溫度信息、氣壓信息和溼度信息環境參數的恆定，從而確保太赫茲試驗箱環境參數準確性的太赫茲試驗環境監控系統。

一種太赫茲試驗環境監控系統，包括：

溫度控制電路，用於採集和調節太赫茲試驗箱內的溫度信息；

氣壓檢測電路，通過氣閥與氮氣罐連接，用於採集所述太赫茲試驗箱內的氣壓信息；

溼度檢測電路，用於採集所述太赫茲實驗箱內的溼度信息；

主控器，分別與所述溫度控制電路、氣壓檢測電路、溼度檢測電路連接，所述主控器用於根據所述採集的溫度信息控制所述溫度控制電路使所述太赫茲試驗箱內的溫度恆定；還用於根據所述氣壓檢測電路的採集的氣壓信息控制所述氣閥調節所述氮氣流量使所述太赫茲試驗箱內的氣壓恆定。

在其中一個實施例中，所述溫度控制電路包括溫度採集模塊和溫度控制模塊；其中，

所述溫度採集模塊包括恆流源和溫度傳感器；所述溫度控制模塊包括帕爾貼；主控器分別與所述溫度傳感器、帕爾貼連接；

所述恆流源為所述溫度傳感器提供恆流激勵信號；所述溫度傳感器將採集的實時溫度信號傳輸至所述主控器，所述主控器根據所述實時溫度信號控制所述帕爾貼的加熱或製冷，使所述太赫茲實驗箱的溫度恆定。

在其中一個實施例中，所述溫度傳感器的數量為多個，所述溫度採集模塊還包括多路選通器、第一放大單元以及第一模數轉換器，

多個所述溫度傳感器均與所述多路選通器連接；所述多路選通器用於選擇導通所述溫度傳感器與所述恆流源；

所述恆流源的第一輸出端、第一放大單元、第一模數轉換器依次電連接；所述恆流源的第二輸出端與第一放大單元連接，為所述第一放大單元提供基準參考電壓。

在其中一個實施例中，所述溫度傳感器為電阻式溫度傳感器。

在其中一個實施例中，所述溫度控制模塊包括繼電器、第一三極體、第二三極體和第一電阻；

所述第一三極體的基極與所述主控器連接，所述第一三極體的集電極與電源連接，所述第一三極體的發射極與所述第二三極體的基極連接；

所述第二三極體的發射極分別與所述第一電阻、主控器連接，所述第一電阻的另一端接地，所述第二三極體的集電極與所述繼電器的常閉觸點連接；

所述繼電器的常開觸點與電源連接，所述繼電器的動端與所述帕爾貼連接，所述繼電器線圈的兩端分別與所述主控器、電源連接。

在其中一個實施例中，所述溫度控制模塊還包括緩衝保護單元，所述緩衝保護單元包括第二電阻、第三電阻和第一電容；

所述第一三極體的發射極依次經所述第二電阻、第三電阻、第一電容接地；所述第二電阻與第三電阻的公共端與所述第二三極體的基極連接。

在其中一個實施例中，所述氣壓檢測電路包括壓力傳感器、恆流驅動單元、第二放大單元、第二模數轉換器；

所述壓力傳感器分別與所述恆流驅動單元、第二放大單元的輸入端連接；

所述第二放大單元的輸出端、第二模數轉換器、主控器、氣閥依次電連接。

在其中一個實施例中，所述恆流驅動單元包括恆壓源和第四電阻，所述恆壓源的第一連接端與所述壓力傳感器的輸入端連接，所述恆壓源的第二連接端分別與所述壓力傳感器的輸出端、第四電阻的一端連接；所述第四電阻的另一端、恆壓源的第三連接端均接地。

在其中一個實施例中，所述溼度檢測電路包括溼度傳感器和溼度信號處理單元；所述溼度傳感器、溼度信號處理單元、主控器依次電連接；

所述溼度傳感器用於採集所述太赫茲試驗箱的溼度信號，並將所述溼度信號傳輸至所述溼度處理單元放大處理。

在其中一個實施例中，還包括顯示裝置，所述顯示裝置與所述主控器連接，用於顯示所述太赫茲試驗箱的溫度信息、氣壓信息和溼度信息。

上述太赫茲試驗環境監控系統包括溫度控制電路、氣壓檢測電路、溼度檢測電路以及主控器，主控器。通過結合溫度控制電路和主控器，可以對太赫茲實驗箱的溫度信息進行實時採集和調節控制，並將溫度保持在恆溫狀態；還通過結合氣壓檢測電路、氣閥和主控器，對太赫茲實驗箱內的氮氣壓力值進行實時採集和調節控制並保持壓力值的恆定；還通過溼度檢測電路檢測箱體內部的相對溼度，並結合溫度控制電路和氣閥保證太赫茲試驗箱的溼度值。通過該系統可以實時檢測太赫茲試驗箱內的溫度信息、氣壓信息和溼度信息相關環境參數，同時還可以將溫度信息、氣壓信息和溼度信息保持在標準狀態下，進而保證了太赫茲試驗箱的準確性。

附圖說明

圖1為一實施例太赫茲試驗環境監控系統的框架示意圖；

圖2為一實施例溫度採集模塊的電路示意圖；

圖3為一實施例溫度控制模塊的電路示意圖；

圖4為一實施例太赫茲試驗箱氣壓檢測控制電路示意圖。

具體實施方式

為了便於理解本發明，下面將參照相關附圖對本發明進行更全面的描述。附圖中給出了本發明的較佳實施例。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，並不限於本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發明的公開內容的理解更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在限制本發明。本文所使用的術語「和/或」包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。

如圖1所示的為太赫茲試驗環境監控系統的框架示意圖，太赫茲試驗環境監控系統包括溫度控制電路10、氣壓檢測電路20、溼度檢測電路30以及主控器40。主控器40分別與溫度控制電路10、氣壓檢測電路20、溼度檢測電路30連接。其中，溫度控制電路10用於採集和調節太赫茲試驗箱內的溫度信息並將採集的溫度信息輸出給主控器40處理，其主控器40根據預設溫度值反饋調節溫度控制電路10使太赫茲試驗箱內的溫度保持恆定。氣壓檢測電路20，通過氣閥60與氮氣罐(圖中未示)連接，用於採集太赫茲試驗箱內的氣壓信息；並將採集的氣壓信息傳輸給主控器40，主控器40根據預設氣壓值控制氣閥，反饋控制氣閥，調節氮氣流量，使使太赫茲試驗箱內的氣壓恆定。溼度檢測電路30，用於採集太赫茲實驗箱內的溼度信息；並將採集的溼度信息傳輸給主控器40，主控器40根據預設溼度值，反饋控制溫度控制電路10和調節氣閥的流量，在一定時間內，使太赫茲試驗箱內的溫度值、氣壓值和溼度值均保持恆定，從而確保試驗箱內的試驗環境的準確性。

在一實施例中，溫度控制電路10包括溫度採集模塊110和溫度控制模塊120。圖2為一實施例溫度採集模塊的電路示意圖，圖3為一實施例溫度控制模塊的電路示意圖。其中，溫度採集模塊110包括恆流源U1和溫度傳感器。溫度控制模塊120包括帕爾貼U5。主控器40分別與溫度傳感器、帕爾貼U5連接。恆流源U1為溫度傳感器提供恆流激勵信號；溫度傳感器將採集的實時溫度信號傳輸至主控器40，主控器40根據實時溫度信號控制帕爾貼U5的加熱或製冷，使太赫茲實驗箱的溫度恆定。

為保證試驗箱內部溫度均勻分布，不出現局部溫度不平衡，根據箱體結構及體積，採用一個或多個溫度傳感器和帕爾貼U5的組合。在本實施例中，溫度傳感器的數量為兩個。其中，溫度傳感器為電阻式溫度傳感器，在-10～80℃範圍內，電阻值變化範圍為1K～2KΩ左右，可選用PT100或TP1000的溫度傳感器對太赫茲試驗箱溫度的檢測。

參考圖2，溫度採集模塊110還包括多路選通器U2、第一放大單元115以及第一模數轉換器U3。兩個溫度傳感器(111、113)均與多路選通器U2連接。多路選通器U2用於選擇導通溫度傳感器(111、113)與恆流源U1。恆流源U1的第一輸出端1L、第一放大單元115、第一模數轉換器U3依次電連接；恆流源U1的第二輸出端2L與第一放大單元115連接，為第一放大單元115提供基準參考電壓。

進一步地，具有兩路輸出的恆流源U1，其第一輸出端1L輸出至多路選通器U2的X端，再由多路選通器U2的Y端經電阻R8輸入至儀第一放大單元115。同時，多路選通器U2還分別溫度傳感器111和溫度傳感器113連接，直接將恆流源U1的電流信號選擇一路輸入至溫度傳感器111或溫度傳感器113作為激勵信號。由於選用的溫度傳感器為電阻式溫度傳感器，隨著溫度的變化，其溫度傳感器的電阻也會隨之變化，當為溫度傳感器增加一路恆流作為激勵信號時，其變化的溫度將以變化的電阻值的形式呈現出來，變化的電阻以變化的電壓形式表現，從而實現了對溫度信號的採集。

若溫度傳感器的數量多於兩個時，其多路選通器U2，根據實際的需求，會同時導通兩個溫度傳感器與恆流源U1的連接，其具體的導通方式可根據實際的需求來設定，並不限於此。

恆流源U1的第二輸出端2L作為0℃的參考信號。其中，恆流源U1的另一路輸出經電阻R5、電阻R6接地。電阻R5為檢測電路的0℃的基準電阻，當恆流源U1電流流過電阻R5引起的電壓，作為0℃的基準參考電壓。

第一放大單元115包括差分儀表放大器U3、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電容C2、電容C3、電容C4。溫度傳感器111和溫度傳感器113的輸出端均與電阻R5、電阻R6的公共端連接。其溫度傳感器111和溫度傳感器113的輸出信號相對於第一放大單元115中的差分儀表放大器U3，工作在一個偏低的輸入範圍內，通過增加電阻R6，為差分儀表放大器U3的輸入信號提供一定的共模電壓，使輸入信號符合儀表運放的輸入範圍要求。其中，電阻R9和電容C2、電阻R10和電容C4組成差分儀表放大器U3的差分輸出信號的共模濾波電路，電容C3濾除差分信號中的差模幹擾信號，同時，差分儀表放大器U3的增益由外部電阻R11決定。差分儀表放大器U3輸出信號送至第一模數轉換器U3進行模數轉換，同時將轉換後的溫度信號通過串行外設接口(Serial Peripheral Interface，SPI)傳輸至主控器40，由主控器40讀取溫度傳感器採集到的溫度信號。

參考圖3，溫度控制模塊120包括繼電器K、第一三極體Q1、第二三極體Q2和第一電阻R1。其中，繼電器K為雙刀雙擲繼電器K。第一電阻R1為限流保護電阻，為了保護流過帕爾貼U5的電流過大而被損害或燒毀。第一三極體Q1的基極與主控器40連接，第一三極體Q1的集電極與電源連接，第一三極體Q1的發射極與第二三極體Q2的基極連接。第二三極體Q2的發射極分別與第一電阻R1、主控器40連接，第一電阻R1的另一端接地，第二三極體Q2的集電極與繼電器K的常閉觸點連接。繼電器K的常開觸點與電源連接，繼電器K的動端與帕爾貼U5連接，繼電器K線圈的兩端分別與主控器40、電源連接。

溫度控制模塊120還包括緩衝保護單元121，緩衝保護單元121包括第二電阻R2、第三電阻R3和第一電容C1。第一三極體Q1的發射極依次經第二電阻R2、第三電阻R3、第一電容C1接地；第二電阻R2與第三電阻R3的公共端與第二三極體Q2的基極連接。

當主控器40檢測到太赫茲試驗箱內的溫度信號時，其主控器40將檢測到的溫度信號與預設溫度值進行比較判定，若其檢測到的溫度信號低於設於溫度值時，其主控器40就會輸出升溫控制信號，其升溫控制信號經過電阻R12控制第一三極體Q1導通，升溫控制信號第二電阻R2、第三電阻R3和第一電容C1構成的緩衝保護單元121後，繼而控制第二三極體Q2導通，從而實現對繼電器K的控制，使帕爾貼U5加載正向電壓，進入加熱工作狀態，直到太赫茲試驗箱的溫度達到預設溫度值並保持恆溫狀態。若檢測的實際溫度信號高於預設溫度值時，通過其主控器40發出降溫控制信號，通過溫度控制模塊120使帕爾貼U5加載一個反向電壓，進入冷卻工作狀態，直到太赫茲試驗箱的溫度達到預設溫度值並保持恆溫狀態。

圖4為一實施例太赫茲試驗箱氣壓檢測控制電路示意圖，氣壓檢測電路20包括壓力傳感器210、恆流驅動單元220、第二放大單元230、第二模數轉換器U7。壓力傳感器210分別與恆流驅動單元220、第二放大單元230的輸入端連接。第二放大單元230的輸出端、第二模數轉換器U7、主控器40、氣閥60依次電連接。其中，恆流驅動單元220包括恆壓源U8和第四電阻R4，恆壓源U8的第一連接端與壓力傳感器210的輸入端連接，恆壓源U8的第二連接端分別與壓力傳感器210的輸出端、第四電阻R4的一端連接；第四電阻R4的另一端、恆壓源U8的第三連接端均接地。

其中，壓力傳感器210，採用惠斯通電橋設計。第二放大單元230包括差分儀表放大器U6、電阻R13、電阻R14、電阻R15和電容C5。電阻R13、電阻R14和電容C5組成濾波電路，為輸入端濾波，同時作為差分儀表放大器U6輸入端的保護電阻，具有限流的作用。電容C5還具有消除差分信號中的差模幹擾信號。

根據壓力傳感器210是採用惠斯通電橋模式的，給電橋一個恆流驅動，則壓力的變化將以電流的形式輸出。根據壓力傳感器210的參數選擇不同的組合，如壓力傳感器210的驅動電流為2mA，結合增益電阻R15滿量程輸出時，其氣壓值為100psia，輸出電壓經放大後為3.521V。恆壓源U8與第四電阻R4組成的恆流驅動單元220將決定氣壓壓強為100psia滿量程輸出時的實際輸出電壓值。在本實施例中，採用2.5V的恆壓源U8，第四電阻R4的阻值為2K歐姆，即會生成1.25mA的驅動電流，氣壓壓強為100psia滿量程輸出時的實際輸出電壓為(3.521*1.25/2)＝2.2V。其輸出的電壓值與氣壓值成正比例關係，通過輸出的電壓值即可知曉對應的氣壓值。主控器40實時檢測試驗箱內的氣壓信號，並與預設的氣壓值進行比較，若檢測到太赫茲試驗箱內的氣壓值過高或多低時，則控制氮氣氣閥60氣體進入的流量，使太赫茲實驗箱內的氣壓值保持穩定。

參考圖4，溼度檢測電路30包括溼度傳感器310和溼度信號處理單元320；溼度傳感器310、溼度信號處理單元320、主控器40依次電連接。溼度傳感器310用於採集太赫茲試驗箱的溼度信號，並將溼度信號傳輸至溼度處理單元放大處理。溼度傳感器310將採集的溼度信號經溼度處理單元處理後傳輸至主控器40。當溼度值過高，嚴重影響實驗結果的準確性。主控器40通過比價實時採集的溼度信號與預設的溼度值進行比較。當溼度值過高，可通過主控器40控制氣閥60，適應的增加氮氣量，或通過主控器40控制帕爾貼U5，微弱的增加箱體內部的溫度，從而降低相對溼度，最終使太赫茲試驗箱內的溫度值、氣壓值及溼度值均保持在標準狀態。

還包括顯示裝置50，顯示裝置50與主控器40連接，用於顯示太赫茲試驗箱的溫度信息、氣壓信息和溼度信息。其中，該顯示裝置50可以為LED裝置、LCD顯示裝置或PC終端。其主控器40將檢測的溫度信號、氣壓信號以及溼度信號同時在顯示裝置50上顯示，方便用戶知曉當前太赫茲試驗箱的試驗環境參數，若出現異常，也可以及時處理。同時還可以通過其顯示裝置50對太赫茲試驗箱的環境參數進行設定，針對不同的試驗對象，設定合適的環境參數。

上述太赫茲試驗環境監控系統通過溫度控制電路10、帕爾貼U5和主控器40，可以對太赫茲實驗箱的溫度信息進行實時採集和調節控制，並將溫度保持在恆溫狀態；還通過結合氣壓檢測電路20、氣閥60和主控器40，對太赫茲實驗箱內的氮氣壓力值進行實時採集和調節控制並保持壓力值的恆定；還通過溼度檢測電路30檢測箱體內部的相對溼度，並結合溫度控制電路10和氣閥60保證太赫茲試驗箱的溼度值，同時，將檢測到溫度信息、氣壓信息和溼度信息相關環境參數在顯示裝置50中進行實時顯示。通過該系統可以實時檢測和顯示太赫茲試驗箱內的溫度信息、氣壓信息和溼度信息相關環境參數，同時還可以將溫度信息、氣壓信息和溼度信息保持在標準狀態下，進而保證了太赫茲試驗箱的準確性。

以上實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。

以上實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。