用于采集近红外光谱的传感器电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供的用于采集近红外光谱的传感器电路包括：电源模块、对近红外光谱信号进行采集并转换为电信号的光电检测模块、控制所述光电检测模块，并从所述光电检测模块接收检测信号的控制模块；所述光电检测模块包括控制信号放大电路、检测电路以及信号转换电路，所述控制信号放大电路用于接收所述控制模块发出的控制信号，并对控制信号放大后输出至所述检测电路，所述检测电路根据控制信号的控制对近红外光谱信号进行采集，并将光谱信号发送至信号转换电路，所述信号转换电路将所述光谱信号进行转换后发送至所述控制模块。整个传感器电路结构简单，集成化程度高，成本低，且较稳定。
【专利说明】
用于采集近红外光谱的传感器电路
技术领域
[0001]本实用新型涉及传感技术，尤其涉及一种用于采集近红外光谱的传感器电路。
【背景技术】
[0002]光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号转变成为电信号的器件。光电传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接弓丨起光量变化的非电量，如光强、光照度、福射测温、气体成分分析等;也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。传统的光谱信号采集需要用到基于光栅、滤光片或者干涉仪的复杂光路系统。光路系统的加工精度要求高，体积大，成本高。
[0003]C13 2 7 2是2 015年滨松公司新推出的一款超小型、低成本的光谱探测产品。该C13272器件使用的分光技术不是常规的光栅，而是极采用了 MEMS技术的法布里珀罗标准具，所以使得该光谱仪仅仅使用单点的InGaAs探测器，就能够得到光谱图。因此较大地节省了 InGaAs材料，降低了制作成本，并且缩减了探测器部分的体积。
[0004]其次，法布里珀罗标准具的制作，采用的是MEMS加工方法，从而分光部分的体积也减小不少，探测器部分和分光部分也被紧凑地封装在了一个器件之中。
[0005]然而该传感器的驱动需要较高的40V左右的直流电压产生静电力来控制其内部的两块玻璃片之间的距离。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型要解决的技术问题是:提供一种C13272芯片工作时的外围工作电路，以实现芯片工作的电参数。
[0007]为实现上述目的，本实用新型提供的用于采集近红外光谱的传感器电路包括:
[0008]电源模块，用于对外输出电源电压；
[0009]光电检测模块，用于对近红外光谱信号进行检测并转换为电信号；
[0010]控制模块，控制所述光电检测模块，并从所述光电检测模块接收检测信号；
[0011]所述光电检测模块包括:控制信号放大电路、检测电路以及信号转换电路，所述控制信号放大电路用于接收所述控制模块发出的控制信号，并对控制信号放大后输出至所述检测电路，所述检测电路根据控制信号的控制对近红外光谱信号进行采集，并将采集信号发送至信号转换电路，所述信号转换电路将所述采集信号进行转换后发送至所述控制模块。
[0012]进一步的，所述电源模块包括直流稳压电路及升压电路，所述直流稳压电路包括降压芯片，所述降压芯片将直流电压转换为3V直流输出。
[0013]进一步的，所述升压电路包括第一升压电路及与所述第一升压电路连接的第二升压电路，所述第一升压电路与所述第二升压电路相同，所述第一升压电路包括升压芯片，所述升压芯片将电压转换输出至第二升压电路，所述第二升压电路将电压转换为38.5V电压输出。
[0014]进一步的，所述控制模块包括控制芯片，所述控制芯片为MKL27Z128VFT4，所述信号转换电路与所述控制芯片的第7引脚ADC_IN连接。
[0015]进一步的，所述控制信号放大电路包括放大芯片，所述放大芯片为TLE2124。
[0016]进一步的，所述检测电路包括红外检测芯片，所述红外检测芯片为C13272，所述红外检测芯片的第4引脚与所述控制模块连接。
[0017]进一步的，所述信号转换电路包括第一放大电路及第二放大电路，所述第一放大电路与所述第二放大电路均包括TLV2262A型号放大芯片。
[0018]本实用新型通过电源模块产生供整个传感器电路使用的多个电压，从而满足了传感器电路的工作需求;所述控制模块在控制所述光电检测模块的同时从所述光电检测模块上获取对红外信号检测得到的检测信号，并对检测信号进行初步的计算后对外部发送，整个传感器电路结构简单，集成化程度高，成本低，且较稳定。
【附图说明】
[0019]下面结合附图，通过对本实用新型的【具体实施方式】详细描述，将使本实用新型的技术方案及其它有益效果显而易见。
[0020]附图中，
[0021 ]图1为本实用新型传感器电路模块结构示意图；
[0022]图2为本实用新型电源模块中的直流稳压电路的电路原理图；
[0023]图3为本实用新型电源模块中的升压电路的电路原理图；
[0024]图4为本实用新型控制模块的电路原理图；
[0025]图5为本实用新型控制信号放大电路的电路原理图；
[0026]图6为本实用新型检测电路的电路原理图；
[0027]图7为本实用新型的信号转换电路的电路原理图。
[0028]附图标号说明:
[0029]100、电源模块；11、升压电路；112、第一升压电路；114、第二升压电路；13、直流稳压电路;200、控制模块;300、光电检测模块;31、控制信号放大电路;33、检测电路;35、信号转换电路。
【具体实施方式】
[0030]为更进一步阐述本实用新型所采取的技术手段及其效果，以下结合本实用新型的优选实施例及其附图进行详细描述。
[0031]请参阅图1，本实用新型公开了一种用于采集近红外光谱的传感器电路，该传感器电路包括:电源模块100、光电检测模块300以及控制模块200，所述电源模块100用于输出电源电压，对所述光电检测模块300以及所述控制模块200供电。所述光电检测模块300用于对近红外光谱信号进行采集，并将采集的近红外光谱信号转换为电信号。所述控制模块200控制所述光电检测模块300的工作，并从所述光电检测模块300接收采集信号。
[0032]所述光电检测模块300包括:控制信号放大电路31、检测电路33以及信号转换电路35，所述控制信号放大电路31用于接收所述控制模块200发出的控制信号，并对控制信号放大后发送至所述检测电路33，所述检测电路33根据控制信号200的控制对近红外光谱信号进行采集，并将采集信号发送至信号转换电路35，所述信号转换电路35将所述采集信号进行转换后发送至所述控制模块200。
[0033]在本实施方式中，所述控制信号放大电路31从所述控制模块200接收控制信号，经过对控制信号放大后，控制所述检测电路33对近红外光谱信号进行采集，并将采集的结果发送至所述控制模块200，所述控制模块200对采集结果进行处理后，通过接口输出。
[0034]进一步的，所述电源模块100包括直流稳压电路及升压电路。
[0035]请参阅图2，所述直流稳压电路包括降压芯片XC6504A30IMR-G，图中输入的电源DC_IN范围为3.6~6.0￥，由输入电源0(:_爪经1]2(乂065044301]\?-6)降压后输出3￥，3￥电压分别给所述光电检测模块供电。其中，U2(XC6504A301MR-G)是典型值为0.6uA的低功耗LDOIC13Ll是滤波电感，C15、C14是滤波去耦电容。C13是输出滤波去耦电容。
[0036]请参阅图3，进一步的，所述升压电路包括第一升压电路112及第二升压电路114，所述第二升压电路114与所述第一升压电路112连接，所述第一升压电路112与所述第二升压电路114相同，所述第一升压电路112包括升压芯片，所述升压芯片将电压转换输出至第二升压电路114，所述第二升压电路114将电压转换为38.5V电压输出。
[0037]具体的采用LMR64010作为升压主控1C，通过两级升压，将电压由3.6?6.0V升压到38.5￥。11?64010输入电压范围为2.7?14V，输出电压高达40V。参考LMR64010 datasheet，当输入5V升压到30V输出时，效率只有70%左右，故将升压分成两级完成，即第一升压电路112将电压升至12V左右，第二升压电路114再将12V左右的电压升至38.5V。正常工作时，LM64010的工作频率在1.6MHz左右。
[0038]其中，对于第一升压电路112，DC_IN为输入电源，C16、C17为滤波去耦电容，R4为U3的第4脚/SHDN关机控制引脚的上拉电阻，正常工作时通过上拉电阻接VIN脚。L3为升压转换电感。Dl为抑制电流反向的肖特基二级管，Cl O为输出滤波电容。L3、R4、Cl 9根据LMR64010datasheet为如图中的固定值。R6、R5为输出电压的分压反馈电阻，FB脚的基准电压典型值为1.23V，当R6、R5分别为10K、90.9Κ时，第一升压电路112输出电压为V=1.23V*(R5+R6)/R6=12.41V。电压反馈处的C18的值根据LMR64010 datasheet的公式C=l/(2*Ji*R5*f)，其中f?为反馈频率，约为8KHz。当R5=90.9K Ω 时，Cl8=218.9pF?220pF。
[0039]其中，对于第二升压电路114，第二升压电路114与第一升压电路112原理一样，C20为滤波去耦电容，升压部分1?8、1?9电阻分别为:4121(、13.71(，则021=1/(2*31吨8村)=48.3?卩?51pF。所述第二升压电路114的输出端输出至所述控制模块。
[0040]请参阅图4，进一步的，所述控制模块包括控制芯片，所述控制芯片为MKL27Z128VFT4，所述信号转换电路与所述控制芯片的第7引脚ADC_IN连接。
[0041 ]控制芯片Ul自带内部LDO功能，能支持将外部3.6?6V的输入电压经LDO降压为3.3V输出实现自供电，另外该IC带ADC和DAC功能。
[0042]I)对于控制芯片而言，为避免数字电路和模拟电路的相互干扰，Ul的数字部分和模拟部分分开供电。
[0043]I数字部分电源由输入电源DC_IN直接进入Ul的第6脚VREGIN，经Ul内部LDO从5脚V0UT33输出，进入到Ul的22脚数字电源VDD给Ul数字部分供电。
[0044]I模拟部分电源通过U2降压进入到Ul第9脚给Ul的模拟电路部分供电，供电后Ul的第1脚输出DAC基准电源1.2V。
[0045 ] C3、C4、C5、C6均为退耦电容。模拟地和数字地通过BI连接。
[0046]2)复位RST:低电平有效，Rl为上拉电阻，C8为退耦电容。
[0047]3)其他 1 口:
[0048]I 14脚DAC_0UT是DA电压输出，外接到所述控制信号放大电路以实现所需的电压加法运算。
[0049]I 17 脚 SWDCLK、20 脚 SWD1 是烧录引脚；
[0050]I 27脚ADC_SE8、28脚ADC_SE9是ADC采样输入引脚，ADC_SE8是采集U7的电压以实现反馈校准;ADC_SE9是采集经R2、R3分压的3.3V电压，以实现实时监控数字电源电压。
[0051 ] I 7脚ADC_IN是对最终光电信号的电压值进行采集。
[0052]I 47脚SHDN是控制升压IC第一升压电路及第二升压电路使能工作的。
[0053]I 31 脚UART0_RX、32脚UART0_TX是UART通讯引脚，25脚IRQ、46脚LAMP_CN与UART0_RX、UART0_TX—起构成外部通讯控制端口，接在P2上。
[0054]I 48脚是普通的1口，控制指示LEDl。
[0055]对外接口:Pl是烧录口；P2是外部通讯口，可以通过UART与接受外部的指令实现动态的控制，IRQ可将Ul从休眠中唤醒，LAMP_CN则实现简单的电平通讯控制。
[0056]所述光电检测模块包括依次相连的控制信号放大电路、检测电路以及信号转换电路。请参阅图5，所述控制信号放大电路包括放大芯片U6，所述放大芯片为TLE2141。
[0057]U6(TLE2141)是一个可工作在单极性高达44V电压的运放，它也可以在±22V下工作。本设备中它的供电电压为38.5V，以实现将低压电平控制信号放大为更高的电平控制信号，以满足后端的检测电路工作。为保护U6的7脚VCC防止受到瞬间高压冲击，串上R14以作保护。U6的第3脚输入由1V2_REF_0UT和DAC_0UT网络及R11、R12组成，它与U6、R13、R10组成一个具有增益的加法器电路。DAC_0UT输出电压为O?1.2V，1V2_REF_0UT处的电压恒定为
1.2V，根据加法器原理，在Rll与R12阻值相等的情况下，U6的第3脚电压输入范围则为0.6?1.2V。运放的增益为G=(R13+R10)/R10=31.1，故工作时，其输出电压范围为:18.66~37.32V。U7的工作控制电压为22?37.5V，故此电压范围可以满足需求。
[0058]产生的高压控制信号经R15保护后输入U7第I脚UP_MI以实现对U7内部的两层玻璃片距离的改变，以此来获得不同波长的光谱参数。
[0059]请参阅图6，所述检测电路包括红外检测芯片，所述红外检测芯片为C13272，所述红外检测芯片的第4引脚与所述控制模块连接。
[0060]在本实施方式中，U7的第4脚是热敏电阻引脚，在常温25°C下，它的内部阻值为1KΩ左右。U8A及外围电路组成电压跟随器，当温度变化时，连接在R16和U7内部热敏电阻之间的U8A第3脚电压也会发生变化，此时从ADC_SE8采集到相应的分压电压对照U7 datasheet的热敏电阻温度变化曲线图即可知道U7此时所处的工作温度。因为在相同的控制电压下，不同温度U7采集到的各类波长会略有差异，故利用该温度值可以对采集到的光波波长作适当修正。
[0061]请参阅图7，所述信号转换电路包括第一放大电路及第二放大电路，所述第一放大电路与所述第二放大电路均包括TLV2262A型号放大芯片。
[0062]在本实施方式中，U7输出的电流信号接入到放大芯片U8B的6脚，经由放大芯片U8B、R18、R19组成电流-电压转换器从放大芯片U8B的7脚输出，输出电压U=I*R18。输出的电压经保护电阻R20后进入到U5A及外围电路组成的同相放大器中，其放大增益G=(R20+R21)/R21=2。放大后的信号从U5A的I脚输出至ADC_IN，被MCU采集回去运算储存。
[0063]在本实施方式中，当U7采集到光谱时，通过改变第I脚UP_MI的电压从而改变U7内部两片平面玻璃的距离，以允许各波长的光谱通过，最终形成的电流信号通过8脚PH-K输出。第I脚UP_MI电压由DAC_0UT通过U6及外围电路放大后来控制大小，第8脚PH-K输出的电流信号经U8B转换成电压后，再经U5A放大输出到ADC_IN。
[0064]以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本实用新型权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种用于采集近红外光谱的传感器电路，其特征在于，包括: 电源模块，用于对外输出电源电压； 光电检测模块，用于对近红外光谱信号进行采集并转换为电信号； 控制模块，控制所述光电检测模块，并从所述光电检测模块接收检测信号； 所述光电检测模块包括:控制信号放大电路、检测电路以及信号转换电路，所述控制信号放大电路用于接收所述控制模块发出的控制信号，并对控制信号放大后输出至所述检测电路，所述检测电路根据控制信号的控制对近红外光谱信号进行采集，并将采集信号发送至信号转换电路，所述信号转换电路将所述采集信号进行转换后发送至所述控制模块。2.根据权利要求1所述的用于采集近红外光谱的传感器电路，其特征在于，所述电源模块包括直流稳压电路及升压电路，所述直流稳压电路包括降压芯片，所述降压芯片将直流电压转换为3V直流输出。3.根据权利要求2所述的用于采集近红外光谱的传感器电路，其特征在于，所述升压电路包括第一升压电路及与所述第一升压电路连接的第二升压电路，所述第一升压电路与所述第二升压电路相同，所述第一升压电路包括升压芯片，所述升压芯片将电压转换输出至第二升压电路，所述第二升压电路将电压转换为38.5V电压输出。4.根据权利要求1所述的用于采集近红外光谱的传感器电路，其特征在于，所述控制模块包括控制芯片，所述控制芯片为MKL27Z128VFT4，所述信号转换电路与所述控制芯片的第7引脚ADC_IN连接。5.根据权利要求1所述的用于采集近红外光谱的传感器电路，其特征在于，所述控制信号放大电路包括放大芯片，所述放大芯片为TLE2124。6.根据权利要求1所述的用于采集近红外光谱的传感器电路，其特征在于，所述检测电路包括红外检测芯片，所述红外检测芯片为C13272，所述红外检测芯片的第4引脚与所述控制模块连接。7.根据权利要求1所述的用于采集近红外光谱的传感器电路，其特征在于，所述信号转换电路包括第一放大电路及第二放大电路，所述第一放大电路与所述第二放大电路均包括TLV2262A型号放大芯片。
【文档编号】G01J3/28GK205562040SQ201620287579
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】付庆波, 董旭毅
【申请人】深圳市比特原子科技有限公司