一种不间断测量太赫兹时域光谱系统透射样品仓的制作方法

技术领域：

本发明属于太赫兹时域光谱和成像技术领域，具体涉及一种不间断测量太赫兹时域光谱系统透射样品仓。

背景技术：
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太赫兹技术是近十几年来新兴起的热门研究领域，太赫兹波是频率在0.1-10thz(对应波长30μm-3mm)之间的电磁波，在电磁波谱图上介于微波与红外线之间。太赫兹时域光谱检测技术能够检测物质结构之间的细微差异，能够强烈的响应到晶体中的晶格低频振动和谐振，对于有机分子间的偶极旋转、氢键、振动跃迁以及范德华力等弱相互作用力也有十分强烈的响应，能够敏锐探测到同分异构体和对映异构体的变化。太赫兹时域光谱检测技术具有分子特异识别性、介电材料高穿透性、辐射安全性等优良特性，此外太赫兹时域光谱系统的检测原理是同步的相干检测，由于同步相干检测对热背景噪声的不敏感性，使得该系统能够提供非常高的信噪比，特别是在4thz以下的频段，具有远超近红外光谱和中红外光谱的信噪比。因此太赫兹时域光谱系统日益发展成为一种现场原位、非侵入式、自动化检测技术手段，弥补现有红外光谱系统检测手段的技术缺陷，可用于毒品检测、危险化学品、爆炸物、生物大分子等物质进行快速检测，在自动化检测领域具有巨大的应用潜力和需求。

太赫兹技术的技术理论正在不断完善，研究成果不断涌现，太赫兹波技术的应用也日趋完善。水汽对太赫兹波的吸收非常严重，传统的太赫兹时域光谱系统样品仓样品测量过程中需要每次进行样品仓内气体的排空置换，造成大量的重复工作量，且测试效率较低，两次样品测试过程中样品仓的气体压力与湿度无法保证均匀一致，对实验结果产生影响。

本发明专利设计一种不间断测量太赫兹时域光谱系统透射样品仓的设计及样品进样方法，其中样品仓内气体压力为一固定正压，在保证样品仓实现干燥气体持续充盈的情况下实现样品的自动进样，实现系统不间断实时测量的目的，减少由于样品取放过程中造成样品仓内气体环境湿度变化造成的影响，提高系统测试效率。

技术实现要素：
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本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，大气中的水汽对太赫兹波具有明显的吸收衰减作用，湿度越大对太赫兹波的衰减作用越强，在吸收峰值处影响更加明显。通用的太赫兹时域光谱系统样品仓的设计为一个密闭空间，当进行样品测量时首先将样品置于样品支架后再对样品仓充入干燥气体，不同样品测量前都要对样品仓进行重复的排空操作，测量效率较低，且不能保证每次样品仓内的空气湿度保持一致。为解决以上样品仓使用过程中的问题，本发明的目的在于提供了一种不间断测量太赫兹时域光谱系统透射样品仓的设计及样品进样方法，在保证样品仓实现干燥空气持续充盈的情况下实现样品的自动进样，实现系统不间断实时测量的目的，减少由于样品取放过程中造成样品仓内气体环境湿度变化造成的影响，提高系统测试效率。

为了实现上述目的，本发明涉及的不间断测量太赫兹时域光谱系统透射样品仓，包括发射光路单元、探测光路单元、样品转盘、样品转盘旋转电机和样品仓，发射光路单元、探测光路单元均置于样品仓中，样品转盘的一部分置于样品仓内，另一部分密封穿过样品仓壳置于样品仓外，样品转盘置于发射光路单元和探测光路单元中间位置，在样品转盘环向上均匀设置样品固定孔，样品转盘旋转电机与样品转盘连接，带动样品转盘转动，实现样品固定孔在样品仓内和样品仓外的转换，并将含有待测样品的样品固定孔置于发射光路单元和探测光路单元构成的太赫兹光路光轴上，完成样品的添加。

具体地，所述样品固定孔的数量为n，n为大于等于1的正整数，样品固定孔的数量与样品转盘旋转电机带动样品转盘转动的角度相关，转动角度等于360°/n。

具体地，所述发射光路单元包括太赫兹发射天线、第一准直透镜和第一聚焦透镜，所述探测光路单元包括第二聚焦透镜、第二准直透镜和太赫兹探测天线，太赫兹发射天线、第一准直透镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第二准直透镜和太赫兹探测天线根据设计焦距依次放置，样品转盘置于第一聚焦透镜和第二聚焦透镜之间。

进一步地，所述不间断测量太赫兹时域光谱系统透射样品仓，还包括镜架、准直透镜旋转螺杆、聚焦透镜旋转螺杆、准直透镜电机和聚焦透镜电机构成的自动调节装置，平行放置的准直透镜旋转螺杆和聚焦透镜旋转螺杆分别与准直透镜电机和聚焦透镜电机转动连接，第一准直透镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜和第二准直透镜依次通过镜架连接在准直透镜旋转螺杆和聚焦透镜旋转螺杆上，准直透镜旋转螺杆分别与固定第一准直透镜和第二准直透镜的镜架螺纹连接且螺纹连接方向相反，聚焦透镜旋转螺杆分别与固定第一准直透镜和第二准直透镜的镜架滑动连接，聚焦透镜旋转螺杆与固定第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的镜架螺纹连接且螺纹连接方向相反，准直透镜旋转螺杆与固定第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的镜架滑动连接。

进一步地，所述样品转盘包括样品转盘支架和旋转圆盘，样品转盘支架底部固定在准直透镜旋转螺杆和聚焦透镜旋转螺杆上，样品转盘旋转电机固定在样品转盘支架侧边，旋转圆盘置于样品转盘支架上部两侧对称的安装耳形成的安装槽内，转轴穿过旋转圆盘中心孔和两安装耳上的通孔后通过传送带与样品转盘旋转电机输出轴连接。

进一步地，所述样品仓包括外壳本体、进气孔、出气孔、透明观察窗和光电一体接插口，在外壳本体上下两侧分别固定设置进气孔和出气孔，透明观察窗固定在外壳本体中部，旋转圆盘的一部分密封穿过透明观察窗上的通孔，在样品转盘旋转电机的带动下，旋转圆盘转动，使得样品固定孔在样品仓内外进行切换，太赫兹发射天线和太赫兹探测天线通过光电一体接插口外接太赫兹时域光谱系统其他元件。

在旋转圆盘与透明观察窗连接处设置密封胶条，保证密封仓的气密性。

进一步说明，所述进气孔与出气孔均为空气单向阀，能够调整和控制样品舱内的空气压力。

进一步地，所述不间断测量太赫兹时域光谱系统透射样品仓，还包括智能控制单元，智能控制单元与样品转盘旋转电机、准直透镜电机和聚焦透镜电机连接，控制其工作。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：通过样品转盘旋转电机和样品转盘实现了样品的自动进样，避免传统进样过程中打开样品仓对样品仓内湿度等环境因素产生影响；选用空气单向阀控制进出样品仓的空气流速，保证仓内压强恒定，在交换测试样品过程中始终保持样品仓内的正压与仓内气体的湿度，保证系统测试结果准确可靠。

附图说明：

图1为本发明涉及的不间断测量太赫兹时域光谱系统透射样品仓外部结构图。

图2为本发明涉及的不间断测量太赫兹时域光谱系统透射样品仓结构原理示意图。

图3为本发明涉及的样品转盘旋转电机和样品转盘的连接结构图。

图4为本发明涉及的发射光路单元、探测光路单元、准直透镜旋转螺杆和聚焦透镜旋转螺杆的连接关系示意图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本实施例涉及的不间断测量太赫兹时域光谱系统透射样品仓，包括发射光路单元1、探测光路单元2、样品转盘3、样品转盘旋转电机4和样品仓5，发射光路单元1、探测光路单元2均置于样品仓5中，样品转盘3的一部分置于样品仓5内，另一部分密封穿过样品仓壳置于样品仓5外，样品转盘3置于发射光路单元1和探测光路单元2中间位置，在样品转盘3环向上均匀设置样品固定孔301，样品转盘旋转电机4与样品转盘3连接，带动样品转盘3转动，实现样品固定孔在样品仓内和样品仓外的转换，并将含有待测样品的样品固定孔置于发射光路单元1和探测光路单元2构成的太赫兹光路光轴上，完成样品的添加。

具体地，所述样品固定孔301的数量n能够根据需要设置，如1个，2个等，样品固定孔的数量与样品转盘旋转电机4带动样品转盘3转动的角度相关，转动角度等于360°/n。如当样品固定孔为2个时，样品转盘3需要转动180°才能实现样品的转换。

具体地，所述发射光路单元1包括太赫兹发射天线101、第一准直透镜102和第一聚焦透镜103，所述探测光路单元包括第二聚焦透镜201、第二准直透镜202和太赫兹探测天线203，太赫兹发射天线101、第一准直透镜102、第一聚焦透镜103、第二聚焦透镜201、第二准直透镜203和太赫兹探测天线203根据设计焦距依次放置，样品转盘3置于第一聚焦透镜103和第二聚焦透镜201之间。

进一步地，所述不间断测量太赫兹时域光谱系统透射样品仓，还包括镜架601、准直透镜旋转螺杆602、聚焦透镜旋转螺杆603、准直透镜电机604和聚焦透镜电机605构成的自动调节装置6，平行放置的准直透镜旋转螺杆602和聚焦透镜旋转螺杆603分别与准直透镜电机604和聚焦透镜电机605转动连接，第一准直透镜102、第一聚焦透镜103、第二聚焦透镜201和第二准直透镜202依次通过镜架601连接在准直透镜旋转螺杆602和聚焦透镜旋转螺杆603上，准直透镜旋转螺杆602分别与固定第一准直透镜102和第二准直透镜103的镜架601螺纹连接且螺纹连接方向相反，聚焦透镜旋转螺杆603分别与固定第一准直透镜102和第二准直透镜103的镜架滑动连接，聚焦透镜旋转螺杆603与固定第一聚焦透镜103和第二聚焦透镜201的镜架螺纹连接且螺纹连接方向相反，准直透镜旋转螺杆602与固定第一聚焦透镜103和第二聚焦透镜201的镜架滑动连接。通过螺纹的正反方向安装可同步实现两聚焦透镜或准直透镜沿旋转螺杆(准直透镜旋转螺杆602和聚焦透镜旋转螺杆603)的反向运动，从而实现镜片相对样品转盘的对称调节。例如，准直透镜旋转螺杆602上的左旋螺纹与第一准直透镜102的镜架601上的左旋螺纹连接，准直透镜旋转螺杆602上的右旋螺纹与第二准直透镜202的镜架601上的左旋螺纹连接，聚焦透镜旋转螺杆603上的左旋螺纹与第一聚焦透镜103的镜架601上的左旋螺纹连接，聚焦透镜旋转螺杆603上的右旋螺纹与第二聚焦透镜201的镜架601上的左旋螺纹连接。

进一步地，所述样品转盘3包括样品转盘支架302和旋转圆盘303，样品转盘支架302底部固定在准直透镜旋转螺杆602和聚焦透镜旋转螺杆603上，样品转盘旋转电机4固定在样品转盘支架302侧边，旋转圆盘303置于样品转盘支架302上部两侧对称的安装耳304形成的安装槽内，转轴305穿过旋转圆盘303中心孔和两安装耳304上的通孔后通过传送带306与样品转盘旋转电机303输出轴连接。在样品转盘旋转电机303的带动下，旋转圆盘303转动，进而实现样品固定孔301的转动。

进一步地，所述样品仓5包括外壳本体501、进气孔502、出气孔503、透明观察窗504和光电一体接插口506，在外壳本体501上下两侧分别固定设置进气孔502和出气孔503，透明观察窗504固定在外壳本体中部，旋转圆盘303的一部分密封穿过透明观察窗504上的通孔，在样品转盘旋转电机4的带动下，旋转圆盘303转动，使得样品固定孔301在样品仓5内外进行切换。在旋转圆盘303与透明观察窗504连接处设置密封胶条505，实现密封连接，保证密封仓的气密性，太赫兹发射天线101和太赫兹探测天线203通过光电一体接插口506外接太赫兹时域光谱系统其他元件。具体地，密封胶条为橡胶材质。透明观察窗方便观察样品仓内情况。

进一步说明，所示进气孔502与出气孔503的直径尺寸为10mm。其中进气孔502与出气孔503均为空气单向阀，空气单向阀开合压力为1.1倍大气压强，整个测试过程中保证空气单向阀打开即保证样品仓内压强为1.1倍大气压强的正压力。

进一步说明，样品支架及各级透镜封装于样品仓中可有效防止外界扬尘对镜片及样品的污染，保持系统信噪比恒定，提升测试数据准确性；

进一步地，所述不间断测量太赫兹时域光谱系统透射样品仓，还包括智能控制单元，智能控制单元与样品转盘旋转电机的控制系统通过rs232通讯接口进行连接，控制转盘旋转电机4的工作。如，当需要更换待测样品时，智能控制单元发送信号，通过rs232接口传送到样品转盘旋转电机的控制系统，驱动样品圆盘转动对应角度，使待测样置于太赫兹光谱系统光路中，实现自动进样，过程中样品仓内部气体压强与干燥性条件不变，保证了样品检测条件的一致性。进一步地，所述智能控制单元还分别与准直透镜电机604和聚焦透镜电机605连接，根据设置条件控制准直透镜电机604和聚焦透镜电机605的工作。

本实施例涉及的不间断测量太赫兹时域光谱系统透射样品仓安装使用方法，具体包括以下步骤：

(1)将样品转盘支架底部固定在准直透镜旋转螺杆和聚焦透镜旋转螺杆上，部分旋转圆盘穿过透明观察窗上的通孔，在样品转盘旋转电机的带动下，旋转圆盘转动，使得样品固定孔在样品仓内外之间切换；

(2)将第一聚焦透镜和第二聚焦透镜分别压紧在镜架上，保证两聚焦透镜与镜架的接触面良好，确保两镜片平行，然后将对应镜架底部固定在准直透镜旋转螺杆和聚焦透镜螺旋杆上，且聚焦透镜旋转螺杆与固定第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的镜架螺纹连接且螺纹连接方向相反，准直透镜旋转螺杆与固定第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的镜架滑动连接，在聚焦透镜电机的带动下，聚焦透镜旋转螺杆转动，第一聚焦透镜和第二聚焦透镜沿聚焦透镜旋转螺杆反向移动，使第一聚焦透镜和第二聚焦透镜对应的镜架底座与样品转盘支架底座相接触；

(3)反向调节聚焦透镜电机，第一聚焦透镜和第二聚焦透镜沿聚焦透镜旋转螺杆远离样品支架运动，调节第一聚焦透镜和第二聚焦透镜到样品转盘支架之间的距离，实现自动聚焦，由于两个聚焦透镜的焦距是一样的，因此当两个聚焦透镜远离样品支架运动且运动到两个透镜之间的距离为2f位置时两个透镜的焦点位置就是样品孔的中心位置，即将两个镜片的聚焦束腰位置打到样品的中心处，此时聚焦到样品上的太赫兹能量最大，信号最强，测试效果最佳；

(4)将第一准直透镜和第二准直透镜分别压紧在对应的镜架上，过程中保证第一准直透镜和第二准直透镜与镜架的接触面良好，确保两镜片平行，然后将对应镜架底部固定在准直透镜旋转螺杆和聚焦透镜螺旋杆上，且准直透镜旋转螺杆分别与固定第一准直透镜和第二准直透镜的镜架螺纹连接且螺纹连接方向相反，聚焦透镜旋转螺杆分别与固定第一准直透镜和第二准直透镜的镜架滑动连接，第一准直透镜和第二准直透镜中心处于同一水平线上，在准直透镜电机的带动下，准直透镜旋转螺杆转动，第一准直透镜和第二准直透镜沿准直透镜旋转螺杆反向移动，进而调节两准直透镜的聚焦距离实现自动聚焦；

(5)然后将太赫兹发射天线和太赫兹探测天线固定在镜架上，通过将对应的镜架分别固定在第一准直透镜和第二准直透镜外侧的准直透镜旋转螺杆和聚焦透镜旋转螺杆上，并保持两镜座分别与对应的第一准直透镜和第二准直透镜的镜座接触，此时准直透镜电机604和聚焦透镜电机605的起始位置为0点，调节聚焦透镜电机和准直透镜电机，使第一准直透镜、第二准直透镜、第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的调节至指定位置；

(6)通过单向充气阀向样品仓充入干燥空气，设置气流速度为80cm³/min，此时仓内气体经过10s左右循环一遍，过程中保持气体匀速流入样品仓，减少由于气体流量波动造成测量误差；3min后进行参考信号的采集；

(7)将待测样品固定在样品仓外侧样品固定孔中，参考信号采集完成后，样品转盘旋转电机转动，使待测样品处于太赫兹光谱系统光路光轴上，开始进行样品信号的采集。