光柵式近紅外分析儀的制作方法
【專(zhuān)利摘要】光柵式近紅外分析儀，涉及糧食、食品固體樣品成分及含量分析領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有近紅外分析儀對(duì)粉末質(zhì)樣本檢測(cè)時(shí)的無(wú)法獲得準(zhǔn)確的光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)的問(wèn)題，其包括上位機(jī)，控制器，與控制器連接的光源、電機(jī)、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，與電機(jī)連接的樣品盤(pán)，用于接收光源的光線并將其準(zhǔn)直成平行光入射至樣品盤(pán)上的匯聚透鏡，用于接收經(jīng)過(guò)樣品盤(pán)反射的光線并將其匯聚進(jìn)入光纖組的第一、第二聚光鏡，與放大器電連接的并用于接收光纖組的光線的單色儀，放大器與A/D轉(zhuǎn)換器電連接。本實(shí)用新型主要針對(duì)粉末質(zhì)糧食成分的測(cè)量，鹵素?zé)粽彰鲝?qiáng)度大，能量穩(wěn)定，光線由光纖傳導(dǎo)得到最大的無(wú)損保真輸入，提取較為豐富的光譜信息，通過(guò)控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效避免誤動(dòng)作。
【專(zhuān)利說(shuō)明】光柵式近紅外分析儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及糧食、食品固體樣品成分及含量分析【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種光柵式近紅外分析儀。
【背景技術(shù)】
[0002]在測(cè)量谷物成分及含量時(shí)，通常采用簡(jiǎn)單的物理方法或者較為復(fù)雜的化學(xué)檢測(cè)方法，化學(xué)檢測(cè)方法測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，物理方法需要破壞樣本，容易造成環(huán)境污染，為彌補(bǔ)這一缺陷，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)相繼開(kāi)發(fā)出了許多檢測(cè)儀器，如遠(yuǎn)紅外、中紅外、近紅外光譜檢測(cè)儀等，通過(guò)監(jiān)測(cè)紅外光照射下樣本粒子產(chǎn)生的振動(dòng)光譜，分析確定谷物成分及含量，具有不破壞樣品，不用試劑，不污染環(huán)境，便于操作等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于食品檢測(cè)領(lǐng)域。
[0003]由于粉末質(zhì)樣本相較于顆粒狀樣本排列堅(jiān)實(shí)，透過(guò)率很低，使得現(xiàn)有的近紅外分析儀檢測(cè)到的弱電信號(hào)不足以達(dá)到被分析的強(qiáng)度，因此，無(wú)法獲得準(zhǔn)確的光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]為了解決現(xiàn)有的近紅外分析儀在對(duì)粉末質(zhì)樣本進(jìn)行檢測(cè)時(shí)存在的無(wú)法獲得準(zhǔn)確的光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種光柵式近紅外分析儀。
[0005]本實(shí)用新型為解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下:
[0006]光柵式近紅外分析儀，包括:
[0007]上位機(jī)，與上位機(jī)電連接的控制器，分別與控制器電連接的光源、電機(jī)、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，與電機(jī)電連接的樣品盤(pán)，設(shè)置在光源和樣品盤(pán)之間的并用于接收光源的光線并將其準(zhǔn)直成平行光入射至樣品盤(pán)上的匯聚透鏡，用于接收經(jīng)過(guò)樣品盤(pán)反射的光線并將其匯聚進(jìn)入光纖組的第一聚光鏡和第二聚光鏡，與放大器電連接的并用于接收光纖組的光線的單色儀，所述放大器與A/D轉(zhuǎn)換器電連接；
[0008]所述上位機(jī)向控制器發(fā)送光源開(kāi)啟指令，控制器按接收到的光源開(kāi)啟指令開(kāi)啟光源，光源的光經(jīng)過(guò)匯聚透鏡匯聚后轉(zhuǎn)換成平行光照射在樣品盤(pán)上，光線在樣品盤(pán)和第一聚光鏡和第二聚光鏡之間發(fā)生漫反射后，第一聚光鏡和第二聚光鏡將攜帶豐富的樣本信息的光線匯聚至光纖組上，經(jīng)過(guò)光纖組無(wú)損高保真?zhèn)鲗?dǎo)至單色儀中，光線經(jīng)過(guò)單色儀處理后轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)傳入放大器中，放大器接收弱電信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算放大后傳入A/D轉(zhuǎn)換器中，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳遞給控制器，通過(guò)上位機(jī)讀取光譜數(shù)據(jù)，利用上位機(jī)中的光譜處理分析軟件對(duì)接收到光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)樣品的定量分析。
[0009]所述單色儀包括腔體；設(shè)置在腔體內(nèi)部的用于將攜帶樣品信息的光線準(zhǔn)直成平行光的第一反射鏡，用于接收平行光并對(duì)其進(jìn)行分光的光柵，用于匯聚通過(guò)光柵分光后的各波段光的第二反射鏡，用于探測(cè)匯聚光成像的探測(cè)器；
[0010]設(shè)置在腔體外部的位于第一反射鏡焦點(diǎn)上的光纖入射孔，與探測(cè)器直接固定相連的USB接口 ；
[0011]攜帶有樣品信息的光線經(jīng)光纖傳導(dǎo)后由光纖入射孔高保真無(wú)損入射至腔體內(nèi)的第一反射鏡上，光線經(jīng)第一反射鏡準(zhǔn)直成平行光入射至光柵上，平行光經(jīng)光柵分光后轉(zhuǎn)換為不同波長(zhǎng)下的光照射在第二反射鏡上，第二反射鏡將上述各波長(zhǎng)下的光譜數(shù)據(jù)匯聚至探測(cè)器上，探測(cè)器將接收到的光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)并由USB接口直接導(dǎo)出。
[0012]所述探測(cè)器采用硅探測(cè)器。
[0013]所述光柵采用長(zhǎng)春賽奧科技開(kāi)發(fā)有限公司的平面光柵,尺寸為15mmX 15mmX 4mm,每毫米300線。
[0014]所述光柵的光譜波長(zhǎng)范圍為900nm?1665nm,每間隔3nm取一個(gè)光譜值,共得到256個(gè)光譜值。
[0015]所述光源采用鹵素?zé)簟?br> [0016]所述放大器采用AD8250芯片。
[0017]所述A/D轉(zhuǎn)換器采用LTC1609芯片。
[0018]所述電機(jī)采用35BYGH28-0504步進(jìn)電機(jī)。
[0019]所述控制器采用STM32F103ZET6芯片，控制器接收上位機(jī)的控制指令對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、對(duì)比及測(cè)量。
[0020]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0021]1、本實(shí)用新型主要針對(duì)粉末質(zhì)糧食成分進(jìn)行測(cè)量，采用鹵素?zé)暨M(jìn)行照明，照明強(qiáng)度大，能量穩(wěn)定；
[0022]2、本實(shí)用新型中光線經(jīng)由光纖傳導(dǎo)得到最大的無(wú)損保真輸入，光線經(jīng)過(guò)各項(xiàng)性能及參數(shù)計(jì)算后合理步局反射鏡及光柵裝置，提取出有用的光譜波段并盡量細(xì)化為256個(gè)波段，波段范圍為900nm?1665nm，每間隔3nm取一個(gè)光譜值，提取出盡可能豐富的光譜信息，進(jìn)行信號(hào)放大以及后續(xù)處理；
[0023]3、本實(shí)用新型通過(guò)控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并接收上位機(jī)的控制指令，有效避免了誤動(dòng)作問(wèn)題；
[0024]4、本實(shí)用新型的分析儀是一臺(tái)智能化高精密分析儀器，可同時(shí)定量定性分析多種成分，透射深度大，可通過(guò)玻璃或石英等介質(zhì)而不易被吸收等特點(diǎn)，尤其對(duì)谷物糧油等關(guān)系民生的重點(diǎn)行業(yè)提供了堅(jiān)實(shí)可靠的檢測(cè)支持。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為本實(shí)用新型的光柵式近紅外分析儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為單色儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖中:1、腔體,2、光纖入射孔,3、第一反射鏡,4、光柵,5、第二反射鏡,6、探測(cè)器,7、
USB 接口。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0029]如圖1所示，本實(shí)用新型的光柵式近紅外分析儀，由光源、匯聚透鏡、第一聚光鏡、第二聚光鏡、樣品盤(pán)、電機(jī)、光纖組、單色儀、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器、控制器和上位機(jī)組成,上位機(jī)與控制器通過(guò)電纜線相連，控制器分別與光源、電機(jī)、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器通過(guò)電纜線相連，電機(jī)與樣品盤(pán)通過(guò)電纜線相連，單色儀與放大器通過(guò)電纜線相連，放大器與A/D轉(zhuǎn)換器通過(guò)電纜線相連，匯聚透鏡放置在光源與樣品盤(pán)之間，用于接收光源的光線并將其準(zhǔn)直成平行光入射至樣品盤(pán)上，第一聚光鏡和第二聚光鏡用于接收經(jīng)過(guò)樣品盤(pán)反射的光線并將其匯聚進(jìn)入光纖組中，單色儀靠近光纖組設(shè)置，用于接收來(lái)自光纖組的光線。
[0030]如圖2所示，單色儀由腔體1、光纖入射孔2、第一反射鏡3、光柵4、第二反射鏡5、探測(cè)器6和USB接口 7組成，第一反射鏡3、光柵4、第二反射鏡5和探測(cè)器6均固定設(shè)置在腔體I內(nèi)部，光纖入射孔2和USB接口 7均固定設(shè)置在腔體I外部上，光纖入射孔2位于第一反射鏡3的焦點(diǎn)上，第一反射鏡3用于將攜帶樣品信息的光線準(zhǔn)直成平行光，光柵4用于接收平行光并對(duì)其進(jìn)行分光，第二反射鏡5用于匯聚通過(guò)光柵4分光后的各波長(zhǎng)下的光，探測(cè)器6用于接收光譜數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)，探測(cè)器6與USB接口 7直接固定連接，USB接口 7與放大器相連。
[0031]本實(shí)施方式中，探測(cè)器6采用硅探測(cè)器，具有價(jià)格便宜、體積小、信噪比高及熱影響小等特點(diǎn)。
[0032]本實(shí)施方式中，根據(jù)實(shí)際測(cè)量的需要并通過(guò)計(jì)算對(duì)各光學(xué)器件進(jìn)行選型，光柵4采用長(zhǎng)春賽奧科技開(kāi)發(fā)有限公司的平面光柵，尺寸為15mmX 15mmX4mm,每毫米300線(300/mm)。
[0033]利用光柵4通過(guò)光的相干疊加分別讀取不同波長(zhǎng)下的光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)，光柵4主要起到波長(zhǎng)選擇的作用，通過(guò)光柵16次取平均值，各波段全掃描一次后得出最終的256條光譜信息，光譜波長(zhǎng)范圍為900nm?1665nm，每間隔3nm取一個(gè)光譜值，總共得到256個(gè)光譜值，充分保障了光譜信息的充實(shí)性及完整性，且通過(guò)光柵4分光極大的減少了雜散光的影響，提升弱信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，使光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)具有良好的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。
[0034]本實(shí)施方式中，光源采用鹵素?zé)簟?br> [0035]本實(shí)施方式中，放大器采用AD8250芯片，具有高速、增益可變及低噪聲等特點(diǎn)。
[0036]本實(shí)施方式中，A/D轉(zhuǎn)換器采用LTC1609芯片。
[0037]本實(shí)施方式中，電機(jī)采用35BYGH28-0504步進(jìn)電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、運(yùn)行精確等特點(diǎn)。
[0038]本實(shí)施方式中，控制器是一種微型小系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制模塊，即微控芯片，具體采用STM32F103ZET6芯片，光譜數(shù)據(jù)的采集、對(duì)比、測(cè)量及分析儀的動(dòng)作控制都通過(guò)上位機(jī)控制控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0039]本實(shí)用新型的光柵式近紅外分析儀的工作過(guò)程如下:
[0040]上位機(jī)向控制器發(fā)送光源開(kāi)啟指令，控制器按照接收到的光源開(kāi)啟指令開(kāi)啟光源，鹵素?zé)艄庠窗l(fā)出的光經(jīng)過(guò)匯聚透鏡的匯聚后轉(zhuǎn)換成平行光照射在樣品盤(pán)上，光線在樣品盤(pán)和第一聚光鏡和第二聚光鏡之間發(fā)生漫反射后，第一聚光鏡和第二聚光鏡將攜帶豐富的樣本信息的光線匯聚至光纖組上，經(jīng)過(guò)光纖組無(wú)損高保真?zhèn)鲗?dǎo)至單色儀中，即攜帶有樣品信息的光線經(jīng)過(guò)光纖傳導(dǎo)后由光纖入射孔2高保真無(wú)損入射至光路系統(tǒng)的腔體I內(nèi)，攜帶樣品信息的光線由光纖入射孔2入射至第一反射鏡3上，第一反射鏡3將光線準(zhǔn)直成平行光入射至光柵4上，平行光經(jīng)光柵4分光后轉(zhuǎn)換為不同波長(zhǎng)下的光照射在第二反射鏡5上，光譜波長(zhǎng)范圍為900nm?1665nm，每間隔3nm取一個(gè)光譜數(shù)據(jù)，共得到256個(gè)光譜數(shù)據(jù)，第二反射鏡5將上述各波長(zhǎng)下的光也就是256個(gè)光譜數(shù)據(jù)匯聚至探測(cè)器6上，探測(cè)器6將接收到的光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)并由USB接口 7直接導(dǎo)出，放大器接收弱電信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算放大后傳入A/D轉(zhuǎn)換器中，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳遞給控制器，通過(guò)上位機(jī)讀取光譜數(shù)據(jù)，利用上位機(jī)中的光譜處理分析軟件對(duì)接收到光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)樣品的定量分析。
[0041]本實(shí)用新型的光柵式近紅外分析儀在測(cè)量的過(guò)程中，上位機(jī)向控制器發(fā)送啟動(dòng)電機(jī)的命令，控制器按照接收到的控制指令啟動(dòng)電機(jī)，此時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)樣品盤(pán)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，使得樣品盤(pán)中的樣品由于顆粒大小、形狀和分布不同而產(chǎn)生的光譜吸收差異通過(guò)多次測(cè)量而消除，得到更為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，電機(jī)在控制器的信息實(shí)時(shí)傳遞及調(diào)控下精確運(yùn)行。
[0042]本實(shí)用新型的光柵式近紅外分析儀在測(cè)量的過(guò)程中，對(duì)特定的樣品體系，近紅外光譜特征峰的差別并不明顯，需要通過(guò)光譜的處理減少以消除各方面因素對(duì)光譜信息的干擾，再?gòu)牟顒e甚微的光譜信息中提取樣品的定量信息。
【權(quán)利要求】
1.光柵式近紅外分析儀，其特征在于，包括: 上位機(jī)，與上位機(jī)電連接的控制器，分別與控制器電連接的光源、電機(jī)、放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，與電機(jī)電連接的樣品盤(pán)，設(shè)置在光源和樣品盤(pán)之間的并用于接收光源的光線并將其準(zhǔn)直成平行光入射至樣品盤(pán)上的匯聚透鏡，用于接收經(jīng)過(guò)樣品盤(pán)反射的光線并將其匯聚進(jìn)入光纖組的第一聚光鏡和第二聚光鏡，與放大器電連接的并用于接收光纖組的光線的單色儀，所述放大器與A/D轉(zhuǎn)換器電連接； 所述上位機(jī)向控制器發(fā)送光源開(kāi)啟指令，控制器按接收到的光源開(kāi)啟指令開(kāi)啟光源，光源的光經(jīng)過(guò)匯聚透鏡匯聚后轉(zhuǎn)換成平行光照射在樣品盤(pán)上，光線在樣品盤(pán)和第一聚光鏡和第二聚光鏡之間發(fā)生漫反射后，第一聚光鏡和第二聚光鏡將攜帶豐富的樣本信息的光線匯聚至光纖組上，經(jīng)過(guò)光纖組無(wú)損高保真?zhèn)鲗?dǎo)至單色儀中，光線經(jīng)過(guò)單色儀處理后轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)傳入放大器中，放大器接收弱電信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算放大后傳入A/D轉(zhuǎn)換器中，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳遞給控制器，通過(guò)上位機(jī)讀取光譜數(shù)據(jù)，利用上位機(jī)中的光譜處理分析軟件對(duì)接收到光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)樣品的定量分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵式近紅外分析儀，其特征在于，所述單色儀包括:腔體(1); 設(shè)置在腔體(1)內(nèi)部的用于將攜帶樣品信息的光線準(zhǔn)直成平行光的第一反射鏡(3)，用于接收平行光并對(duì)其進(jìn)行分光的光柵(4)，用于匯聚通過(guò)光柵(4)分光后的各波段光的第二反射鏡(5)用于探測(cè)匯聚光成像的探測(cè)器(6)； 設(shè)置在腔體(1)外部的位于第一反射鏡(3)焦點(diǎn)上的光纖入射孔(2)，與探測(cè)器(6)直接固定相連的USB接口(7)； 攜帶有樣品信息的光線經(jīng)光纖傳導(dǎo)后由光纖入射孔(2)高保真無(wú)損入射至腔體(1)內(nèi)的第一反射鏡(3)上，光線經(jīng)第一反射鏡(3)準(zhǔn)直成平行光入射至光柵(4)上，平行光經(jīng)光柵(4)分光后轉(zhuǎn)換為不同波長(zhǎng)下的光照射在第二反射鏡(5)上，第二反射鏡(5)將上述各波長(zhǎng)下的光譜數(shù)據(jù)匯聚至探測(cè)器(6)上，探測(cè)器(6)將接收到的光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)并由USB接口(7)直接導(dǎo)出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光柵式近紅外分析儀，其特征在于，所述探測(cè)器(6)采用硅探測(cè)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光柵式近紅外分析儀，其特征在于，所述光柵(4)采用長(zhǎng)春賽奧科技開(kāi)發(fā)有限公司的平面光柵，尺寸為15mmX 15mmX 4mm,每毫米300線。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的光柵式近紅外分析儀，其特征在于，所述光柵(4)的光譜波長(zhǎng)范圍為900nm~1665nm，每間隔3nm取一個(gè)光譜值，共得到256個(gè)光譜值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵式近紅外分析儀，其特征在于，所述光源采用鹵素?zé)簟?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵式近紅外分析儀，其特征在于，所述放大器采用AD8250芯片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵式近紅外分析儀，其特征在于，所述A/D轉(zhuǎn)換器采用LTC1609 芯片。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵式近紅外分析儀，其特征在于，所述電機(jī)采用35BYGH28-0504 步進(jìn)電機(jī)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵式近紅外分析儀，其特征在于，所述控制器采用STM32F103ZET6芯片·，控制器接收上位機(jī)的控制指令對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、對(duì)比及測(cè)量。
【文檔編號(hào)】G01J3/18GK203561584SQ201320652253
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月22日
【發(fā)明者】林新光, 樸仁官 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春長(zhǎng)光思博光譜技術(shù)有限公司