本發(fā)明屬于分析儀器技術領域，尤其是涉及一種用于油氣在線檢測的近紅外光譜分析系統(tǒng)。

背景技術：

近紅外光譜分析技術能夠高效無損地分析含氫基團(C-H，O-H，N-H)分子的倍頻與合頻吸收信息，現(xiàn)已廣泛應用于石油勘探、開采、提煉和成分分析等環(huán)節(jié)。在石油開采過程中，對井下地層流體成分實時分析和判斷能夠保證原油的高效開采，而近紅外光譜分析法是該領域的常用分析方法。高性能的微型近紅外光譜分析系統(tǒng)是制約該項技術的主要瓶頸。目前，用于油氣檢測分析的近紅外光譜分析系統(tǒng)分為兩種，濾光片型和傅立葉變換型。

目前勝利油田和渤海區(qū)域油井測試應用的近紅外光譜分析系統(tǒng)為濾光片型，該類近紅外光譜分析系統(tǒng)通過放置不同中心波長的窄帶濾光片實現(xiàn)波長篩選，探測器將光信號轉換為電信號后，通過后續(xù)數(shù)據采集與處理得到光譜數(shù)據。該類光譜分析系統(tǒng)具有光能利用率大、性能穩(wěn)定的優(yōu)點，但由于濾光片數(shù)量有限，獲得的光譜非連續(xù)，僅能夠反映簡單樣品的光譜信息。而原油開采過程中需分析的樣品為原油、水基泥漿，屬于復雜樣品，該類分析系統(tǒng)不能對其做全面分析。

油品成分分析建模主要使用傅里葉變換型近紅外光譜分析系統(tǒng)，該類分析系統(tǒng)具有寬光譜范圍、高分辨率、大光通量和高信噪比。但其內部的干涉儀存在可動部件，對使用環(huán)境要求嚴格，且體積龐大，通常在實驗室等溫度、濕度穩(wěn)定的環(huán)境中使用，不適用于在線實時分析。

河南理工大學發(fā)明的一種基于透射光柵的MEMS微鏡微型光譜儀(專利號CN 105136293 A)采用了凹面反射鏡、MEMS掃描鏡、透射光柵和聚焦透鏡的C-T光學結構，實現(xiàn)了準直、掃描分光和成像功能，可采用單管探測器獲取光譜信號，具有高分辨率和成本低廉的優(yōu)點。該系統(tǒng)存在的明顯問題：光學作用面較多，光能損失大，不便于微型化和裝調；存在可動部件，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和波長重復性差；探測器無溫控制冷模塊，無法在高溫環(huán)境中穩(wěn)定工作。

江蘇惠通集團發(fā)明的基于近紅外的甲醇汽油快速檢測儀，專利號CN 102890067 A，采用掃描反射微鏡和閃耀光柵結合實現(xiàn)分光，球面反射鏡配合出射狹縫完成單管探測，具有寬光譜范圍和低成本的優(yōu)點。同樣地，光學作用面過多造成了較大的光能損失、掃描微鏡的轉動使系統(tǒng)的重復性和穩(wěn)定性表現(xiàn)較差；另外，僅有USB一種通訊接口，傳輸方便快捷但不利于遠距離傳輸。

中國石油天然氣集團發(fā)明的一種用于油氣管線檢測的光纖光柵傳感測試系統(tǒng)，專利號CN 1527028 A主要用于獲取油氣管線中的流體溫度、壓力變化等物理量的變化，從而獲得管線輸運狀況的信息。與本發(fā)明中通過主要針對具體油品成分分析存在較大差異。

綜上所述，現(xiàn)有的油氣在線檢測近紅外光譜分析系統(tǒng)存在光譜不連續(xù)、光譜分辨率低、環(huán)境適應性差、體積大等問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有的問題提出一種用于油氣在線檢測的微型近紅外光譜分析系統(tǒng)，以全息凹面光柵為核心分光元件，結合二級半導體制冷器線陣CCD，高速數(shù)據采集與傳輸系統(tǒng)和兩種通訊接口，從根本上解決光譜不連續(xù)、光譜分辨率低、環(huán)境適應性差、體積大的技術問題。

為了解決以上技術問題，所采用的具體技術方案如下：

用于油氣在線檢測的微型近紅外光譜分析系統(tǒng)，包括：前端信號光獲取單元(1)、分光成像光學單元、下位機信號采集與傳輸單元(6)和上位機光譜處理與顯示單元(15)；所述前端信號光獲取單元(1)集成了光源、準直鏡和樣品池；所述分光成像光學單元由入射光纖(2)、凹面光柵(3)、線陣CCD(4)和安裝于線陣CCD(4)底部的半導體制冷器TEC(5)構成；所述半導體制冷器TEC(5)工作在恒溫模式，保證線陣CCD(4)的工作溫度恒定；所述分光成像光學單元通過入射光纖(2)與前端信號光獲取單元(1)連接；所述分光成像光學單元與下位機信號采集與傳輸單元(6)連接；所述下位機信號采集與傳輸單元通過通訊接口(11)與上位機光譜處理與顯示單元連接；

首先，光源發(fā)出的光通過準直鏡后，平行入射至樣品池，透射后光變?yōu)閿y帶樣品光譜信息的信號光，耦合進入射光纖傳輸。然后，通過入射光纖將信號光投射到凹面光柵，經過凹面光柵分光成像后再射入線陣CCD完成光電信號的轉換。再然后，所述下位機信號采集與傳輸模塊對線陣CCD的輸出信號進行采集、放大、濾波、轉換處理。最后，處理后的信號經數(shù)據線傳輸至上位機光譜處理與顯示單元，完成信號解析、光譜重構和顯示。

具體地，所述樣品池的光程為3mm。

具體地，所述下位機信號采集與傳輸單元包括信號前處理單元、模數(shù)轉換A/D、FPGA和MCU，并依次連接，同時，F(xiàn)PGA的兩個輸出端還分別通過溫控制冷電路和探測器驅動電路連接線陣CCD；最后由通訊接口傳輸給上位機光譜處理與顯示單元(15)。所述溫控制冷電路采用PID閉環(huán)控制，驅動半導體制冷器TEC工作在恒溫模式，溫度偏差在±0.1℃內，保證線陣CCD的工作溫度恒定；所述探測器驅動電路由FPGA提供驅動時序脈沖，通過門級電路調整脈沖幅度驅動線陣CCD工作。

具體地，信號前處理對探測器進行相關雙采樣、濾波、放大。所述模數(shù)轉換A/D采用16位高速圖像模擬數(shù)字轉換芯片。所述FPGA對采集的光譜數(shù)據進行雙FIFO處理，及時為MCU推送數(shù)據和狀態(tài)包。所述MCU提供通訊協(xié)議支持、固化數(shù)據讀寫、配合完成數(shù)據采集和系統(tǒng)控制。所述通訊接口包含USB和RS485兩種，其中USB完成光譜的高速傳輸與采集，用于短距離高速傳輸，RS485完成遠距離數(shù)據傳輸。

具體地，所述分光成像光學單元和下位機信號采集與傳輸單元安裝于鏤空帶底的鋁合金腔體中，鋁合金腔體通過黑色硬質陽極氧化表面處理工藝。分光成像光學單元通過入射光纖與前端信號光獲取單元連接。下位機信號采集與傳輸單元通過通訊接口與上位機光譜處理與顯示單元連接。所述線陣CCD和半導體制冷器TEC安裝于鍍金基座上，便于導熱。

具體地，所述入射光纖選用纖徑為50μm的SMA905近紅外光纖兼作信號光傳輸與光闌。所述凹面光柵工作波段設計為1600～1850nm，制作工藝采用全息光學記錄。所述線陣CCD采用InGaAs探測器，置于分光成像光學系統(tǒng)像面。

具體地，所述系統(tǒng)分辨率優(yōu)于5nm，體積為154×66.5×38mm³。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明通過采用凹面光柵分光方式，構成只有一個光學面、無可動部件的分光成像系統(tǒng)，分析系統(tǒng)能夠準確可靠地獲取1600～1850nm波段的連續(xù)光譜，分辨率高達5nm，為油氣在線檢測提供了豐富全面的光譜信息。

2、本發(fā)明利用帶二級半導體制冷器的線陣CCD和閉環(huán)溫度控制制電路使分析系統(tǒng)能夠在55℃高溫下穩(wěn)定工作，70℃高溫下穩(wěn)定工作兩小時，探測器最低制冷溫度達到-20℃，溫控精度優(yōu)于±0.1℃。

3、本發(fā)明信號采集與傳輸采用數(shù)字電路，16位高速圖像模擬數(shù)字轉換芯片和FPGA使光譜數(shù)據采集高效快速，分析系統(tǒng)光譜數(shù)據采集速率達到10幀/s，信噪比高于1000:1。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的的結構框圖；

圖2為本發(fā)明的硬件電路框圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，用于油氣在線檢測的微型近紅外光譜分析系統(tǒng)，包括：前端信號光獲取單元1、分光成像光學單元、下位機信號采集與傳輸單元和上位機光譜處理與顯示單元。前端信號光獲取單元1集成了光源、準直鏡和光程為3mm的樣品池。分光成像光學單元由入射光纖2，凹面光柵3，線陣CCD4和安裝于線陣CCD4底部的半導體制冷器TEC5構成。半導體制冷器TEC5工作在恒溫模式，保證線陣CCD4的工作溫度恒定。

本發(fā)明的系統(tǒng)工作原理如下：首先，光源發(fā)出的光通過準直鏡后，平行入射至樣品池，透射后光變?yōu)閿y帶樣品光譜信息的信號光，耦合進入射光纖2兼作光傳輸和光闌，入射光纖2采用纖徑為50μm的SMA905近紅外光纖。然后，通過入射光纖將信號光投射到凹面光柵，經過工作波段設計為1600～1850nm的凹面光柵3分光成像后的信號光按波長依次排列，并最終成像于線陣CCD 4所在像面，線陣CCD4采用InGaAs探測器。半導體制冷器TEC5緊貼線陣CCD的底部且安裝在鍍金基座上，便于熱量的快速導出。再然后，所述下位機信號采集與傳輸模塊對線陣CCD4的輸出信號進行采集、放大、濾波、轉換。最后，處理后的信號經數(shù)據線傳輸至上位機光譜處理與顯示單元，完成信號解析、光譜重構和顯示。

如圖2所示，本發(fā)明的硬件電路工作原理如下：線陣CCD 4輸出的電信號，經信號前處理7進行采樣和調理后送給模數(shù)轉換A/D 8進行模擬信號與數(shù)字信號轉換，并通過SPI總線傳輸給數(shù)據緩沖FPGA 9模塊。FPGA 9以FIFO形式接收模數(shù)轉換A/D的數(shù)字信號，也隨時準備以FIFO形式發(fā)送數(shù)據和狀態(tài)包給MCU 10。MCU主要負責通訊協(xié)議支持和系統(tǒng)控制協(xié)助，USB或RS485兩種通訊接口完成下位機信號采集與傳輸單元和上位機光譜處理與顯示單元之間的數(shù)據傳輸和狀態(tài)控制。同時，所述FPGA9的電信號還反饋到溫控制冷電路14和探測器驅動電路13。溫控制冷電路14采用以ADN8830為核心的半導體制冷控制器，加入PID網絡進行閉環(huán)控制，使半導體制冷器TEC5工作在恒溫模式，溫度偏差在±0.1℃內，確保線陣CCD工作在設定的溫度值。探測器驅動電路13由FPGA9提供驅動時序脈沖，通過門級電路調整脈沖幅度驅動線陣CCD工作。

具體地，信號前處理7對探測器進行相關雙采樣、濾波、放大。所述模數(shù)轉換A/D8采用16位高速圖像模擬數(shù)字轉換芯片。所述FPGA9對采集的光譜數(shù)據進行雙FIFO處理，及時為MCU10推送數(shù)據和狀態(tài)包。所述MCU10提供通訊協(xié)議支持、固化數(shù)據讀寫、配合完成數(shù)據采集和系統(tǒng)控制。所述通訊接口11包含USB和RS485兩種，其中USB完成光譜的高速傳輸與采集，用于短距離高速傳輸，RS485完成遠距離數(shù)據傳輸。

具體地，所述分光成像光學單元和下位機信號采集與傳輸單元安裝于鏤空帶底的鋁合金腔體中，鋁合金腔體通過黑色硬質陽極氧化表面處理工藝。分光成像光學單元通過入射光纖2與前端信號光獲取單元1連接。下位機信號采集與傳輸單元通過通訊接口11與上位機光譜處理與顯示單元連接。所述線陣CCD4和半導體制冷器TEC5安裝于鍍金基座上，便于導熱。

本發(fā)明的工作波段為1600～1850nm，分辨率優(yōu)于5nm，信噪比大于1000:1，體積為154×66.5×38mm3，在55℃下能夠穩(wěn)定工作，功耗為7W，溫控偏差在±0.1℃內。