专利名称：光谱仪亮度自校准调节测控系统及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种光谱仪，尤其是光源亮度自校准和调节的近红外光谱仪测控系统及测量方法。
背景技术：
光谱仪器作为一种常用的分析仪器，应用范围广泛。光谱仪器由光源、单色器、探测器、取样器、采集和控制、电源等儿个部分组成。其中光源系统是为光谱仪器提供所需波段的光线。而光谱仪种类繁多，按波段分，有紫外、可见、近红外、中红外等；按分光器件可分为滤光片、光栅分光、傅立叶变换和声光可调4种类型；按样品与光源的作用方式分为反射、透射、漫反射、漫透射、漫透反射等。所有类型的光谱仪均需测得样品对光源发出光线作用情况，即反射率或透射率，从而分析样品的结构和成分。现有的光谱仪器其光源的亮度是固定的，对于反射率、透射率小的样品所测得光谱数据的信噪比低，这将影响其分析的精度甚至无法进行分析，从而限制了光谱仪器的使用范围。为了解决这一问题，现有的仪器厂家和设计者通常采用更换附件的方法，对于不同的样品，采用不同的光源或取样器，从而增加了仪器的成本和操作的复杂性。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种采用光机电一体化闭环控制结构，适用于反射光谱仪或透射光谱仪的光谱仪亮度自校准调节测控系统。本发明的目的是通过以下技术方案实现的光谱仪亮度自校准调节测控系统，与单色器、取样器及电源组成的反射式光谱仪或透射式光谱仪，光谱仪亮度自校准调节测控系统为光机电一体化的闭环控制结构，由光谱信号采集单元9、亮度自动校准控制单元7、光源可控稳流单元13和参比调节单元16四部分构成亮度自动校准控制单元7分别连接参比调节单元16和光源可控稳流单元13，亮度自动校准控制单元7接收由光源可控稳流单元13发出的光信号经单色器15、取样器17再由光谱信号采集单元9转换的数字信号，根据该信号发出参比调节单元和光源可控稳流单元的控制信号；参比调节单元16接收亮度自动校准单元的控制信号，根据该信号调节有效参比位置”电源分别与光谱信号采集单元9、亮度自动校准控制单元7、光源可控稳流单元13和参比调节单元16连接。所述的光谱信号采集单元9是由信号转换放大电路分别连接探测器、电源接口和信号接口构成。所述的亮度自动校准控制单元7是由控制电路分别与电源接口、测量信号接口、控制信号I接口和控制信号II接口连接构成。所述的光源可控稳流单元13是由控制信号I接口经数模转换电路、稳流控制电路与光源接口连接，电源接口分别与数模转换电路和稳流控制电路连接构成所述的参比调节单元16是由参比调节机构和电路两部分构成，电路是由控制信号II接口经电机驱动电路连接电机接口，电机驱动电路经电源接口与光谱仪的电源连接；参比调节机构是在光谱仪取样器17靠近的后侧板I或底板12上通过螺钉固定有支架3，在支架3上装有步进电机2，在步进电机轴上通过键销装有参比调节盘5，参比调节机构安装时使取样器7的光轴与参比调节盘5上所设的有效参比透射孔或参比反射板6的中心在同一直线上，电线4与电机接口连接构成。参比调节盘5上等圆心角设有三个以上不同直径的参比透射孔或参比反射板6，参比透射孔的用于透射式光谱仪，设有参比反射板的用于反射式光谱仪。参比调节盘5上设有参比透射孔或参比反射板6,参比透射孔或参比反射板6的中心距参比调节盘5的中心距离相等，参比调节盘5上的有效参比透射孔或参比反射板6均位于光轴上，参比透射孔或参比反射板6有效直径<光斑直径。光谱仪亮度自校准调节测控系统的光谱测量方法，包括以下步骤a、初始化进行样品预测和系统校准。将待测样品置于光谱仪的测量窗口或取样池内，光源可控稳流单元13按标准方式控制，发出光线经单色器15、取样器17与待测样品发生作用，得到样品的漫反射或漫透射光线。光谱信号采集单元9测量待测样品的作用光线强度的数字量。亮度自动校准控制单元7根据此强度值，计算光源调整参数kl和参比调整比值kc，并控制光源可控稳流单元13的控制电流和参比调节单元16的转动角度；以保证实际测量时样品的测量值大于信号采集单元满量程的1/2，参比的测量信号不超出量程。b、样品测量系统按初始化调整后，光谱仪分别进行背景、参比、样品的作用信号测量，得三者的测量值mC、光谱数据计算根据背景、参比、样品的测量值Dp D2, D3和参比调整比值kc，计算样品实际的反射率或透射率光谱数据G，以及吸光度A
权利要求
1.光谱仪亮度自校准调节测控系统，包括单色器(15)、取样器(17)及电源组成的反射式光谱仪或透射式光谱仪，其特征在于，光谱仪亮度自校准调节测控系统为光机电一体化的闭环控制结构，由光谱信号采集单元(9)、亮度自动校准控制单元(7)、光源可控稳流单元(13)和参比调节单元(16)四部分构成 亮度自动校准控制单元⑵分别连接参比调节单元(16)和光源可控稳流单元(13)，亮度自动校准控制单元(7)接收由光源可控稳流单元(13)发出的光信号经单色器(15)、取样器(17)再由光谱信号采集单元(9)转换的数字信号，根据该信号发出参比调节单元和光源可控稳流单元的控制信号，参比调节单元(16)接收亮度自动校准单元(7)的控制信号，根据该信号调节有效参比位置，电源分别与光谱信号采集单元(9)、亮度自动校准控制单元(7)、光源可控稳流单元(13)和参比调节单元(16)连接。
2.按照权利要求I所述的光谱仪亮度自校准调节测控系统，其特征在于，所述的光谱信号采集单元(9)是由信号转换放大电路分别连接探测器、电源接口和信号接口构成。
3.按照权利要求I所述的光谱仪亮度自校准调节测控系统，其特征在于，所述的亮度自动校准控制单元(7)是由控制电路分别与电源接口、测量信号接口、控制信号I接口和控制信号II接口连接构成。
4.按照权利要求I所述的光谱仪亮度自校准调节测控系统，其特征在于，所述的光源可控稳流单元(13)是由控制信号I接口经数模转换电路、稳流控制电路与光源接口连接，电源接口分别与数模转换电路和稳流控制电路连接构成。
5.按照权利要求I所述的光谱仪亮度自校准调节测控系统，其特征在于，所述的参比调节单元(16)是由参比调节机构和电路两部分构成，电路是由控制信号II接口经电机驱动电路连接电机接口，电机驱动电路经电源接口与光谱仪的电源连接； 参比调节机构是在光谱仪取样器(17)靠近的后侧板(I)或底板(12)上通过螺钉固定有支架(3)，在支架(3)上装有步进电机(2)，在步进电机轴上通过键销装有参比调节盘(5)，参比调节机构安装时使取样器(7)的光轴与参比调节盘(5)上所设的有效参比透射孔或参比反射板(6)的中心在同一直线上，电线(4)与电机接口连接构成。
6.按照权利要求I所述的光谱仪亮度自校准调节测控系统，其特征在于，参比调节盘(5)上等圆心角设有三个以上不同直径的参比透射孔或参比反射板￠)，设有参比透射孔的用于透射式光谱仪，设有参比反射板的用于反射式光谱仪。
7.按照权利要求5、6所述的光谱仪亮度自校准调节测控系统，其特征在于，参比调节盘(5)上设有参比透射孔或参比反射板￠)，参比透射孔或参比反射板(6)的中心距参比调节盘(5)的中心距离相等，参比调节盘(5)上的参比透射孔或参比反射板(6)均位于光轴上，参比透射孔或参比反射板(6)有效直径<光斑直径。
8.一种光谱仪亮度自校准调节测控系统的光谱测量方法，其特征在于，包括以下步骤 a、初始化进行样品预测和系统校准。将待测样品置于光谱仪的测量窗口或取样池内，光源可控稳流单元(13)按标准方式控制，发出光线经单色器(15)、取样器(17)与待测样品发生作用，得到样品的漫反射或漫透射光线。光谱信号采集单元(9)测量待测样品的作用光线强度的数字量。亮度自动校准控制单元(7)根据此强度值，计算光源调整参数kl和参比调整比值kc，并控制光源可控稳流单元(13)的控制电流和参比调节单元(16)的转动角度；以保证实际测量时样品的测量值大于信号采集单元满量程的1/2，参比的测量信号不超出量程。
b、样品测量系统按初始化调整后，光谱仪分别进行背景、参比、样品的作用信号测量，得三者的测量值DpD^D3t5 C、光谱数据计算根据背景、参比、样品的测量值Dp D2, D3和参比调整比值kc，计算样品实际的反射率或透射率光谱数据G，以及吸光度A c "vAkc ■ /)2-DiA = -IogG 其中kc为参比调整比值光谱仪在标准配置时和样品测量时参比的测量值之比； 其计算方法如下 ,Ss KC =— SI Ss为光谱仪在标准配置时所用参比的有效面积，St为光谱仪在样品测量时所用参比的有效面积； Kl为光源调整参数光谱仪在标准配置时和样品测量时光源供电电流之比； D1为光谱仪背景测量值；D2为光谱仪参比测量值；D3为光谱仪样品测量值。
全文摘要
本发明涉及一种光谱仪亮度自校准调节测控系统及光谱测量方法。该系统为光机电一体化的闭环控制结构，由光谱信号采集单元、亮度自动校准控制单元、光源可控稳流单元和参比调节单元四部分构成。其方法是光源可控稳流单元经单色器、取样器得到样品的光谱信号，可控稳流单元控制电流和参比调节单元的转动角度；以保证实际测量时参比的测量信号不超出量程。通过改变样品的入射光强的方式，使光谱仪对不同反射率或透过率样品测量的光谱数据具有一致的信噪比。与现有技术相比，解决了现有光谱仪测量范围有限的问题，扩大仪器的适用范围，提高光谱仪器的通用性；与现有光谱仪或采用不同的光源或取样器的技术方案相比，降低了成本，提高了工作效率。
文档编号G01N21/25GK102636263SQ201210152240
公开日2012年8月15日 申请日期2012年5月16日 优先权日2012年5月16日
发明者于永, 刘杰, 孙玉洋, 滕飞, 王智宏 申请人:吉林大学