红外水分检测实验仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种红外水分检测实验仪，包括实验仪主机、光采集球和红外光源，实验仪主机上设置有五位数显光强显示、四位数显水分显示、信号输入端口、红外光源端口、波长选择旋钮、测量物质选择旋钮、测量按键和USB信号通信端口；实验仪主机内具有微处理器主芯片，信号采集与放大、信号调理、A/D转换、开关控制、驱动和显示电路。本实验仪采用多种红外光源和高性能微处理器芯片，是一种结构简单、低成本的实验仪，能实现对多种物质的水分检测的功能，适合于生物学、食品质量、信息光学等课程的测量与教学实验。
【专利说明】红外水分检测实验仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种红外水分检测实验仪，属于电子检测技术应用和实验应用的领域。
【背景技术】
[0002]在食品、烟草、纺织、纸张等材料生产部门，水分是许多产品直接和间接的基本检验指标之一，各种物质水分的含量是这些物质在生产、运输、储存、交易和处理期间所需要了解的重要参数，常见水分测定的方法主要有:干燥法、电导法、电容法、微波法、近红外光线法等。
[0003]随着科学技术的飞速发展，红外光分析技术和近红外测量仪器的应用越来越普遍和广泛，它具有样品用量少、不破坏样品、无需对样品进行化学处理，并可快速进行测量分析等优点。但是这些红外光仪器大都是采用连续光谱的光源，通过各种分光装置将连续光谱分光后与待测物质发生相互作用，或是将与待测物质相互作用后的复合光再分光，存在着光路复杂、仪器的调试过程繁琐、价格昂贵等特点，难以大量推广和应用。
[0004]同时由于红外分析仪器价格贵，这样很多学生并没有亲自动手的机会，难以很好的理解红外光应用所采用的基本方法和技术。
实用新型内容
[0005]针对现有的测量和实验仪器的不足，本实用新型设计的红外水分检测实验仪，是一种结构简单、低成本的红外光检测实验仪，能完成对多种产品的水分的检测。它首先将红外光源产生的近红外波段的光照射到光采集球内测量盒中的测量物质上，并产生漫反射光，漫反射光经过光采集球收集后由光电传感的红外探测器接收，红外探测器接收到光信号，产生微弱的电流信号，并将信号传输到实验仪主机后，经过放大电路将信号放大，并经信号调理，输入到A/D模块转换成数字电压信号并传输给微处理器进行计算处理，最后分别由两个数码管显示输出测量的光强和水分结果。
[0006]本实用新型包括实验仪主机、光采集球和红外光源，实验仪主机上设置有五位数显光强显示、四位数显水分显示、信号输入端口、红外光源端口、波长选择旋钮、测量物质选择旋钮、测量按键和USB信号通信端口 ；实验仪主机内具有微处理器主芯片，信号采集与放大、信号调理、A/D转换、开关控制、驱动和显示电路，用于完成信号的采集、计算处理和显示，其信号采集电路、放大电路、信号调理电路、A/D转换电路、微处理器、显示电路依次相连，其微处理器、开关控制电路、驱动电路、红外光源依次相连。
[0007]其光采集球包括球壳、底座、红外光源、红外探测器和测量盒，其测量盒置于光采集球球壳的正下方，测量盒上有螺纹，与球壳的上的螺纹相匹配，方便于更换测量物质，红外光源共有三个，有三种不同波长，置于球壳右上方与竖直方向偏离8°角的地方,红外探测器水平置于光采集球的球壳中线左方，其下方设置有一片阻光档板，以阻止光红外光直接进入红外探测器。
[0008]本实用新型采用的光采集球的主要部分是一个中空的完整球壳，其正下部有装检测物质的测量盒，其光采集球壳的下面有底座。光采集球壳的内壁涂白色漫反射层，且球内壁各点漫射均匀，使光源在经检测物质后在球壁反射的光是由多次反射光产生的光叠加而成的。
[0009]本实用新型采用的微处理器是TI公司生产的MSP430F479。它是一款超低功耗的微处理器，它基于真正的正交16位RISCCPU内核，具有16个可单周期全寻址的16位寄存器，3个不同的时钟信号,6种工作模式随时转换,耗电电流很小。并可置于省电模式，以中断的方式唤醒，尽可能地降低功耗。MSP430F479具有强大的运算性能、片内包括有精密硬件乘法器、具有60KB的FLASH、2KB的RAM、16位的A/D转换器、高精度比较器等常用资源。通过片内的JTAG调试接口即可完成系统编码的调试，开发环境方便高效。
[0010]本实用新型的测量原理是依据物质中的水分子对特定波长的近红外线的强烈吸收的关系，本实验仪采用的红外反射法是利用被测物质表面反射的近红外光强来确定被测物品的水分含量。纯水的O-H键伸缩振动的一级倍频约在1440nm，二级倍频在960nm，还有两个合频分别位于1940nm和1220nm附近。所以本实验仪采用三种波长法，选取三种不同波长的红外光源，即一个被水强烈吸收的波长的测量波长1450nm波长的光源和两个被水吸收不太强的波长的参比波长1950nm和960nm的光源，经检测和计算这三个波长反射光的光强关系，从而得到准确的物质所含水分的比例值。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是实验仪外观图，其中的I是五位数显光强显示，2是信号输入端口，3是红外光源端口，4是波长选择旋钮，5是测量物质选择旋钮，6是测量按键，7是四位数显水分显不，8是USB彳目号通彳目端口。
[0012]图2是光米集球不意图，其中的9是球壳，10是底座，11是红外光源，12是红外探测器，13是测量盒，14是光源控制线，15是信号线，16是阻光档板。
[0013]图3是系统电路原理图。
【具体实施方式】
[0014]结合附图，下面具体说明红外水分检测实验仪的工作和实施情况。
[0015]本实用新型的光采集球采用扩散照明8°方向受光进行测量，光采集球将光经多次反射后，均匀地散射在采集球内部，使之成为一个理想均匀的光源，对红外光有近99 %的反射率，红外探测器水平置于光采集球球壳中线的左边，并在其下方设置有一片阻光挡板，避免了测量物质的光反射直接进入探测器。
[0016]本实验仪的红外探测器，作为优选，选择在近红外区响应敏感的滨淞公司的G8372型InGaAs光电二极管，光谱响应范围为900nm-2100nm，响应速度快。
[0017]其光采集球上的信号线与实验仪主机上的信号输入端口相连，用于将采集信号传输给实验仪主机；其光采集球上的光源控制线与实验仪主机上的红外光源端口相连，用于通过实验仪主机控制红外光源的开和关。
[0018]本实用新型共建立了奶粉、大米、面粉三种测量物质的测量模型,并结合测量物质选择旋钮进行不同测量物质种类的选择。
[0019]实际实验中的各种测量物质的水分含量范围在一般在1%?20%，在本实用新型的水分检测计算中，采用多元线性回归方程的水分模型，其为:
[0020]Y = AXiA1XiiA2X2
[0021]式中，Y为测量的各物质的水分含量，X为1450nm波长下的光强输出，X1为1950nm波长下的光强输出，X2为960nm波长下的光强输出，A, A1, A2为模型的参数。实验中，各参数已输入微处理器。
[0022]本实验仪的信号输入和红外光源端口都采用多芯航空插座，USB是微机接口的新型总线规范，其便捷易用、可靠性高等特点，适合本实验仪的接口方式，方便与电脑进行连接。
[0023]实验仪使用中，结合波长选择旋钮共有三个波长单独使用和三个波长自动连续变化四种模式可以进行选择。
[0024]本实验仪是一种结构简单、低成本的实验仪，能实现对多种物质的水分检测的功能，适合于生物学、食品质量、信息光学等课程的测量与教学实验。
【权利要求】
1.一种红外水分检测实验仪，包括实验仪主机、光采集球和红外光源，其特征是:实验仪主机上设置有五位数显光强显示(I)、四位数显水分显示(7)、信号输入端口(2)、红外光源端口(3)、波长选择旋钮(4)、测量物质选择旋钮(5)、测量按键(6)和USB信号通信端口(8);实验仪主机内具有微处理器主芯片，信号采集与放大、信号调理、A/D转换、开关控制、驱动和显示电路，用于完成信号的采集、计算处理和显示，其信号采集电路、放大电路、信号调理电路、A/D转换电路、微处理器、显示电路依次相连，其微处理器、开关控制电路、驱动电路、红外光源依次相连。
2.根据权利要求1所述的红外水分检测实验仪，其特征是:其光采集球包括球壳(9)、底座(10)、红外光源(11)、红外探测器(12)和测量盒(13)组成，其测量盒(13)置于光采集球的球壳正下方,其红外光源共有三个,有三种不同波长,置于球壳右上方与竖直方向偏离8°角的地方，红外探测器水平置于光采集球的球壳中线左方，其下方设置有一片阻光档板。
3.根据权利要求1所述的红外水分检测实验仪，其特征是:其光采集球上的信号线(15)与实验仪主机上的信号输入端口(2)相连,用于将米集信号传输给实验仪主机；其光采集球上的光源控制线(14)与实验仪主机上的红外光源端口(3)相连，用于通过实验仪主机控制红外光源的开和关。
【文档编号】G01N21/359GK203929624SQ201420365608
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】汪建, 冯兴, 孙萍, 孙希媛 申请人:四川农业大学, 汪建