光栅式近红外分析仪的制作方法
【专利摘要】光栅式近红外分析仪，涉及粮食、食品固体样品成分及含量分析领域，解决了现有近红外分析仪对粉末质样本检测时的无法获得准确的光谱强度数据的问题，其包括上位机，控制器，与控制器连接的光源、电机、放大器和A/D转换器，与电机连接的样品盘，用于接收光源的光线并将其准直成平行光入射至样品盘上的汇聚透镜，用于接收经过样品盘反射的光线并将其汇聚进入光纤组的第一、第二聚光镜，与放大器电连接的并用于接收光纤组的光线的单色仪，放大器与A/D转换器电连接。本发明主要针对粉末质粮食成分的测量，卤素灯照明强度大，能量稳定，光线由光纤传导得到最大的无损保真输入，提取出较为丰富的光谱信息，通过控制器实时监测，有效避免误动作。
【专利说明】光栅式近红外分析仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及粮食、食品固体样品成分及含量分析【技术领域】，具体涉及一种光栅式近红外分析仪。
【背景技术】
[0002]在测量谷物成分及含量时，通常采用简单的物理方法或者较为复杂的化学检测方法，化学检测方法测量时间长，且费时费力，物理方法需要破坏样本，容易造成环境污染，为弥补这一缺陷，国内外已经相继开发出了许多检测仪器，如远红外、中红外、近红外光谱检测仪等，通过监测红外光照射下样本粒子产生的振动光谱，分析确定谷物成分及含量，具有不破坏样品，不用试剂，不污染环境，便于操作等特点，现已广泛应用于食品检测领域。
[0003]由于粉末质样本相较于颗粒状样本排列坚实，透过率很低，使得现有的近红外分析仪检测到的弱电信号不足以达到被分析的强度，因此，无法获得准确的光谱强度数据。
【发明内容】
[0004]为了解决现有的近红外分析仪在对粉末质样本进行检测时存在的无法获得准确的光谱强度数据的问题，本发明提供一种光栅式近红外分析仪。
[0005]本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下:
[0006]光栅式近红外分析仪，包括:
[0007]上位机，与上位机电连接的控制器，分别与控制器电连接的光源、电机、放大器和Α/D转换器，与电机电连接的样品盘，设置在光源和样品盘之间的并用于接收光源的光线并将其准直成平行光入射至样品盘上的汇聚透镜，用于接收经过样品盘反射的光线并将其汇聚进入光纤组的第一聚光镜和第二聚光镜，与放大器电连接的并用于接收光纤组的光线的单色仪，所述放大器与Α/D转换器电连接；
[0008]所述上位机向控制器发送光源开启指令，控制器按接收到的光源开启指令开启光源，光源的光经过汇聚透镜汇聚后转换成平行光照射在样品盘上，光线在样品盘和第一聚光镜和第二聚光镜之间发生漫反射后，第一聚光镜和第二聚光镜将携带丰富的样本信息的光线汇聚至光纤组上，经过光纤组无损高保真传导至单色仪中，光线经过单色仪处理后转换为弱电信号传入放大器中，放大器接收弱电信号并对其进行运算放大后传入Α/D转换器中，Α/D转换器将模拟信号转换为数字信号传递给控制器，通过上位机读取光谱数据，利用上位机中的光谱处理分析软件对接收到光谱数据进行分析处理，实现样品的定量分析。
[0009]所述单色仪包括腔体；设置在腔体内部的用于将携带样品信息的光线准直成平行光的第一反射镜，用于接收平行光并对其进行分光的光栅，用于汇聚通过光栅分光后的各波段光的第二反射镜，用于探测汇聚光成像的探测器；
[0010]设置在腔体外部的位于第一反射镜焦点上的光纤入射孔，与探测器直接固定相连的USB接口 ；
[0011]携带有样品信息的光线经光纤传导后由光纤入射孔高保真无损入射至腔体内的第一反射镜上，光线经第一反射镜准直成平行光入射至光栅上，平行光经光栅分光后转换为不同波长下的光照射在第二反射镜上，第二反射镜将上述各波长下的光谱数据汇聚至探测器上，探测器将接收到的光谱数据转换为弱电信号并由USB接口直接导出。
[0012]所述探测器采用硅探测器。
[0013]所述光栅采用长春赛奥科技开发有限公司的平面光栅,尺寸为15_X15_X4mm,每毫米300线。
[0014]所述光栅的光谱波长范围为900nm?1665nm,每间隔3nm取一个光谱值,共得到256个光谱值。
[0015]所述光源采用卤素灯。
[0016]所述放大器采用AD8250芯片。
[0017]所述A/D转换器采用LTC1609芯片。
[0018]所述电机采用35BYGH28-0504步进电机。
[0019]所述控制器采用STM32F103ZET6芯片，控制器接收上位机的控制指令对光谱数据进行采集、对比及测量。
[0020]本发明的有益效果是:
[0021]1、本发明主要针对粉末质粮食成分进行测量，采用卤素灯进行照明，照明强度大，能量稳定；
[0022]2、本发明中光线经由光纤传导得到最大的无损保真输入，光线经过各项性能及参数计算后合理步局反射镜及光栅装置，提取出有用的光谱波段并尽量细化为256个波段，波段范围为900nm?1665nm，每间隔3nm取一个光谱值，提取出尽可能丰富的光谱信息，进行信号放大以及后续处理；
[0023]3、本发明通过控制器实时监测，并接收上位机的控制指令，有效避免了误动作问题；
[0024]4、本发明的分析仪是一台智能化高精密分析仪器，可同时定量定性分析多种成分，透射深度大，可通过玻璃或石英等介质而不易被吸收等特点，尤其对谷物粮油等关系民生的重点行业提供了坚实可靠的检测支持。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明的光栅式近红外分析仪的结构示意图；
[0026]图2为单色仪的结构示意图。
[0027]图中:1、腔体,2、光纤入射孔,3、第一反射镜,4、光栅,5、第二反射镜,6、探测器,7、
USB 接口。
【具体实施方式】
[0028]以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0029]如图1所示，本发明的光栅式近红外分析仪，由光源、汇聚透镜、第一聚光镜、第二聚光镜、样品盘、电机、光纤组、单色仪、放大器和A/D转换器、控制器和上位机组成,上位机与控制器通过电缆线相连，控制器分别与光源、电机、放大器和A/D转换器通过电缆线相连，电机与样品盘通过电缆线相连，单色仪与放大器通过电缆线相连，放大器与A/D转换器通过电缆线相连，汇聚透镜放置在光源与样品盘之间，用于接收光源的光线并将其准直成平行光入射至样品盘上，第一聚光镜和第二聚光镜用于接收经过样品盘反射的光线并将其汇聚进入光纤组中，单色仪靠近光纤组设置，用于接收来自光纤组的光线。
[0030]如图2所示，单色仪由腔体1、光纤入射孔2、第一反射镜3、光栅4、第二反射镜5、探测器6和USB接口 7组成，第一反射镜3、光栅4、第二反射镜5和探测器6均固定设置在腔体I内部，光纤入射孔2和USB接口 7均固定设置在腔体I外部上，光纤入射孔2位于第一反射镜3的焦点上，第一反射镜3用于将携带样品信息的光线准直成平行光，光栅4用于接收平行光并对其进行分光，第二反射镜5用于汇聚通过光栅4分光后的各波长下的光，探测器6用于接收光谱数据并将其转换为弱电信号，探测器6与USB接口 7直接固定连接，USB接口 7与放大器相连。
[0031]本实施方式中，探测器6采用硅探测器，具有价格便宜、体积小、信噪比高及热影响小等特点。
[0032]本实施方式中，根据实际测量的需要并通过计算对各光学器件进行选型，光栅4采用长春赛奥科技开发有限公司的平面光栅，尺寸为15mmX 15mmX4mm,每毫米300线(300/mm)。
[0033]利用光栅4通过光的相干叠加分别读取不同波长下的光谱强度数据，光栅4主要起到波长选择的作用，通过光栅16次取平均值，各波段全扫描一次后得出最终的256条光谱信息，光谱波长范围为900nm?1665nm，每间隔3nm取一个光谱值，总共得到256个光谱值，充分保障了光谱信息的充实性及完整性，且通过光栅4分光极大的减少了杂散光的影响，提升弱信号检测的准确性，使光谱强度数据具有良好的稳定性及准确性。
[0034]本实施方式中，光源采用卤素灯。
[0035]本实施方式中，放大器采用AD8250芯片，具有高速、增益可变及低噪声等特点。
[0036]本实施方式中，Α/D转换器采用LTC1609芯片。
[0037]本实施方式中，电机采用35BYGH28-0504步进电机，具有结构稳定、运行精确等特点。
[0038]本实施方式中，控制器是一种微型小系统计算机控制模块，即微控芯片，具体采用STM32F103ZET6芯片，光谱数据的采集、对比、测量及分析仪的动作控制都通过上位机控制控制器来实现。
[0039]本发明的光栅式近红外分析仪的工作过程如下:
[0040]上位机向控制器发送光源开启指令，控制器按照接收到的光源开启指令开启光源，卤素灯光源发出的光经过汇聚透镜的汇聚后转换成平行光照射在样品盘上，光线在样品盘和第一聚光镜和第二聚光镜之间发生漫反射后，第一聚光镜和第二聚光镜将携带丰富的样本信息的光线汇聚至光纤组上，经过光纤组无损高保真传导至单色仪中，即携带有样品信息的光线经过光纤传导后由光纤入射孔2高保真无损入射至光路系统的腔体I内，携带样品信息的光线由光纤入射孔2入射至第一反射镜3上，第一反射镜3将光线准直成平行光入射至光栅4上，平行光经光栅4分光后转换为不同波长下的光照射在第二反射镜5上，光谱波长范围为900nm?1665nm，每间隔3nm取一个光谱数据，共得到256个光谱数据，第二反射镜5将上述各波长下的光也就是256个光谱数据汇聚至探测器6上，探测器6将接收到的光谱数据转换为弱电信号并由USB接口 7直接导出，放大器接收弱电信号并对其进行运算放大后传入A/D转换器中，A/D转换器将模拟信号转换为数字信号传递给控制器，通过上位机读取光谱数据，利用上位机中的光谱处理分析软件对接收到光谱数据进行分析处理，实现样品的定量分析。
[0041]本发明的光栅式近红外分析仪在测量的过程中，上位机向控制器发送启动电机的命令，控制器按照接收到的控制指令启动电机，此时，电机带动样品盘匀速转动，使得样品盘中的样品由于颗粒大小、形状和分布不同而产生的光谱吸收差异通过多次测量而消除，得到更为准确的测量结果，在整个测量过程中，电机在控制器的信息实时传递及调控下精确运行。
[0042]本发明的光栅式近红外分析仪在测量的过程中，对特定的样品体系，近红外光谱特征峰的差别并不明显，需要通过光谱的处理减少以消除各方面因素对光谱信息的干扰，再从差别甚微的光谱信息中提取样品的定量信息。
【权利要求】
1. 光栅式近红外分析仪，其特征在于，包括:上位机，与上位机电连接的控制器，分别与控制器电连接的光源、电机、放大器和A/D转换器，与电机电连接的样品盘，设置在光源和样品盘之间的并用于接收光源的光线并将其准直成平行光入射至样品盘上的汇聚透镜，用于接收经过样品盘反射的光线并将其汇聚进入光纤组的第一聚光镜和第二聚光镜，与放大器电连接的并用于接收光纤组的光线的单色仪，所述放大器与A/D转换器电连接；所述上位机向控制器发送光源开启指令，控制器按接收到的光源开启指令开启光源，光源的光经过汇聚透镜汇聚后转换成平行光照射在样品盘上，光线在样品盘和第一聚光镜和第二聚光镜之间发生漫反射后，第一聚光镜和第二聚光镜将携带丰富的样本信息的光线汇聚至光纤组上，经过光纤组无损高保真传导至单色仪中，光线经过单色仪处理后转换为弱电信号传入放大器中，放大器接收弱电信号并对其进行运算放大后传入A/D转换器中，A/D转换器将模拟信号转换为数字信号传递给控制器，通过上位机读取光谱数据，利用上位机中的光谱处理分析软件对接收到光谱数据进行分析处理，实现样品的定量分析。
2.根据权利要求1所述的光栅式近红外分析仪，其特征在于，所述单色仪包括:腔体(I);设置在腔体(1)内部的用于将携带样品信息的光线准直成平行光的第一反射镜(3)，用于接收平行光并对其进行分光的光栅(4)，用于汇聚通过光栅(4)分光后的各波段光的第二反射镜(5)，用于探测汇聚光成像的探测器(6);设置在腔体(1)外部的位于第一反射镜(3)焦点上的光纤入射孔(2)，与探测器(6)直接固定相连的USB接口(7)；携带有样品信息的光线经光纤传导后由光纤入射孔(2)高保真无损入射至腔体(1)内的第一反射镜(3)上，光线经第一反射镜(3)准直成平行光入射至光栅(4)上，平行光经光栅(4)分光后转换为不同波长下的光照射在第二反射镜(5)上，第二反射镜(5)将上述各波长下的光谱数据汇聚至探测器(6)上，探测器(6)将接收到的光谱数据转换为弱电信号并由USB接口(7)直接导出。
3.根据权利要求2所述的光栅式近红外分析仪，其特征在于，所述探测器(6)采用硅探测器。
4.根据权利要求2所述的光栅式近红外分析仪，其特征在于，所述光栅(4)采用长春赛奥科技开发有限公司的平面光栅，尺寸为15mmX 15mmX 4mm,每毫米300线。
5.根据权利要求2或4所述的光栅式近红外分析仪，其特征在于，所述光栅(4)的光谱波长范围为900nm~1665nm，每间隔3nm取一个光谱值，共得到256个光谱值。
6.根据权利要求1所述的光栅式近红外分析仪，其特征在于，所述光源采用卤素灯。
7.根据权利要求1所述的光栅式近红外分析仪，其特征在于，所述放大器采用AD8250-H-* I I心/T O
8.根据权利要求1所述的光栅式近红外分析仪，其特征在于，所述A/D转换器采用LTC1609 芯片。
9.根据权利要求1所述的光栅式近红外分析仪，其特征在于，所述电机采用35BYGH28-0504 步进电机。
10.根据权利要求1所述的光栅式近红外分析仪，其特征在于，所述控制器采用STM32F103ZET6芯片，控制器 接收上位机的控制指令对光谱数据进行采集、对比及测量。
【文档编号】G01N21/359GK103528984SQ201310498403
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】林新光, 朴仁官 申请人:长春长光思博光谱技术有限公司