一种声光调制双光路双探测器型近红外光谱仪及测试方法与流程

本发明涉及实时光谱分析技术的改进，具体指一种基于声光可调谐滤光器分光方式，利用分束器实现能量分束比可控的单色信号光和参考光，并采用双光路双探测器按次序测试无器皿、空器皿、含样品器皿时的参考光及测量光信号的测试方法，通过综合数据处理实现有效降低测试误差，属于光电技术领域。

背景技术：
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随着化学计量学、光纤和计算机技术的进步，光谱分析技术作为“绿色检测技术”的代表，具备有效提高分析效率，降低人工和生产成本的优势，而取得飞速发展。目前，光谱分析技术在分析测试领域，尤其是在线分析测试和工业控制领域扮演了越来越重要的角色。总体而言，光谱分析仪器因分析速度快、适用范围广、以及非破坏性在线检测等优势，在分析测试仪器中占有重要地位，广泛应用于包括农牧、食品、化工、石化、制药、烟草等在内的许多实用领域。

声光可调谐滤光器(Acousto-optic tunable filter，AOTF)是一种窄带可调谐滤光器，它是根据声光作用原理制成的分光器件。当一束复色光通过一个高频振动的具有光学弹性的晶体时，某一波长的单色光将会在晶体内部产生衍射，以一角度从晶体中透射出来，未发生衍射的复色光则沿原光线传播方向直接透射过晶体，由此达到分光的目的。通过改变施加在晶体上的射频驱动的频率选择分光波长，从而实现波长扫描。目前，基于声光可调谐滤光器的光谱分析仪器研制在国内尚处于起步阶段，商业化的产品鲜见报道。相关仪器系统的研制仍然存在着一些技术瓶颈，主要体现在光谱分辨率、检测灵敏度、采集速度以 及多样品检测的适应性上。

文献调研发现，针对上述技术难点提出的基于AOTF的分光原理的解决方式(专利CN 201210511740)，提供一种采用占空比调控技术的AOTF型近红外光谱仪，通过控制脉冲发生器和射频驱动源实现对射频输出信号的占空比设置，从而使声光可调谐滤光器按控制要求进行扫描分光，以达到提高光谱分辨率及检测灵敏度的目的。但该方式也存在一定的局限性，主要体现为仪器光电信号获取光路既无法消除光源不稳定引起的光强起伏变化,也无法消除环境干扰引入的误差影响。另外，该方式实际检测过程中样品器皿的不一致性也会影响对待测样品的光谱测量准确性。

技术实现要素：
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针对现有技术存在的不足，本发明提供一种双光路双探测器的光谱分析仪器及测试方法，以有效降低光源不稳定、环境干扰、样品器皿差异引起的测试误差。

该发明的主要设计思路为：

1)选用声光可调滤光器作为分光器件，采用双光路双探测器设计，经声光可调谐滤光器分光后的单色光由可调分束器分为能量分束比可控的参考光和测量光，其中参考光信号由参考光路及相应光电探测器接收，测量光首先入射至样品池，其透射(或者反射)光信号由测量光路及相应光电探测器接收

2)采用按次序测试无器皿、空器皿、含样品器皿时的参考光及测量光信号，综合进行数据处理的方法，有效降低光源不稳定、两探测器差异、环境干扰、样品器皿差异等引起的测试误差；

3)样品测试前，根据待测样品光学特性，结合可调光阑并利用可调分束器对参考光和测量光的能量及分束比进行调节，使两者能量适当且量级接近， 提高仪器动态范围并增强测试数据的有效性。

本发明具体说明如下：

1、本发明所述的光谱分析仪器包括光谱分析光学(1)、射频驱动模块(2)、信号采集模块(3)、控制及处理模块(4)、电源模块(5)、比色皿样品测试结构(6)，如图1所示。其中光谱分析光学包括光源(101)、离轴抛物面会聚镜(102)、可调光阑(103)、离轴抛物面准直镜(104)、AOTF(105)、会聚透镜(106)、可调分束器(107)；射频驱动模块包括DDS芯片(201)、射频变压器(202)、LC低通滤波(203)、低噪声放大器(204)、功率放大器(205)、SP2T射频开关(206)；信号采集模块包括参考信号探测器(301)、参考信号探测器前置放大电路(302)、测试信号探测器(303)、测试信号探测器前置放大电路(304)、锁相放大电路(305)、A/D数据采集电路(306)；控制及处理模块包括FPGA软件(401)及上位机(402)；电源模块包括一次电源(501)、二次电源(502)；比色皿样品测试结构包括比色皿(601)、可切换比色皿支架(602)。

2、所述的光谱分析光学将光源光线会聚、空间滤波及准直后，通过AOTF(105)，由控制及处理模块(4)控制射频驱动模块(2)驱动分光，形成所需的测量单色光；该单色光由会聚透镜(106)会聚后，结合待测样品的光学特性及参考光和测量光探测信号值，由可调光阑(103)实现光能量级控测，由可调分束器(107)实现参考光和测量光分束比调整，两者结合实现参考光及测量光的能量适当且量级接近控制。

3、所述的比色皿样品测试结构，结合测试方法，由可切换比色皿支架(602)实现将比色皿(601)在A、B、C位置的切换，实现按次序测试无器皿、空器皿及含样品器皿时的参考光及测量光信号，综合数据处理达到降低光源不稳定、 两探测器差异、环境干扰、样品器皿差异等引起的测试误差的目的。

4、本发明所述的综合数据处理，在结合测量方法获得无器皿、空器皿及含样品器皿时的参考光及测量光信号后，进行如下处理：

1)将无器皿的测量光光谱I_2无和参考光光谱I_1无按公式1处理，得到无器皿时的测量光及参考光的光谱能量比例关系常数向量C，建立参考光与入射测量光的固有关系。此时，测量光及参考光的同步测试值包括了光源、光学器件、探测器及其电路、环境干扰的影响，用于后续数据处理可降低光源不稳定、探测器及电路差异、环境干扰的影响；

2)将空器皿的测量光光谱I_2空和参考光光谱I_1空按公式2处理，建立参考光与通过器皿后的测量光固有关系，得到器皿本身的光谱透射率T_空，用于后续数据处理可消除样品器皿差异的影响；

3)将含样品器皿的测量光光谱I_2含样和参考光光谱I_1含样按公式3处理，建立参考光与通过含样器皿后的测量光固有关系，得到含样器皿的透射率光谱T_含样。

4)结合参考光与通过含样品器皿后的测量光固有关系，以及透射率光谱，经公式4、公式5处理，可得到样品自身透射率光谱曲线以及吸光度。

由朗伯-比尔定律：

$A=\log \frac{1}{T}=Klc,$

其中，K光被吸收的比例系数，c样品浓度，l光程，T透射比，A吸光度。

易知，A_含样＝A_空+A_样品

故可推导出：

本发明所述的测试步骤如附图2所示，具体说明如下：

1、参考光和测量光的能量及分束比进行调节：测试结构处于含样品器皿状态(仅用于调节)，利用可调光阑及可调分束器对参考光和测量光的能量及分束比进行调节，使两者信号适当且量级接近；

2、无器皿参考光和测量光测试：移除比色皿支架上的比色皿，测试参考光和测量光信号，储存待处理；

3、空器皿参考光和测量光测试：将空器皿装入比色皿支架，测试参考光和测量光信号，储存待处理；

4、含样品器皿参考光和测量光测试：将上步骤中已测空器皿装入待测样品，放入比色皿支架，测试参考光和测量光信号，储存待处理；

5、数据处理；

6、完成该次测试试验。

本专利的优点在于：

1)采用双光路双探测器设计，按次序测试无器皿、空器皿及含样品器皿时的参考光及测量光信号，综合数据处理，有效降低光源不稳定、两探测器差异、环境干扰、样品器皿差异等引起的测试误差；

2)测试前根据待测样品光学特性，利用可调光阑及可调分束器对参考光 和测量光的能量及分束比进行调节，使两者信号适当且量级接近，提高测试数据的有效性。

附图说明：

图1为本发明光谱分析仪器原理框图，

其中，1-光谱分析光学、2-射频驱动模块、3-信号采集模块、4-控制及处理模块、5-电源模块、6-比色皿样品测试结构。

图2为测试步骤流程图。

具体实施方式：

下面是根据图1给出的本专利的一个较好的实施例，用以说明本专利的结构特征和实施方法，而不是用来限定本专利的范围。

基于声光可调谐滤光器的双光路双探测器型近红外光谱仪包括以下几个部分：

(1)宽谱段卤素光源101：本实施例中选用德国欧司朗照明有限公司的Halogen Display/Optic Lamp，其额定功率20W，额定电压12V。

(2)离轴抛物面反射镜102、104：本实施例中选用北京茂丰光电科技有限公司的OQALM76.2-002，OQALM25.4-001型离轴抛物面镜，单焦长为38.1mm和12.7mm。

(3)可调孔径光阑103：本实施例中选用Thorlabs公司的D5S可调孔径光阑，孔径直径0.7mm-5mm。

(4)声光可调谐滤光器105：本实施例中选用中国电子科技集团26研究所研制的短波近红外声光可调谐滤光器。

其具体指标为：

(5)可调分束器107：本实施例中该器件由一维手动精密平移台和切光镜自制而成。

(6)光电探测器301、303：本实施例中选用美国Judson公司的J23TE3-66C-R01M-2.6型探测器，光敏面直径为1mm。

(7)比色皿样品测试结构6中的比色皿：选择材质为JGS2石英玻璃比色皿，比色皿支架为自制件。

(8)射频驱动模块2为自制电路板，主要包括FPGA控制器、基于DDS的射频信号发生器、射频变压器、LC低通滤波器、低噪声放大器、功率放大器、SP2T射频开关等。

(9)电源模块5为自制电路板，其中二次电源502使用DC-DC模组，型号分别为DF20-24D12，DF20-24S15，DFB10-24S5，主控电源模块的DC-DC变换使用LT公司的集成稳压芯片，最大输出电流可达3A。

(10)信号采集模块为自制电路板，包括两路探测器及前置放大、锁相放大、A/D数据采集，以及FPGA。

(11)上位机用电脑采用联想公司生产的台式电脑，其中的上位机软件为自编制软件。

测试及数据处理步骤为：

1、参考光和测量光的能量及分束比进行调节

测试结构处于含样品器皿状态(仅用于初始调节)，利用可调光阑及可调分束器对参考光和测量光的能量及分束比进行调节，使两者信号适当且量级接近；

2、样品测试

开启宽谱段卤素光源101，经过离轴抛物面反射镜102、可调孔径光阑103、离轴抛物面反射镜104准直平行处理后的复色光入射声光可调谐滤光器105；将待测样品置于比色皿样品池6中，控制及处理模块4输出调制的射频驱动信号，该驱动信号驱动声光可调谐滤光器105；分光后获得的调制单色光经过会聚准直镜组106后由分束器107分为参考光和测量光两路光信号，参考光路信号由参考光路光电探测器301接收，测量光入射比色皿样品池6，透射(或者 反射)光信号由测量光路光电探测器303接收；信号采集模块利用锁相放大相关解调技术提取两路光电信号，上传至计算机，从而完成光谱信息的采集处理。

3、数据处理

利用前述公式2、公式3、公式4，可求出所需的被测样品的透射比光谱：

对一系列样品测得的数据，通过上位机均做如上处理，然后保存。留作后续的定量分析等各种应用。

本测试方法简单，光路简便，可操作性强，双光路双探测器的设计以及结合按次序测试无器皿、空器皿及含样品器皿时的参考光及测量光信号的测试方法，能有效降低光源不稳定、两探测器差异、环境干扰、样品器皿差异等引起的测试误差，提高测试精度，是较为理想的近红外光谱分析仪器。