一种近红外光谱自动在线检测装置及控制方法与流程

本发明涉及农产品质量安全光学无损检测，特别涉及一种漫反射和漫透射集成的近红外光谱自动进样在线检测装置及控制方法。

背景技术：

近年来，光谱检测技术得到了飞速发展，其应用也扩展至各个领域。但，目前光谱检测装置普遍采用单一的光谱采集方式（反射或透射），未见同时将两种光谱采集模式集成的检测仪器；现有的光谱检测仪进样方式，多采用人工单个进样，尤其是用于科研和教学的光谱检测仪，均未实现自动进样和在线检测。同时，现有仪器对于样品的光谱采集基本都是采集单一区域的光谱信息，这对于获取待测样品的光谱信息是不全面的，若要采集单个样品多个区域的光谱信息需人工将样品转换位置再重新采集光谱信息，这给采集工作势必会带来极大不便。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有光谱检测装置的缺点与不足，提供一种漫反射和漫透射集成的近红外光谱自动进样在线检测装置及控制方法，以完成多个待测样品自动进样，并利用漫反射和漫透射光谱采集实现对单个样品多区域的光谱自动检测。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种近红外光谱自动在线检测装置，包括自动送样系统和近红外光谱采集系统，其中，

所述自动送样系统包括位于下方的间歇式进样机构和位于所述间歇式进样机构上方的样品旋转机构；所述的近红外光谱采集系统包括漫反射和漫透射集成采集光路及光源调控机构；

所述间歇式进样机构包括设有多个样品位的进样转盘、多个试管夹具、转盘驱动盘、第一驱动机构，其中进样转盘的每一样品位的上部设有夹具孔，下部设有用于置入盛样试管的试管孔，多个试管夹具分别放置在进样转盘的夹具孔中，进样转盘的底部连接转盘驱动盘，第一驱动机构连接转盘驱动盘，并经转盘驱动盘带动进样转盘及试管夹具转动，第一驱动机构运转一次，进样转盘转动第一角度，即移动一个样品位，将一个样品送入光谱采集工位；

所述样品旋转机构包括第二驱动机构、凸轮传动轴、凸轮传动箱、超越离合器、凸轮、锥齿轮副、夹具驱动轴、夹具驱动盘，第二驱动机构通过联轴器连接凸轮传动轴的一端，该凸轮传动轴经深沟球轴承安装于凸轮传动箱上，且位于凸轮传动箱内的凸轮传动轴上经超越离合器安装凸轮，凸轮传动轴的另一端经锥齿轮副连接夹具驱动轴的一端；所述凸轮经凸轮滚子及推杆连接轴承架；所述夹具驱动轴的中部两处分别经深沟球轴承安装于凸轮传动箱外部的一端及轴承架内，且夹具驱动轴的另一端固定连接用于驱动所述试管夹具转动的夹具驱动盘；当凸轮传动轴正转时，超越离合器处于传动状态，凸轮随凸轮传动轴转动而转动，并通过凸轮滚子及推杆带动轴承架、夹具驱动盘向下或向上移动，同时凸轮传动轴经锥齿轮副带动夹具驱动轴、夹具驱动盘正转180度后与一试管夹具对接；当凸轮传动轴反转时，超越离合器处于超越状态，凸轮不能被传动，夹具驱动盘不上、下移动，仅凸轮传动轴经锥齿轮副、夹具驱动轴带动夹具驱动盘反转第二角度，保证夹具驱动盘与试管夹具有效接触；

所述漫反射和漫透射集成采集光路包括光谱仪、可控光路切换器、第一准直镜、第二准直镜、第一、二光源，所述第一、二光源经光源调控机构对称设置于所述光谱采集工位的盛样试管前方两侧，第一准直镜架设于盛样试管前方，第二准直镜架设于盛样试管后方，且第一、二准直镜经近红外石英光纤及可控光路切换器连接光谱仪。

所述光源调控机构包括第三步进电机、第三联轴器、丝杠螺母副、对称四杆机构、底座、第一丝杆架、第二丝杆架，所述第一、二丝杆架安装固定于底座上，且所述丝杠螺母副的丝杠经轴承固定于第一、二丝杆架上，所述丝杠螺母副的移动螺母外侧固定设置连接块；所述对称四杆机构的前端铰接于所述连接块上，后端铰接于底座上，且对称四杆机构的两侧分别设置第一、二光源；所述第三步进电机连接丝杠螺母副的丝杠一端，当第三步进电机带动丝杠螺母副的丝杠转动时，丝杠螺母副的移动螺母带动连接块一起前后移动，使第一、二光源围绕光谱采集工位的盛样试管作10－90度转动。

所述对称四杆机构包括第一、二、三、四杆，其中第一杆的一端与第二杆的中部铰接，第四杆的一端与第三杆的中部铰接，且第一杆的另一端与第四杆的另一端相邻铰接于所述连接块上，第二杆的一端与第三杆的一端相邻铰接于所述底座上，并使第一、二杆与第三、四杆呈对称状态设置。

所述对称四杆机构的第二、三杆的自由端分别固定第一、二光源固定架，所述第一、二光源固定于所述第一、二光源固定架上。

所述试管夹具位于一夹具圆形导轨内。

所述转盘驱动盘的底部承重连接圆锥滚子轴承，且所述转盘驱动盘的底部连接转盘底座轴承。

所述试管夹具包括夹具体、弹簧夹块、弹簧、紧定螺钉，该夹具体的中部设置截面与盛样试管外形相匹配的放置孔，且该夹具体上经紧定螺钉设置弹簧，弹簧的末端设置用于卡紧盛样试管的弹簧夹块。

所述试管夹具夹持盛样试管的2/3位置处。

所述超越离合器为滚柱式超越离合器，所述滚柱式超越离合器传动时，内圈正转，并传动至外圈；所述滚柱式超越离合器超越时，内圈反转，不能传动至外圈。在本发明实施例中，配合第二驱动机构正反转可实现正反转传动至不同机构，其中正转传动至凸轮和锥齿轮副，反转只传动至锥齿轮副。

所述夹具驱动轴的另一端经夹具驱动连接件固定安装所述夹具驱动盘。

所述夹具驱动轴的运转轨迹周侧设置第一导轨。

所述凸轮的从动件——凸轮滚子及推杆的运动规律为正弦加速度运动，凸轮运动循环具有推程、远休、回程、近休四个阶段，且凸轮设置有配合超越离合器的传动接口。

另外，本发明还提供了一种上述近红外光谱自动在线检测装置的控制方法，其包括下述步骤：

S1、间歇式进样机构在第一驱动机构驱动下，使转盘驱动盘转动第一角度，一样品移至光谱采集工位；

S2、样品旋转机构的第二驱动机构正转180度，超越离合器处于传动状态，超越离合器带动凸轮转动，并通过凸轮滚子及推杆带动夹具驱动盘向下运动，同时凸轮传动轴经锥齿轮副带动夹具驱动盘正转180度，使夹具驱动盘与一试管夹具实现对接；

S3、样品旋转机构的第二驱动机构反转大于180度的第二角度，超越离合器处于超越状态，凸轮不能被驱动，凸轮传动轴经锥齿轮副带动夹具驱动盘反向转动第二角度，并使夹具驱动盘与试管夹具有效连接，这时启动光谱仪进行第一次光谱采集；

S4、样品旋转机构的第二驱动机构继续反转第三角度，即夹具驱动盘带动试管夹具反转第三角度，然后进行第二次光谱采集，并如此往复多次，进行多次光谱采集；

S5、完成多次光谱采集后，样品旋转机构的第二驱动机构继续反转，直至所有反转角度之和为360^。整数倍，即样品旋转机构回到初始位置，接着第二驱动机构正转180度，使超越离合器处于传动状态，超越离合器带动凸轮转动，并通过凸轮滚子及推杆带动夹具驱动盘上升回到初始位置，如此即完成一个样品的不同位置光谱采集；

S6、紧接着间歇式进样机构在第一驱动机构驱动下转盘驱动盘再次转动第一角度，将下一个样品送入光谱采集工位，重复S2到S6步骤直至完成进样转盘上多个样品的光谱采集。

所述第一角度为20度，所述第二角度为240度，所述第三角度为120度。

优选的，在步骤S1中，待测样品进样至光谱采集工位，是根据位置检测传感器判断是否到达准确的检测位置，若位置不准确，则位置调整至准确的采集位置后执行下一步骤。

优选的，在步骤S4中，样品旋转机构是否回到初始位置，同样是根据位置检测传感器判断是否到达初始位置，若不是初始位置，则需调整至初始位置后执行下一步骤。

本发明与现有技术相比较具有如下优点和效果：

1、本发明在一台光谱检测仪上集成漫反射和漫透射两种光谱采集方式，不需要额外增加辅助配件，给不同采集方式的选取提供便利，拓展了本发明的应用范围。

2、本发明设计有多工位自动进样机构，解决了人工单独进样的繁琐步骤，提高了光谱采集效率。

3、本发明设计有样品旋转机构，可在光谱采集过程中旋转样品，实现样品不同区域的光谱信息采集，获得更加全面的光谱信息。

4、本发明设计有第一、二光源，其可以在10^。～90^。的范围内高精度调节光源角度，给光源角度的研究提供极大便利，同时可使光谱信息更优质。

附图说明

图1是本发明一种漫反射和漫透射集成的近红外光谱自动进样在线检测装置的整机结构示意图。

图2是本发明间歇式进样机构放置试管夹具和盛样试管的结构示意图。

图3是本发明间歇式进样机构去掉进样转盘和转盘驱动盘后的结构示意图。

图4是本发明试管夹具立体结构示意图。

图5是本发明样品旋转机构传动部分立体结构示意图。

图6是本发明样品旋转机构传动部分去掉凸轮传动箱的端盖后的结构示意图。

图7是本发明样品旋转机构传动部分结构剖视示意图。

图8是本发明漫反射和漫透射集成采集光路示意图。

图9是本发明光源调控机构结构示意图。

图10为图9另一角度结构示意图。

图11是本发明光谱采集工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本实施例一种漫反射和漫透射集成的近红外光谱自动进样在线检测装置，包括自动送样系统和近红外光谱采集系统；所述的自动送样系统包括位于下方的间歇式进样机构1和位于间歇式进样机构1上方的样品旋转机构2；所述的近红外光谱采集系统包括漫反射和漫透射集成采集光路4（如图8所示）及光源调控机构5。

如图2－图4所示，所述间歇式进样机构1包括设有18个样品位的进样转盘11、18个试管夹具12、夹具圆形导轨13、转盘驱动盘14、圆锥滚子轴承15、第一减速器16、第一步进电机17、转盘底座轴承19和多种样式钣金架20。其中进样转盘11的每一个样品位的上部设有用于放置试管夹具12的夹具孔，下部设有用于置入盛样试管3的试管孔，多个试管夹具12分别放置在进样转盘11的夹具孔中，进样转盘11的底部连接转盘驱动盘14，转盘驱动盘14的底部承重连接圆锥滚子轴承15，为防止人为误操作倾覆，转盘驱动盘14的底部同时连接转盘底座轴承19。第一步进电机17经第一减速器16的转轴及平键连接转盘驱动盘14，从而带动转盘驱动盘14、进样转盘11及试管夹具12转动。多种样式钣金架20承接第一减速器16、转盘底座轴承19、夹具圆形导轨13、圆锥滚子轴承15。第一步进电机17每前进一步，进样转盘11移动20度的第一角度，将一个样品送至光谱采集工位。

所述的试管夹具12包括夹具体121、弹簧夹块122、弹簧123、紧定螺钉124。该夹具体121的中部设置截面与盛样试管3外形相匹配的放置孔125以便于盛样试管3穿设放置，且该夹具体121上经紧定螺钉124设置弹簧123，弹簧123的末端设置弹簧夹块122。该夹具体121的顶部设置与夹具驱动盘30对接且对称的第一凸块126。当夹具体121夹持盛样试管3时，弹簧夹块122和弹簧123用于夹紧盛样试管3，紧定螺钉124用于限位弹簧123。该试管夹具12夹持盛样试管3时，从盛样试管3上部进入，并使夹具体121夹持盛样试管3的2/3位置以上部分，以保证不遮挡盛样试管3的光谱采集部分。

如图5－图7所示，所述样品旋转机构2包括第二步进电机21、第二联轴器22、凸轮传动轴23、凸轮传动箱24、超越离合器25、凸轮26、锥齿轮副27、夹具驱动轴28、第一导轨29、夹具驱动盘30。第二步进电机21通过第二联轴器22连接凸轮传动轴23，凸轮传动轴23的两端经深沟球轴承31安装于凸轮传动箱24上，且位于凸轮传动箱24内的凸轮传动轴23上经超越离合器25安装凸轮26，凸轮传动轴23的另一端经锥齿轮副27连接夹具驱动轴28的一端。所述凸轮26经凸轮滚子及推杆32连接轴承架33。该夹具驱动轴28的中部两处分别经深沟球轴承31安装于凸轮传动箱24外的一端及轴承架33内，且夹具驱动轴28的另一端经夹具驱动连接件34固定安装用于驱动试管夹具12的夹具驱动盘30。为使夹具驱动盘30在预定轨道内精确运转，夹具驱动轴28的运转轨迹周侧设置第一导轨29。该夹具驱动盘30的底部设有与试管夹具12的第一凸块126相匹配的第二凸块35，当夹具驱动盘30与试管夹具12有效对接时，第二凸块35与第一凸块126抵触，因而第二凸块35能籍由第一凸块126驱动试管夹具12。

本实施例中用到的超越离合器25为滚柱式超越离合器，其超越时不自锁，即在内圈反转时，外圈不动，实现超越；其传动时，内圈正转，外圈相应正转，实现传动。

所述样品旋转机构2工作时，第二步进电机21按设定流程通过第二联轴器22带动凸轮传动轴23正反转。当凸轮传动轴23正转180度时，超越离合器25的内圈正转，可传动至外圈，进而通过凸轮26、凸轮滚子及推杆32带动轴承架33、夹具驱动盘30向下移动，同时凸轮传动轴23经锥齿轮副27、夹具驱动轴28带动夹具驱动盘30正转180度后，使夹具驱动盘30的第二凸块35与试管夹具12的第一凸块126处于相对卡设位置；当凸轮传动轴23反转时，超越离合器25的内圈反转，不可传动外圈，因而夹具驱动盘30不能上、下移动，仅凸轮传动轴23经锥齿轮副27、夹具驱动轴28、夹具驱动连接件34带动夹具驱动盘30反转240度（第二角度），以保证夹具驱动盘30的第二凸块35与试管夹具12的第一凸块126有效接触。

如图8所示，所述漫反射和漫透射集成采集光路4主要包括光谱仪41、可控光路切换器42、挡板43、第一准直镜44、第二准直镜45、近红外石英光纤46和光源模块47。所述光源模块47包括供光单元471及第一、二光源472、473，且所述供光单元471连接第一、二光源472、473。所述第一、二光源472、473对称设置于所述光谱采集工位的盛样试管3的前方两侧，且所述第一、二光源472、473朝向光谱采集工位的盛样试管3设置。第一准直镜44架设于盛样试管3的前方，用来接收样品的反射光谱信息；第二准直镜45架设于盛样试管3的后方，用来接收样品的透射光谱信息。第一、二准直镜44、45由所述近红外石英光纤46连接至所述可控光路切换器42，所述可控光路切换器42与所述光谱仪41同样采用所述近红外石英光纤46连接，用于切换采集第一、二准直镜44、45接收的光谱信息。

如图9、图10所示，所述光源调控机构5用于调节第一、二光源472、473的照射角度，且所述光源调控机构5包括第三步进电机51、第三联轴器52、丝杠螺母副53、对称四杆机构54、第一、二光源固定架55、56，及底座57、光源钣金底架58、第一丝杆架59、第二丝杆架60。所述第一丝杆架59、第二丝杆架60安装固定于底座57上，且所述丝杠螺母副53的丝杠经轴承固定于第一、二丝杆架59、60上，所述丝杠螺母副53的移动螺母外侧固定连接块61，连接块61的两端滑动设置于丝杠螺母副53的丝杠两侧的平衡限位杆62上。所述对称四杆机构54包括第一、二、三、四杆541、542、543、544，其中第一杆541的一端与第二杆542的中部铰接，第四杆54的一端与第三杆543的中部铰接，且第一杆541的另一端与第四杆544的另一端相邻铰接于所述连接块61上，第二杆542的一端与第三杆543的一端相邻铰接于底座57上，并使第一、二杆541、542与第三、四杆543、544呈对称状态设置。所述第三步进电机51安装固定于所述光源钣金底架58上，且所述底座57用螺栓固定在所述光源钣金底架48上。所述第三步进电机51通过第三联轴器52连接丝杠螺母副53的丝杠一端，所述对称四杆机构54的第二、三杆542、543的自由端分别固定所述第一、二光源固定架55、56，所述第一、二光源472、473通过螺栓固定于所述第一、二光源固定架55、56上。当第三步进电机51带动丝杠螺母副53的丝杠转动时，丝杠螺母副53的移动螺母随丝杠的转动而前后移动，同时带动连接块61一起前后移动，从而使对称四杆机构54前、后移动，同时使第一、二光源472、473围绕光谱采集工位的盛样试管作10－90度转动。

如图11所示，本实施例一种漫反射和漫透射集成的近红外光谱自动进样在线检测装置的控制方法，包括下述步骤：

S1、放置好待测样品后，间歇进样机构（1）在第一驱动机构驱动下，使转盘驱动盘（14）转动转动20^。（第一角度），使第一个样品进入光谱采集工位（待测样品是否被送至光谱采集工位，是根据位置检测传感器判断转盘驱动盘（14）是否转动到指定角度以到达准确的检测位置来判断的，若位置不准确，则将转盘驱动盘位置调整至准确的采集位置）；

S2、样品旋转机构2的第二步进电机21正转180^。，超越离合器25处于传动状态，超越离合器25内圈带动外圈转动，外圈带动凸轮26转动使夹具驱动盘30向下运动10mm，同时凸轮传动轴23经锥齿轮副27带动夹具驱动盘30正转180^。，以使夹具驱动盘30与试管夹具12的传动接口对接；

S3、样品旋转机构2的第二步进电机21反转240^。的（第二角度），超越离合器25处于超越状态，外圈不随内圈转动，凸轮26随之也不动，凸轮传动轴23经锥齿轮副27带动夹具驱动盘30反向转动240^。（第二角度），并使夹具驱动盘30与试管夹具12有效接触（第二凸块35与第一凸块126抵触，且第二凸块35能籍由第一凸块126驱动试管夹具12），并启动光谱仪41进行第一次光谱采集；

S4、样品旋转机构2的第二步进电机21继续反转120^。（第三角度），即夹具驱动盘30带动试管夹具12间隙转动，每反转一个第三角度即可进行一次光谱采集（可根据需要自行设定采集次数和采集区域，即可自行调整每次反转的第三角度）；

S5、完成多次采集后，样品旋转机构2的第二步进电机21还需完成反转，直至所有反转之和为360^。整数倍，即使样品旋转机构回到初始位置，接着第二步进电机21正转180^。，使夹具驱动盘上升10mm回到初始位置，即完成一个样品的不同位置光谱采集。

S6、紧接着间歇式进样机构1在第一步进电机17驱动下转盘驱动盘14再次转动20^。（第一角度），将下一个样品送入光谱采集工位，重复S2到S6步骤直至完成18个样品的光谱采集。

上述实施例为本发明最常用的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的思想实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都应包含在本发明的保护范围之内。