一种基于参考光信号的双路对比测量光谱仪及测量方法与流程

本发明涉及一种便携式光谱仪消除光源稳定性影响的系统与方法，尤其是基于参考光的信号双路探测对比校正测量的便携式近红外光谱仪及光谱测量方法。

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、电源等几个部分组成。单色器将光源发出的复合光分成空间分布的单色光，经取样器与样品或参比作用后进入探测器，转换为电信号，经放大处理后采集得样品或参比作用后的数字信号，二者相比得样品的相对反射率或透过率光谱数据。

光谱仪的稳定性是其重要的技术指标，光源的光稳定性直接影响仪器的稳定性。光源的稳定性是由光源供电电路电流、电压等电信号的稳定性保证的，但光源的光信号与电信号是非线性关系，因此控制电信号的稳定无法保证光信号的稳定。

为了避免光信号的不稳定对光谱仪器的影响，通常采用双光路测量方法：一路测量样品的作用信号，一路测量参比的作用信号，两路信号同时采集后相比即可得被测样品的反射或透射的光谱数据。但这样的仪器需要增加多个分光反光器、两套取样器，甚至两套采集电路，而且要求两光路保持对称，因此结构复杂，增加了仪器的成本，特别是不适用于便携式仪器。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对上述现有技术的问题，为提高便携式仪器的稳定性，提供一种基于参考光信号的双路对比测量光谱仪；

本发明的另一目的就是提供一种基于参考光信号的双路对比测量光谱仪的测量方法。

本发明的思想是，在单路光谱仪的结构上改变局部构造，增加分光结构，进行局部分光，在取样器上引出参考光，将原来的单路探测和采集模块改为双路，与取样后的测量光同时采样，以两路光信号采样值之比作为扫描测量值。是适用于便携式光谱仪消除光源稳定性对仪器稳定性影响的一种实用技术方案。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于参考光信号的双路对比测量光谱仪，由双路取样器经双路探测采集模块与处理控制电路连接，光源模块经单色器与双路取样器连接，电源分别连接双路探测采集模块、处理控制电路、光源模块和单色器，单色器经处理控制电路分别与单色器和上位机连接构成。

所述的双路探测采集模块由探测器接口a经光电探测器a、信号转换放大电路a和双通道adc采集电路连接，探测器接口b经光电探测器b、信号转换放大电路b和双通道adc采集电路连接，双路数据接口与控制信号接口分别连接双通道adc采集电路，电源接口分别连接信号转换放大电路a、信号转换放大电路b和双通道adc采集电路构成。

所述的处理控制电路是由微处理器单元分别连接扫描控制状态接口、双路数据接口、采集控制信号接口、通讯接口、光源控制信号接口和电源接口构成。

所述的双路取样器包括分光机构和取样机构，入射窗口、参考光探测窗口、分光镜和分光通道组成分光机构，测量光探测窗口、样品窗口和积分球或样品池和准直透镜组成取样机构，在双路取样器的分光通道设有透反比为tr的分光镜，入射窗口和测量光探测窗口均在透射光路上，参考光探测窗口在反射光路上，双路取样器包括反射采样和透射采样两种采样方式，双路取样器将入射光分为透射测量光和反射参考光，两路光分别由双路取样器的测量光探测窗口和参考光探测窗口射出，分别照射在双路探测采集模块的探测器接口a和探测器接口b的接收面上，

双路取样器的分光镜透反比tr选择的条件为：

其中，rs1、rs2分别为测量光探测器和参考光探测器的感光面面积与所在探测位置光路出射光的面积之比，r1、r2分别为测量光和参考光在从分光镜到各自探测器安装位置的行程中光线的传输效率。

一种基于参考光信号的双路对比测量光谱仪的测量方法，

用上述基于参考光信号的双路对比测量光谱仪，在所有扫描波长λ处取样光谱信号的测量数据d(λ)为测量光信号的数字量d(λ)与参考光的数字量d’(λ)之比；

当光谱仪采用反射采样方式测量样品时，得到的反射率光谱数据r(λ)为：

其中d1(λ)、d2(λ)、d3(λ)分别为光谱仪在扫描波长λ处对背景、参比和样品取样时的测量数据；

其中d1(λ)、d1’(λ)分别为光谱仪在扫描波长λ处，对背景取样时双路探测器电路采集的测量光信号和参考光信号的数字量；

其中d2(λ)、d2’(λ)分别为光谱仪在扫描波长λ处，对参比取样时双路探测器电路采集的测量光信号和参考光信号的数字量；

其中d3(λ)、d3’(λ)分别为光谱仪在扫描波长λ处，对样品取样时双路探测器电路采集的测量光信号和参考光信号的数字量。

光谱仪采用透射采样方式测量样品时，得到的透过率光谱数据t(λ)为：

对应的吸光度a：

a＝-logg(7)

其中g为光谱仪采用反射采样方式测量样品的透过率光谱数据r或采用透射采样方式测量样品的透过率光谱数据t。

有益效果：本发明提供的基于参考光信号的双路对比测量系统与方法，在单路光谱仪原光路上增加分光结构，进行局部分光，引出参考光，并增加参考光的光电探测器以及信号转换放大和采集电路，与取样后的测量光同时采样，以两路光信号采样值之比作为扫描测量值。本发明与单光路光谱仪比较，有效地消除光源稳定性对仪器稳定性的影响，与现有双光路光谱仪比较，结构简单、成本低，特别适用于提高便携式仪器的稳定性。

附图说明

图1一种基于参考光信号的双路对比测量光谱仪结构图

图2是附图1中光源模块结构框图

图3是附图1中单色器结构框图

图4是附图1中双路探测采集模块结构框图

图5是附图1中处理控制电路结构框图

图6是附图1中反射采样方式的双路取样器结构图

图7是附图1中透射采样方式的双路取样器结构图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

一种基于参考光信号的双路对比测量光谱仪，由双路取样器经双路探测采集模块与处理控制电路连接、光源模块经单色器与双路取样器连接，电源分别连接双路探测采集模块、处理控制电路、光源模块和单色器，处理控制电路分别通过扫描控制状态接口和通讯接口与单色器和上位机连接构成。

所述的双路探测采集模块由探测器接口a经光电探测器a、信号转换放大电路a和双通道adc采集电路连接，探测器接口b经光电探测器b、信号转换放大电路b和双通道adc采集电路连接，控制信号接口与双路数据接口分别连接双通道adc采集电路，电源接口分别连接信号转换放大电路a、信号转换放大电路b和双通道adc采集电路构成。

所述的处理控制电路是由微处理器单元分别连接扫描控制状态接口、双路数据接口、采集控制信号接口、通讯接口、光源控制信号接口和电源接口构成。

所述的双路取样器包括分光机构和取样机构，入射窗口、参考光探测窗口、分光镜和分光通道组成分光机构，测量光探测窗口、样品窗口和积分球或样品池和准直透镜组成取样机构，在双路取样器的分光通道设有透反比为tr的分光镜，入射窗口和测量光探测窗口均在透射光路上，参考光探测窗口在反射光路上，双路取样器包括反射采样和透射采样两种采样方式，双路取样器将入射光分为透射测量光和反射参考光，两路光分别由双路取样器的测量光探测窗口和参考光探测窗口射出，分别照射在双路探测采集模块的探测器接口a和探测器接口b的接收面上，

双路取样器的分光镜透反比tr选择的条件为：

其中，rs1、rs2分别为测量光探测器和参考光探测器感光面面积与所在探测位置光路出射光的面积之比，r1、r2分别为测量光和参考光在从分光镜到各自传感器安装位置的行程中光线的传输效率。

一种基于参考光信号的双路对比测量光谱仪的测量方法，

用上述基于参考光信号的双路对比测量光谱仪，在所有扫描波长λ处取样光谱信号的测量数据d(λ)为测量光信号的数字量d(λ)与参考光的数字量d’(λ)之比；

当光谱仪采用反射采样方式测量样品时，得到的反射率光谱数据r(λ)为：

其中d1(λ)、d2(λ)、d3(λ)分别为光谱仪在扫描波长λ处对背景、参比和样品取样时的测量数据；

其中d1(λ)、d1’(λ)分别为光谱仪在扫描波长λ处，对背景取样时双路探测器电路采集的测量光信号和参考光信号的数字量；

其中d2(λ)、d2’(λ)分别为光谱仪在扫描波长λ处，对参比取样时双路探测器电路采集的测量光信号和参考光信号的数字量；

其中d3(λ)、d3’(λ)分别为光谱仪在扫描波长λ处，对样品取样时双路探测器电路采集的测量光信号和参考光信号的数字量。

光谱仪采用透射采样方式测量样品时，得到的透过率光谱数据t(λ)为：

对应的吸光度a：

a＝-logg(7)

其中g为光谱仪采用反射采样方式测量样品的透过率光谱数据r或采用透射采样方式测量样品的透过率光谱数据t。

如图1所示，基于参考光信号的双路对比测量的光谱仪，在单路光谱仪结构基础上，在取样器上增加一参考光引出结构、将原来的单路探测和采集模块改为双路。其结构包括光源模块、单色器、双路取样器、双路探测采集模块、处理控制电路、上位机和电源组成部分。

光源模块如图2所示，包括电动开关、灯、成像透镜组、调制器、出射接口、控制信号接口和电源接口，成像透镜组将光源灯丝成像于出射接口，调制器将光调制成固定频率的交变光信号；它的出射接口、电源接口、控制信号接口分别与单色器、电源的光源接口、处理控制电路的光源控制接口连接。

单色器如图3所示，包括扫描分光机构和入射、出射、控制信号、电源接口，扫描分光结构将入射接口处的复合光分为在出射接口处空间分布的单色光簇，其中一簇波长的光由出射接口射出，并通过扫描控制输出光的波长。它的入射接口、出射接口、控制信号接口、电源接口分别与光源的出射接口、双路取样器入射窗口、处理控制电路的扫描控制状态接口、电源的扫描接口连接。

双路探测采集模块如图4所示，包括两个光电探测器及接口、两个信号转换放大电路和双通道adc采集电路、以及双路数据接口、控制信号接口、电源接口。它的两路探测器接口分别与双路取样器的2个探测器窗口连接；双路数据接口和控制信号接口分别于处理控制电路的双路数据接口和采集控制信号接口连接。

处理控制电路如图5所示，包括微处理器单元、双路数据接口、采集控制信号接口、扫描控制状态接口、通讯接口、电源接口。它分别通过双路数据接口、采集控制信号接口、扫描控制状态接口、通讯接口、电源接口与双路探测采集模块、单色器、上位机、电源相连。

双路取样器包括取样机构和分光机构以及入射窗口、样品窗口、两个探测窗口，相当于在单路取样器的入光口安置一个透反比tr合适的分光镜。从单色器射出的入射光经分光镜的透过光射向取样机构，经取样机构与样品作用后由测量光探测窗口射出；反射光(中间可加反光镜)从参考光探测器口一侧以参考光射出。为保证参考光到达参考探测器感光面的光能量与测量光到达测量传感器感光面的光能量相当，分光镜透反比tr选择合适的条件为：

其中，rs1、rs2分别为测量光探测器和参考光探测器感光面面积与所在探测位置光路出射光的面积之比；r1、r2分别为测量光和参考光在从分光镜到传感器安装位置的行程中光线的传输效率。

如图6所示为反射采样方式的双路取样器，取样机构为积分球和取样窗口；如图7所示为透射采样方式的双路取样器，取样机构为准直透镜和样品池。分光机构在入射窗口和取样机构之间安置一分光镜，包括入射窗口、分光镜、分光通道以及参考光探测窗口，引出参考光由探测窗口射出。其入射窗口与单色器的出射接口连接，两个探测器窗口分别与双路探测采集模块的两个光电探测器接口连接。

单色器将光源发出的复合光分成空间分布的单色光，并通过波长扫描依次获得一定波长λ范围的单色光i(λ)，由出射接口进入双路取样器的入射窗口，经双路取样器得到两路光：与样品或参比作用后的测量光i1和由i分光得到的参考光i2，分别进入双路探测器电路的两个探测器电路进行光电转换，转换为两路电信号，经两路放大处理后同时采集，分别得到样品或参比作用后的测量光信号的数字量di、参考光的数字量di’，i＝1、2、3。以二者之比作为当前测量数据di，通过计算可得被测样品的反射率或透过率光谱数据g，以及吸光度a：

a＝-logg(7)

其中d1为光谱仪在扫描背景时的测量数据：

其中d1、d1’分别为光谱仪在扫描背景时双路探测器电路采集的测量光信号和参考光信号的数字量；对于透射采样方式，d1＝0，d1＝0；d2为光谱仪在扫描参比时的测量数据：

其中d2、d2’分别为光谱仪在扫描参比时双路探测器电路采集的测量光信号和参考光信号的数字量；d3为光谱仪在扫描样品时的测量数据：

其中d3、d3’分别为光谱仪在扫描样品时双路探测器电路采集的测量光信号和参考光信号的数字量。