流体用的光谱分析系统以及流体分析方法与流程

1.本发明涉及一种仪器仪表，尤其涉及一种流体用的光谱分析系统以及流体分析方法。


背景技术：

2.在现有技术中，近红外光谱仪器是一种快速分析的设备。传统近红外光谱分析液体时需要使用比色皿、流通池或者采样探头，采样过程中为了降低温度对液体测量的干扰，通常比色皿采样都需要使用恒温装置控制，实现样品温度恒定后再进行光谱采集。
3.在温度不受控的条件下建立的模型往往受到样品温度和环境温度的干扰，测量精度收温度变化产生影响。常见的解决方式是将建模样本在不同温度下的光谱全部采集到，然后建立不同温度条件的模型，采集效率低，受到人工操作干扰较大。
4.另外，近些年水光谱组学的发展产生了新的一种分析理论，根据温度对水光谱的影响间接分析水溶液中的成分。传统分析需要采集不同温度条件下水光谱，速度慢，建立模型周期长，亟需一种高效的分析仪器提高水光谱组学的研究。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种流体用的光谱分析系统以及流体分析方法，其能有效解决上述问题中的至少一种。
6.本技术实施例公开了一种流体用的光谱分析系统，包括：
7.样品池，所述样品池包括多个能串联连通的透射检测单元；
8.光控单元，所述光控单元用于向所述透射检测单元导入入射光以及接收经过所述透射检测单元的光；
9.温控系统，所述温控系统用于对各个所述透射检测单元内的样品的温度进行控制；
10.光谱系统，所述光谱仪包括：mems微镜阵列和探测器，所述mems微镜阵列包括多个镜子区域，每个镜子区域与一个所述透射检测单元对应，以实现与该所述透射检测单元对应的通道光谱的扫描；
11.每个所述镜子区域分成多列扫描单元，每列所述扫描单元反射的光耦合到所述探测器上得到该扫描单元下光的能量，每列扫描单元对应一个光谱波长单位，从而得到该所述透射检测单元对应的完整光谱。
12.优选地，所述光谱仪包括光纤耦合器，所述光纤耦合器具有多个沿竖直方向间隔排列的耦合部，多个所述耦合部和多个所述透射检测单元、多个所述镜子区域一一对应。
13.优选地，所述探测器为单点探测器，所述光谱仪对各个所述镜子区域的各列扫描单元进行编号，所述光谱仪根据编号以及单点探测器得到该光谱波长单位下的光强，进而得到完整光谱。
14.优选地，所述温控系统用于使各个透射检测单元内的温度不同，所述探测器依次
对由各个透射检测单元形成的光谱进行同步采集。
15.优选地，至少两个能连通的透射检测单元之间设置有控制部，以使在所述控制部处于断开状态时该两个透射检测单元处于并联状态。
16.优选地，包括液位控制装置，所述液位控制装置用于使各个透射检测单元内的流体充满。
17.优选地，至少一个所述透射检测单元具有输入端和输出端，各个所述透射检测单元除其输入端和输出端之外为全封闭的。
18.优选地，所述光控单元包括与所述透镜检测单元一一对应的多个输出光纤准直器，每个所述输出光纤准直器和对应的所述光纤耦合器的耦合部之间设置有一用于控制开闭的通道快门，在所述通道快门打开时，与其对应的所述镜子区域处于打开状态，其余的所述镜子区域处于关闭状态。
19.优选地，所述温控系统包括多个与所述透射检测单元对应的控温装置，所述光控单元穿设在所述控温装置上，优选地，所述温控系统还包括设置在所述控温装置远离所述透射检测单元一侧的散热支架；所述光控单元由导热性不良的低膨胀系数材料制成。
20.本技术实施例公开了一种光谱分析方法，包括以下步骤：
21.将流体通过相互串联的多个透射检测单元以充满各个透射检测单元；
22.控制各个透射检测单元内流体的温度；
23.采集各个透射检测单元的光谱，其中，当其中一个透射检测单元处于检测状态时，与该透射检测单元对应的通道快门和镜子区域处于打开状态；与其余的透射检测单元对应的通道快门和镜子区域处于关闭状态；
24.根据各个透射检测单元的光谱以及该透射检测单元内流体的温度，进行分析建模。
25.综上所述，本发明实施例所采用上述结构和方法，具有以下优点：
26.1、本发明全自动温控方式，多温度条件下光谱同时采集，效率高，分析时间快；
27.2、本发明变温池温区可调，能提供线性的温度输出，使光谱变温输出特性更加准确；
28.3、本发明多通道光谱仪共用一个mems微镜阵列，兼容探测器，成本低，测量速度快，系统复杂度低；
29.4、本发明仪器可建立原始光谱模型也可建立变温光谱模型，模型可使用在普通原始光谱模型的仪器上，使传统的原始光谱建模仪器能在更宽的温度范围内使用；
30.5、本发明变温池不但可以串联适用也可并联使用，结合多通道光谱仪可实现同一温度下多个样品同时测量的功能，并且变温区间和曲线可通过程序进行设定；
31.6、本发明所设计的仪器及分析方法，分析精度相比传统仪器分析方法精度更高，抗干扰能力更强。
32.为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与图式，然而所提供的图式仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
33.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或
现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1示出了本技术实施例中流体用的光谱分析系统的结构示意图。
35.图2示出了本技术实施例中流体用的光谱分析系统的局部结构示意图，主要示出了一个透射检测单元、温控系统等。
36.图3示出了本技术实施例中流体用的光谱分析系统的原理示意图。
37.图4示出了本技术实施例中光谱分析方法的流程示意图。
38.以上附图的附图标记为：1、样品槽；2、废液池；3、液体导管；4、透射检测单元；5、温控系统；6、光源；7、输入光纤；8、输出光纤；9、光纤耦合器；10、光谱仪；11、控制系统；12、液体控制装置；13、液位传感器；14、电源系统；15、显示系统；16、输入光纤准直器；17、输出光纤准直器；18、控温器；19、输入端；20、输出端；21、玻璃腔室；22、散热支架；23、温度传感器；24、耦合部；25、光栅；26、mems微镜阵列；27、收集光镜头组；28、探测器；
具体实施方式
39.为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书保护的范围。
40.以下是通过特定的具体实施例来说明本发明所公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。
41.应当可以理解的是，虽然本文中可能会使用到“第一”、“第二”、“第三”等术语来描述各种组件或者信号，但这些组件或者信号不应受这些术语的限制。这些术语主要是用以区分一组件与另一组件，或者一信号与另一信号。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
42.本发明实施例公开了一种流体用的光谱分析系统，包括：
43.样品池，所述样品池包括多个能串联连通的透射检测单元4；
44.温控系统5，所述温控系统5用于对各个透射检测单元4的温度进行控制；
45.光控单元，所述光控单元用于向各个透射检测单元4导入入射光以及接收经过各个透射检测单元4的光；
46.光谱仪10，所述光谱仪10包括mems微镜阵列26和探测器28，所述mems微镜阵列26包括多个镜子区域，每个镜子区域与一个所述透射检测单元4对应，以实现与该所述透射检测单元对应的通道光谱的扫描；
47.每个所述镜子区域分成多列扫描单元，每列所述扫描单元反射的光耦合到所述探
测器28上得到该扫描单元下光的能量，每列扫描单元对应一个光谱波长单位，从而能得到该所述透射检测单元对应的完整光谱。
48.借由上述结构，本技术实施例中每个透镜检测单元4可以通过光控单元构成一个光路通道，当其中一个通道的光在分光后入射到具有一个面阵的mems微镜阵列26，此时，与该光路通道对应的mems微镜阵列26中的镜子区域进行翻转，将光按照空间波长分布入射到探测器上。作为一个通道光谱被探测器28扫描；依此可以对各个透镜检测单元4(光路通道)进行依序测量，直至每个透镜检测单元4(光路通道)测量完毕，由此实现了多通道光谱测量。本技术实施例中的光谱仪使用一个分光系统接收多通道的入射光，因此，在本技术实施例中，各个光路通道的采集时间间隔极短(例如，每个光路通道之间的间隔仅为20毫秒)，由此本技术实施例中的所述光谱采集系统可以实现多个温度条件下使用一个光谱分光光路即可实现多路同步采集。
49.特别的，本发明中的各个透射检测单元4可以处于串联状态，由此，可以确保各个透射检测单元4中的样品为基本上相同的，并且进一步通过温控系统5使得样品池中的各个透射检测单元4处于不同的温度，由此，光谱仪10在基于光控单元的作用下，可以及时获得该流体在各个温度条件下与温度条件一一对应的光谱，从而建立数学模型时直接带入温度光谱进行计算，可直接得到每个温度条件下的模型。该种结构效率高，无人工干扰误差。另外，本发明可直接进行全自动水光谱分析，快速高效。根据温控近红外光谱及光谱组学(例如水光谱组学)的原理，当所分析的样品为溶液(例如水溶液)时，分析样品某一成分含量可根据不同温度下光谱的变化进行间接分析，例如，由于不同蛋白质含量的溶液水光谱温度变化量不同，因此水溶液中蛋白质含量值可通过不同温度条件下水光谱特征的变化进行分析。
50.具体的，参照图1所示，本技术实施例中的流体用的光谱分析系统可以包括壳体，该壳体具有一腔室，该腔室可以用于容纳样品池、温控系统5、光控单元、光纤耦合器9、光谱仪10等。
51.其中，样品池可以包括多个能串联连通的透射检测单元4。每个透射检测单元4包括用于容纳流体样品的玻璃腔室21。各个玻璃腔室21具有入口和出口，从而形成该透射检测单元4的输入端19和输出端20。
52.至少一个的透射检测单元4的玻璃腔室21的入口和一位于壳体外的样品槽1连通。其余的透射检测单元4的玻璃腔室21的入口可以和其他的透射检测单元4的玻璃腔室21的出口连通。例如，在本实施方式中，各个透射检测单元4沿壳体的长度方向(图中从左至右的方向)间隔排列。位于最左侧的透射检测单元4通过伸出壳体的液体导管3和样品槽1连通。自左起第二个透射检测单元4的玻璃腔室21的入口和邻接其左侧的透射检测单元4的玻璃腔室21的出口之间通过管线连通。位于最右侧的透射检测单元4的出口和液体控制装置12连通。液体控制装置12可以通过负压等方式将样品槽1内的流体导入各个玻璃腔室21中。
53.在本实施方式中，光控单元可以包括光源6、多个输入光纤准直器16和多个输出光纤准直器17。光源6发出的光经由输入光纤7以及输入光纤准直器16入射到玻璃腔室21内的流体内，相对应的输出光纤准直器17和输出光纤8将经过流体吸收后的光传输到光纤耦合器9(下文详述)上。
54.具体的，在本实施方式中，输入光纤准直器16以及输出光纤准直器17的数量和透
射检测单元4的数量相同。即，输入光纤准直器16、输出光纤准直器17以及透射检测单元4可以一一对应。
55.在本实施方式中，该光谱分析系统还可以包括光纤耦合器9。光纤耦合器9用于实现光谱仪10(下文详述)采集光谱多路回收光的合束作用，即所述光纤耦合器9能通过连接线分别与各个输出光纤准直器17和光谱仪10连接。具体的，光纤耦合器9包括多个沿竖直方向间隔排列的耦合部24。耦合部24的数量可以和透射检测单元4的数量相同，由此使得耦合部24和透射检测单元4一一对应。特别的，在各个光纤耦合器9的耦合部24和与其对应的透射检测单元4之间可以设置有通道快门，通道快门可以控制该光路的开闭。当需要对某个透射检测单元4进行采集时，则与该透射检测单元4对应的通道快门处于开启状态，而其余的通道快门处于关闭状态，以使仅与透射检测单元4对应的光纤耦合器9的耦合部24能接收到光线。
56.所述光谱仪10包括光栅25、mems微镜阵列26、探测器28。由光纤输入耦合器输出的光入射到光栅25上，光栅25进行空间分光，并将分光后的像投在mems微镜阵列26上。所述mems微镜阵列26包括多个沿竖直方向间隔排列的镜子区域，所述耦合部24和所述镜子区域一一对应。当需要对某个透射检测单元4进行采集时，与该透射检测单元4对应列的镜子区域处于工作状态(打开状态)，其余的镜子区域处于非工作状态(关闭状态)，光线耦合器将经由与该透射检测单元4对应的通道快门的光经过光栅25分光，并将该透射检测单元4的像投在mems微镜阵列26中与该透射检测单元4对应的镜子区域。每个镜子区域分成多列扫描单元，每列扫描单元反射的光耦合到探测器上得到该扫描单元下光的能量，每列扫描单元对应一个光谱波长单位，所述探测器28可以基于各个光谱波长单位所对应的能量生成完整的光谱。在本实施方式中，所述探测器28可以为单点探测器，与该透射检测单元4对应的镜子区域顺序按照空间分光的方向顺序扫描后经过收集光镜头组27汇聚到单点探测器上。单点探测器得到的数据即为该透射检测单元4的光谱数据。当然的，本发明中探测器不局限于单点探测器，也可使用线阵或面阵探测器实现多通道光谱采集。
57.在一个可选的实施方式中，样品池包括ch1、ch2、ch3
……
chn透射检测单元4，其中n大于3。该光谱分析系统包括d1、d2、d3
……
dn通道快门。对应的，光纤耦合器9包括e1、e2、e3
……
en耦合部24。mem微镜阵列包括an*b阵列的镜子；其中，a1*b、a2*b、a3*b
……
an*b分别构成一个镜子区域。举例而言，当需要对ch5透射检测单元4进行检测时，d5通道快门处于打开状态，a5*b的镜子区域处于工作状态。a5*b的镜子区域分为50列，每一列对应于一个光谱波长单位，即该光谱由50个光谱波长单位对应的能量绘制而成。单点探测器可以依序对这50列扫描单元分别扫描，扫描后，光谱分析系统将各列扫描单元的光强与光谱上的光谱波长单位的位置匹配。例如，第一列扫描单元的位置和光谱最左侧的光谱波长单元匹配，那么基于第一列扫描单元单点探测器探测到的光强绘制最左侧的光谱波长单元。第二列扫描单元的位置和光谱左二的光谱波长单元匹配，那么基于第一列扫描单元单点探测器探测到的光强绘制左二的光谱波长单元。依此类推，光谱分析系统可以通过单点探测器以及e5s耦合部24对ch5透射检测单元4的光谱进行采集。依此，本技术实施例中的光谱分析系统可以采集各个透射检测单元4的光谱。
58.在本实施方式中，所述温控系统5还可以包括多个控温装置。每个控温装置与一透射检测单元4对应。每个控温装置可以包括设置在玻璃腔室21相对侧的两个控温器18(例
如，采用tec半导体)。每个控温器18可以成环形，其中间开设有容纳光控单元的通孔。
59.例如，参照图2所示，在该透射检测单元4的玻璃腔室21的相对两侧(图中上侧和下侧)分别设置有一控温器18。位于玻璃腔室21上方的控温器18呈环状，其中心开设有通孔，该通孔中穿设有输入光纤准直器16。位于玻璃腔室21上方的控温器18的下表面采用导热剂与玻璃腔室21紧贴。位于玻璃腔室21上方的控温器18的上表面采用导热剂与一散热支架22紧贴。位于玻璃腔室21下方的控温器18呈环状，其中心开设有通孔，该通孔中穿设有输出光纤准直器17。位于玻璃腔室21下方的控温器18的上表面采用导热剂与玻璃腔室21紧贴。位于玻璃腔室21下方的控温器18的下表面采用导热剂与另一散热支架22紧贴。散热支撑架选择导热率好的材料，便于控温器18工作中对外进行热传导，使控温速度更快。为了保持系统恒温控制的稳定性以及测量精度，光纤准直器的材料选择为导热性不良的低膨胀系数材料(例如聚四氟乙烯或可伐合金)。由此，温控系统5可以通过各个控温装置的控温器18使各个透射检测单元4内的流体处于不同或者相同的恒定的温度，以加快检测的进程。优选地，各个透射检测单元4内还可以设置有伸入玻璃腔室21内部的温度传感器23，以能快速获取各个透射检测单元4内流体的温度。
60.综上，利用温控系统5可以使多个透射检测单元内的流体处于不同的温度(例如依照透射检测单元4的排序阶梯变化的温度排列)，光谱仪10通过光控单元实现同步采集和分析功能，即，光谱仪10可以同步测量多个透射检测单元4的样品光谱，获得的光谱与对应温度条件一一对应。
61.在本实施方式中，该光谱分析系统还可以包括电源系统14、控制系统11和显示系统15等。电源系统14用于该光谱分析系统的工作供电。显示系统15用于人机交互控制。控制系统11用于控制光谱仪10的工作及数据发送和处理，同时管理液体控制装置12的工作状态等。
62.在另一个可选的实施方式中，为了保证检测的精确性以及便于控制，各个玻璃腔室21可以采用相同的，且各个玻璃腔室21设置在等高位置。该光谱分析系统还可以包括一液位传感器13，以用于检测透射检测单元4内流体的高度。例如，液位传感器13可以设置在图1中最右侧的玻璃腔室21的出口和液体控制装置12之间。液位传感器13可以控制流体充满各个玻璃腔室21，由此当光线穿透样品时，不存在空气的干扰，使得测量结果更为准确。
63.特别的，相较于现有技术中的透射检测单元4，本技术实施例中的透射检测单元4仅具有用于流体连通的输入端19(即，玻璃腔室21的入口)和输出端20(即，玻璃腔室21的出口)，而其余部分为全封闭的。因此，本技术实施例中的控温速度很快，测量一个温度下的光谱时间比现有技术更快，并且不受环境光和外界气体干扰。
64.在另一个可选的实施方式中，两个能连通的透射检测单元4之间可以设置有控制部，控制部可以控制这两个透射检测单元4之间的通断。当控制部处于开启状态时，相对应的两个透射检测单元4处于串联状态。当控制部处于断开状态时，相对应的两个透射检测单元4处于并联状态。由此，在设计和施行试验过程中，设计者和作业人员可以较为轻松地在串并联之间进行选取和切换。例如，两个透射检测单元4内处于并联状态，这两个处于并联状态的透射检测单元4内的样品是不同的，温控系统可以使得这两个透射检测单元4内的样品的温度是相同的，由此来获取在相同温度，不同样品的光谱来进行比对。
65.在一个优选的实施方式中，样品槽1位于壳体外，样品槽1的下方设置有废液池2，
废液池2可以盛放意外洒出的液体，避免污染台面。
66.一种流体用的光谱分析系统，包括：
67.壳体，所述壳体内设置有多个相同且处于等高的透射检测单元4，多个所述透射检测单元4通过管线相互串联；
68.其中一个所述透射检测单元4通过伸出壳体的液体导管3和一样品槽1连通；
69.光源6，所述光源6用于发出光线；
70.多个与所述透射检测单元4一一对应的输入光纤准直器16，所述输入光纤准直器16与所述光源6连接，所述输入光纤准直器16设置在所述透射检测单元4的第一侧；
71.多个与所述透射检测单元4一一对应的输出光纤准直器17，所述输出光纤准直器17设置在所述透射检测单元4的第二侧且与其对应的所述输入光纤准直器16相对设置；
72.多个第一温控器，所述第一温控器设置在所述透射检测单元4的第一侧，且所述第一温控器在其背离所述透射检测单元4的另一侧设置有第一散热支架22；所述第一温控器和所述第一散热支架22设置有供所述输入光纤准直器16的第一通孔；
73.多个第二温控器，所述第二温控器设置在所述透射检测单元4的第二侧，且所述第二温控器在其背离所述透射检测单元4的另一侧设置有第二散热支架22；所述第二温控器和所述第二散热支架22设置有供所述输入光纤准直器16的第二通孔；
74.光谱仪10，所述光谱仪10包括光栅25和mems微镜阵列26包括多个间隔排列的镜子区域，所述耦合部24和所述镜子区域一一对应。
75.在对其中一个所述透射检测单元4内的样品进行检测时，与该透射检测单元4对应的所述镜子区域处于开启状态，以将与所述透射检测单元4对应的由所述光控单元形成的光路通道入射到所述探测器28。
76.本技术实施例还公开了一种光谱分析方法，包括以下步骤：
77.将流体通过相互串联的多个透射检测单元以充满各个透射检测单元；
78.控制各个透射检测单元内流体的温度；
79.采集各个透射检测单元的光谱，其中，当其中一个透射检测单元处于检测状态时，与该透射检测单元对应的通道快门和镜子区域处于打开状态；与其余的透射检测单元对应的通道快门和镜子区域处于关闭状态；
80.根据各个透射检测单元的光谱以及该透射检测单元内流体的温度，进行分析建模。
81.例如，参照图4所示，本技术实施例公开了一种具体的仪器分析流程，其具体流程采用如下：
82.启动设备，仪器自检，将样品导入各个透射检测单元4；
83.通过温控系统5将各个透射检测单元4内流体的温度达到预定值；
84.存储不同温度下的光谱图；
85.测量完成后，设备将液体排出；
86.依照上述方法，测量各个样品的光谱图；
87.将不同温度条件下光谱st与理化值进行对应，计算对应光谱的变温谱，根据变温谱和理化值的关系建立模型。该模型可以用于预测其他相关样品或产品等的光谱。
88.本技术实施例采用上述结构和方法，具有以下优点：
89.1、本发明全自动温控方式，多温度条件下光谱同时采集，效率高，分析时间快；
90.2、本发明变温池温区可调，能提供线性的温度输出，使光谱变温输出特性更加准确；
91.3、本发明多通道光谱仪10共用一个mems微镜阵列26，兼容探测器28和阵列探测器28，成本低，测量速度快，系统复杂度低；
92.4、本发明仪器可建立原始光谱模型也可建立变温光谱模型，模型可使用在普通原始光谱模型的仪器上，使传统的原始光谱建模仪器在借助由本发明仪器生成模型基础上能在更宽的温度范围内使用；
93.5、本发明变温池不但可以串联适用也可并联使用，结合多通道光谱仪10可实现同一温度下多个样品同时测量的功能，并且变温区间和曲线可通过程序进行设定；
94.6、本发明所设计的仪器及分析方法，分析精度相比传统仪器分析方法精度更高，抗干扰能力更强。
95.以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的申请专利范围，所以凡是运用本发明说明书及图式内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的申请专利范围内。
96.本说明书中的各个实施例采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本技术可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的电子设备、网络pc、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。
97.虽然通过实施例描绘了本技术，本领域普通技术人员知道，本技术有许多变形和变化而不脱离本技术的精神，希望所附的实施方式包括这些变形和变化而不脱离本技术。