一种近红外光谱传感模组的制作方法

1.本实用新型涉及近红外光谱检测领域，尤其涉及一种近红外光谱传感模组。


背景技术：

2.在海南“禁塑”的要求下，在大力推进降解产业的发展过程中，有不少违法分子在暴利诱惑下生产或销售假冒商品，在一次性膜、袋等产品中以不可降解成分冒充可降解成分，且通过人眼及触摸无法识别产品的真伪性，给市场监管带来较大困扰的同时，也直接抑制了真降解产品的市场，影响降解产业的良性发展，阻碍海南“禁塑令”的有效实施。因此，塑料制品的成分检测成为降解产业链中生产、销售、使用及市场监管不可或缺的部分。
3.当前，基于光谱的物质成分检测技术主要有两种，分别为红外吸收法和拉曼原理法。其中应用红外吸收法的红外光谱仪有中远红外光谱仪和近红外光谱仪，但是中远红外光谱仪大多为体积较大的台式设备，如傅里叶红外光谱仪，无法使用在便携场景；且其作为通用检测设备，检测的物质种类较多，光谱范围较宽，采集样本数据量大，运算量增大，也会导致检测时间较长。目前也较少有出现针对单一种类物质进行检测的近红外光谱仪。


技术实现要素：

4.鉴于此，本实用新型提供了一种近红外光谱传感模组，可专用于检测塑料这一物质种类，鉴别可降解塑料和不可降解塑料。其具有体积小的特点，尤其适合在便携式近红外光谱仪中使用。
5.本实用新型的一种近红外光谱传感模组，包括近红外光源、光谱探测器、光电信号放大模块、光电信号数模转换模块、fpga信号处理模块、中央控制处理器模块、串口通信模块、电源供电模块；所述电源供电模块为所述传感模组的其他组件供电；所述光谱探测器、光电信号放大模块、光电信号数模转换模块、fpga信号处理模块、中央控制处理器模块、串口通信模块依次电连接；所述光谱探测器探测的波段范围为1350nm-1650nm、1550nm-1850nm或1750nm-2150nm。
6.现有的红外光谱仪多是用于多种物质种类的检测分析，如塑料、食品、药品、农产品等，这其中也包括近红外光谱仪。近红外光谱主要是反映c-h、o-h、n-h、s-h等化学键的信息，因此检测范围几乎可覆盖所有的有机物和混合物。本实用新型正是基于近红外光谱的这一特点，根据塑料独有的近红外光谱特征，也就是不同的塑料对近红外光的吸收峰的不同，检测鉴别塑料种类。
7.本实用新型光谱探测器探测的波段范围为1350nm-1650nm、1550nm-1850nm或1750nm-2150nm，这三个窄波段均为塑料的特征波段，采用三个波段中的任何一个波段，均可进行可降解塑料和不可降解塑料的检测鉴别。对于光谱探测器来说，检测的波段范围越宽，探测器的体积也就越大。由于本实用新型需要应用于便携式光谱仪中，因此要求各模块均为小型化设计。也就是，本实用新型所使用的光谱探测器体积小，能够检测的波段范围不会很宽，不会出现探测器直接覆盖本实用新型所选择的三个波段，因此，在选择光谱探测器
时，只要能够覆盖三个波段其中一个波段的探测器均可使用，除此之外，本实用新型对光谱探测器无其他具体限制，可以根据需求进行更换探测器使用。
8.更优的，所述光电信号放大模块通过运算放大器进行光电信号的放大处理，通过滤波电容和rc滤波器进行光电信号的滤波处理。
9.更优的，所述滤波电容包括两个串联的滤波电容。
10.更优的，所述光电信号数模转换模块的芯片型号为ad7968。
11.更优的，所述fpga信号处理模块的芯片型号为partan7系列。
12.更优的，所述中央控制处理器模块采用arm9系列处理器cpu。
13.更优的，所述近红外光谱传感模组还包括光源电源调节模块；所述光源电源调节模块由所述电源供电模块供电；所述光源电源调节模块包括多路电源选择开关和电源发生器；所述中央控制处理器模块将光源电压数字信号输出到所述多路电源选择开关，所述多路电源选择开关根据信号指令选择需要输出的电源电压，并经所述电源发生器将电压信号输出给所述近红外光源用以发出相应照射强度的近红外光。
14.在进行检测时，由于不同的塑料会有颜色深浅以及厚度等差别，再加上还有外界光的影响，为了保证检测的准确性，因此需要光源有足够强的照射强度。本实用新型增设了光源电源调节模块，通过中央控制处理器模块输出光源电压数字信号至光源电源调节模块中的多路电源选择开关，多路电源选择开关根据信号指令选择需要输出的电源电压，使得本实用新型可以针对待测塑料样品的具体情况调节光源的照射强度。
15.本实用新型的近红外光谱传感模组，通过探测窄波段的近红外光实现对塑料种类的检测与鉴别。由于探测的波段范围窄，采集并处理的样本数据量小，再加上限定了光电信号数模转换模块和fpga信号处理模块的芯片型号，以及中央控制处理器模块的cpu型号，大幅提高了本实用新型的检测速度。将本实用新型的传感模组应用于便携式近红外光谱仪中，可以使得最终的检测时间缩短到3秒以内，实现快速鉴别可降解塑料和不可降解塑料。同时，本实用新型还具有检测精度高，体积小的特点。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的优选实施例，并不对本实用新型的范围进行限制。附图不按比例(除规定外)，并且旨在结合下面详细描述中的说明来使用。
17.图1为本实用新型的结构示意图；
18.图2为本实用新型的光电信号放大模块电路原理图；
19.图3为本实用新型的光电信号数模转换模块芯片原理图；
20.图4为本实用新型的fpga信号处理模块芯片原理图；
21.图5为本实用新型的中央控制处理器模块cpu原理图。
具体实施方式
22.为了更好理解本实用新型技术内容，下面将结合本实用新型中的附图提供具体实施例，并结合附图对本实用新型做进一步的说明。
23.本实用新型的一种近红外光谱传感模组，如图1所示，包括近红外光源、光谱探测器、光电信号放大模块、光电信号数模转换模块、fpga信号处理模块、中央控制处理器模块、串口通信模块、电源供电模块；电源供电模块为传感模组的其他组件供电；光谱探测器、光电信号放大模块、光电信号数模转换模块、fpga信号处理模块、中央控制处理器模块、串口通信模块依次电连接。优选的，近红外光谱传感模组还包括光源电源调节模块；光源电源调节模块由电源供电模块供电；光源电源调节模块包括多路电源选择开关和电源发生器；中央控制处理器模块将光源电压数字信号输出到多路电源选择开关，多路电源选择开关根据信号指令选择需要输出的电源电压，并经电源发生器将电压信号输出给近红外光源用以发出相应照射强度的近红外光。
24.进一步的，本实用新型光谱探测器探测的波段范围为1350nm-1650nm、1550nm-1850nm或1750nm-2150nm。
25.光电信号放大模块通过运算放大器进行光电信号的放大处理，通过滤波电容和rc滤波器进行光电信号的滤波处理，其中滤波电容包括两个串联的滤波电容。具体如图2所示，光谱探测器产生的电流信号经r22接入运算放大器同相级，经i/v跨阻放大输出，输出信号通过vcc3拉高电位2.5v，然后通过n2和c20两个串联的滤波电容进行两次滤波后输入二级运算放大器，放大后再经由j7b、c21、c17组成的rc滤波器滤波输出，将最终放大的光电信号输入光电信号数模转换模块。光电信号放大模块通过两级放大和两级滤波共同进行光电信号的放大与滤波处理，其中一级滤波为低频滤波，相比一个滤波电容只能滤除较窄频带内的低频干扰信号，本实用新型通过两个串联的滤波电容进行两次滤波，可以把较宽频带内的低频干扰信号滤除；二级滤波为通过rc滤波器进行的高频滤波。通过两级三次滤波可以更好的将放大信号中的高低频干扰噪声信号滤除掉，有效增加输出信号的信噪比，明显提高了本实用新型的检测精度。
26.光电信号数模转换模块为将光电信号放大模块输出的模拟电信号转换成数字信号的模块，其采用的芯片型号为ad7968。ad7968芯片为16位的数模转换器，内置有高精度低功耗16位sar adc和低功耗高带宽高输入阻抗adc驱动器，具有稳定的低功耗基准电压缓冲器和高效的电源管理模块。fpga信号处理模块为将转换后的数字信号高速采集并进行预处理的模块，预处理包括数字滤波、扣除背景噪声等操作，其采用的芯片型号为partan7系列。partan7系列芯片的速度可以达到1.25gb/s lvds，其具有的高度灵活的软内存控制器支持每秒25.6gb的峰值ddr3-800内存带宽，且实际功耗低。中央控制处理器模块为实现本实用新型逻辑控制并进行数据传输的模块，其采用arm9系列处理器cpu。该系列处理器工作主频高达1ghz、支持浮点运算单元，在运行和停机模式下实现出色的低功耗性能，内置有高达512至1024kb的flash存储器、高达256kb的sram，以及频率高达600mhz的16和32位定时器。
27.如图3-5所示，ad7968芯片通过四线spi接口与partan7芯片相连接，可实现高达48m通信速率，管脚信号分别为cnv0、sck0、sdo0、sdi0。其中cnv0为转换控制信号，用于控制ad7968芯片数据转换的启停；sck0为输入时钟信号，输入时钟频率高达48mbit/s；sdo0为转换数据输出信号；sdi0为转换控制输入信号。ad7968芯片中各管脚信号均串联33r电阻起缓冲电流作用，可保护芯片不受冲击电流而损坏，提高电路稳定性能。partan7芯片通过三线spi接口与arm9处理器相连接，实现高达48m通信速率，管脚信号分别为cs0、sclk0、din0。其中cs0为片选信号，用于启动或停止数据传输；sclk0为输入时钟信号，输入时钟频率高达
48mbit/s；din0为采样数据输出信号。arm9处理器对应管脚信号分别为cnv1、sclk1、din1。通过限定光电信号数模转换模块和fpga信号处理模块使用的芯片型号，以及中央控制处理器模块使用的处理器，实现光谱数据高达48mbit/s的采集及传输，大幅提高了本实用新型的检测速度。
28.电源供电模块提供包括2.5v、3.3v、4v、5v、-5v、6v等稳压电源，其中给光电信号放大模块供电5v和-5v；给光电信号数模转换模块供电2.5v和4v；给fpga信号处理模块、中央控制处理器模块、串口通信模块供电3.3v；给光源电源调节模块供电6v和3.3v。
29.检测流程：外部设备将工作指令通过串口通信模块发送给中央控制处理器模块，中央控制处理器模块通过光源电源调节模块控制近红外光源发出相应照射强度的近红外光照射待测塑料样品。经塑料样品吸收后的光信号被光谱探测器探测到并转换为电流信号输出，电流信号先通过光电信号放大模块进行信号放大及滤波后，再通过光电信号数模转换模块将模拟电压信号转换为数字电压数据并输出，fpga信号处理模块在采集数据并进行预处理操作后，将数据传送给中央控制处理器模块，中央控制处理器模块通过串口通信模块将光谱数据发送至外部设备进行数据的处理与分析，及最终结果的显示。
30.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护的范围之内。