一种透反射双取样光谱仪及测量方法

本发明属于光谱，具体地而言为一种透反射双取样光谱仪及测量方法。

背景技术：

1、滤光片是便携式光谱仪器常用的分光器件，具有性能稳定、易于控制、简化光路的优点。光谱仪器由光源、分光器件、取样器件、传感器、采集和控制电路、电源等几个部分组成。分光器件将光源发出的复合光分成空间或时间分布的单色光，经取样器件与样品或参比作用后进入传感器，转换为电信号，经放大处理、采集后得到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。取样器件根据样品的状态有透射式和反射式两种。不同的取样方式，仪器的结构不同，因此光谱仪特别是便携式仪器通常只有透射或反射一种取样方式，取样方式单一。也有的光谱仪提供了两种取样方式，但需要更换取样部件，很不方便；而且每次只能采样一种取样器、检测一种样品，工作效率低。

2、可见-红外光谱仪光源部分通常采用卤钨灯，以透镜或球面反射镜将灯丝成像在分光器件上，只用光源单方向的光，光源的利用率较低。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于提供一种透反射双取样光谱仪及测量方法，解决现有光谱仪存在的取样单一、工作效率低、光源利用率低的问题，提供基于同光源的双向光路取样、滤光片同周分位使用的透反射双取样便携式光谱仪及光谱测量方法，为提高便携式光谱仪器的工作效率。

2、本发明是这样实现的，

3、一种透反射双取样光谱仪，包括双向光源、同周分位滤光调制器、透射光路传输光纤、透射取样器、反射光纤探头、双路探测采集电路、解调控制电路、上位机和电源，其中：

4、电源为双向光源、反射光纤探头、同周分位滤光调制器、双路探测采集电路以及解调控制电路提供电能，同时解调控制电路用于对电源、双向光源、同周分位滤光调制器、双路探测采集电路进行控制；

5、双向光源发出光源单独以及通过透射光路传输光纤传输至滤光调制器，并通过所述滤光调制器调制后部分通过发射光纤探头进入至双路探测采集电路，部分通过透射样品的透射取样器输出至双路探测采集电路；所述双路探测采集电路将采集的光信号传输至解调控制电路，并通过解调控制电路上传至上位机；

6、所述双向光源包括卤钨灯、反射光路透镜组、反射光路出射接口、透射光路透镜组以及透射光路出射接口固定在光源筒内，卤钨灯的灯丝中心与其它组件的中心共轴，卤钨灯的正负极通过电动开关与电源连接，光源的透射光路出射接口与透射光路传输光纤入射端连接，透射光路出射接口的端面位于透射光路透镜组的卤钨灯灯丝的成像位置；电源接口通过电动开关分别与解调控制电路的光源控制信号接口和电源连接；光源的反射光路出射接口中心与同周分位滤光调制器的反射位安装孔中心、反射光纤探头入射接口中心同轴，且反射光纤探头入射端面位于反射光路透镜组的卤钨灯灯丝的成像位置；

7、所述同周分位滤光调制器包括稳速电机、滤光片、滤光调制盘、光电开关以及固定立板，所述固定立板通过螺钉固定在底板上，其上有反射位安装孔、电机安装孔、透射位安装孔，稳速电机通过螺钉固定在固定立板上的电机安装孔位置，其输出轴与滤光调制盘的中心孔固定连接，滤光片安装在滤光调制盘上均匀分布的滤光孔位上，滤光片的个数根据分析样品的被分析成分数量要求选取，包括nm个具有不同的中心波长λmj的窄带滤光的特征滤光片j＝1，2，...，nm、nc个中心波长为λci窄带滤光的参比滤光片i＝1，2，...，nc和一个截止波长的带通滤光片作为背景滤光片，滤光调制盘的盘边有均匀分布的狭缝，狭缝的边缘与滤光孔位的边缘对齐，除了其中有一个宽狭缝作为初始位置狭缝，对应1号滤光孔位，其余狭缝宽度一致，依次对应2～n号滤光孔位；滤光调制盘的滤光孔位数n大于等于nm+nc+1；光电开关通过螺钉固定在固定立板上，滤光调制盘的盘边位于光电开关的中间槽中，光电开关的供电和信号线分别与电源、解调控制电路的调制盘转位信号接口连接；

8、所述透射光路传输光纤入射端与光源的透射光路出射接口连接，出射端与同周分位滤光调制器的固定立板上的透射位安装孔连接；

9、所述透射取样器包括准直透镜、样品池固定槽以及出光口；准直透镜和出光口的中心与同周分位滤光调制器的固定立板上的透射位安装孔中心同轴，出光口对准双路探测采集电路透射传感器接收面；

10、反射光纤探头的入射端固定在同周分位滤光调制器的固定立板上的反射位安装孔，端面位于反射光路透镜组的卤钨灯灯丝的成像位置，探头反射端固定于仪器的反射窗口，出射端固定在双路探测采集电路反射传感器接收面上；

11、双路探测采集电路包括两个光电探测器及接口、信号调理放大电路和1个双通道adc采集电路、以及双路数据接口、控制信号接口以及电源接口，两路探测接口分别与透、反射两路取样器的两个探测器窗口连接；双路数据接口和控制信号接口分别与解调控制电路的双路数据接口和采集控制信号接口连接；

12、解调控制电路包括微处理器单元、双路数据接口、采集控制信号接口、调制盘转位信号接口、通讯接口、电源接口以及光源控制信号接口，分别通过双路数据接口、采集控制信号接口、调制盘转位信号接口、通讯接口、电源接口、光源控制信号接口与双路探测采集模块、同周分位滤光调制器、上位机、电源、双向光源相连。

13、一种透反射双取样光谱测量方法，包括如下的步骤：

14、(1)上位机发送指令，解调控制电路的微处理器单元接收指令，包括：

15、1)控制稳速电机转动，使同周分位滤光调制器匀速转动，在透射位和反射位处分别有不同的滤光片转过，依次为：第一个参比滤光片、第二个参比滤光片、…、第nc个参比滤光片、第一个特征滤光片、第二个特征滤光片、…、第个nm特征滤光片、背景滤光片，并具有错位，即同一时刻到达反射和透射样品的两路光信号为不同的波长信号，但顺序相同，其中nc为参比滤光片的个数，nm为特征滤光片的个数；

16、2)控制双路探测采集电路进行一个调制周期的信号采集，微处理器单元通过调制盘转位信号接口接收同周分位滤光调制器的光电开关的信号，判断是否是低电平到高电平跳变的上升沿，是，则通过采集控制信号接口控制双通道adc采集电路采样并通过双路数据接口，分别获得透反射两路采样值dtk和drk，直至下一个上升沿到来，其中k＝1，2，...，mk，mk为滤光片对应一个调制周期内信号的adc采样的数据个数，取决于信号的调制频率fm、adc采样频率fs，等于二者之比；

17、3)数字解调：分别计算一个调制周期的透反射两路信号的幅值2/π倍值dt*和dr*，解调方法采用对应调制周期内信号的adc采样值dtk或drk绝对值的算术平均值：

18、

19、

20、dt*和dr*的下标*为ci、mj、0中的任意一个：c代表参比滤光片，m代表测量滤光片，i为参比滤光片的序号＝1，2，...，nc，j为特征滤光片的序号＝1，2，...，nm，0代表背景滤光片，根据调制器的光电开关信号高或低电平的时间间隔和上升沿的序号判断当前采样周期对应位置的滤光片的序号，从而判断当前采集数字量的下标*应该是ci、mj、0中的哪一个；

21、4)重复步骤2)和3)，依次分别得到nm+nc+1个在滤光调制盘的滤光孔位上安装有滤光片位置对应周期的采集数字量dt*和dr*，其余周期不做处理；

22、(2)重复步骤(1)的2)～4)q次，得到q组采集数字量dt*和dr*，相同滤光片对应的q个dt*或dr*取平均，替代dt*或dr*；

23、(3)控制解调电路的微处理器单元将采集值dt*或dr*排序，使二者对应的滤光片位置顺序一致，然后按顺序依次上传给上位机，上位机采用滤光片透过率校正光谱计算方法计算样品在每个特征波长λmj处的透过率tj和反射率rj，或计算对应的吸光度atj和arj：

24、atj＝-logtj                       (3)

25、arj＝-logrj                       (4)。

26、进一步地，滤光片透过率校正光谱计算方法：样品在每个特征波长λmj处的透过率tj和反射率rj：

27、

28、

29、其中：λmj、tmj分别为特征滤光片的中心波长、透过率校正系数，λmj选取被测样品中测量成分有吸收的特征波长，j＝1，2，...，nm；dtmj、drmj分别为中心波长λmj的特征滤光片对应的透反射两路光强采集数字量；dt0、dr0为两路背景滤光片采集数字量；λcj1、λcj2、tcj1、tcj2分别为特征波长λmj的2个参比滤光片的中心波长、透过率校正系数，λcj1、λcj2在参比滤光片对应中心波长λci(i＝1，2，...，nc)中选取与特征波长λmj对应的测量成分无关且被测样品没有吸收特性的波长，即dtcj1、dtcj2、drcj1、drcj2分别为中心波长λcj1和λcj2的参比滤光片对应的透反射两路光强采集数字量。

30、透过率校正系数t*的下标*可为mj、ci1、ci2中的任意一个，其值取决于对应滤光片的透过率特性：当各特征和参考滤光片具有相同的峰值透过率和半宽度，则t*取1；当各滤光片透过特性具有相同的半宽度，则t*取对应滤光片的峰值透过率；当各滤光片具有相同的峰值透过率，则t*取对应滤光片的半宽度；当各滤光片的半宽度和峰值透过率均不同时，则t*取在其半宽度波长范围内的透过率平均值与其半宽度之积。

31、本发明与现有技术相比，有益效果在于：

32、本发明提供的透反射双取样便携式光谱仪及光谱测量方法，利用光纤传输和取样设计同光源的透射和反射双向两套取样光路和采样滤光片同周分位使用的分光器件，即两套取样光路共用一个光源和一套分光调制装置，结构紧凑，在一台光谱仪器上可以同时进行透射和反射两种不同类型的样品光谱测量。采用此方法，可消除仪器滤光片光谱特性的影响，减小不同批次仪器的台间差，提高仪器分析模型的仪器适用性。解决了现有光谱仪存在的取样单一、工作效率低、光源利用率低的问题，特别是能够满足便携式光谱仪器使用便捷、工作高效的要求。