一种光谱分析系统的制作方法

本技术涉及频谱分析，尤其涉及一种光谱分析系统。

背景技术：

1、光谱仪是指使复色光通过棱镜或光栅分解为光谱，并进行记录的精密光学仪器。

2、现有的光谱仪主要由准光镜系统、色散系统和摄谱(或望远镜)物镜系统组成。利用光谱仪可测量物体表面反射的光线。通过光谱仪对光信息的抓取、或电脑化自动显示数值仪器的显示和分析，从而测知物品中含有何种元素。

3、光谱仪在各行各业都得到广泛应用，特别在医疗领域也被用于分析和测量与各类疾病相关的物质成分和浓度。然而市面上光谱仪价格比较昂贵，难以在消费市场得到普及。

技术实现思路

1、为克服上述缺陷，本实用新型旨在提供一种光谱分析系统及方法，采用led阵列扫描实现对光谱信号的采集，进而实现物质成分和浓度的光谱检测；成本低、操作便捷，适合在消费市场普及应用。

2、为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

3、一种光谱分析系统，包括：

4、led阵列，所述led阵列包括若干个不同波长的led；

5、样品池，所述样品池用于装载样品；

6、非球面透镜，所述非球面透镜用于将led发出的光在横向和纵向进行准直后照射样品；

7、光电探测器，所述光电探测器用于接收来自样品的光线；

8、所述led阵列和/或样品池配置有运动机构，用于实现led阵列和样品池之间的相对运动；

9、控制单元，所述控制单元与光电探测器电连接，所述运动机构受控于控制单元，所述led受控于控制单元，控制单元固化有数据处理模块，所述数据处理模块用于光谱分析。

10、优选的，所述光电探测器有两个，两个光电探测器的工作波长不同，两个光电探测器并列布置，两个光电探测器总的工作波长覆盖所有led的波长。

11、优选的，所述样品池、光电探测器的相对位置固定，所述运动机构为：

12、所述若干个不同波长的led周向布置，所述led阵列或者样品池、光电探测器设于转动机构，所述转动机构的驱动电机受控于控制单元；

13、或者，若干个不同波长的led呈矩阵布置，所述led阵列或者样品池、光电探测器设于线性运动机构上，所述线性运动机构的驱动电机受控于控制单元。

14、优选的，所述控制模块包括微处理器，所述光电探测器的输出连接放大电路的输入，所述放大电路的输出连接ad转换器的输入，所述ad转换器的输出连接微处理器，所述微处理器连接显示模块。

15、进一步的，所述led连接led驱动电路，所述led驱动电路连接开关切换电路，所述开关切换电路、led驱动电路均受控于微处理器。

16、进一步的，该种光谱分析系统还包括用于放置样品的样品池，所述样品池位于led阵列与光电探测器之间。

17、本实用新型还公开了适用于该种光谱分析系统的光谱分析方法，用于检测样品的物质浓度，包括扫描方法和数据处理方法，所述扫描方法包括以下方式中的至少一种：

18、旋转扫描，通过转动led阵列实现；

19、线性扫描，通过线性移动led阵列实现；

20、样品池移动扫描，通过转动或者线性移动东样品池、光电探测器实现。

21、优选的，所述数据处理方法包括以下步骤：

22、a、将经过每个led照射获得的数字化值进行累加取平均值获得光谱数据，所述数字化值是led照射样品时，光电探测器输出的电信号经过ad转换后的值；

23、b、将光谱数据进行归一化处理；

24、c、将归一化处理后的光谱数据输入以样品中特定物质为目标值的深度网络回归模型，所述深度网络回归模型的输出为所述特定物质的浓度；所述深度网络回归模型是通过学习训练得到的。

25、优选的，所述深度网络回归模型包括神经网络，所述神经网络由n层结构组成，前n-1层用于提取led光谱的深度特征，第n层用于对提取的特征进行回归计算得到物质浓度值；

26、所述提取led光谱的深度特征采用式(1)：

27、xl+1＝f(wlxl+bl)                    (1)

28、其中，xl是第l层的输入信号，xl+1是第l层的输出信号，即第l+1层的输入；wl和bl是第l层的权重矩阵和偏值，f是激活函数，激活函数采用leaky-relu非线性函数；

29、所述回归计算采用式(2)：

30、

31、其中：y是计算得到的物质浓度值，wn是最后一层的权重矩阵，xn是前n-1层提取出的led光谱的非线性特征，bn是回归模型的偏值。

32、优选的，所述神经网络的反向传播损失函数为均方根误差，如式(3)：

33、

34、其中：n是训练集总样本数，yi是实际测得的第i个物质浓度样本，是对应物质浓度的预测值。

35、优选的，所述数字化值是通过转动台将所有led依次转动至样品处对样品照射得到的。

36、本实用新型的工作原理如下：

37、控制模块对整个系统的工作时序和流程进行控制，具体步骤如下：1)控制模块发送指令到电机驱动电路，电路会驱动电机旋转一个角度；2)控制模块发送两路指令到led光源阵列，一路指令用于切换开关电路，一路指令用于触发led驱动电路去点亮led光；3)重复步骤1)和步骤2)，使所有波长的led光源完成扫描和数据采集，即得到led光谱数据。

38、本实用新型的有益效果如下：

39、1、本实用新型采用led阵列扫描实现对光谱信号的采集，进而实现物质成分和浓度的光谱检测；成本低、操作便捷，适合在消费市场普及应用。

40、2、本实用新型采用深度网络回归模型进行光谱分析，智能化程度高。

41、3、本实用新型采用led阵列以及两个光电探测器，频率范围宽。

技术特征：

1.一种光谱分析系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的光谱分析系统，其特征在于，所述光电探测器有两个，两个光电探测器的工作波长不同，两个光电探测器并列布置，两个光电探测器总的工作波长覆盖所有led的波长。

3.根据权利要求1或2所述的光谱分析系统，其特征在于，所述样品池、光电探测器的相对位置固定，所述运动机构为：

4.根据权利要求1所述的光谱分析系统，其特征在于，所述控制单元包括微处理器，所述光电探测器的输出连接放大电路的输入，所述放大电路的输出连接ad转换器的输入，所述ad转换器的输出连接微处理器，所述微处理器连接显示模块。

5.根据权利要求4所述的光谱分析系统，其特征在于，所述led连接led驱动电路，所述led驱动电路连接开关切换电路，所述开关切换电路、led驱动电路均受控于微处理器。

技术总结
本技术公开一种光谱分析系统，包括若干个不同波长的led的Led阵列，用于装载样品的样品池，用于将Led发出的光在横向和纵向进行准直后照射样品的非球面透镜，用于接收来自样品的光线的光电探测器；Led阵列和/或样品池配置有运动机构，用于实现Led阵列和样品池之间的相对运动；与光电探测器电连接的控制单元，运动机构受控于控制单元，Led受控于控制单元，控制单元固化有数据处理模块，数据处理模块用于光谱分析。本技术采用LED阵列扫描实现对光谱信号的采集，进而实现物质成分和浓度的光谱检测；成本低、操作便捷，适合在消费市场普及应用。

技术研发人员：陈辉
受保护的技术使用者：成都源谱医疗科技有限公司
技术研发日：20230814
技术公布日：2024/4/24