CN102338744A - 多通道测光测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多通道测光测定装置，其不会产生噪声。该多通道测光测定装置具有：光出射装置，其含有分别由不同的多个频率驱动的多个光源；以及光检测器，其对来自该光出射装置的多束光进行检测，将来自该光检测器的输出按照各个频域进行区分，该多通道测光测定装置的特征在于，使驱动所述光源的不同频率的多个信号通过单个含有高次谐波成分在内的信号发生器一起生成。

Description

多通道测光测定装置

技术领域

本发明涉及一种多通道测光测定装置，涉及一种例如利用近红外线的薄片(纸)水分率及厚度测定传感器的检测部分。

背景技术

在纸的制造工序中，水分率的控制很重要，需要对制造途中的纸的水分量进行监视的水分测定传感器。

测定水分量存在下述方法，即，利用近红外线进行透射衰减率测定，根据测定结果进行多变量分析，从而计算出水分率。

具体地说，根据(1)能够被水大量吸收的1.94μm波长、(2)能够被占据纸80％的纤维素大量吸收的2.1μm波长、(3)不能被上述两者吸收的1.7μm波长光的透射衰减率，计算出水分率。

光源大多使用卤素灯。使从光源射出的光透过纸，利用对光源频带具有灵敏度的InGaAS光电二极管或PbS元件检测透射光。

图6(a)是表示现有的测光测定装置的一个例子的图，将上部传感器头1以及下部传感器头2与O型框架3卡合，沿箭头X方向同步地往复驱动。在上下传感器头1、2之间，测定对象物(纸片)4以非接触的状态由未图示的输送单元从例如内侧向前方的方向输送。因此，测光测定装置的轨迹在纸片上以Z字形进行扫描。

图6(b)是表示上述上下传感器头1、2的详细内容的图，在本例子中，在上部传感器1中配置卤素灯5和滤光轮6，将利用滤光轮6滤光后而得到的1.94μm、2.1μm、1.7μm这3种波长的光向隔着纸片4配置的一对反射镜8入射。

然后，使通过一对反射镜发生散射的3种光入射至感光元件10。将入射后的光利用放大器12放大，并进行A/D变换后，利用CPU11计算出水分率。

近年来，部分使用了将LD或LED等半导体发光元件作为光源使用的方法(参照日本特表2008-539422“移動するシ一ト製品中の選んだ成分を測定するセンサ及び方法”的图3)。LD或LED与卤素灯相比具有下述优点，即，寿命较长，相对于消耗功率可以高效地发光，在使用可以实现较高的噪声去除的锁相放大器时，能够进行电气调制。

特别地，对于可以进行电气调制这一点，与需要机械调制方式的卤素灯光源相比，具有很大优势。机械调制具有下述缺点，即，机械运动部分的磨损所导致的故障风险变高，需要用于测定调制频率的机构而花费工时，以及难以进行高频下的调制等。另一方面，对于电气调制，由于不存在由于磨损导致的故障风险，根据进行驱动的频率而直接可知频率，所以不需要测定机构。

图7是日本特表2008-539422所记载的其他现有技术的一个例子的图，是对移动的纸片中的水分进行测定的水分传感器系统的概略图。系统包含：测定波长光源控制器42，其对测定光源16进行调制，并且控制该测定光源16的温度；以及基准波长光源控制器40，其对基准光源14进行调制，并且控制基准光源14的温度。

电源41与控制器40、42连接，光源14、16与光纤23、24的一端连结，光纤23、24的另一端与光学头28连接。

薄片(纸)30与光学头28相邻地配置，以可以使光31从光学头28射向薄片30。

反射光33的一部分由光学头28收集，光学头28还与光纤32连接，该光纤32将来自光学头28的光发送至检测器34。在这种结构中，光纤23、24输送光源光束，光纤32输送检测器光束。

系统含有放大器36、基准波长锁相放大器20、测定波长锁相放大器18、以及用于数据信号分析的计算机19。放大器36将来自检测器34的光感应电流变换为用于向锁相放大器18、20输入的电压信号。基准波长放大器20以及测定波长锁相放大器18对调制后的信号进行放大，与此同时，将该信号变换为直流电平的信号，并使所形成的信号通过低通滤波器(省略图示)，由此，抑制无法调制的背景噪声，从而将低电平的调制信号从背景中排除。

低通滤波器具有与调制频率相比低10倍的截止频率。低通输出滤波器和调制频率之间的频率之差越大，锁相检测的噪声性能越好。来自锁相放大器18、20的内部振荡器的波形，作为用于对光源14、16的调制光输出进行调制的光源控制器42、40的基准波形使用。

来自基准光源14以及测定光源16的光通过共通的光纤23、24，利用频分多路复用(FDM)进行传输，从而可以形成多路复用器及多路分配器。为了实施FDM，测定光源14及基准光源16分别被控制器40、42调制为不同的频率。

实施多路复用的一个优点在于，由于将各个光源调制为不同的频率，所以仅需要单个检测器34以及前置放大器36以检测两者的波长。

图7所示的传感器系统利用反射模式对由薄片(纸)30所反射的光线进行检测，但也可以采用检测器29，形成透射模式，该检测器29配置在薄片30的相对侧部，能够对通过薄片30的光线进行检测。在该情况下，检测器29的光学元件与光纤32连接。

通过使用该方法，可以利用1个检测器对从多个半导体发光元件射出的光进行测定。这是由于，可以对各个发光元件施加不同的频率调制，通过在信号侧进行频率区分，从而将各个信号分离。在光源为卤素灯等白色光的情况下，必须使用光学滤波器等进行波长分解。此时，由于各个滤波器都需要一个检测器，所以会带来成本上升和光学系统的复杂化。

专利文献1：日本特表2008-539422号公报

发明内容

但是，在由一个检测器测定从多个半导体发光元件输出的光的情况下，驱动元件的频率选择变得重要。将测定信号与元件数量对应地进行分割，并使其通过以输入至元件的调制频率作为中心频率的带通滤波器(BPF)，从而区分信号。在这里，如果各通道具有对方频率的信号，则会作为噪声被测定出来。由于测定的获取时间有限，所以测定信号具有较宽的频率，由此，有时会相互作为噪声而被检测出。

由此，本发明的目的在于提供一种多通道测光装置，其用于对多个测定信号进行区分而不会彼此混杂，在获取的波形数据的时间宽度内，通过使各个电气信号形成正交关系而消除噪声。

为了解决上述课题，本发明中的技术方案1所记载的发明为一种多通道测光测定装置，

其具有：光出射装置，其包含分别由不同的多个频率驱动的多个光源；以及光检测器，其对来自该光出射装置的多束光进行检测，该多通道测光测定装置将来自该光检测器的输出按照各个频域进行区分，

该多通道测光测定装置的特征在于，

驱动所述光源的不同频率的多个信号，由单个的含有高次谐波成分的信号发生器而一起生成。

技术方案2的特征在于，在技术方案1所记载的多通道测光测定装置中，

所述光出射装置具有：所述信号发生器；以及多个带通滤波器，其仅提取由该信号发生器生成的多个频率中的规定频率，该光出射装置基于该带通滤波器提取出的频率，分别驱动所述多个光源。

技术方案3的特征在于，在技术方案1所记载的多通道测光测定装置中，

将所述多个频率按照各个频域进行区分的单元具有下述机构，即，通过使获取的数据的时间窗宽度与调制信号频率的倒数的整数倍一致，从而使各个调制信号彼此具有正交性。

技术方案4的特征在于，在技术方案1或技术方案2所记载的多通道测光测定装置中，

所述信号发生器为矩形波发生器，所述不同的多个频率作为具有一定频率间隔的频率梳齿而一起生成。

技术方案5的特征在于，在技术方案2所记载的多通道测光测定装置中，

带通滤波器使用遮断特性优异的部件。

发明的效果

根据上述说明可知，根据本发明的技术方案1～5，在获取的波形数据的时间宽度内，由于各个测定信号为正交关系，所以可以将多个测定信号彼此不会混杂地进行区分。

另外，由于无需针对多个光源而准备相同数量的信号发生器，所以可以使装置简化，可以实现成本降低。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施例的结构框图。

图2是表示图1的装置的具体例子的局部放大图。

图3是信号发生器的说明图。

图4是表示利用Start触发信号以及StoP触发信号而作为Signal输入所取得的数据的关系的图。

图5是表示其它实施例的结构框图。

图6是表示现有例的要部结构图(a)、以及表示上部、下部传感器的详细结构的要部结构图。

图7是表示其它现有例的结构框图。

具体实施方式

图1是表示本发明的实施例的结构框图。在图1中，50是由光源驱动装置和多个光源构成的光出射装置，其中，该光源驱动装置由彼此不同的频率调制，该多个光源选择由信号发生器产生的多个频率，并由该选择的频率驱动。

该光出射装置50由下述部件构成：信号发生器51；3个带通滤波器(以下称为BPF)52a、52b、52c，它们与该信号发生器51连接；光源驱动用放大器53，其对来自上述BPF 52的输出进行放大；以及光源54a、54b、54c，它们由LD(激光二极管)或LED(发光二极管)构成。

薄片(纸)55在光检测元件56和光源54之间，隔着规定间隔配置，检测元件56的输出向电流电压变换器57输入。电流电压变换器57的输出向A/D变换器58输入，将其输出向锁相放大器59a、59b、59c输入。

另外，在A/D变换器58中，作为参照信号而输入BPF52a、52b、52c的输出，并且还输入方波生成器51的输出。BPF52a、52b、52c的输出也输入至锁相放大器59a、59b、59c。

图2(a、b)是信号发生器51的一个例子，是表示将占空比50％的矩形波输出进行傅里叶变换而得到的频率梳齿的关系的图。通过在单个的矩形波发生器中使用矩形波的高次谐波，从而可以作为具有一定频率间隔的频率梳齿而同时生成所需的多个调制信号。

图3是表示将信号发生器51输出的信号与光源数量对应而进行分割，将该信号中含有的频率通过BPF52a、52b、52c而仅提取各自的频率(在这里，在图中示出了施加3Khz的波长而得到3Khz、9Khz、12Khz的频率的例子)。由此，各个光源可以以具有正交关系的不同频率进行驱动。

另外，向各个BPF输入的含有高次谐波的信号为了保持正交性，必须使用从同一信号波发生器输出的信号。因此，需要将来自单个信号发生器的输出与BPF的数量对应而进行分割。通过使含有高次谐波的信号经过BPF，从而可以提取出单一的频率。

在这里，所谓正交关系是指内积为0的关系。如果以算式进行表示，则如下所示。

【算式1】

${\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}f\left(x\right)\·g\left(x\right)\mathrm{dx}=0\·\·\·\left(1\right)$

在锁相放大器中，将大于或等于2个的输入信号相乘，针对某一时间范围进行平均或累计。即，可以称为与取得内积大致同义。

由于向锁相放大器输入的信号是从含有高次谐波的信号中仅提取出特定频率的正弦波，所以可以将上述算式如下所示记述。在这里，n、m、l为自然数。

【算式2】

${\∫}_0^{\mathrm{n\π}}\sin \left(\mathrm{mt}\right)\·\sin \left(\mathrm{lt}\right)\mathrm{dt}=0$ (m≠l)···(2)

【算式3】

${\∫}_0^{\mathrm{n\π}}\sin \left(\mathrm{mt}\right)\·\sin \left(\mathrm{lt}\right)\mathrm{dt}=1$ (m＝l)···(3)

如果将具有正交关系的信号向锁相放大器输入，则输出0，在相同频率的信号之间，仅输出该信号的平均或累计。由此，如果将希望提取的频率的信号向锁相放大器输入，则可以仅提取该频率的信号。

另一方面，在并非正交的2个信号，即，在算式(2)及算式(3)中，m和l不是整数且m≠l时，积分值取0～1之间的值。虽然积分时间范围越长，值越接近0，但由于测定时间有限，所以具有一定程度的值。即，在各个LED的驱动频率彼此并非正交关系的情况下，会作为噪声而检测出。

在算式(1)及算式(2)中，如果2个信号的相位不一致，则输出不为0，这一点需要注意。即，需要具有相位调整的机构。另外，还存在使用sin成分和cos成分这两者作为参照信号的2相位锁相放大器的方法。在此情况下，无需进行2个信号的相位调节，很有效。

在本发明中，为了提取出所有通道的信号，准备了与所有通道数量相应的锁相放大器。向各个锁相放大器中，分别输入来自检测器的信号、以及作为参照信号而输入利用各自不同的频率对各光源进行调制后的信号。由此，检测信号所具有的来自各光源的所有(或一部分)信号信息，通过经过各自的锁相放大器而进行频率区分后输出。

此外，例如在对纸中含有的水分进行检测时，如前面记述所示，针对来自1.94μm、2.1μm、1.7μm波长的光源的每一个信号进行区分。

另外，在算式(1)及算式(2)中，时间范围的选择是重要的。根据算式(1)及(2)可知，积分范围为0～nπ。在不是该期间的情况下，即n不是自然数的情况下，输出值不为0。此时，不能说sin(mt)及sin(lt)为正交关系。

模拟数字变换器58具有使获取的波形的时间宽度与由方波发生装置51产生的方波的整数倍周期一致的功能。由此，可以使各个调制信号彼此具有正交性。

频率的选择通常是考虑测定时间(时间分辨率)而确定的。

返回图1，从发光二极管54a、54b、54c发出的光，透过被测定样品(纸)55而入射至光检测元件56，变换为电气信号。该电气信号是与各个调制频率对应的交流信号。例如在电流输出的情况下，电气信号由电流电压变换器57进行电压变换，在由放大器等进行放大等处理后，由模拟数字变换器58变换为数字信号。

图4是表示来自BPF的参照信号、和利用Start触发信号及Stop触发信号作为Signal输入获取的数据之间的关系的图，同时获取2.1μm(f1)、1.94μm(f2)、1.7μm(f3)的信号，并发送至锁相放大器。

此外，开始触发信号和停止触发信号的定时如下设置，即，例如在信号发生器51和ADC 58之间配置分频器60，例如每经过100个脉冲而起振开始/停止触发信号。

模拟数字变换器58如前述所示，在以时间作为基准的情况下，具有使获取的波形的时间宽度与从信号发生装置51输出的信号的整数倍周期一致的功能，在以频率作为基准的情况下，具有使获取的的数据的时间窗宽度与调制信号频率的倒数的整数倍一致的功能。

由此，可以使各个调制信号彼此具有正交性。

在模拟数字变换器58中，将多个信号按照频域进行区分。在模拟数字变换器58中，例如利用锁相检测而区分信号。在各自的通道中，将光源的驱动信号作为参照信号，根据检测信号检测相同频率的信号。由于各个信号的频率为正交关系，所以即使在有限的测定时间中，也可以将3个信号彼此不会混杂地进行区分，可以得到高信噪比。

此外，如果在光源驱动用放大器53的前段使用频率特性优异的带通滤波器，以使得在由带通滤波器仅提取出各自的频率时，来自信号发生器51的信号中含有的目标频率之外的频率成分的信号不会彼此混杂，则很有效果。

另外，放大器的高次谐波变形对信号的相互干涉产生影响。

即，如果高次谐波变形的大小为例如0.01％，则该信号的频率的高次谐波以0.01％的大小输出。由此，例如f频率的信号的高次谐波输出为2f、3f、4f。如果该频率在其它通道中使用，则会作为噪声而混杂在该通道中。在这里，与变形相关的数字是根据需要哪种程度的精度而确定的。由此，光源驱动用放大器53和电流电压变换放大器57的高次谐波变形设置为例如小于或等于0.0001％则有效。

图5是表示其它实施例的结构框图。在图1中，作为数字信号处理而使用锁相检测。但也可以例如图5所示，在ADC 58的后段连接离散傅里叶变换(FFT)装置61而对频域进行滤波。

由于3个信号具有数据时间宽度的整数分之一的波长，所以利用离散傅里叶变换而得到的信号强度的能量集约为特定的项。滤波器进行取出该特定项并屏蔽其它项的作业。由此，可以将3个信号不会彼此混杂地区分，此外还可以得到高信噪比。与锁相放大器相比，信号处理变得简单。

此外，上述说明只不过是以对本发明进行说明及例示的目的而示出的特定优选实施例。

例如在本实施例中，使矩形波为占空比50％，但如果是在频率上集约为多个特定项的波形，则矩形波的占空比也可以不是50％。另外，也可以不是矩形波。例如也可以是三角波、锯齿波等。

在锁相放大器中所使用的参照信号，也可以不获取由矩形波所生成的特定频率的信号。例如，也可以参照矩形波，在检测器侧相同地具有不同频率。

由此，本发明并不限定于上述实施例，在不脱离其本质内容的范围内，可以进行变更、变形。

Claims (5)

1.一种多通道测光测定装置，其具有：光出射装置，其包含分别由不同的多个频率驱动的多个光源；以及光检测器，其对来自该光出射装置的多束光进行检测，

该多通道测光测定装置将来自该光检测器的输出按照各个频域进行区分，

其特征在于，

驱动所述光源的不同频率的多个信号，由单个的含有高次谐波成分的信号发生器而一起生成。

2.根据权利要求1所述的多通道测光测定装置，其特征在于，

所述光出射装置具有：所述信号发生器；以及多个带通滤波器，其仅提取由该信号发生器生成的多个频率中的规定频率，

该光出射装置基于该带通滤波器提取出的频率，分别驱动所述多个光源。

3.根据权利要求1或2所述的多通道测光测定装置，其特征在于，

将所述多个频率按照各个频域进行区分的单元具有下述机构，即，通过使获取的数据的时间窗宽度与调制信号频率的倒数的整数倍一致，从而使各个调制信号彼此具有正交性。

4.根据权利要求1或2所述的多通道测光测定装置，其特征在于，

所述信号发生器为矩形波发生器，所述不同的多个频率作为具有一定频率间隔的频率梳齿而一起生成。

5.根据权利要求2所述的多通道测光测定装置，其特征在于，

所述带通滤波器使用遮断特性优异的部件。

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