CN102829864A - 光谱仪亮度自校准调节测控系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光谱仪亮度自校准调节测控系统及光谱测量方法。该系统为光机电一体化的闭环控制结构，由光谱信号采集单元、亮度自动校准控制单元、光源可控稳流单元和参比调节单元四部分构成。其方法是光源可控稳流单元经单色器、取样器得到样品的光谱信号，可控稳流单元控制电流和参比调节单元的转动角度；以保证实际测量时参比的测量信号不超出量程。通过改变样品的入射光强的方式，使光谱仪对不同反射率或透过率样品测量的光谱数据具有一致的信噪比。与现有技术相比，解决了现有光谱仪测量范围有限的问题，扩大仪器的适用范围，提高光谱仪器的通用性；与现有光谱仪或采用不同的光源或取样器的技术方案相比，降低了成本，提高了工作效率。

Description

光谱仪亮度自校准调节测控系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种光谱仪，尤其是光源亮度自校准和调节的近红外光谱仪测控系统及测量方法。

背景技术

光谱仪器作为一种常用的分析仪器，应用范围广泛。

光谱仪器由光源、单色器、探测器、取样器、采集和控制、电源等几个部分组成。其中光源系统是为光谱仪器提供所需波段的光线。而光谱仪种类繁多，按波段分，有紫外、可见、近红外、中红外等；按分光器件可分为：滤光片、光栅分光、傅立叶变换和声光可调4种类型；按样品与光源的作用方式分为反射、透射、漫反射、漫透射、漫透反射等。所有类型的光谱仪均需测得样品对光源发出光线作用情况，即反射率或透射率，从而分析样品的结构和成分。现有的光谱仪器其光源的亮度是固定的，对于反射率、透射率小的样品所测得光谱数据的信噪比低，这将影响其分析的精度甚至无法进行分析，从而限制了光谱仪器的使用范围。为了解决这一问题，现有的仪器厂家和设计者通常采用更换附件的方法，对于不同的样品，采用不同的光源或取样器，从而增加了仪器的成本和操作的复杂性。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种采用光机电一体化闭环控制结构，适用于反射光谱仪或透射光谱仪的光谱仪亮度自校准调节测控系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

光谱仪亮度自校准调节测控系统，与单色器、取样器及电源组成的反射式光谱仪或透射式光谱仪，光谱仪亮度自校准调节测控系统为光机电一体化的闭环控制结构，由光谱信号采集单元9、亮度自动校准控制单元7、光源可控稳流单元13和参比调节单元16四部分构成：

亮度自动校准控制单元7分别连接参比调节单元16和光源可控稳流单元13，亮度自动校准控制单元7接收由光源可控稳流单元13发出的光信号经单色器15、取样器17再由光谱信号采集单元9转换的数字信号，根据该信号发出参比调节单元和光源可控稳流单元的控制信号；参比调节单元16接收亮度自动校准单元的控制信号，根据该信号调节有效参比位置。电源分别与光谱信号采集单元9、亮度自动校准控制单元7、光源可控稳流单元13和参比调节单元16连接。

所述的光谱信号采集单元9是由信号转换放大电路分别连接探测器、电源接口和信号接口构成。

所述的亮度自动校准控制单元7是由控制电路分别与电源接口、测量信号接口、控制信号I接口和控制信号Ⅱ接口连接构成。

所述的光源可控稳流单元13是由控制信号I接口经数模转换电路、稳流控制电路与光源接口连接，电源接口分别与数模转换电路和稳流控制电路连接构成。

所述的参比调节单元16是由参比调节机构和电路两部分构成，电路是由控制信号II接口经电机驱动电路连接电机接口，电机驱动电路经电源接口与光谱仪的电源连接；

参比调节机构是在光谱仪取样器17靠近的后侧板1或底板12上通过螺钉固定有支架3，在支架3上装有步进电机2，在步进电机轴上通过键销装有参比调节盘5，参比调节机构安装时使取样器7的光轴与参比调节盘5上所设的有效参比透射孔或参比反射板6的中心在同一直线上，电线4与电机接口连接构成。

参比调节盘5上等圆心角设有三个以上不同直径的参比透射孔或参比反射板6，参比透射孔的用于透射式光谱仪，设有参比反射板的用于反射式光谱仪。

参比调节盘5上设有参比透射孔或参比反射板6，参比透射孔或参比反射板6的中心距参比调节盘5的中心距离相等，参比调节盘5上的有效参比透射孔或参比反射板6均位于光轴上，参比透射孔或参比反射板6有效直径≤光斑直径。

光谱仪亮度自校准调节测控系统的光谱测量方法，包括以下步骤：

a、初始化：进行样品预测和系统校准。将待测样品置于光谱仪的测量窗口或取样池内，光源可控稳流单元13按标准方式控制，发出光线经单色器15、取样器17与待测样品发生作用，得到样品的漫反射或漫透射光线。光谱信号采集单元9测量待测样品的作用光线强度的数字量。亮度自动校准控制单元7根据此强度值，计算光源调整参数kl和参比调整比值kc，并控制光源可控稳流单元13的控制电流和参比调节单元16的转动角度；以保证实际测量时样品测量值的最大值大于信号采集单元满量程的1/4，参比的测量信号不超出量程。

b、样品测量：系统按初始化调整后，光谱仪分别进行背景、参比、样品的作用信号测量，得三者的测量值D₁、D₂、D₃。

c、光谱数据计算：根据背景、参比、样品的测量值D₁、D₂、D₃和参比调整比值kc，计算样品实际的反射率或透射率光谱数据G，以及吸光度A：

$G=\frac{D_3-D_1}{\mathrm{kc}\·(D_2-D_1)}$

A＝-logG

其中：

参比调整比值kc为在标准方式条件下光谱仪扫描所用参比和样品测量时所用参比的测量值(D_cs和D_cm)分别与背景测量值D_g的差之比，计算公式：

$\mathrm{kc}=\frac{D_{\mathrm{cs}}-D_g}{D_{\mathrm{cm}}-D_g}$

光源调整参数Kl为光谱仪在标准方式条件和样品测量时光源供电电流之比。

D_l为光谱仪背景测量值；D₂为光谱仪参比测量值；D₃为光谱仪样品测量值。

D_g为光谱仪标准方式条件下背景测量值；D_cs为光谱仪标准方式条件下所用参比测量值；D_cm为光谱仪标准方式条件下扫描样品测量时所用参比测量值。

光源通过光源可控稳流单元的控制电流，以稳定的光强发出光谱仪所需波段的光线，经单色器得到所需各波长的单色光。取样器使样品与各单色光作用后，通过光谱信号采集单元获得样品作用光强度的测量值。根据该测量值的大小，亮度自动校准控制单元计算光源调整参数和参比调整比值，发出2个控制信号。控制信号I控制光源可控稳流单元的控制电流以改变光源发出光线的强度，以保证实际测量时样品测量值的最大值大于信号采集单元满量程的1/4。控制信号Ⅱ控制参比调节机构的转动角度，以调节有效参比使其测量信号不超出量程。

上述过程完成后，光谱仪按常规进行测量：分别进行背景、参比、样品的作用信号测量，得三者的测量值，然后根据光源调整参数与参比调整比值计算样品实际的光谱数据。

有益效果：本发明采用光机电一体化的闭环控制结构，通过改变样品的入射光强的方式，使光谱仪对不同反射率或透射率样品测量的光谱数据具有一致的信噪比。本发明与现有技术相比，解决了现有光谱仪测量范围有限的问题，扩大仪器的适用范围，提高光谱仪器的通用性；与现有光谱仪或采用不同的光源或取样器的技术方案相比，降低了成本，提高了工作效率。

附图说明；

图1光谱仪亮度自校准调节测控系统结构框图

图2是附图1中光谱信号采集单元9的结构框图

图3是附图1中亮度自动校准控制单元7的结构框图

图4是附图1中光源可控稳流单元13的结构框图

图5是附图1中参比调节单元16中的电路结构框图

图6a是附图1中参比调节单元16中的参比调节机构结构主视图

图6b是附图6a的右视图

图7反射式光谱仪系统安装正视图

图8反射式光谱仪系统安装左视图

图9反射式光谱仪系统安装俯视图

图10反射式光谱仪侧板安装位置图

图11透射式光谱仪系统安装正视图

图12透射式光谱仪系统安装俯视图

图13透射式光谱仪侧板安装位置图

1光谱仪后侧板，2步进电机，3支架，4电线，5参比调节盘，6参比透射孔或参比反射板，7亮度自动校准控制单元，8屏蔽罩，9光谱信号采集单元，10光谱仪测量窗口，11光谱仪右侧板板，12光谱仪底板，13光源可控稳流单元，14光谱仪电源板，15光谱仪单色器，16参比调节单元，17取样器。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：

如图1所示，光谱仪亮度自校准调节测控系统，与单色器、取样器及电源组成的反射式光谱仪或透射式光谱仪，光谱仪亮度自校准调节测控系统为光机电一体化的闭环控制结构，由光谱信号采集单元9、亮度自动校准控制单元7、光源可控稳流单元13和参比调节单元16四部分构成：

亮度自动校准控制单元7分别连接参比调节单元16和光源可控稳流单元13，亮度自动校准控制单元7接收由光源可控稳流单元13发出的光信号经单色器15、取样器17再由光谱信号采集单元9转换的数字信号，根据该信号发出参比调节单元和光源可控稳流单元的控制信号参比调节单元16接收亮度自动校准单元的控制信号，根据该信号调节有效参比位置。电源分别与光谱信号采集单元9、亮度自动校准控制单元7、光源可控稳流单元13和参比调节单元16连接。

图中虚线表示光信号、双实线表示控制信号、实线表示电源信号。

如图2所示，光谱信号采集单元9是由信号转换放大电路分别连接探测器、电源接口和信号接口构成；

如图3所示，亮度自动校准控制单元7是由控制电路分别与电源接口、测量信号接口、控制信号I接口和控制信号II接口连接构成；

如图4所示光源可控稳流单元13是由控制信号I接口，经数模转换电路、稳流控制电路与光源接口连接，电源接口分别与数模转换电路和稳流控制电路连接构成；根据输入的光源电压控制信号，控制光源的通电电流为稳定值，控制电压的大小决定其稳流电流值。从而保证光谱仪在测量过程中光信号的稳定。

如图5、图6所示，参比调节单元16是由参比调节机构和电路两部分构成，电路是由控制信号II接口经电机驱动电路连接电机接口，电机驱动电路经电源接口与光谱仪的电源连接构成；

参比调节机构是在光谱仪取样器17靠近的后侧板1或底板12上通过螺钉固定有支架3，在支架3上装有步进电机2，在步进电机轴上通过键销装有参比调节盘5，参比调节机构安装时使取样器7的光轴与参比调节盘5上所设的有效参比透射孔或参比反射板6的中心在同一直线上，电线4与电机接口连接构成。根据输入的参比调节控制信号，控制步进电机的转角，使参比调节盘转过对应的角度，从而获得与被测样品匹配的参比：不同尺寸的漫反射板或透射孔6。

参比调节盘5上等圆心角设有三个以上不同直径的参比透射孔或参比反射板6，设有参比透射孔的用于透射式光谱仪，设有参比反射板的用于反射式光谱仪。

参比调节盘5上设有参比透射孔或参比反射板6，参比透射孔或参比反射板6的中心距参比调节盘5的中心距离相等，参比调节盘5上的有效参比透射孔或参比反射板6均位于光轴上，参比透射孔或参比反射板6有效直径≤光斑直径。

光谱仪亮度自校准调节测控系统的光谱测量方法，包括以下步骤：

a、初始化：进行样品预测和系统校准。将待测样品置于光谱仪的测量窗口或取样池内，光源可控稳流单元13按标准方式控制，发出光线经单色器15、取样器17与待测样品发生作用，得到样品的漫反射或漫透射光线。光谱信号采集单元9测量待测样品的作用光线强度的数字量。亮度自动校准控制单元7根据此强度值，计算光源调整参数kl和参比调整比值kc，并控制光源可控稳流单元13的控制电流和参比调节单元16的转动角度；以保证实际测量时样品测量值的最大值大于信号采集单元满量程的1/4，参比的测量信号不超出量程。

b、样品测量：系统按初始化调整后，光谱仪分别进行背景、参比、样品的作用信号测量，得三者的测量值D₁、D₂、D₃。

c、光谱数据计算：根据背景、参比、样品的测量值D₁、D₂、D₃和参比调整比值kc，计算样品实际的反射率或透射率光谱数据G，以及吸光度A：

$G=\frac{D_3-D_1}{\mathrm{kc}\·(D_2-D_1)}$

A＝-logG

其中：

参比调整比值kc为在标准方式条件下光谱仪扫描所用参比和样品测量时所用参比的测量值(D_cs和D_cm)分别与背景测量值D_g的差之比，计算公式：

$\mathrm{kc}=\frac{D_{\mathrm{cs}}-D_g}{D_{\mathrm{cm}}-D_g}$

光源调整参数Kl为光谱仪在标准方式条件和样品测量时光源供电电流之比。

D_l为光谱仪背景测量值；D₂为光谱仪参比测量值；D₃为光谱仪样品测量值。

D_g为光谱仪标准方式条件下背景测量值；D_cs为光谱仪标准方式条件下所用参比测量值；D_cm为光谱仪标准方式条件下扫描样品测量时所用参比测量值。

光谱仪的组装：

参见图7-10，11-13：

光谱信号采集单元9通过其上的安装孔用螺钉固定于光谱仪取样器17的探测窗口，并保证其上的探测器对准探测位置，外加屏蔽罩8。其测量信号通过测量信号接口和信号线与亮度自动校准控制单元7的测量信号接口相连。

亮度自动校准控制单元7通过其上的安装孔用螺钉固定于光谱仪的单色器外壳上。通过信号线、测量信号接口与光谱信号采集单元9的测量信号接口相连，通过控制线和控制信号I、II接口分别与光源可控稳流单元、参比调节单元16电路板的控制信号接口相连。

光源可控稳流单元13通过其上的安装孔用螺钉固定于光谱仪光源附近的后侧板1上。通过电线和光源接口，与光谱仪的光源连接；通过控制线和控制信号接口与亮度自动校准控制单元7的控制信号I接口相连。

参比调节单元16的电路板通过其上的安装孔用螺钉固定于光谱仪取样器17附近的后侧板1上。通过控制线和控制信号接口II与亮度自动校准控制单元7的控制信号II接口相连；通过电线和电机接口与参比调节机构的电机连接。参比调节单元的参比调节机构如图6所示，参比调节盘5通过螺钉固定于步进电机2的转轴上，步进电机2通过螺钉固定于支架3，支架3通过螺钉固定在光谱仪取样器附近的侧板1上的安装位置17。

四个单元电路的电源接口分别通过电源线与光谱仪的电源板的各对应接口相连。光谱仪的电源板安装在光谱仪的后侧板上，位置见图10和图13。

Claims (8)

1.光谱仪亮度自校准调节测控系统，单色器(15)、取样器(17)及电源组成的反射式光谱仪或透射式光谱仪，其特征在于，光谱仪亮度自校准调节测控系统为光机电一体化的闭环控制结构，由光谱信号采集单元(9)、亮度自动校准控制单元(7)、光源可控稳流单元(13)和参比调节单元(16)四部分构成：

亮度自动校准控制单元(7)分别连接参比调节单元(16)和光源可控稳流单元(13)，亮度自动校准控制单元(7)接收由光源可控稳流单元(13)发出的光信号经单色器(15)、取样器(17)再由光谱信号采集单元(9)转换的数字信号，根据该信号发出参比调节单元和光源可控稳流单元的控制信号，参比调节单元(16)接收亮度自动校准单元(7)的控制信号，根据该信号调节有效参比位置，电源分别与光谱信号采集单元(9)、亮度自动校准控制单元(7)、光源可控稳流单元(13)和参比调节单元(16)连接。

2.按照权利要求1所述的光谱仪亮度自校准调节测控系统，其特征在于，所述的光谱信号采集单元(9)是由信号转换放大电路分别连接探测器、电源接口和信号接口构成。

3.按照权利要求1所述的光谱仪亮度自校准调节测控系统，其特征在于，所述的亮度自动校准控制单元(7)是由控制电路分别与电源接口、测量信号接口、控制信号I接口和控制信号II接口连接构成。

4.按照权利要求1所述的光谱仪亮度自校准调节测控系统，其特征在于，所述的光源可控稳流单元(13)是由控制信号I接口经数模转换电路、稳流控制电路与光源接口连接，电源接口分别与数模转换电路和稳流控制电路连接构成。

5.按照权利要求1所述的光谱仪亮度自校准调节测控系统，其特征在于，所述的参比调节单元(16)是由参比调节机构和电路两部分构成，电路是由控制信号II接口经电机驱动电路连接电机接口，电机驱动电路经电源接口与光谱仪的电源连接。

参比调节机构是在光谱仪取样器(17)靠近的后侧板(1)或底板(12)上通过螺钉固定有支架(3)，在支架(3)上装有步进电机(2)，在步进电机轴上通过键销装有参比调节盘(5)，参比调节机构安装时使取样器(7)的光轴与参比调节盘(5)上所设的有效参比透射孔或参比反射板(6)的中心在同一直线上，电线(4)与电机接口连接构成。

6.按照权利要求1所述的光谱仪亮度自校准调节测控系统，其特征在于，参比调节盘(5)上等圆心角设有三个以上不同直径的参比透射孔或参比反射板(6)，设有参比透射孔的用于透射式光谱仪，设有参比反射板的用于反射式光谱仪。

7.按照权利要求5、6所述的光谱仪亮度自校准调节测控系统，其特征在于，参比调节盘(5)上设有参比透射孔或参比反射板(6)，参比透射孔或参比反射板(6)的中心距参比调节盘(5)的中心距离相等，参比调节盘(5)上的有效参比透射孔或参比反射板(6)均位于光轴上，参比透射孔或参比反射板(6)有效直径≤光斑直径。

8.一种光谱仪亮度自校准调节测控系统的光谱测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、初始化：进行样品预测和系统校准。将待测样品置于光谱仪的测量窗口或取样池内，光源可控稳流单元(13)按标准方式控制，发出光线经单色器(15)、取样器(17)与待测样品发生作用，得到样品的漫反射或漫透射光线。光谱信号采集单元(9)测量待测样品的作用光线强度的数字量。亮度自动校准控制单元(7)根据此强度值，计算光源调整参数kl和参比调整比值kc，并控制光源可控稳流单元(13)的控制电流和参比调节单元(16)的转动角度；以保证实际测量时样品测量值的最大值大于信号采集单元满量程的1/4，参比的测量信号不超出量程。

b、样品测量：系统按初始化调整后，光谱仪分别进行背景、参比、样品的作用信号测量，得三者的测量值D₁、D₂、D₃。

c、光谱数据计算：根据背景、参比、样品的测量值D₁、D₂、D₃和参比调整比值kc，计算样品实际的反射率或透射率光谱数据G，以及吸光度A：

$G=\frac{D_3-D_1}{\mathrm{kc}\·(D_2-D_1)}$

A＝-logG

其中：

参比调整比值kc为在标准方式条件下光谱仪扫描所用参比和样品测量时所用参比的测量值(D_cs和D_cm)分别与背景测量值D_g的差之比，计算公式：

$\mathrm{kc}=\frac{D_{\mathrm{cs}}-D_g}{D_{\mathrm{cm}}-D_g}$

光源调整参数Kl为光谱仪在标准方式条件和样品测量时光源供电电流之比。

D_l为光谱仪背景测量值；D₂为光谱仪参比测量值；D₃为光谱仪样品测量值。

D_g为光谱仪标准方式条件下背景测量值；D_cs为光谱仪标准方式条件下所用参比测量值；D_cm为光谱仪标准方式条件下扫描样品测量时所用参比测量值。

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