CN102928081B

CN102928081B - 一种声光可调滤光型近红外光谱仪

Info

Publication number: CN102928081B
Application number: CN201210511740.2A
Authority: CN
Inventors: 吴冉; 何晓亮; 刘伟; 杨嵩; 吴畏; 谢强; 陈华志; 陈永峰
Original assignee: CETC 26 Research Institute
Current assignee: CETC 26 Research Institute
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2032-12-04
Also published as: CN102928081A

Abstract

本发明公开了一种声光可调滤光型近红外光谱仪，它包括光源模块、聚光准直系统Ⅰ、声光可调滤光器、聚光准直系统Ⅱ、聚光系统、光电探测器和信号采集处理系统，信号采集处理系统顺次接调控脉冲发生器和射频驱动源，射频驱动源输出接声光可调滤光器；信号采集处理系统产生数控信号给调控脉冲发生器，由调控脉冲发生器产生占空比适宜的调控脉冲信号输入到射频驱动源进行射频信号调制；射频驱动源将带调制的射频信号放大到合适的功率以驱动声光可调滤光器。本发明有益效果：1、光谱分辨率高；2、检测灵敏度高；3、检测动态范围大，多样品适应能力强；4、能实时处理采集信号，环境适应能力强。

Description

一种声光可调滤光型近红外光谱仪

技术领域

本发明涉及实时光谱分析技术的改进，具体指一种采用占空比调控技术的声光可调滤光型近红外光谱仪，属于光电技术领域。

背景技术

近红外光谱（NIR）分析技术是发展较为迅速的一种高新分析测试技术，是光谱测量技术、计算机技术、化学计量学技术与基础测量技术的有机结合。与传统分析技术相比，具有无损检测、分析效率高、分析速度快、分析成本低、重现性好、样品测量一般勿需预处理、光谱测量方便、适合于现场检测（如大批量抽检）和在线分析等独特优势。声光可调滤光（AOTF）型近红外光谱仪是将近红外波段光线用AOTF实现扫描分光后，照射样品（也可先照射样品后分光），检测分析其透射（反射）光谱来判定样品成分及含量的仪器。其核心器件AOTF是基于各向异性的双折射晶体的声光衍射原理，利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的光电器件。与传统的基于机械调谐分光元件的光谱仪相比，以AOTF作为分光元件的光谱仪具有明显的优越性：它结构简单，光学系统无移动性部件，体积小，集光能力强，最吸引人之处在于它的波长切换快、重现性好，程序化的波长控制使得这种仪器的应用具有很大的灵活性，特别是在食品及药品的生产及安全检测上，该型光谱仪具有其他产品无可取代的优势。

但基于AOTF原理的光谱测量技术在国内还处于起步阶段，尚无商业化产品。该产品迟迟未能推广应用的原因是目前该型光谱仪的技术状态还不成熟，尚不能很好地满足实际检测需求，急待开发新技术，有效解决其在波长分辨率、检测灵敏度及多种样品适应性等方面存在的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种采用占空比调控技术的AOTF型近红外光谱仪，该仪器在样品测试中大大提高了精准度及探测范围，满足多样环境下对样品光谱准确实时捕获分析的应用需求。

本发明实现上述目的的技术解决方案如下：

一种声光可调滤光型近红外光谱仪，它包括顺次设置在同一光轴上建立光路系统的光源模块、聚光准直系统Ⅰ、声光可调滤光器、聚光准直系统Ⅱ、聚光系统和光电探测器，光电探测器的光敏面设置在聚光系统的焦点上；聚光准直系统Ⅱ用于将调整后的出射光入射到需要检测的样品，聚光系统用于将照射过样品的透射光或反射光聚集到光电探测器的光敏面上进行光电信号转换；所述光电探测器的输出接信号采集处理系统，由信号采集处理系统对光电探测器输出的电信号进行光谱分析处理并通过显示器显示；

所述信号采集处理系统顺次接调控脉冲发生器和射频驱动源，射频驱动源输出接声光可调滤光器；信号采集处理系统根据光谱分析结果产生数控信号给调控脉冲发生器，由调控脉冲发生器产生占空比适宜的调控脉冲信号输入到射频驱动源进行射频信号调制；射频驱动源将带调制的射频信号放大到合适的功率以驱动声光可调滤光器，使声光可调滤光器按控制要求进行扫描分光，依次输出工作范围内的近红外各波长光线。

本发明的有益效果：1光谱分辨率高；2检测灵敏度高；3检测动态范围大，多样品适应能力强；4能实时处理采集信号，环境适应能力强。

附图说明

图1-本发明结构示意图。

其中，1、光源模块；2、聚光准直系统Ⅰ；3、声光可调滤光器；4、聚光准直系统Ⅱ；5、样品池；6、聚光系统；7、光电探测器；8、信号采集处理系统；9、调控脉冲发生器；10、射频驱动源。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括光源模块1、聚光准直系统Ⅰ2、声光可调滤光器（AOTF）3、聚光准直系统Ⅱ4、样品池5、聚光系统6、光电探测器7、信号采集处理系统8、调控脉冲发生器9、射频驱动源10。上述中，光学部件光源模块1、聚光准直系统Ⅰ2、声光可调滤光器（AOTF）3、聚光准直系统Ⅱ4、样品池5、聚光系统6和光电探测器7顺次设置在同一光轴上建立光路系统，该光路系统完成将光源出射的近红外光线进行程控分光后入射检测样品，再通过光电探测器接收样品透射或反射的信号光。上述信号采集处理系统8、调控脉冲发生器9和射频驱动源10构成电路系统部分，电路系统部分进行光源分光控制及对探测到的光信号进行光谱分析处理并输出显示等。本发明采用覆盖近红外波段的光源1（比如卤钨灯），通过聚光准直系统Ⅰ2将光束调节成光斑大小合适的平行光入射到声光可调滤光器（AOTF）3，经过AOTF分光后的衍射光束再通过聚光准直系统Ⅱ4调整成光斑大小合适的平行光入射到样品池5，样品池5中摆放需要检测的样品，聚光系统6将照射过样品的透射光（或反射光）聚集到光电探测器7的光敏面上进行光电信号转换，转换后的电信号由信号采集处理系统8对该信号进行光谱分析（对采集数据进行读取、计算、判决和输出）。信号采集处理系统8同时要根据初测数据产生数控信号与调控脉冲发生器9配合对光源分光系统进行样品检测适应性控制，产生占空比适宜的调控脉冲信号输入到射频驱动源10进行射频信号调制。射频驱动源10将带调制的射频信号放大到合适的功率以驱动声光可调滤光器（AOTF）3，使其按控制要求进行扫描分光，依次输出工作范围内的近红外各波长光线。

本发明在声光可调滤光（AOTF）型近红外光谱仪的分光系统中创新性地使用了脉冲占空比调控技术。AOTF作为分光器件，是通过改变射频频率来调节光源的扫描波长。AOTF属于体声波器件，电信号转换成声波在晶体介质中传播通过光孔径时需要一定的渡越时间。如果这期间改变射频频率必然造成多个扫描波长同时通过，影响系统的光谱分辨率指标。设计AOTF工作于脉冲驱动方式（由调控脉冲发生器产生占空比适宜的脉冲对射频驱动信号进行调制），脉冲为高电平时，射频信号启动，驱动AOTF工作，该射频通过换能器转换成声波，产生对应该频率的光波；脉冲为低电平时，使射频信号截止，且低电平时间微大于AOTF的渡越时间，保证前段频率声波完全通过光孔径后再启动下一个射频信号，也即前个频率对应的光波完全消失后再启动下一个频率对应的光波。这样避免了光波在扫描过程中产生的前后波段混杂，由此提高了系统的光谱分辨率。同时，由于检测样品复杂多样，透明程度、粗糙程度各不相同，各种样品透射（反射）光强弱差异很大。相同强度的入射光照射某样品其透射（反射）光可能微弱到无法探测，而照射其它样品其透射（反射）光又可能强到直接使光谱仪的光敏管达到饱和，也无法检测，所以针对不同样品输入光强能自动灵活调节在光谱检测中非常重要。利用AOTF具有固定渡越时间这一特性，如果射频驱动信号的脉冲宽度小于AOTF的固定渡越时间，声波在介质中传播中脉内的信号能量是被平均分配到整个渡越时间内，脉宽越窄（也即占空比越小）脉内能量平均分配后也就被削弱得越多。极限情况，当占空比为零时，射频驱动完全截止，AOTF分光强度为零；当分光脉宽与渡越时间完全吻合，也即占空比为50%左右时，AOTF分光强度达最大值。所以可以通过自动控制调节AOTF驱动脉冲占空比来实现精确调节从零开始的全量程分光光强的目的，使光谱仪针对不同样品的检测动态范围大大改善。

另外，AOTF的衍射效率是与射频驱动功率其成正比的，通过调节AOTF脉内射频驱动功率也可以实现分光的强弱控制。由于采用占空比调控技术已解决了不同样品产生的光强差异，这个调节途径就可用于对近红外不同波长固有响应大幅波动的修正。因为光源（比如卤钨灯）不同波长的出射光能量差异很大，再加上光电探测器的光敏管对不同波长的光的响应度也有较大波动，还有AOTF对不同波长的衍射效率也不一致，如果不进行修正，对应不同波长的测试数据会大幅波动，使数据缺乏可比性，严重影响测试效果。如果对应光源能量输出低，光敏响应也低的波长点，设置为较高的AOTF驱动功率，则衍射效率提高，使该波长点分光能量加强，从而弥补了光源输出的不足以及光敏响应的不足；对应光源能量输出高，光敏响应也高的波长点，设置为较低的AOTF驱动功率，则衍射效率降低，该波长点分光能量减弱，从而弥补了光源输出的过量以及光敏响应的过度……如此类推可以进行全波长范围内的AOTF驱动功率点的精确设置，以达到光谱仪对不同波长输出响应的高度一致。此种调整可以大大提高样品光谱特征的准确性和可比性，同时有效改善样品成分含量检测的动态范围。

采用占空比调控技术的AOTF型近红外光谱仪在进行样品检测分析时，分辨率、灵敏度、准确性及检测动态范围等性能指标上均有显著提高，该发明可广泛应用于实现食品及药品等监测的光谱分析技术领域。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种声光可调滤光型近红外光谱仪，它包括顺次设置在同一光轴上建立光路系统的光源模块、聚光准直系统Ⅰ、声光可调滤光器、聚光准直系统Ⅱ、聚光系统和光电探测器，光电探测器的光敏面设置在聚光系统的焦点上；聚光准直系统Ⅱ用于将调整后的出射光入射到需要检测的样品，聚光系统用于将照射过样品的透射光或反射光聚集到光电探测器的光敏面上进行光电信号转换；所述光电探测器的输出接信号采集处理系统，由信号采集处理系统对光电探测器输出的电信号进行光谱分析处理并通过显示器显示；

其特征在于：所述信号采集处理系统顺次接调控脉冲发生器和射频驱动源，射频驱动源输出接声光可调滤光器；信号采集处理系统根据光谱分析结果产生数控信号给调控脉冲发生器，由调控脉冲发生器产生占空比适宜的调控脉冲信号输入到射频驱动源进行射频信号调制；射频驱动源将带调制的射频信号放大到合适的功率以驱动声光可调滤光器，使声光可调滤光器按控制要求进行扫描分光，依次输出工作范围内的近红外各波长光线；

当脉冲为高电平时，射频信号启动，驱动声光可调滤光器工作，该射频通过换能器转换成声波，产生对应该频率的光波；脉冲为低电平时，使射频信号截止，且低电平时间微大于声光可调滤光器的渡越时间，保证前段频率声波完全通过光孔径后再启动下一个射频信号，也即前个频率对应的光波完全消失后再启动下一个频率对应的光波。