CN103499554B - 管状的近红外光谱检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管状的近红外光谱检测装置，所述管状通道的中部套设在装置本体内，上固定片和下固定片分别设置于装置本体的上下两端，样品探测系统设置在上固定片上，近红外光源均匀分布在管状通道的四周，气流控制阀设置于管状通道的下部，管状通道的上部和下部分别设置近红外窗片，光谱信号收集透镜位于近红外窗片上，传导光纤固定在光谱信号收集透镜的后端。本发明可以对固体和流体进行高通量、精确的测量，具有高速、无损、无污染、便于操作等优点；固体或流体在传输过程中进行检测，可以实现对单粒的高速在线检测；采用点状光源（或线状光源或环状光源）能够实现对样品的均匀照射；采用气流控制样品下降速度，有利于对样品检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有固体和液体高通量检测性能的装置，尤其涉及的是一种管状的近红外光谱检测装置。
背景技术
无损检测技术（Nondestructive Determination Technologies，简称NDT）是一门新兴的综合性应用学科，是在不破坏或损坏被检测对象的前提下，利用样品内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测其内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化做出判断和评价。根据无损检测原理的不同，检测方法大致可分为光学特性分析法、声学特性分析法、机器视觉技术检测方法、电学特性分析法、核磁共振检测技术与X射线检测技术等。
光学特性分析法中的红外光谱和拉曼光谱技术能对样品进行无损分析,具有测试样品非接触性、非破坏性、检测灵敏度高、时间短、样品所需量小及样品无需制备等特点，在分析过程中不会对样品造成化学的、机械的、光化学和热的分解,是分析科学领域的研究热点之一。
近红外光谱技术的发展为农业、医药、食品等行业提供了无损检测手段。近红外光(NIR)是指波长在780～2526nm(波数为12820cm-1～3959cm-1)范围内的电磁波，介于可见光(VIS)与中红外光(MIR)之间，近红外光谱吸收是分子振动能级跃迁产生的(伴随转动能级的跃迁)，而分子振动能级跃迁包括基频跃迁，倍频跃迁以及合频跃迁。光源发出的近红外光照射到由分子组成的物质上，若分子吸收近红外光的能量发生振动状态变化或振动状态在不同能级间的跃迁等于近红外光谱区某波长处光子的能量，则会产生近红外光谱吸收。在近红外光谱范围内，测量的主要是分子中含氢官能团X－H(X=C、N、O、S等)振动的倍频及合频吸收，根据各含氢基团的近红外吸收特点就可以来检测农产品中含有氢基团的蛋白质、脂肪、水分、氨基酸、淀粉、糖、酸等成分。
现代近红外光谱技术是90年代以来迅速发展的高新分析化学技术，是光谱测量技术、化学计量学技术以及计算机技术的有机结合，已发展成为最引人注目的光谱技术之一，被誉为分析化学领域的“巨人”。现代近红外光谱技术的出现掀起了一场无损分析技术革命。以其高效、快速、无损等特点广泛应用于工业、农业、食品、医药等领域。该技术通过农作物的吸收光谱实现品质检测,具有方便、快速、高效、准确、成本较低、不破坏样品、不消耗化学试剂、不污染环境等优点，与常规检测方法相比，更适用于农作物的品质检测。在农业领域该技术不但可用于谷物和水果的营养成分的分析，还适用于其他各种农副产品品质分析，如饲料、食品、蔬菜、烟叶等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种管状的近红外光谱检测装置，实现快速检测动态样品。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括传导光纤、光谱信号收集透镜、样品探测系统、管状通道、近红外光源、气流控制阀、上固定片、下固定片和装置本体，所述管状通道的中部套设在装置本体内，上固定片和下固定片分别设置于装置本体的上下两端，样品探测系统设置在上固定片上，近红外光源均匀分布在管状通道的四周，气流控制阀设置于管状通道的下部，管状通道的上部和下部分别设置近红外窗片，光谱信号收集透镜位于近红外窗片上，传导光纤固定在光谱信号收集透镜的后端。
所述管状通道的上部为样品的进口，下部为样品的出口，上部和下部的弯曲方向相反，上部与中部的夹角90°～270°，下部与中部的夹角为270°～90°。样品在管状通道中传输，这种角度可以控制样品传输的速度，同时这种角度也和收集系统有关，优化此角度可以更好地对样品进行光谱检测。
所述管状通道为近红外玻璃制成。能够透过780～2526nm波段的光，管状通道内直径与传输固体物体直径有关，与传输的流体的流量有关。
所述光谱信号收集透镜的中心轴线、管状通道中部的中心线、传导光纤的中心轴线重合。
所述近红外光源包括点状光源、线状光源和环状光源，近红外光源发射的波段为780～2526nm。通过外部电源控制近红外光源的功率等参数，实现对样品高效、均匀的照射。
所述传导光纤是一分二近红外光纤，位于管状通道的上部和下部的两个传导光纤将收集的信号耦合至一束光纤进行传输。
当固体物体在通道中传输时，通过气流控制阀调节传输通道中气流量，从而控制单粒物体在通道中的传输速度，该通道中的气体流量大小由所述气流控制阀控制，当样品接近近红外检测区域，被光电探测器探测，然后触发近红外光谱仪在样品下落至近红外检测区域时对其的近红外光谱进行采集。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明可以对固体和流体进行高通量、精确的测量，具有高速、无损、无污染、便于操作等优点；固体或流体在传输过程中进行检测，可以实现对单粒的高速在线检测；采用点状光源（或线状光源或环状光源）能够实现对样品的均匀照射；采用气流控制样品下降速度，有利于对样品检测；上下两端同时对近红外光谱采集，提高了信噪比；外部采用近红外反射材料作为主体，可以对近红外光进行全反射，有利于对样品的照射。
附图说明
图1为环状光源近红外检测装置；
图2为线状光源近红外检测装置；
图3为点状光源近红外检测装置。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例包括传导光纤1、光谱信号收集透镜2、样品探测系统4、管状通道5、近红外光源6、气流控制阀7、上固定片8、下固定片9和装置本体10，所述管状通道5的中部套设在装置本体10内，上固定片8和下固定片9分别设置于装置本体10的上下两端，样品探测系统4设置在上固定片8上，近红外光源6均匀分布在管状通道5的四周，气流控制阀7设置于管状通道5的下部，管状通道5的上部和下部分别设置近红外窗片3，光谱信号收集透镜2位于近红外窗片3上，传导光纤1固定在光谱信号收集透镜2的后端。光谱信号收集透镜2的中心轴线、管状通道5中部的中心线、传导光纤1的中心轴线重合。
本实施例为近红外预测单粒水稻成分的含量。
管状通道5的上部为样品的进口，下部为样品的出口，图1中管状通道5内的箭头为物料的传输轨迹，上部和下部的弯曲方向相反，管状通道5采用石英玻璃烧制而成，内直径为10mm，外直径为12mm，管状通道5的上部和下部的长度都为40mm，中部为60mm，上部与中部的夹角为120°，下部与中部的夹角为150°；装置本体10采用铝材料加工而成，装置本体10的内直径为45mm，外直径为50mm；样品探测系统4采用光电探测；36个近红外光源6（LED灯）均匀环绕分布在装置本体10上，本实施例的近红外光源6为环状光源，光源功率为0.5-5W，功率大小通过外部电源控制；光谱信号收集透镜2和近红外窗片3都采用石英玻璃材料，传导光纤1采用一份二近红外光纤，光纤芯径为600微米，SM905接口。在水稻开始检测之前，需打开近红外光源6和气流控制阀7，水稻首先通过管状通道5上部到达光电探测系统，光电探测系统探测单粒水稻，然后触发光谱仪，待单粒水稻到达管状通道5中部，水稻被近红外光源6照射，产生近红外光谱，光谱仪对近红外光谱进行采集，最后通过建立的水稻近红外模型对水稻成分进行预测。
实施例2
如图2所示，本实施例为近红外预测尿素溶液成分的含量。
管状通道5采用石英玻璃烧制而成，图2中管状通道5内的箭头为物料的传输轨迹，内直径为4mm，外直径为5mm，管状通道5的上部和下部的长度都为30mm，中部为50mm，上部与中部呈120°夹角，下部与中部夹角为150°；装置本体10采用铝材料加工而成，装置本体10内直径为30mm，外直径为35mm；样品探测系统4采用光电探测；4个线状光源均匀分布在装置本体10内，光源功率为5-20W，功率大小通过外部电源调节；光谱信号收集透镜2和近红外窗片3都采用石英玻璃材料，传导光纤1采用一份二光纤，光纤芯径为600微米，SM905接口。在尿素溶液开始检测之前，需要打开近红外光源6，尿素溶液首先通过管状通道5上部分到达光电探测系统，光电探测系统探测到尿素溶液，然后触发光谱仪，待尿素溶液到达管状通道5中间部分，尿素溶液被近红外光源6照射，产生近红外光谱，光谱仪开始对近红外光谱进行采集，最后通过建立的尿素溶液的近红外模型对尿素溶液中的成分进行预测。
其他实施方式和实施例1相同。
实施例3
如图3所示，本实施例为近红外预测单粒水稻成分的含量。图3中管状通道5内的箭头为物料的传输轨迹，10个近红外光源6（卤钨灯）均匀分布在装置本体10上，本实施例的近红外光源6为点状光源，光源功率为0.5-5W，功率大小通过外部电源控制。其他实施方式和实施例1相同。
Claims (5)
1.一种管状的近红外光谱检测装置，其特征在于，包括传导光纤(1)、光谱信号收集透镜(2)、样品探测系统(4)、管状通道(5)、近红外光源(6)、气流控制阀(7)、上固定片(8)、下固定片(9)和装置本体(10)，所述管状通道(5)的中部套设在装置本体(10)内，上固定片(8)和下固定片(9)分别设置于装置本体(10)的上下两端，样品探测系统(4)设置在上固定片(8)上，近红外光源(6)均匀分布在管状通道(5)的四周，气流控制阀(7)设置于管状通道(5)的下部，管状通道(5)的上部和下部分别设置近红外窗片(3)，光谱信号收集透镜(2)位于近红外窗片(3)上，传导光纤(1)固定在光谱信号收集透镜(2)的后端；
所述管状通道(5)的上部为样品的进口，下部为样品的出口，上部和下部的弯曲方向相反，上部与中部的夹角90°～270°，下部与中部的夹角为270°～90°。
2.根据权利要求1所述的管状的近红外光谱检测装置，其特征在于，所述管状通道(5)为近红外玻璃制成。
3.根据权利要求1所述的管状的近红外光谱检测装置，其特征在于，所述光谱信号收集透镜(2)的中心轴线、管状通道(5)中部的中心线、传导光纤(1)的中心轴线重合。
4.根据权利要求1所述的管状的近红外光谱检测装置，其特征在于，所述近红外光源(6)包括点状光源、线状光源和环状光源，近红外光源(6)发射的波段为780～2526nm。
5.根据权利要求1所述的管状的近红外光谱检测装置，其特征在于，所述传导光纤(1)是一分二近红外光纤，位于管状通道(5)的上部和下部的两个传导光纤(1)将收集的信号耦合至一束光纤进行传输。
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