CN104677827B - 一种基于便携式光纤光谱仪的可见近红外漫反射基线信号的扣除装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于便携式光纤光谱仪的可见近红外漫反射基线信号的扣除装置及其方法，装置包括光源附件和将光纤传输给光纤光谱仪的光纤接收附件，所述光源附件和光纤接收附件的中轴线交点处设有光学窗片；所述光学窗片内嵌在水平的底板中间，位于光学窗片外侧的底板上设有活动L形挡板用于控制光源附件发出的漫反射信号进入或阻断进入光纤接收附件。本发明不仅有效避免外界环境对测量信号的影响，还有效地扣除光谱仪自身基线漂移对测量结果的影响，可方便、准确的实现固体粉末状、颗粒状样品的实时、在线可见近红外漫反射光谱测量。

Description

一种基于便携式光纤光谱仪的可见近红外漫反射基线信号的 扣除装置及其方法

技术领域

本发明涉及可见近红外光谱在线检测技术，具体涉及一种基于便携式光纤光谱仪的可见近红外漫反射基线信号的扣除装置及其方法。

背景技术

近红外光谱技术具有无需样品预处理、多种参数同时测量、测量时间短等优点，适宜用于现场在线分析，现已被广泛应用于食品安全、品质检测、环境监测、农业等领域。

近红外光谱仪、化学计量学软件和应用模型构成了现代近红外光谱技术，多波长下吸光度的准确测量要求光谱仪具有较高的信噪比和良好的稳定性。在现场应用领域，便携式光纤光谱仪与傅里叶型、CCD型、晶体衍射型、光电阵列型光谱仪相比具有更好的灵活性，其模块化设计的特点更加便于工作人员操作，因此更适用于固体粉末状样品的快速在线分析。

但由于受材料和加工工艺的影响，便携式光纤光谱仪自身存在的基线漂移，易导致测量光谱的稳定性下降，因此在使用过程中需定期校正光谱仪的参数；另外，由于在暗背景下的光谱基线漂移对吸光度的测定造成干扰，所以为了提高数据的准确性，让测试数据更加准确反映待测对象的物理化学性质，需扣除其基线漂移对测试结果的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供基于便携式光纤光谱仪的可见近红外漫反射基线信号的扣除装置及其方法，有效地避免外界环境对测量信号的及扣除光谱仪自身基线漂移对测量结果的影响，提高其检测精度，适用于固体粉末状、颗粒状样品的实时、在线可见近红外漫反射光谱测量，为定性定量分析提供可靠有效的数据基础。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种基于便携式光纤光谱仪的可见近红外漫反射基线信号的扣除装置，包括光源附件和将光纤传输给光纤光谱仪的光纤接收附件，所述光源附件和光纤接收附件的中轴线交点处设有光学窗片；所述光学窗片内嵌在水平的底板中间，位于光学窗片外侧的底板上设有活动L形挡板用于控制光源附件发出的漫反射信号进入或阻断进入光纤接收附件。

进一步方案，所述光源附件固定在固定板上，光源附件的中轴线与所述底板垂直；所述固定板上还固设有两个固定槽，所述光纤接收附件固定在所述的固定槽上，所述光纤接收附件的中轴线与所述底板呈45°或60°。

进一步方案，所述光源附件包括外筒，所述外筒的内部底端固设有聚焦透镜，聚焦透镜的上方固设有光源。

更进一步方案，所述光源为卤素灯。

进一步方案，所述光纤接收附件包括外筒，所述外筒的内部底端固设有收集透镜，外筒的顶端开设有光纤接口。

进一步方案，所述L形挡板的外侧设有驱动装置，所述驱动装置包括设在电机座上的电机，所述电机座中套设有推杆，所述推杆的一端与所述L形挡板的外侧连接，电机转动带动推杆伸缩而带动L形挡板移动。

进一步方案，所述电机座的底端设于底板上、顶端通过螺栓与固定架连接，位于L形挡板正上方的固定架上固设有接近开关。

进一步方案，所述光源附件和光纤接收附件的中轴线之间夹角为30°或45°。

进一步方案，所述光学窗片为可透过390-2526nm的可见近红外波段光的蓝宝石玻璃；所述电机优选为步进电机，也可为其他能实现正反转的电机。

本发明的另一个发明目的是提供上述基于便携式光纤光谱仪的可见近红外漫反射光谱基线扣除方法，其步骤如下：

（1）初始状态，电机不工作，L形挡板位于接近开关的正下方；

（2）开始测量，打开电机，电机转动带动推杆往外伸出，推动L形挡板沿底板往光学窗片运动至其另一侧，遮挡住光纤接收附件；

（3）光源附件发出的光线经光学窗片漫反射被L形挡板遮挡，此时光纤光谱仪检测的数据为基线信号；

（4）电机运行3-4秒后反向转动，带动推杆往回运行， L形挡板一同运行到原始位置，接近开关检测到L形挡板位于其下正下方时，切断电机电源，使电机停止运行；

（5）光源附件发出的光线经光学窗片漫反射被光纤接收附件的收集透镜（72）收集，再经光纤接口传输给光纤光谱仪，此时光纤光谱仪检测的数据为含基线的漫反射光谱信号；

（6）将步骤（5）检测的含基线的漫反射光谱信号减去步骤（3）检测的基线信号即为实际光谱信号。

本发明的装置每次扫描样品时，能分别获取暗背景光谱信号和含基线的漫反射光谱信号，两种光谱信号的测量是基于同一组测量附件和光谱仪。其是通过光纤接收附件将漫反射信号传输至光纤光谱仪，光纤光谱仪将光谱数据传输给上位机进行记录，扣除基线信号来达到消除光谱仪自身响应对测试样品光谱的影响，即达到消除基线漂移对测定数据的影响。并可通过上位机来控制L形挡板的运动方向及位置，通过电机驱动L形挡板的运动状态如前进、后退和停止来实现基线信号、含基线的漫反射光谱信号的动态测量，通过减去基线信号强度以扣除光谱仪的基线，提高测量准确度。

所以本发明不仅有效避免外界环境对测量信号的影响，还可以有效扣除光谱仪自身基线漂移对测量结果的影响，提高其检测精度；并且使系统结构紧凑减小了系统体积，适用于固体粉末状、颗粒状样品的实时、在线可见近红外漫反射光谱测量。

本发明中的光源附件和光纤接收附件的中轴线夹角有30°、45°两种选择，可以安装一个光纤接收附件，或同时安装两个光纤接收附件以提高光谱收集效率。光纤接收附件采用差分光纤将漫反射信号耦合至光纤端面并同时传输至可见、近红外光谱仪，同时获取可见、近红外波段的漫反射光谱数据。

所述的光学窗片采用蓝宝石玻璃，该玻璃可透过可见近红外波段的光（390-2526nm），该光学窗片镶嵌在底板表面。本装置可放置于实验室工作台上作离线测试使用，也可以安装于生产线上作在线测试使用。

接近开关为电感式接近传感器，当L形挡板位于接近开关敏感面正下方时产生信号驱动关闭步进电机停止工作。

说明书附图

图1是本装置的第一种状态示意图；

图2是本装置的第二种状态示意图；

图3是本装置的第三种状态示意图；

图4是本装置中光源附件的剖视图；

图5是本装置中光纤接收附件的剖视图；

图6是本发明的漫反射光谱基线扣除方法的流程图；

图7是本装置检测的光谱信号曲线图，图中A为基线信号，B为含基线的漫反射光谱信号，C为实际光谱信号；

图8是重复测试得到的基线信号曲线；

图9是图8中基线信号的相对标准偏差曲线；

图10是采集得到的土壤漫反射光谱信号；

图11是采集得到的化肥漫反射光谱信号。

图中：1-固定架，2-电机，3-接近开关，4-光源附件，41-外筒，42光源，43-聚焦透镜；5-固定板，6-固定槽，7-光纤接收附件，71-外筒，72-光纤接口，73-收集透镜；8-光学窗片，9-L形挡板，10-电机座，11-推杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。

实施例一：

如图1-3所示，一种基于便携式光纤光谱仪的可见近红外漫反射基线信号的扣除装置，包括光源附件4和将光纤传输给光纤光谱仪的光纤接收附件7，所述光源附件4和光纤接收附件7的中轴线交点处设有光学窗片8；所述光学窗片8内嵌在水平的底板12中间，位于光学窗片8外侧的底板12上设有活动L形挡板9用于控制光源附件4发出的漫反射信号进入或阻断进入光纤接收附件7。

进一步方案，所述光源附件4固定在固定板5上，光源附件4的中轴线与所述底板12垂直；所述固定板5上还固设有两个固定槽6，所述光纤接收附件7固定在固定槽6上，光纤接收附件7的中轴线与底板12之间呈45-60°夹角。

进一步方案，所述L形挡板9的外侧设有驱动装置，所述驱动装置包括设在电机座10上的电机2，所述电机座10中套设有推杆11，所述推杆11的一端与所述L形挡板9的外侧连接，电机2转动带动推杆11伸缩而带动L形挡板9移动。

进一步方案，所述电机座10的底端设于底板12上、顶端通过螺栓与固定架1连接，位于L形挡板9正上方的固定架1上固设有接近开关3。

本发明中的光学窗片8为可透过390-2526nm的可见近红外波段光的蓝宝石玻璃；电机2为步进电机。

本发明的装置中结构状态具体有以下几种：

1、本装置的第一种状态示意图如图1所示，光源附件4和光纤接收附件7的中轴线之间夹角为45°，L形挡板9位于初始状态；

2、本装置的第二种状态示意图如图2所示，光源附件4和光纤接收附件7的中轴线之间夹角为30°，L形挡板9位于初始状态；

3、本装置的第三种状态示意图如图3所示，光源附件4和光纤接收附件7的中轴线之间夹角为30°，L形挡板9遮挡住光源附件4发出的光线经光学窗片8漫反射到光纤接收附件7上。

4、本装置还可以同时设置两个光纤接收附件7，其与光源附件4的中轴线之间的夹角分别为30°、45°，从而提高对漫反射光谱的收集效率。

本装置中便携式光纤光谱仪在每次扫描样品时，通过电机驱动L形挡板的运动状态如前进、后退和停止，来分别获取基线信号和含基线的漫反射光谱信号的动态测量，通过减去基线信号以扣除光谱仪的基线影响，从而能得到相对真实有用的实际光谱信号。

如图4为光源附件4的剖视图，其包括外筒41，所述外筒41的内部底端固设有聚焦透镜43，聚焦透镜43的上方固设有光源42。

更进一步方案，所述光源42为卤素灯。

如图5为光纤接收附件7的剖视图，其包括外筒71，所述外筒71的内部底端固设有收集透镜73，外筒71的顶端开设有光纤接口72。

实施例二：

如图6所示为本发明的漫反射光谱基线扣除方法的流程图，其步骤如下：

（1）初始状态，电机2不工作，L形挡板9位于接近开关3的正下方（如图2所示位置，光源附件4和光纤接收附件7的中轴线之间夹角为30°）；

（2）开始测量，打开电机2，电机2转动带动推杆11往外伸出，推动L形挡板9沿底板12往光学窗片8运动至其另一侧，而遮挡住光纤接收附件7（如图3所示位置）；

（3）光源附件4发出的光线经光学窗片8的漫反射被L形挡板9遮挡，此时光纤光谱仪检测的数据为基线信号；

（4）电机2运行3-4秒后反向转动，带动推杆11往回运行， L形挡板9一同运行到原始位置，接近开关3检测到L形挡板9位于其下正下方时，切断电机2电源，使电机2停止运行；

（5）光源附件4发出的光线经光学窗片8漫反射而被光纤接收附件7的收集透镜72收集，再经光纤接口73传输给光纤光谱仪，此时光纤光谱仪检测的数据为含基线的漫反射光谱信号；

（6）将步骤（5）中检测的含基线的漫反射光谱信号减去步骤（3）检测的基线信号即为实际光谱信号。

实施例三：

如图7所示使用是本装置检测的光谱信号曲线图，图中A为基线信号，B为含基线的漫反射光谱信号，C为实际光谱信号。说明光纤光谱仪自身存在基线漂移，所以在实际测试中为了获取一条有用的实际光谱信号，则需要首先扫描光谱仪的基线信号如图7中的光谱仪自身背景响应的基线信号曲线A，待L形挡板回到初始状态时得到含基线的漫反射光谱信号的曲线B，含基线的漫反射光谱信号的曲线B扣除基线信号曲线A则得到如图7中有用的实际光谱信号C曲线。

所以通过本发明的方法与装置可以有效扣除光谱仪基线漂移对样品光谱信号的影响。

实施例四：

如图8、9所示，采用本发明的装置和方法，重复多次测量获得了便携式光谱仪的基线信号曲线（如图8所示），然后对其基线信号曲线数据进行分析，结果如图9，表明在可见近红外波段（390-2526nm），便携式光纤光谱仪多次测试的光谱信号的相对标准偏差达到2%左右。因此去除光谱仪基线的自身波动对近红外光谱的准确获取有重要实际应用意义。

实施例五：

分别对研磨后的土壤样品和化工厂取样的化肥样品进行实验性测试，分别扫描得到基线信号、含基线的漫反射光谱信号和扣除基线信号后的实际光谱信号，结合对标准白板和配置好的标准土壤样品及标准化肥样品进行可见近红外漫反射光谱基线扣除后得到精准的实际光谱信号，并将其反演出对应一系列土壤和化肥样品的吸光度数据，具体数据曲线分别如图10、11所示。再将图10、11上的吸光度数据作为土壤和化肥成分分析的数据基础，从而为土壤和化肥成分的定性、定量分析提供可靠有效的数据基础，实现快速无损分析并提高分析检测的精度。

本发明不仅有效避免外界环境对测量信号的影响，还有效地扣除光谱仪自身基线漂移对测量结果的影响，所以本发明可以方便、准确的实现固体粉末状样品的漫反射光谱信号测量，提高其对样品测量的准确性。并且本装置结构紧凑、体积小，适用于固体粉末状、颗粒状样品的实时、在线可见近红外漫反射光谱测量。

上述实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于便携式光纤光谱仪的可见近红外漫反射基线信号的扣除装置，其特征在于：包括光源附件（4）和将光纤传输给光纤光谱仪的光纤接收附件（7），所述光源附件（4）和光纤接收附件（7）的中轴线交点处设有光学窗片（8）；所述光学窗片（8）内嵌在水平的底板（12）中间，位于光学窗片（8）外侧的底板（12）上设有活动L形挡板（9）用于控制光源附件（4）发出的漫反射信号进入或阻断进入光纤接收附件（7）；所述L形挡板（9）的外侧设有驱动装置，所述驱动装置包括设在电机座（10）上的电机（2），所述电机座（10）中套设有推杆（11），所述推杆（11）的一端与所述L形挡板（9）的外侧连接，电机（2）转动带动推杆（11）伸缩而带动L形挡板（9）移动；所述电机座（10）的底端设于底板（12）上、顶端通过螺栓与固定架（1）连接，位于L形挡板（9）正上方的固定架（1）上固设有接近开关（3）。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述光源附件（4）固定在固定板（5）上，光源附件（4）的中轴线与所述底板（12）垂直；所述固定板（5）上还固设有两个固定槽（6），所述光纤接收附件（7）固定在所述的固定槽（6）上，所述光纤接收附件（7）的中轴线与所述底板（12）呈45°或60°。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述光源附件（4）包括外筒（41），所述外筒（41）的内部底端固设有聚焦透镜（43），聚焦透镜（43）的上方固设有光源（42）。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述光源（42）为卤素灯。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述光纤接收附件（7）包括外筒（71），所述外筒（71）的内部底端固设有收集透镜（73），外筒（71）的顶端开设有光纤接口（72）。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述光源附件（4）和光纤接收附件（7）的中轴线之间夹角为30°或45°。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述光学窗片（8）为可透过390-2526nm的可见近红外波段光的蓝宝石玻璃；所述电机（2）为步进电机。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的装置进行可见近红外漫反射光谱基线扣除方法，其特征在于：步骤如下：

（1）初始状态，电机（2）不工作，L形挡板（9）位于接近开关（3）的正下方；

（2）开始测量，打开电机（2），电机（2）转动带动推杆（11）往外伸出，推动L形挡板（9）沿底板（12）往光学窗片（8）运动至其另一侧，遮挡住光纤接收附件（7）；

（3）光源附件（4）发出的光线经光学窗片（8）漫反射被L形挡板（9）遮挡，此时光纤光谱仪检测的数据为基线信号；

（4）电机（2）运行3-4秒后反向转动，带动推杆（11）往回运行， L形挡板（9）一同运行到原始位置，接近开关（3）检测到L形挡板（9）位于其下正下方时，切断电机（2）电源，使电机（2）停止运行；

（5）光源附件（4）发出的光线经光学窗片（8）漫反射被光纤接收附件（7）的收集透镜（72）收集，再经光纤接口（73）传输给光纤光谱仪，此时光纤光谱仪检测的数据为含基线的漫反射光谱信号；

（6）将步骤（5）检测的含基线的漫反射光谱信号减去步骤（3）检测的基线信号即为实际光谱信号。