CN105606562A

CN105606562A - 一种近红外漫反射自动校正探头

Info

Publication number: CN105606562A
Application number: CN201610012042.6A
Authority: CN
Inventors: 王�琦; 吴跃进; 刘晶; 刘斌美; 余立祥; 林晏清; 范爽; 徐琢频
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2016-01-05
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2036-01-05
Also published as: CN105606562B

Abstract

本发明提供的一种近红外漫反射自动校正探头，包括光学系统、校正系统；光学系统包括光源、光谱收集器；光源发出近红外光照射在校正系统上；样品处于校正系统的下方且处于光源的正下方；校正系统分为光谱校正区域和样品光谱采集区域；光谱校正区域包括标准白板校正区域、暗背景校正区域；光谱收集器收集校正系统采集的光谱；暗背景校正区域垂直设有挡板。本发明提供一种能够自动校正漫反射光谱的探头，实现近红外漫反射光谱的自动校正；该发明采用全封闭结构，消除了外界环境对探头的影响，提高了采集光谱信号的稳定性；能够同时实现对多个光学系统进行校正，不仅提高了光谱信号的强度，而且能够提高样品的测量精度。

Description

一种近红外漫反射自动校正探头

技术领域

本发明涉及近红外漫反射光谱自动校正技术领域，具体来说是一种近红外漫反射自动校正探头。

背景技术

光学特性分析法中的近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。近年来近红外光谱技术在农业、医药、食品等行业取得了较大的进展，国内外已有将近红外反射光谱分析技术应用于农业、化工等领域的研究。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。该技术具有方便、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，更适用于在线检测。

采用近红外漫反射光谱技术时，由于受到近红外光源的波动，基线漂移等因素的影响，需要对采集的近红外光谱进行校正，光谱测量的反射率为：

即：

R = \frac{I_{r} - I_{b}}{I_{o} - I_{b}}

转化为吸光度为：A_λ＝-log₁₀

所以在测量过程中要采集参考光谱和背景光谱对测量的反射率和吸光度进行校正，而在实际的测量过程中，特别是采集近红外漫反射光谱技术时，因无法进行有效的光谱校正，导致测量精度不高，有些还需要人为在现场每隔一段时间进行手动校正，造成了时间和金钱的浪费，而且无法真正实现在线检测。

发明内容

本发明需要解决的技术问题在于提供一种自动校正近红外漫反射光谱的探头，能够有效地校正光源能量、基线漂移等因素的影响；避免外界影响因素对测量信号的影响。提高了测量精度，拓宽了近红外漫反射光谱技术在线检测领域的应用范围。适用于对固体粉末、颗粒物、液体等在线和离线的近红外漫反射测量。

本发明是通过以下技术方案来实现上述技术目的：

一种近红外漫反射自动校正探头，所述校正探头包括至少一套光学系统以及与所述光学系统数量匹配的校正系统；所述光学系统包括光源、光谱收集器；所述光源发出近红外光经准直垂直照射在所述校正系统上；样品处于所述校正系统的下方且处于所述光源的正下方；所述校正系统分为光谱校正区域和样品光谱采集区域；所述光谱校正区域包括标准白板校正区域、暗背景校正区域；所述标准白板校正区域、暗背景校正区域、样品光谱采集区域依次经过所述光源下方；所述光谱收集器处于所述校正系统的上方用以收集所述校正系统采集的光谱；所述暗背景校正区域垂直设有挡板；当所述暗背景校正区域处于所述光源下方时，所述挡板挡在所述光谱收集器与所述光源之间。

优选的，所述校正探头还包括动力机构；所述动力机构具有转轴；所述标准白板校正区域、暗背景校正区域、样品光谱采集区域依次水平连接并固定在所述转轴上；所述动力机构带动所述标准白板校正区域、暗背景校正区域、样品光谱采集区域以所述转轴为圆心转动。

优选的，所述动力机构为步进电机。

优选的，所述校正探头还包括封闭盒体；所述光学系统、校正系统、步进电机处于所述盒体内；所述盒体的下盖处于所述光源正下方的位置设有透光窗片；所述样品处于所述透光窗片正下方。

优选的，所述光源、光谱收集器、步进电机固定在所述盒体的上盖内壁；所述转轴向下延伸。

优选的，所述步进电机固定在所述上盖的中间位置。

优选的，所述标准白板校正区域、暗背景校正区域、样品光谱采集区域依次连接形成扇形校正系统；所述扇形校正系统的圆心位置垂直设有连接通孔；所述步进电机的转轴固定在所述连接通孔内，在所述步进电机的驱动下，所述转轴带动所述扇形校正系统以所述转轴为圆心转动。优选的，所述挡板固定在所述扇形校正系统暗背景校正区域的圆周位置。

优选的，所述光源的中心轴与所述光谱收集器的中心轴具有夹角。

有益效果

本发明的与现有技术相比，具有以下有益效果：

针对近红外漫反射光谱自动校正的研究，本发明提供一种能够自动校正漫反射光谱的探头，实现近红外漫反射光谱的自动校正，为应用近红外漫反射光谱技术提供了一种必要手段；该发明采用全封闭结构，消除了外界环境对探头的影响，提高了采集光谱信号的稳定性；能够同时实现对多个光学系统进行校正，不仅提高了光谱信号的强度，而且能够提高样品的测量精度。

附图说明

图1为本发明一种近红外漫反射自动校正探头结构原理图；

图2为本发明一种近红外漫反射自动校正探头结构倾斜角度原理图；

图3为本发明中的光源和光谱收集器的结构示意图；

图4为自动校正探头采集的参考光谱；

图5为自动校正探头采集的背景光谱；

图6为自动校正探头采集尿素的近红外光谱；

图7为自动校正探头采集复合肥的近红外光谱；

图8为自动校正探头采集水稻的近红外光谱。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

本发明提供的一种近红外漫反射自动校正探头可以实现同时对多套光学系统进行校正，为了描述方便，本实施例以具有两套光学系统为代表进行说明。

如图1、图2和图3所示，校正探头包括两套光学系统以及两套校正系统。光学系统包括光源(2，2’)、光谱收集器(1,1’)。光源(2，2’)通过近红外光源(12)发出近红外光，通过滤过片20滤除超出光谱仪探测范围的波段，然后经光学透镜13对光源进行准直，近红外光垂直照射在校正系统上。样品21处于校正系统的下方并处于光源(2,2’)的正下方。校正系统包括光谱校正区域和样品光谱采集区域(11,11’)，光谱校正区域包括标准白板校正区域(9，9’)、暗背景校正区域(10，10’)，标准白板校正区域(9，9’)、暗背景校正区域(10，10’)以及样品光谱采集区域(11,11’)依次经过光源(2,2’)的下方。光谱收集器(1，1’)处于校正系统的上方用以收集校正系统采集的光谱。

暗背景校正区域(10，10’)还设有挡板(5，5’)，当暗背景校正区域(10，10’)转动至光源(2，2’)下方时，挡板(5，5’)挡在光谱收集器(1，1’)之间。

光源(2，2’)的中心轴与光谱收集器(1,1’)的中心轴具有夹角，便于光谱收集器(1,1’)采集光谱。夹角的大小与标准白板校正区域(9，9^，)和样品21实际测量位置有关。白板校正区域(9，9^，)面积一定，中心轴夹角越小，标准白板校正区域(9，9^，)和样品21实际测量位置距离越大；中心轴夹角越大，标准白板校正区域(9，9^，)和样品21实际测量位置距离越小。

为了实现自动校正功能，本发明提供的校正探头还包括动力机构，动力机构可以是步进电机3，或其他的具有同等功能的动力机构。以及为了消除了外界环境对探头的影响，提高了采集光谱信号的稳定性，以及提高样品的测量精度，本发明提供的校正探头还包括封闭盒体30。光学系统、校正系统、步进电机3均处于盒体30内。盒体30的下盖处于光源(2,2’)的正下方的位置为透光窗片(6，6’)；样品21处于透光窗片(6，6’)正下方。光源(2,2’)、光谱收集器(1,1’)、步进电机3固定在盒体30上盖内壁的中间位置，其转轴4向下延伸。

标准白板校正区域(9，9’)、暗背景校正区域(10，10’)以及样品光谱采集区域(11,11’)依次连接形成扇形校正系统，挡板(5，5’)固定在扇形校正系统的圆周位置，并处于暗背景校正区域(10，10’)范围。样品光谱采集区域(11,11’)可以为具有透光通道的扇形板状结构，也可以为如图2所示的，在暗背景校正区域(10，10’)的后方为空白，即相邻两个校正系统之间留有一定面积的空间，供光射向样品21。

扇形校正系统的圆心位置设有连接通孔，步进电机3的转轴4固定在连接通孔内，在步进电机3的驱动下，转轴4带动校正系统以转轴4为圆心转动。根据工作需求，可以在盒体30内设置多套校正系统，多套校正系统均围成圆形，以转轴4为圆心转动即可。

当标准白板校正区域(9，9’)转动至光源(2，2’)垂直照射位置时，该区域上由标准白板组成，产生参考光谱，参考光谱通过光学透镜15经光纤探头14耦合至光纤16，通过光纤16传输至光谱仪；当暗背景校正区域(10，10’)转动至光源(2，2’)垂直照射位置时，挡板(5，5’)阻挡了近红外光进入光谱收集器(1，1’)，此时光谱仪采集是背景光谱。求得样品21实际测量位置与校正系统的参考光谱和背景光谱的矩阵系数，后续的测量过程使用矩阵系统来校正采集的光谱。当样品光谱采集区域(11，11’)转动至光源(2,2’)垂直照射位置时，近红外光通过透光窗片(6，6’)传输至样品21实际测量位置照射样品，产生近红外光谱被光谱收集器(1，1’)采集，并传送至近红外光谱进行分光和光电转换，最终通过终端分析软件进行分析。该自动校正探头可以对多个光学探头进行同时校正，产生的光谱信号通过光纤(1,1’)经耦合器18耦合至同一束光纤进行传输至同一台光谱仪，或者传输至多台光谱仪进行检测。多个光源(2,2’)以及步进电机3可以通过电源线(17,17’)与同一个电源进行电性连接。微处理器通过控制线19控制步进电机3的转动。

以下为采用自动校正探头探测尿素、复合肥和水稻的近红外光谱。

本实施例的检测过程为：本实施案例同时对两套光学探头进行校正，采用能量为12W的卤钨灯作为近红外光源12，通过滤过片20滤除900-2500nm以外的波段，然后经直径为25mm焦距为32mmm的聚焦透镜13对光源进行准直，准直后的光斑大小为25mm，近红外光垂直照射校正系统；经过步进电机3的转轴4带动校正系统转动，当转动至近红外光垂直照射标准白板校正区域(9，9’)位置时，该区域上有标准白板组成，标准白板的反射率都在98％以上，产生参考光谱，参考光谱通过直径为20焦距为35的聚焦透镜15耦合至光纤16，通过光纤16传输至探测范围为900-2500nm的近红外光谱仪，采集的参考光谱如图4所示；当转动至近红外光垂直照射暗背景校正区域(10，10’)时，挡板(5，5’)阻挡了近红外光进入光谱收集器(1，1’)，此时光谱仪采集是暗背景光谱，采集的暗光谱如图5所示；当转动至近红外光垂直照射样品光谱采集区域(11，11’)时，近红外光可以通过透光窗片(6，6’)传输至样品21实际测量位置照射样品，样品21实际测量位置与校正系统相差30mm，采集样品21实际测量位置处的参考光谱和背景光谱，然后根据两个位置的参考光谱和背景光谱求出对应的矩阵系数，后续的测量过程使用该矩阵系数来校正采集的光谱；样品21产生近红外光谱通过光谱收集(1，1’)耦合至光纤(16,16’)并传送至近红外光谱仪进行分光和光电转换，最终通过终端分析软件进行分析。该案例对两个光学系统进行同时校正，产生的光谱信号分别由两根光纤(16,16’)经过耦合器18耦合至同一束光纤传输至近红外光谱仪。

经校正后采集的尿素、复合肥和水稻的近红外漫反射吸收光谱如图6、图7和图8所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种近红外漫反射自动校正探头，其特征在于：所述校正探头包括至少一套光学系统以及与所述光学系统数量匹配的校正系统；所述光学系统包括光源、光谱收集器；所述光源发出近红外光经准直垂直照射在所述校正系统上；样品处于所述校正系统的下方且处于所述光源的正下方；所述校正系统分为光谱校正区域和样品光谱采集区域；所述光谱校正区域包括标准白板校正区域、暗背景校正区域；所述标准白板校正区域、暗背景校正区域、样品光谱采集区域依次经过所述光源下方；所述光谱收集器处于所述校正系统的上方用以收集所述校正系统采集的光谱；所述暗背景校正区域垂直设有挡板；当所述暗背景校正区域处于所述光源下方时，所述挡板挡在所述光谱收集器与所述光源之间。

2.根据权利要求1所述的一种近红外漫反射自动校正探头，其特征在于：所述校正探头还包括动力机构；所述动力机构具有转轴；所述标准白板校正区域、暗背景校正区域、样品光谱采集区域依次水平连接并固定在所述转轴上；所述动力机构带动所述标准白板校正区域、暗背景校正区域、样品光谱采集区域以所述转轴为圆心转动。

3.根据权利要求2所述的一种近红外漫反射自动校正探头，其特征在于：所述动力机构为步进电机。

4.根据权利要求3所述的一种近红外漫反射自动校正探头，其特征在于：所述校正探头还包括封闭盒体；所述光学系统、校正系统、步进电机处于所述盒体内；所述盒体的下盖处于所述光源正下方的位置设有透光窗片；所述样品处于所述透光窗片正下方。

5.根据权利要求3所述的一种近红外漫反射自动校正探头，其特征在于：所述光源、光谱收集器、步进电机固定在所述盒体的上盖内壁；所述转轴向下延伸。

6.根据权利要求5所述的一种近红外漫反射自动校正探头，其特征在于：所述步进电机固定在所述上盖的中间位置。

7.根据权利要求6所述的一种近红外漫反射自动校正探头，其特征在于：所述标准白板校正区域、暗背景校正区域、样品光谱采集区域依次连接形成扇形校正系统；所述扇形校正系统的圆心位置垂直设有连接通孔；所述步进电机的转轴固定在所述连接通孔内，在所述步进电机的驱动下，所述转轴带动所述扇形校正系统以所述转轴为圆心转动。

8.根据权利要求7所述的一种近红外漫反射自动校正探头，其特征在于：所述挡板固定在所述扇形校正系统暗背景校正区域的圆周位置。

9.根据权利要求1所述的一种近红外漫反射自动校正探头，其特征在于：所述光源的中心轴与所述光谱收集器的中心轴具有夹角。