CN105699311A - 基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统及检测方法，其中的在线近红外光谱仪包括主体，光谱仪，激光器，激光器驱动，摄像头，镀金片参考板，步进电机及步进电机驱动；步进电机固定在主体的端面上，其输出轴与连接板连接，镀金片参考板的中部固定在连接板上；主体的中部设置有中心槽，中心槽的两侧设置有摄像头、光谱仪；主体的两侧设置有滑轨，连接块安装在滑轨上；镀金片参考板的两端固定在滑轨上的连接块上；激光器安装在光谱仪所在一侧主体的下部。本发明提供的在线近红外光谱仪应用于产品在线检测系统，稳定、快捷的在线检测固体产品质量，实现了基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统的实时监控，降低固体产品质量分析成本。
Description
技术领域
本发明涉及过程分析及控制仪器领域，尤其涉及一种在线近红外光谱仪及使用该光谱仪的基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统，以及使用基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统的方法。
背景技术
在工业生产中，传统化学检测方法可以实现固体产品质量检测，其是在生产线下离线检测。传统化学检测周期长，检测结果不能实时指导生产实践，具有一定的滞后性，无法实时监控生产线生产的产品质量。
随着化学计量学和计算机技术的发展，近红外光谱分析技术凭借其无损、快速、操作简单、重现性好等优点得到了迅速发展。近红外光谱分析技术已成为一门独立的分析技术。
二十世纪九十年代起，工业生产中陆续出现了许多近红外光谱在线分析系统，其能够检测在线产品的质量，但也具有以下不足：
(1)在线近红外光谱仪价格偏高，提高了基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统的整体成本；
(2)在线近红外光谱仪结构复杂，而固体产品生产线安装空间狭小，不利于在线近红外光谱仪推广应用；
(3)基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统没有配置工作状态监控模块，无法实时监控系统的运行状态。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统及检测方法，其可以稳定、快捷的在线检测固体产品质量，实现了基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统的实时监控，降低固体产品质量分析的成本。
本发明的技术方案：
为解决上述技术问题，本发明提供一种在线近红外光谱仪，包括主体，光谱仪，激光器，激光器驱动，摄像头，镀金片参考板，步进电机及步进电机驱动。
其中，步进电机固定在主体的端面上，其输出轴与连接板连接，镀金片参考板的中部固定在连接板上；主体的中部设置有中心槽，中心槽的两侧设置有摄像头、光谱仪；主体的两侧设置有滑轨，连接块安装在滑轨上；镀金片参考板的两端固定在滑轨上的连接块上；激光器安装在光谱仪所在一侧主体的下部。
进一步地，所述的镀金片参考板的基体为钢材，其厚度为2mm。
进一步地，所述的光谱仪为JDSUMicroNIR1700微型近红外光谱仪。
进一步地，所述中心槽的两侧设置有摄像头安装孔，光谱仪安装孔；摄像头安装孔为圆形孔；光谱仪安装孔由圆形孔与长槽孔组成。
进一步地，所述的摄像头安装孔的周边局部设置三件摄像头光源，所述的光谱仪安装孔的周边设置有两件光谱仪备用光源。
进一步地，所述的摄像头光源为LED灯，其相互并联连接；所述的光谱仪备用光源为卤钨灯，其相互并联连接。
一种基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统，包括本申请中的在线近红外光谱仪，电源，内部电脑，外部电脑及软件模块。
其中，电源与内部电脑，激光器驱动，步进电机驱动连接；激光器一端与激光驱动器连接，其另一端与内部电脑连接；步进电机一端与步进电机驱动器连接，其另一端与内部电脑连接；内部电脑与光谱仪、摄像头、摄像头光源、光谱仪备用光源连接，内部电脑与外部电脑网络连接。
进一步地，所述的内部电脑为WindowsCE电脑；所述的内部电脑与光谱仪通过USB口连接。
进一步地，所述的软件模块部分包括仪器控制部分，数据分析部分，数据库管理部分，数据显示部分，仪器工作状态监控部分。
一种使用上述基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统的检测方法，包括以下步骤：
S1，接通电源，打开外部电脑上的基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统，进行设备自检、仪器设置、光谱保存设置、报警参数设置、修改配料信息设置；
S2，启动光谱采集，在线近红外光谱仪自动采集暗电流和背景；
S3，待暗电流和背景采集完毕后，自动进行样品光谱的采集和预测工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供的在线近红外光谱仪应用于基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统，稳定、快捷地在线检测固体产品质量，实现了基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统的实时监控，降低固体产品质量分析的成本；大大提高了产品质量检测速度，实现了样品批批检测，并降低了检测人员工作量；将质量控制步骤由生产后检测提前到生产中检测，降低产品不合格率，保证产品质量，减少生产成本的投入；检测结果可实时反馈到控制系统，指导生产，通过调控机制保证产品质量。
附图说明
图1是本发明之在线近红外光谱仪结构示意图；
图2是图1不含镀金片参考板的结构示意图；
图3是一种基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统部件连接示意图；
图4是基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统应用实施例示意图。
附图标记：1.步进电机；2.滑轨；3.连接板；4.镀金片参考板；5.连接块；6.摄像头；7.摄像头光源；8.模拟激光束；9.光谱仪备用电源；10.光谱仪安装孔；11.激光器；12.主体；13.光谱仪；14.中心槽；15.摄像头安装孔。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
图1-2是本申请中的在线近红外光谱仪结构示意图，其包括主体12，光谱仪13，激光器11，激光器驱动，摄像头6，镀金片参考板4，步进电机1及步进电机驱动。
其中，步进电机1固定在主体12的端面上，其输出轴与连接板3连接，镀金片参考板4的中部固定在连接板3上；镀金片参考板4的基体为钢材，其厚度为2mm，其能够满足在线设备对空间的要求，而且具有较强的硬度，适合机械组装。
主体12的中部设置有中心槽14，中心槽14的两侧设置有摄像头安装孔15、光谱仪安装孔10，摄像头6、光谱仪13分别安装在摄像头安装孔15、光谱仪安装孔10内；所述的光谱仪13为JDSUMicroNIR1700微型近红外光谱仪。
主体12的两侧设置有滑轨2，连接块5安装在滑轨2上；镀金片参考板4的两端固定在滑轨2上的连接块5上；在步进电机1的驱动下，镀金片参考板4可沿滑轨2前后移动。
所述中心槽14的两侧设置有摄像头安装孔15，光谱仪安装孔10；其中，摄像头安装孔15为圆形孔；光谱仪安装孔10由圆形孔与长槽孔组成。
激光器11安装在光谱仪13所在一侧主体12的下部，图2所示，激光器11发出的模拟激光束8可从光谱仪安装孔10上的长槽孔穿过。
所述的摄像头安装孔15的周边局部设置三件摄像头光源7，摄像头光源7为LED灯，其相互并联连接，以适应生产线全密闭不透光的生产环境；所述的光谱仪安装孔10的周边设置有两件光谱仪备用光源9，光谱仪备用光源9为卤钨灯，其相互并联连接，以降低光谱仪13光源的故障频次，提高光谱仪13的使用寿命。
一种基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统，包括上述的在线近红外光谱仪，电源，内部电脑，外部电脑及软件模块；图3是一种基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统部件连接示意图。
其中，电源与内部电脑，激光器驱动，步进电机驱动连接；激光器11一端与激光驱动器连接，其另一端与内部电脑连接；步进电机1一端与步进电机驱动器连接，其另一端与内部电脑连接；内部电脑与光谱仪13、摄像头6、摄像头光源7、光谱仪备用光源9连接，内部电脑与外部电脑网络连接。
所述的内部电脑为WindowsCE电脑；所述的内部电脑与光谱仪13通过USB口连接，实现通讯连接。
所述的软件模块部分包括仪器控制部分，数据分析部分，数据库管理部分，数据显示部分，仪器工作状态监控部分。
仪器控制部分包括仪器设置、文件路径设置及仪器控制快捷键。该部分主要功能是调整仪器在最合适的工作状态下采集到质量最好的光谱图。合适的工作状态获取是通过调整采样积分时间、扫描次数、采样间隔等参数实现。
数据分析部分主要包含以下功能：
(一)读取外部化学计量学软件建立的模型文件，对其中的参数进行解读，用于分析；
(二)实时将扫描到的光谱文件根据模型中的参数进行计算，得出相关指标的结果。
数据库管理部分包括光谱文件与模型文件的管理，用户可以根据操作者、扫描时间、扫描样品查询到光谱文件；模型文件包括模型的描述信息和模型数据，同时用户可以根据自己的实际生产情况进行数据调整，以便模型对光谱的正确预测。
数据显示部分包括登陆界面、光谱的显示及预测结果的显示，预测结果的显示又分为表格式和折线式。结果的显示还包含了统计结果的显示，主要包括最大值、最小值及平均值的统计。
为了保证仪器的最佳工作状态，主要对电机的工作情况、仪器光源和备用光源能量、仪器波长准确度、仪器信噪比进行了监控。
一种使用上述基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统的检测方法，包括以下步骤：
S1，接通电源，打开外部电脑上的基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统，进行设备自检、仪器设置、光谱保存设置、报警参数设置、修改配料信息设置；
具体地，接通监测点仪器电源，在外部电脑上双击“基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统”图标，打开基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统；
单击分析系统菜单栏中的“设置-设备自检”，打开“仪器自检”界面，单击“自检开始”按钮，开始仪器自检工作。自检步进电机1运行状态是否正常，摄像头光源7、光谱仪备用光源9状态是否正常，光谱仪光束能量是否满足要求，波长准确性及仪器信噪比是否优于设定值等。
单击分析系统菜单栏中的“设置-仪器设置”，弹出“仪器设置”对话框，对仪器的采集参数进行设置，主要设置参数为积分时间、采样次数、光谱采样间隔、光谱采样次数、背景采样间隔。此处采集参数一般为默认参数，如无特殊情况，可不作更改，采用默认参数。
单击“设置-光谱保存设置”，将扫描得到的光谱保存至指定文件夹中。
单击“设置-报警参数设置”，可对检测到的异常数据样品发出报警，以供生产人员参考。报警分一级报警及二级报警，用户可根据自身生产要求自行设定各级别的偏差范围，同时一、二级报警铃声也可根据喜好自行设定。
点击“设置-修改配料信息”，可根据实际生产情况对不同品种样品的各测定指标标准值进行修改，或添加新的品种及其标准配置等信息，若无信息添加或更改，此步可省略。
S2，启动光谱采集，在线近红外光谱仪自动采集暗电流和背景；
S3，待暗电流和背景采集完毕后，自动进行样品光谱的采集和预测工作。
样品预测结果显示可分为：表格形式和曲线形式。
表格形式显示内容有：样品名称，采样时间，各指标预测值、标准值和预测偏差；
曲线形式为各指标5次扫描预测结果的平均值、最大值、最小值和标准值的对比。通过对比预测值和标准值偏差大小，生产车间可对样品品质进行实时监控，及时调整配料信息，保证产品质量。
生产样品的预测结果文件以Excel格式自动保存至默认文件夹中，以供现场技术质量人员分析生产情况使用。
图4是基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统应用实施例示意图。在饲料制造中，通常将豆粕、米糠、菜粕等原料按照一定比例混合，综合各成分含量，提高综合营养。
在本实施例中，设置四个检测点，分别在“原料的接收”之后、“计量配料”之后、“混合”之后、“熟化”之后。其中，“熟化”之后的检测点主要是检测产品中的水分变化，
其他的检测点是检测产品中蛋白质、脂肪、纤维、水分等含量。
为验证基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统运行稳定，随机抽取83件样品，
使用离线式的FossSystems近红外快速分析仪分析样品中的蛋白质、水分、脂肪、纤维的含量，对比分析在线检测与离线检测结果是否存在显著差异，表1是使用配对数据检验方法，
分析两者不同方法对应检测结果是否存在显著差异。
表1.在线检测与离线检测结果对比分析
| 序号 | 物质名称 | P值 |
| 1 | 蛋白质 | 0.328 |
| 2 | 水分 | 0.364 |
| 3 | 脂肪 | 0.364 |
| 4 | 纤维 | 0.474 |
由表1分析结果可知，对应的P值都大于0.05，因此，两种分析方法对应的检测结果不存在显著差异，验证了基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统运行的稳定性，表2是表1分析结果对应的原始数据。
表2.在线检测与离线检测原始数据
本发明提供的在线近红外光谱仪应用于基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统，稳定、快捷的在线检测固体产品质量，实现了产品在线检测系统的实时监控，降低固体产品质量分析的成本。
本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种在线近红外光谱仪，包括主体(12)，光谱仪(13)，激光器(11)，激光器驱动，摄像头(6)，镀金片参考板(4)，步进电机(1)及步进电机驱动；其特征在于，步进电机(1)固定在主体(12)的端面上，其输出轴与连接板(3)连接，镀金片参考板(4)的中部固定在连接板(3)上；主体(12)的中部设置有中心槽(14)，中心槽(14)的两侧设置有摄像头(6)、光谱仪(13)；主体(12)的两侧设置有滑轨(2)，连接块(5)安装在滑轨(2)上；镀金片参考板(4)的两端固定在滑轨(2)上的连接块(5)上；激光器(11)安装在光谱仪(13)所在一侧主体(12)的下部。
2.根据权利要求1所述的在线近红外光谱仪，其特征在于，所述的镀金片参考板(4)的基体为钢材，其厚度为2mm。
3.根据权利要求1所述的在线近红外光谱仪，其特征在于，所述的光谱仪(13)为JDSUMicroNIR1700微型近红外光谱仪。
4.根据权利要求1所述的在线近红外光谱仪，其特征在于，所述中心槽(14)的两侧设置有摄像头安装孔(15)，光谱仪安装孔(10)；其中，摄像头安装孔(15)为圆形孔；光谱仪安装孔(10)由圆形孔与长槽孔组成。
5.根据权利要求4所述的在线近红外光谱仪，其特征在于，所述的摄像头安装孔(15)的周边局部设置三件摄像头光源(7)，所述的光谱仪安装孔(10)的周边设置有两件光谱仪备用光源(9)。
6.根据权利要求5所述的在线近红外光谱仪，其特征在于，所述的摄像头光源(7)为LED灯，其相互并联连接；所述的光谱仪备用光源(9)为卤钨灯，其相互并联连接。
7.一种基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的在线近红外光谱仪，电源，内部电脑，外部电脑及软件模块；其中，电源与内部电脑，激光器驱动，步进电机驱动连接；激光器(11)一端与激光驱动器连接，其另一端与内部电脑连接；步进电机(1)一端与步进电机驱动器连接，其另一端与内部电脑连接；内部电脑与光谱仪(13)、摄像头(6)、摄像头光源(7)、光谱仪备用光源(9)连接，内部电脑与外部电脑网络连接。
8.根据权利要求7所述的基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统，其特征在于，所述的内部电脑为WindowsCE电脑；所述的内部电脑与光谱仪(13)通过USB口连接。
9.根据权利要求7所述的基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统，其特征在于，所述的软件模块部分包括仪器控制部分，数据分析部分，数据库管理部分，数据显示部分，仪器工作状态监控部分。
10.一种使用权利要求7～9中任意一项所述的基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，接通电源，打开外部电脑上的基于微型近红外光谱仪的产品在线检测系统，进行设备自检、仪器设置、光谱保持设置、报警参数设置、修改配料信息设置；
S2，启动光谱采集，在线近红外光谱仪自动采集暗电流和背景；
S3，待暗电流和背景采集完毕后，自动进行样品光谱的采集和预测工作。
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