CN105823737B - 一种具有自校准功能的反射光谱测量系统 - Google Patents

一种具有自校准功能的反射光谱测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有自校准功能的反射光谱测量系统，能够自动校准并且可以批量测量样品的准确反射率。本系统包括光谱采集系统，还包括相互垂直设置的横向导轨和纵向导轨，横向导轨设置多个横轨卡槽位，横轨卡槽位上放置样品槽，纵向导轨朝向横向导轨的端部设有纵轨卡槽位，纵轨卡槽位的一侧设置有用于光谱采集系统校准的标准白板，纵向导轨纵向来回移动可让纵轨卡槽位和标准白板分别与光谱采集系统对齐，横轨卡槽位与纵轨卡槽位的下方设有在横轨卡槽位和纵轨卡槽位之间搬运样品槽的摆动搬运机构。本发明实现了反射光谱的自动校准、测量，无需人工干预，能够完成测试样品的自动更换与批量测量，提高了测量速度，减小了测量误差。

Description

一种具有自校准功能的反射光谱测量系统
技术领域
本发明属于光谱测量领域，涉及一种具有自校准功能的反射光谱测量系统，能够批量测量样品的准确反射率。
背景技术
反射光谱曲线系指物质反射电磁辐射的能力，随所反射的电磁波波长而变化的特性。如以横坐标表示波长的变化，纵坐标表示其反射率可构成反映反射光谱特性的曲线，称为反射光谱特性曲线。不同性质的物质，或相同属性的物质在其成份、颜色、表面结构、含水率等不同时，其反射光谱特性也不同，构成反射光谱曲线的差异。反射测量即是根据获取和记录不同物质不同波段的反射电磁波信息，通过分析其差异性，来识别物质属性的。
为了获得待测物体的准确反射率，反射测量系统每次测量前须测量系统的暗光谱及校准光源下标准白板的亮光谱。目前的暗光谱、亮光谱必须人工手动使用反射探头获得，限制了测量速度，引入了人员测量误差，在无人值守的测量环境中，增加了校准难度。
发明内容
本发明的目的在于针对目前反射测量系统需要人工手动校准，限制测量速度、引入人员测量误差及无法完成无人值守测量的不足，提供一种具有自校准功能的反射光谱测量系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有自校准功能的反射光谱测量系统，包括光谱采集系统，还包括同一水平面上相互垂直设置的横向导轨和纵向导轨，横向导轨朝向纵向导轨一侧并列设置多个横轨卡槽位，横轨卡槽位上放置样品槽，纵向导轨朝向横向导轨的端部设有纵轨卡槽位，纵轨卡槽位的一侧设置有用于光谱采集系统校准的标准白板，纵向导轨纵向来回移动可让纵轨卡槽位和标准白板分别与光谱采集系统对齐，横轨卡槽位与纵轨卡槽位的下方设有在横轨卡槽位和纵轨卡槽位之间搬运样品槽的摆动搬运装置。每个样品槽的反射光谱采集及位置交换，纵向轨道均要来回运行一次，当纵向导轨运行到与横向导轨的最近位置，样品槽进行交换的同时，光谱采集系统正好对齐标准白板进行校准，交换样品槽后纵向导轨再次反向运行，对样品槽进行检测。
作为优选，所述光谱采集系统包括反射探头，反射探头为三通结构，分别为光源端、照射端、反射端，光源端对应设置光源，照射端朝向样品槽和标准白板，反射端后方依次设有电控快门、第一准直镜、狭缝、第二准直镜、光栅、物镜、线性CCD。
作为优选，所述横轨卡槽位朝向纵向导轨的侧面开口，开口侧的棱边倒角。
作为优选，所述纵轨卡槽位朝向横向导轨的侧面开口，开口侧为喇叭口。方便样品槽的进出。
作为优选，所述摆动搬运装置包括等高并列设置的左转电机和右转电机，左转电机和右转电机输出轴平行，转动方向相反，左转电机和右转电机的输出轴之间设有两组平行四边形摆动机构，每组平行四边形摆动机构包括两根摆杆和一根承杆，两根摆杆的底端分别与左转电机和右转电机的输出轴固定，两根摆杆的顶端分别与承杆的两端铰接，所述横轨卡槽位与纵轨卡槽位底面与承杆对应设置有纵向搬运槽。承杆运动时始终保持水平，能将样品槽抬起运送，相比直接推送更为可靠稳定。承杆沿弧形轨迹运动，向左摆动和向右摆动采用不同的电机驱动。且当横向导轨运行位置偏差时，承杆不能与纵向搬运槽对齐，搬运动作受横向导轨地面阻挡，能对横向导轨的位置进行校准。
作为优选，所述两组平行四边形摆动机构的摆杆之间设有同步杆。
作为优选，所述纵向搬运槽延伸至横轨卡槽位与纵轨卡槽位的侧壁。纵向搬运槽避让承杆的运行轨迹。
作为优选，所述承杆的摆动最低点位于横向导轨的下方，承杆摆动的最高点不超过横轨卡槽位及纵轨卡槽位的顶面。当承杆处于待命状态时，低于横向导轨的底面，不影响横向导轨的运行，当承杆搬运样品槽时，将样品槽从横轨卡槽位、纵轨卡槽位的底面抬起，但是不脱离横轨卡槽位、纵轨卡槽位，使样品槽两侧始终受到束缚，不会倾覆。
作为优选，所述标准白板由聚四氟乙烯制成，具有金属外壳。能标准白板采用定位孔与纵向导轨安装，可方便的安装到纵向导轨上并且容易拆下更换。
作为优选，所述样品槽可以盛装液体及固体待测样品。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明实现了反射光谱的在线实时自动校准，无需人工干预，。根据待测样品的特点，可以灵活选择调整校准方案，如每次测量都做反射校准、单次校准多次测量；摆动搬运装置能对横向导轨的位置进行校准，而且采用承杆将样品槽抬起后搬运，相比直接侧向推送更为可靠，减少倾覆风险。
附图说明
图1是本发明一实施例的整体结构示意图。
图2是样品槽的卡槽位结构示意图。
图3是样品槽摆动搬运装置的运动示意图。
图4是摆动搬运装置的结构示意图。
图中：1.样品槽，2.横向导轨，3.纵向导轨，4.标准白板，5.摆动搬运装置，6.纵轨电机 ，7. 反射探头，8. 电控快门，9.第一准直镜，10.狭缝，11.成像物镜，12.线性CCD，13.光栅，14.第二准直镜，15.卤钨灯,16.横轨卡槽位，17.纵轨卡槽位，18.承杆，19.摆杆，20.左转电机，21.右转电机，22.同步杆，23.纵向搬运槽。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步说明。
实施例：一种具有自校准功能的反射光谱测量系统，如图1所示。横向导轨2和纵向导轨3在同一水平面相互垂直等高设置，纵向导轨3朝向横向导轨2的端部设置一个纵轨卡槽位17，横向导轨上横向排列有多个横轨卡槽位16，纵轨卡槽位和横轨卡槽位顶面开口。纵轨卡槽位17朝向横向导轨2的侧面开口并在开口侧设置为喇叭形展开的导向开口；横轨卡槽位16朝向纵向导轨3的侧面开口并在开口侧棱边倒圆角方便进出。横轨卡槽位16中均放置待测的样品槽1，待测的样品槽逐个输送到纵轨卡槽位17上进行反射光谱测量。样品槽1采用透明石英玻璃制成，可以盛放粉末状固体或液体样品。纵轨卡槽位17的一侧等高并列设置固定标准白板4。检测样品槽1内样品反射光谱时，横向导轨横向移动使其中一个横轨卡槽位16与纵轨卡槽位17对齐，纵轨卡槽位底部设有摆动搬运装置5，通过摆动搬运装置将对其的横轨卡槽位16上的样品槽搬运到纵轨卡槽位17上，检测后再次通过摆动搬运装置5反向摆动将样品槽从纵轨卡槽位17搬运到对齐的横轨卡槽位16。然后横向导轨移动一格，使下一个的横轨卡槽位16与纵轨卡槽位17对齐。
如图1所示，反射光谱测量系统使用卤钨灯15做为光源，产生可见到近红外波段的连续光谱，卤钨灯15通过反射探头7照射样品并采集放射光谱，反射探头7为三通结构，分别为与卤钨灯15对应的光源端、照射样品的照射端、反射光输出的反射端。反射探头7的反射端之后设置电控快门8，电控快门在主控电路的控制下实现光路的开关，在开的情况的下，反射光可以通过快门进入光谱采集系统，在关的情况下，反射光无法进入光谱采集系统，从而可以采集暗光谱，通过计算消除暗噪声，计算准确的样品反射率。电控快门8之后设置第一准直镜9将通过快门的反射光准直后进入狭缝10，之后反射光通过第二准直镜14到达光栅13，光栅13将反射光进行分光，得到可见与近红外不同波段的光谱，分光后的反射光到达成像物镜11后，经过反射最终投射到线性CCD 12上，线性CCD 12上不同的像素点获取到的电信号代表不同波长下光谱的强度，通过计算可以得到样品在可见到近红外波段范围内的反射光谱曲线，完成反射光谱的测量。纵轨电机6为步进电机，纵轨电机通过齿轮齿条配合驱动纵向导轨3纵向来回运动，使反射探头对齐样品槽1采集反射光谱或者对齐标准白板4进行校准。当反射探头对齐标准白板4时，纵向导轨正好运行到与横向导轨最近位置，完成横向导轨和纵向导轨的样品槽1的交换动作。
如图2、3、4所示，横向导轨和纵向导轨的样品槽1的交换动作通过摆动搬运装置5完成。如4所示，摆动搬运装置包括等高并列设置的左转电机20和右转电机21，左转电机20和右转电机21输出轴平行，转动方向相反。左转电机20和右转电机21的输出轴之间设有两组平行四边形摆动机构。每组平行四边形摆动机构包括两根摆杆19和一根承杆18，两根摆杆的底端分别与左转电机20和右转电机21的输出轴固定，两根摆杆的顶端分别与承杆18的两端铰接。两组平行四边形摆动机构沿左转电机20输出轴的轴向分布、同步运行，并在两组平行四边形摆动机构的对应的摆杆19之间设置同步杆22。 摆动搬运装置由左转电机20驱动向左摆动，由右转电机21驱动向右摆动，左转电机20和右转电机21不同时启动。摆动搬运装置搬运样品槽时，承杆18保持水平。
如图2、3所示，横轨卡槽位16与纵轨卡槽位17的底面设有两条纵向搬运槽23，纵向搬运槽23与摆动搬运装置5的承杆18对齐，保证摆动搬运装置5摆动时，承杆能从纵向搬运槽23上下、左右运动。如图3所示，纵向搬运槽23延伸至横轨卡槽位16与纵轨卡槽位17的侧壁上，避让摆动搬运装置5的承杆18运动轨迹。
初始状态，摆动搬运装置5的承杆18位于横向导轨2下侧，反射探头对齐标准白板4，纵向导轨运行到与横向导轨最近位置。横轨卡槽位16与纵轨卡槽位17对齐后，左转电机20驱动摆杆向左搬动，带动承杆沿图3的弧形轨迹摆动，将样品槽1从横轨卡槽位16搬运到纵轨卡槽位17上。若横轨卡槽位16未能与纵轨卡槽位17对齐，则承杆没有与纵向搬运槽23对齐，承杆18受横向导轨底面阻挡，发送错误信号。纵向导轨3移动使样品槽对齐反射探头，完成检测后，纵向导轨3再次反向移动使纵向导轨运行到与横向导轨最近位置，右转电机21驱动摆杆向右摆动，将样品槽从纵轨卡槽位17搬运到横轨卡槽位16上。横向导轨横向移动一个位置，如上循环，对横向导轨2上的样品槽1反射光谱进行一一测量。
本装置不仅可以在每个样品反射光谱测量前对光谱进行校准，而且搬运机构还可以对横轨的位置进行校准。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域技术人员通过本阅读说明书而对本发明技术方案采取的任何等效变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种具有自校准功能的反射光谱测量系统，包括光谱采集系统，其特征在于：还包括同一水平面上相互垂直设置的横向导轨和纵向导轨，横向导轨朝向纵向导轨一侧并列设置多个横轨卡槽位，横轨卡槽位上放置样品槽，纵向导轨朝向横向导轨的端部设有纵轨卡槽位，纵轨卡槽位的一侧设置有用于光谱采集系统校准的标准白板，纵向导轨纵向来回移动可让纵轨卡槽位和标准白板分别与光谱采集系统对齐，横轨卡槽位与纵轨卡槽位的下方设有在横轨卡槽位和纵轨卡槽位之间搬运样品槽的摆动搬运装置；所述摆动搬运装置包括等高并列设置的左转电机和右转电机，左转电机和右转电机输出轴平行，转动方向相反，左转电机和右转电机的输出轴之间设有两组平行四边形摆动机构，每组平行四边形摆动机构包括两根摆杆和一根承杆，两根摆杆的底端分别与左转电机和右转电机的输出轴固定，两根摆杆的顶端分别与承杆的两端铰接，所述横轨卡槽位与纵轨卡槽位底面与承杆对应设置有纵向搬运槽。
2.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的反射光谱测量系统，其特征在于：所述光谱采集系统包括反射探头，反射探头为三通结构，分别为光源端、照射端、反射端，光源端对应设置光源，照射端朝向样品槽和标准白板，反射端后方依次设有电控快门、第一准直镜、狭缝、第二准直镜、光栅、物镜、线性CCD。
3.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的反射光谱测量系统，其特征在于：所述横轨卡槽位朝向纵向导轨的侧面开口，开口侧的棱边倒角。
4.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的反射光谱测量系统，其特征在于：所述纵轨卡槽位朝向横向导轨的侧面开口，开口侧为喇叭口。
5.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的反射光谱测量系统，其特征在于：所述两组平行四边形摆动机构的摆杆之间设有同步杆。
6.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的反射光谱测量系统，其特征在于：所述纵向搬运槽延伸至横轨卡槽位与纵轨卡槽位的侧壁。
7.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的反射光谱测量系统，其特征在于：所述承杆的摆动最低点位于横向导轨的下方，承杆摆动的最高点不超过横轨卡槽位及纵轨卡槽位的顶面。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种具有自校准功能的反射光谱测量系统，其特征在于：所述标准白板由聚四氟乙烯制成，具有金属外壳。
9.根据权利要求1或2或3或4所述的一种具有自校准功能的反射光谱测量系统，其特征在于：所述样品槽可以盛装液体及固体待测样品。
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