CN106706557A - 一种基于球面漫反射的便携式近红外检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于球面漫反射的便携式近红外检测装置，包括LED光源、准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜、折射棱镜、标准反射球、探测窗，以及样品探测器、参考探测器、电路板；其中LED光源、准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜及折射棱镜处于同一直线光路，半透半反镜将光路分为水平光路和垂直光路：折射棱镜将水平光路折射至探测窗，直接照射样品，形成样品通道，之后由样品探测器对样品通道的漫反射信号进行采集；同时垂直光路直接到达标准反射球，形成参考通道，之后参考探测器对参考通道的漫反射信号进行采集；样品探测器、参考探测器将采集的漫反射信号传输至电路板。本发明的检测装置及方法，具有检测速度快、检测精度高的特点。

Description

一种基于球面漫反射的便携式近红外检测装置及方法

技术领域

本发明涉及近红外光谱检测领域，特别涉及一种基于球面漫反射的便携式近红外检测装置及方法。

背景技术

近红外(NIR)光谱检测技术是近年来发展较为迅速的一种高新分析测试技术,与传统分析技术相比，近红外光谱分析仪具有无损检测、分析效率高、分析速度快、分析成本低、重现性好等独特优势。

近红外分析主要是利用被测物对固定波长近红外光的吸收特性来进行各种物质含量的分析。目前的近红外光谱分析仪从使用环境上分析，主要有两种，一种是用于实验室或检测室内的台式机，其特点是检测精度较高，但体积较大，重量较重，不利于携带；另外一种是便携式近红外光谱检测装置，其特点是小巧便携，但检测精度不高。

为此，寻求一种检测精度高，且便于携带的近红外光谱检测装置具有重要研究价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于球面漫反射的便携式近红外检测装置。

本发明的另一目的在于提供一种基于球面漫反射的便携式近红外检测方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于球面漫反射的便携式近红外检测装置，包括LED光源、准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜、折射棱镜、标准反射球、探测窗，以及样品探测器、参考探测器，还包括分别与样品探测器、参考探测器相连的电路板；其中LED光源、准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜及折射棱镜处于同一直线光路，半透半反镜将光路分为水平光路和垂直光路：折射棱镜将水平光路折射至探测窗，直接照射样品，形成样品通道，之后由样品探测器对样品通道的漫反射信号进行采集；同时垂直光路直接到达标准反射球，形成参考通道，之后参考探测器对参考通道的漫反射信号进行采集；样品探测器、参考探测器将采集的漫反射信号传输至电路板进行处理。

所述LED光源位于基于球面漫反射的便携式近红外检测装置最左侧，水平方向上向右依次设置准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜；LED光源、准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜均位于主光路中，其中半透半反镜平面向左偏下45°角放置，准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜分别竖直放置。

所述半透半反镜右侧为样品通道，折射棱镜位于样品通道拐角处，折射棱镜竖直安装，折射棱镜将水平光线折射至设置在右偏下63°处的探测窗；探测窗水平位置左侧垂直放置样品探测器，样品探测器朝向探测窗。

所述半透半反镜下方为参考通道，半透半反镜反射的垂直光线直接照射在半透半反镜正下方的标准反射球上，在标准反射球右侧竖直安装参考探测器，探测器垂直朝向标准反射球球心。

所述样品探测器与参考探测器背向对称安装。这样设置能够方便电路及检测信号的统一输出与屏蔽。

所述标准反射球、探测窗、样品探测器、参考探测器处于同一水平线，共同组成中心组件；所述LED光源、准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜、折射棱镜，共同组成环绕组件；所述环绕组件有N个，N个环绕组件以中心组件所在水平线为中心轴，进行圆形阵列排列，N个环绕组件共用一个中心组件。每一路均为不同波长的LED光源及不同中心波长的窄带滤光片，以阵列的方式实现非机械转动条件下的多波段不同波长的检测。同时未设置机械转动部分，在仍然采用同一标准反射板的情况下，进行多波段不同波长的多通道检测，大大提高重复检测精度。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种基于球面漫反射的便携式近红外检测方法，包含以下步骤：

(1)在待机状态，LED光源发光后，光线通过准直透镜和滤光片后，变为检测需要的固定波长的平行光，之后光路通过半透半反镜分为两路，一路光透过半透半反镜进入样品通道之后经折射棱镜的折射通过检测窗照射标准样品，样品探测器采集样品通道信号并记录；另一路光被半透半反镜反射进入参考通道直接照射到标准反射球上，参考探测器进行参考通道信号的采集和记录，样品通道和参考通道的数据记录为初始采样值；

(2)将探测窗的窗口对准需要检测的样品，并使样品覆盖探测窗，运行步骤(1)采集样品通道和参考通道的采样值；

(3)此时样品通道光线照射到检测样品表面后发生了吸收现象，之后参考探测器和样品探测器再次分别记录参考通道、样品通道的采样值；

(4)然后对比前后两次样品探测器的采样值，计算出样品的吸光度值，之后对比前后两次参考探测器的采样值，计算出前后两次检测的偏差，并将该偏差带入之前计算出的吸光度值，对其进行矫正，最后通过矫正后的吸光度值计算出样品内物质的含量。

需要特别说明的是，本发明所述一种基于球面漫反射的便携式近红外检测装置中的电路板对于样品通道的漫反射信号、参考通道的漫反射信号采用常规的处理方式(即与本发明所述一种基于球面漫反射的便携式近红外检测方法的电路板的数据处理方式不一样)，也同样能够满足要求，也就是说本发明所述一种基于球面漫反射的便携式近红外检测装置最重要的发明点不在于软件的数据处理上，而在于硬件结构的双光路的设计上，双光路的设计比以前的単光路设计的优势(除了有益效果所列出的)在于：参考通道、样品通道共用同一时间的同一个LED光源，减少了变量，而增加了定量，对于提升检测精度有非常重要的意义。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明利用双光路通道提高信噪比的原理，将原来便携式近红外光谱检测装置检测精度低的问题进行了改进，并通过内置光路以及外壳全封闭式的设计，使检测装置在复杂环境下仍然能够保证检测效果，尽可能的减小使湿度等外部因素对检测结果的影响。

2、本发明将原本单通道的检测方式，改为了双通道检测，通过对比参考通道来对样品检测的结果进行矫正，提升了整机的信噪比，提高了检测精度。

3、本发明封闭式光路设计，减少了外部湿度、杂散光的因素对检测结果的影响，提高检测精度。

4、本发明双光路体积较之前大幅减小，有利于设备的便携性和附件匹配，提高通用性。

附图说明

图1为本发明所述一种基于球面漫反射的便携式近红外检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1，一种基于球面漫反射的便携式近红外检测装置，包括LED光源3、准直透镜4、窄带滤光片5、半透半反镜6、折射棱镜7、标准反射球2、探测窗10，以及样品探测器9、参考探测器8，还包括分别与样品探测器9、参考探测器8相连的电路板1；其中LED光源3、准直透镜4、窄带滤光片5、半透半反镜6及折射棱镜7处于同一直线光路，半透半反镜6将光路分为水平光路和垂直光路：折射棱镜7将水平光路折射至探测窗10，直接照射样品，形成样品通道，之后由样品探测器9对样品通道的漫反射信号进行采集；同时垂直光路直接到达标准反射球2，形成参考通道，之后参考探测器8对参考通道的漫反射信号进行采集；样品探测器9、参考探测器8将采集的漫反射信号传输至电路板1进行处理。

所述LED光源位于基于球面漫反射的便携式近红外检测装置最左侧，水平方向上向右依次设置准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜；LED光源、准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜均位于主光路中，其中半透半反镜平面向左偏下45°角放置，准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜分别竖直放置。

所述半透半反镜右侧为样品通道，折射棱镜位于样品通道拐角处，折射棱镜竖直安装，折射棱镜将水平光线折射至设置在右偏下63°处的探测窗；探测窗水平位置左侧垂直放置样品探测器，样品探测器朝向探测窗。

所述半透半反镜下方为参考通道，半透半反镜反射的垂直光线直接照射在半透半反镜正下方的标准反射球上，在标准反射球右侧竖直安装参考探测器，探测器垂直朝向标准反射球球心。

所述样品探测器与参考探测器背向对称安装。这样设置能够方便电路及检测信号的统一输出与屏蔽。

所述标准反射球、探测窗、样品探测器、参考探测器处于同一水平线，共同组成中心组件；所述LED光源、准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜、折射棱镜，共同组成环绕组件；所述环绕组件有N个，N个环绕组件以中心组件所在水平线为中心轴，进行圆形阵列排列，N个环绕组件共用一个中心组件。每一路均为不同波长的LED光源及不同中心波长的窄带滤光片，以阵列的方式实现非机械转动条件下的多波段不同波长的检测。同时未设置机械转动部分，在仍然采用同一标准反射板的情况下，进行多波段不同波长的多通道检测，大大提高重复检测精度。

一种基于球面漫反射的便携式近红外检测方法，包含以下步骤：

(1)在待机状态，LED光源发光后，光线通过准直透镜和滤光片后，变为检测需要的固定波长的平行光，之后光路通过半透半反镜分为两路，一路光透过半透半反镜进入样品通道之后经折射棱镜的折射通过检测窗照射标准样品，样品探测器采集样品通道信号并记录；另一路光被半透半反镜反射进入参考通道直接照射到标准反射球上，参考探测器进行参考通道信号的采集和记录，样品通道和参考通道的数据记录为初始采样值；

(2)将探测窗的窗口对准需要检测的样品，并使样品覆盖探测窗，运行步骤(1)采集样品通道和参考通道的采样值；

(3)此时样品通道光线照射到检测样品表面后发生了吸收现象，之后参考探测器和样品探测器再次分别记录参考通道、样品通道的采样值；

(4)然后对比前后两次样品探测器的采样值，计算出样品的吸光度值，之后对比前后两次参考探测器的采样值，计算出前后两次检测的偏差，并将该偏差带入之前计算出的吸光度值，对其进行矫正，最后通过矫正后的吸光度值计算出样品内物质的含量。

具体来讲，如图1所示，一种基于球面漫反射的便携式近红外检测装置，检测光线由LED光源3发出后，通过准直透镜4后变为平行光，再通过窄带滤光片5后，变为固定波长的平行光，之后光线经过半透半反镜6后分为两路；一路投射通过折射棱镜7进入样品通道，直接透过检测窗10照射到样品上，之后漫反射进入样品探测器9；另外一路由半透半反镜6反射进入参考通道并直接照射到标准反射球2上，光线经过标准反射球2漫反射进入参考探测器8。

第一次检测首先在检测窗10处放置标准样品，两个探测器进行第一次数据的采集，之后可以携带便携式近红外检测装置至样品处，将探测窗10对准需要检测的样品，并使其覆盖整个探测窗10，发送命令使两个探测器采集第二次数据。

第一次检测标准样品时，参考探测器的采样值为A₁，样品探测器采样值为B₁，第二次检测待检样品时，参考探测器采样值为A₂，样品探测器采样值为B₂；则参考通道比值X＝A₁/A₂，样品通道比值Y＝B₁/B₂；最终样品吸光度值

Z＝㏒₁₀(X/Y)＝㏒₁₀(A₁B₂/A₂B₁)。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于球面漫反射的便携式近红外检测装置，其特征在于：包括LED光源、准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜、折射棱镜、标准反射球、探测窗，以及样品探测器、参考探测器，还包括分别与样品探测器、参考探测器相连的电路板；其中LED光源、准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜及折射棱镜处于同一直线光路，半透半反镜将光路分为水平光路和垂直光路：折射棱镜将水平光路折射至探测窗，直接照射样品，形成样品通道，之后由样品探测器对样品通道的漫反射信号进行采集；同时垂直光路直接到达标准反射球，形成参考通道，之后参考探测器对参考通道的漫反射信号进行采集；样品探测器、参考探测器将采集的漫反射信号传输至电路板进行处理。

2.根据权利要求1所述基于球面漫反射的便携式近红外检测装置，其特征在于：所述LED光源位于基于球面漫反射的便携式近红外检测装置最左侧，水平方向上向右依次设置准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜；LED光源、准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜均位于主光路中，其中半透半反镜平面向左偏下45°角放置，准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜分别竖直放置。

3.根据权利要求1所述基于球面漫反射的便携式近红外检测装置，其特征在于：所述半透半反镜右侧为样品通道，折射棱镜位于样品通道拐角处，折射棱镜竖直安装，折射棱镜将水平光线折射至设置在右偏下63°处的探测窗；探测窗水平位置左侧垂直放置样品探测器，样品探测器朝向探测窗。

4.根据权利要求1所述基于球面漫反射的便携式近红外检测装置，其特征在于：所述半透半反镜下方为参考通道，半透半反镜反射的垂直光线直接照射在半透半反镜正下方的标准反射球上，在标准反射球右侧竖直安装参考探测器，探测器垂直朝向标准反射球球心。

5.根据权利要求1所述基于球面漫反射的便携式近红外检测装置，其特征在于：所述样品探测器与参考探测器背向对称安装。

6.根据权利要求1至5任一权利要求所述基于球面漫反射的便携式近红外检测装置，其特征在于：所述标准反射球、探测窗、样品探测器、参考探测器处于同一水平线，共同组成中心组件；所述LED光源、准直透镜、窄带滤光片、半透半反镜、折射棱镜，共同组成环绕组件；所述环绕组件有N个，N个环绕组件以中心组件所在水平线为中心轴，进行圆形阵列排列，N个环绕组件共用一个中心组件。

7.一种基于球面漫反射的便携式近红外检测方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)在待机状态，LED光源发光后，光线通过准直透镜和滤光片后，变为检测需要的固定波长的平行光，之后光路通过半透半反镜分为两路，一路光透过半透半反镜进入样品通道之后经折射棱镜的折射通过检测窗照射标准样品，样品探测器采集样品通道信号并记录；另一路光被半透半反镜反射进入参考通道直接照射到标准反射球上，参考探测器进行参考通道信号的采集和记录，样品通道和参考通道的数据记录为初始采样值；

(2)将探测窗的窗口对准需要检测的样品，并使样品覆盖探测窗，运行步骤(1)采集样品通道和参考通道的采样值；

(3)此时样品通道光线照射到检测样品表面后发生了吸收现象，之后参考探测器和样品探测器再次分别记录参考通道、样品通道的采样值；

(4)然后对比前后两次样品探测器的采样值，计算出样品的吸光度值，之后对比前后两次参考探测器的采样值，计算出前后两次检测的偏差，并将该偏差带入之前计算出的吸光度值，对其进行矫正，最后通过矫正后的吸光度值计算出样品内物质的含量。