CN106802284A - 一种光纤近红外检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤近红外检测系统。所述光纤近红外检测系统包括近红外光源、单模光纤以及第一光电探测器，所述第一光电探测器为一个或多个；所述近红外光源的输出端连接所述单模光纤的输入端，所述第一光电探测器平行设置于单模光纤中的近红外激光的传输方向上，所述单模光纤上设置有与第一光电探测器对应的第一倾斜光栅；所述近红外光源用于发出波长为λ的近红外激光。本发明利用单模光纤中设置的倾斜光栅对近红光激光从单模光纤的侧向引出，从而可以在一个近红光激光检测系统中集成多个用于获取光强检测信号的第一光电探测器，从而降低了应用成本。
Description
技术领域
本发明属于光学检测领域，更具体地，涉及一种光纤近红外检测系统。
背景技术
现代近红外光谱技术是90年代以来迅速发展的高新分析化学技术，近红外光谱技术的发展为农业、医药、食品等行业提供了快速无损检测手段。近红外光(NIR)是指波长在780nm～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。现代近红外光谱技术的出现掀起了一场无损分析技术革命。以其高效、快速、无损等特点广泛应用于工业、农业、食品、医药等领域。尤其是在大规模工业生产领域以及环境监测领域，还需要实现多点分布式单模光纤近红外测量。
目前有两种较为常用的光纤近红外检测系统：1，宽带光源—分光器件—样品—光电探测器；2，宽带光源—样品—分光器件—光电探测器(Hari Prasad，InternationalJournal of ChemTech Research CODEN(USA):IJCRGG ISSN:0974-4290 Vol.3,No.2,pp825-836第830页)。以上两种结构的光纤近红外检测系统都使用的是多模单模光纤，仅适用于单点测量；应用于分布时测量时，则需要针对每一个检测点配置单独的激光光源单元以及光谱分析单元，从而应用成本较高；其次，在上述检测系统无法实现实时的强度补偿，因此光源的输出强度将影响测量结果，从而影响实时的测量准确度；最后，为了消除样品对光的漫反射特性，在测量系统中还需要集成积分球，使得测量系统的结构较为复杂，进一步增加了制造成本。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种光纤近红外检测系统，其目的在于通过单模光纤中的倾斜光栅引出近红外激光，从而实现低成本、分布式、实时光强补偿的近红外检测。
为实现上述目的，本发明提供了一种光纤近红外检测系统，包括近红外光源、单模光纤以及第一光电探测器，所述第一光电探测器为一个或多个；
所述近红外光源的输出端连接所述单模光纤的输入端，所述第一光电探测器平行设置于单模光纤中的近红外激光的传输方向上，所述单模光纤上设置有与第一光电探测器对应的第一倾斜光栅；
所述近红外光源用于发出波长为λ的近红外激光，所述单模光纤用于传输近红外激光，所述第一倾斜光栅用于引出单模光纤中传输的近红光激光，且所述第一倾斜光栅的反射方向朝向待测样品处，所述第一光电探测器的探测方向朝向待测样品的漫反射方向或透射方向，所述第一光电探测器用于获取待测样品的检测信号I1，所述检测信号为漫反射光强信号或透射光强信号。
优选地，所述光纤近红外检测系统还包括第二光电探测器以及数据采集模块；所述第二光电探测器平行设置于单模光纤中的激光的传输方向上，所述单模光纤上设置有与第二光电探测器对应的第二倾斜光栅，所述第一光电探测器的输出端连接所述数据采集模块的第一输入端，所述第二光电探测器的输出端连接所述数据采集模块的第二输入端；
所述第二倾斜光栅的反射方向朝向第二光电探测器的探测方向，所述第二光电探测器用于获取参考光强信号I2，所述数据采集模块用于获得待测样品的吸光度，所述吸光度为其中，k(λ)为所述光纤近红外检测系统对波长为λ的近红外激光的校准系数。
作为进一步优选地，所述第一光电探测器以及第二光电探测器的中心测量点的间距小于3cm。
作为进一步优选地，所述校准系数其中，α1(λ)为第一倾斜光栅对波长为λ的近红光激光的引出效率，α2(λ)为第二倾斜光栅对波长为λ的近红光激光的引出效率。
作为进一步优选地，所述数据采集模块还用于根据所述待测样品的漫吸光度A(λ)，获得待测样品的成分。
优选地，所述近红光激光的波长λ＝λs±250nm；其中，λs为第一倾斜光栅的引出效率最大时的波长，λs＝2nΛcosθ，第一倾斜光栅的周期Λ为400nm～1200nm，第一倾斜光栅倾斜的角度θ为23.1°～66.9°。
优选地，所述近红外光源还用于调节近红光激光的波长λ，所述波长λ的调节范围为λ1～λ2，λ1≥800nm，λ2≤1700nm，λ2－λ1≥100nm。
优选地，所述近红外光源包括激光器以及光纤耦合器，所述激光器的输出端连接光纤耦合器的输入端，所述光纤耦合器的N个输出端分别作为所述近红光光源的N个输出端；所述单模光纤以及第一光电探测器为N个，N为大于等于2的整数；所述近红光光源的N个输出端分别连接N个单模光纤，所述N个第一光电探测器分别设置于所述N个单模光纤中的激光的传输方向上；
所述激光器用于发出近红外激光，所述光纤耦合器用于将近红光激光的光强均匀地分配至所述N个单模光纤。
优选地，所述光纤近红外检测系统还包括样品固定装置，所述样品固定装置用于固定待测样品。
作为进一步优选地，所述样品固定装置为透明检测窗。
作为进一步优选地，所述样品固定装置的材质为石英玻璃或蓝宝石玻璃，所述样品固定装置对所述近红外激光的透过率大于95％。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有下列有益效果：
1、本发明利用单模光纤中设置的倾斜光栅对近红光激光从单模光纤的侧向引出，从而可以在一个近红光激光检测系统中集成多个用于获取光强检测信号的第一光电探测器，从而降低了应用成本；
2、本发明由于采用光电探测器取代现有技术积分球加光电探测器作为检测单元，从而降低了光纤近红外检测系统的应用成本，大大减小了光纤近红外检测系统的体积；
3、本发明采用了第二倾斜光栅和第二光电探测器获取参考光强信号I2，实现了原位实时光强补偿的作用，使得本发明的光纤近红外检测系统获得的待测样品的吸光度或透光度比现有技术更加准确，从而能更加精确地分析待测样品的成分；
4、本发明采用的激光光源可发出可波长调节的近红外激光，从而在该单模光纤近红外系统中起到了单波长激光输出，以及波长扫描的作用，从而使得本发明的单模光纤近红外系统具有高测量分辨率。
附图说明
图1为本发明光纤近红外检测系统结构示意图；
图2为本发明第一光电探测器获取待检测样品的漫反射光的工作原理图；
图3为本发明第一光电探测器获取待检测样品的透射光的工作原理图；
图4为本发明第一光电探测器获取待检测样品的透射光的工作原理图；
图5为本发明并联式光纤近红外检测系统结构示意图；
图6为本发明实施例1倾斜光栅光辐射示意图；
图7为本发明实施例1的第一检测单元以及第二检测单元获得的不同含水量的面粉在波长为1480nm吸光度；
图8为本发明实施例1中通过波长扫描，第二检测单元获得的面粉在宽谱范围的吸收谱数据。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种光纤近红外检测系统；所述光纤近红外检测系统包括近红外光源、单模光纤、样品固定装置、第二光电探测器、第一光电探测器以及数据采集模块，所述第一光电探测器为一个或多个；
近红外光源的输出端连接所述单模光纤的输入端，所述第二光电探测器以及第一光电探测器平行设置于单模光纤中的激光的传输方向上；所述单模光纤上设置有分别与第二光电探测器以及第一光电探测器对应的第二倾斜光栅以及第一倾斜光栅；所述第二光电探测器的输出端连接所述数据采集模块的第二输入端，所述第一光电探测器的输出端连接所述数据采集模块的第一输入端；
所述近红外光源用于发出波长为λ的近红外激光，所述样品固定装置用于固定待测样品，所述单模光纤用于引出近红外激光，所述第二倾斜光栅以及第一倾斜光栅用于引出单模光纤中传输的近红光激光，所述第一倾斜光栅的引出方向朝向待测样品的放置处，所述第二光电探测器用于获取参考光强信号I2，所述第一光电探测器用于待测样品的检测信号I1，所述检测信号为漫反射光强信号或透射光强信号；所述数据采集模块用于获得待测样品的吸光度，所述吸光度为其中，为所述光纤近红外检测系统对波长为λ的近红外激光的校准系数；其中，α1(λ)为第一倾斜光栅对波长为λ的近红光激光的引出效率，α2(λ)为第二倾斜光栅对波长为λ的近红光激光的引出效率，α1(λ)和α2(λ)可在光纤近红外检测系统出厂时，调整近红外光源发出的近红外激光的波长λ，并分别测量第二倾斜光栅与第一倾斜光栅对不同波长的近红外激光的传递功率与近红外激光的功率之比而获得(Optics and Photonics Journal,2013,3,158-162)；校准系数可以调整由于倾斜光栅与近红外光源的距离不同，而引出效率不同所带来的误差。
当第二倾斜光栅与第一倾斜光栅的长度、周期以及倾斜的角度都相同时，其引出的近红光激光的光强的比例理论上应相当于α1(λ)：α2(λ)；然而如果第二光电探测器以及第一光电探测器相隔太远，必然第二倾斜光栅与第一倾斜光栅引出的近红光激光的光强会受到单模光纤的弯折等因素的影响，第二光电探测器以及第一光电探测器的中心测量点的间距最好小于3cm，因此，当在一条单模光纤上设置多个第一光电探测器，且第一光电探测器的间距大于6cm时，则需要针对每个第一光电探测器配置独立的第二光电探测器。
所述近红光激光的波长λ可调节，调节范围的大小以及上下限λ2和λ1则根据所需待测样品的材料设置；通常波长λ的调节范围为λ1～λ2，λ1≥800nm，λ2≤1700nm；λ2－λ1≥100nm；所述近红光激光的波长λ＝λs±250nm；其中，λs为第二倾斜光栅以及第一倾斜光栅的引出效率最大时的波长，λs＝2nΛcosθ……(1)，第二倾斜光栅以及第一倾斜光栅的周期Λ为400nm～1200nm，第二倾斜光栅以及第一倾斜光栅倾斜的角度θ为23.1°～66.9°，以保证倾斜光栅能引出单模光纤中传输的近红外激光，单模光纤纤芯的折射率n则根据纤芯的型号以及近红外激光的波长略有差别，一般约为1.45左右。
由于第二光电探测器用于获取参考光强信号I2，所述第二倾斜光栅的引出方向最好朝向所述第二光电探测器的检测面；而第一光电探测器的检测面与第一倾斜光栅的引出方向的关系则与其光强检测信号的类型有所区别；例如，当光强检测信号为待测样品的漫反射光强信号时，可将所述待测样品的漫反射方向朝向所述第一光电探测器的检测面；当光强检测信号I2为待测样品的透射光强信号时，将所述待测样品的漫反射方向朝向所述第一光电探测器的检测面。
样品固定装置的材料可选取石英玻璃或蓝宝石玻璃等，以保证对所述近红外激光的透过率大于95％，而形态则跟待测样品的类型有关，例如，对于液态的待测样品可以设置透明检测管，而对于固态的待测样品可以设置透明检测窗；
以检测固态的待测样品的吸光度为例，透明检测窗可以设置于第二倾斜光栅的引出方向，透明检测窗的上方用于放置待测样品；近红外激光经第一倾斜光栅，引出至待测样品的方向，获得漫反射光强信号I1，然后传递至与透明检测窗对向设置的第一光电探测器，如图2所示；
而检测固态的待测样品的透光度时，所述样品固定装置可采取与图2类似的结构，如图3所示，也可以采取如图4所示的结构；图3与图2中的光纤近红外检测系统的区别仅在于，在待测样品的上方，还另外设置一反射镜；近红外激光经第一倾斜光栅，引出至待测样品的方向，经待测样品的透射，传递至反射镜，反射镜又将该近红外激光反射至待测样品的方向，经待测样品以及透明检测窗的透射，获得透射光强信号I1，然后传递至与透明检测窗对向设置的第一光电探测器；
图4所示的样品固定装置包括第二透明检测窗以及第一透明检测窗，第二透明检测窗以及第一透明检测窗之间用于放置待测样品；所述第一光电探测器设置于第一透明检测窗底部；近红外激光经第一倾斜光栅，引出至待测样品的方向，穿越待测样品，并获得透射光强信号I1，然后传递至底部的第一光电探测器。
当光纤近红外检测系统需要进行分布式检测，即所述第一光电探测器为N个，N为大于等于2的整数时；为了进一步减小检测误差，保证所有第一倾斜光栅引出的近红光激光都大致拥有相同的强度，可针对每个第一光电探测器配置独立的单模光纤以及独立的第二光电探测器；此时所述近红外光源包括激光器以及光纤耦合器，所述激光器用于发出近红外激光，所述光纤耦合器用于将近红光激光的光强分别均匀地分配至所述N个单模光纤；所述激光器的输出端连接光纤耦合器的输入端，所述光纤耦合器的N个输出端分别作为所述近红光光源的N个输出端；所述近红光光源的N个输出端分别连接N个单模光纤，所述N个第二光电探测器以及第一光电探测器分别设置于所述N个单模光纤中的激光的传输方向上，如图5所示，光纤近红外检测系统成为并联式的结构。
该光纤近红外检测系统还可以用于分析待测样品的成分；此时，则需要预先测定具有不同比例的待测成分的标准样品所对应的吸光度；并作出与待测成分的比例所对应的曲线；待实际测定待测样品时，再根据待测样品的吸光度，从曲线上获得所对应的待测成分的比例；此时，数据采集模块还可以用于根据存储于数据采集模块内部的曲线，以及待测样品的吸光度，获得待测样品的成分。
实施例1
本发明提出了一种光纤近红外检测系统，包括激光光源、单模光纤、第二检测单元、第一检测单元以及数据采集模块；
所述激光光源的型号为Sangtec TSL full band调谐激光器，用于于发出范围为1260nm～1680nm的近红外激光；
所述单模光纤的输入端连接激光光源，用于引出近红外激光；
所述第一检测单元、第二检测单元依次设置于所述单模光纤中的激光的传输方向，所述每个检测单元包括第二光电探测器、第一光电探测器以及固定装置；所述第二光电探测器以及第一光电探测器的型号为thorlabs FDG05，所述第一光电探测器以及第二光电探测器的间距为1cm，依次设置于单模光纤中的激光的传输方向上，所述第二光电探测器用于获取参考光强信号I2，所述第一光电探测器用于获取检测光强信号I1。
所述单模光纤上与所述第二光电探测器以及第一光电探测器的对应处设置有倾斜光栅，如图6所示，所述倾斜光栅的周期为725nm，倾斜的角度为45°，根据公式(1)，可保证光栅的中心作用波长在1480nm，带宽覆盖1240nm～1720nm；经预先测定，该倾斜光栅对波长为1480nm的近红光激光的引出效率为10％，因此本实施例中校准系数k(λ)为0.9；
所述固定装置为透明检测窗，透明检测窗的材质为石英玻璃、厚度为2mm，设置于所述检测探测器的对向，用于放置待测样品，如图2所示；
所述数据采集模块用于根据参考光强信号I2以及光强检测信号I1，获得待测样品的吸光度；
以面粉为检测样品，检测目标为面粉中的含水量为例，说明该光纤近红外检测系统的检测方法，其包括以下步骤：
S1.将面粉铺设于透明检测窗上，并完全覆盖与第一光电探测器的检测面相对的区域；
S2.激光光源可发出波长从1260nm～1680nm可调谐的近红外激光，实现面粉在1260nm～1630nm宽谱范围的吸收曲线，而面粉在该宽谱范围里包含了其它成分的光谱吸收信息，如蛋白，淀粉等；其中，水在1480nm有很强的吸收，在本实施例中选择1480nm来检测面粉的水含量；
S3.近红光激光入射至单模光纤，并通过与第二光电探测器相对的倾斜光栅，引出至第二光电探测器处，获取参考光强信号I2；继而入射光又通过与第一光电探测器对应的倾斜单模光纤光栅，引出至透明检测窗处，如图6所示；
S4.放置于透明检测窗上的面粉通过漫反射将倾斜光栅引出的入射光又反射至第一光电探测器处，从而获取检测了检测光强信号I1，该检测光强信号I1实际为面粉的漫反射信号，如图2所示；
S5.通过公式，获得面粉样品的吸光度。
图7为本实施例获得的不同含水量的面粉在波长为1480nm时的吸光度，其中图7a为第一检测单元(离激光光源较近的检测单元)的检测值，图7b为第二检测单元(离激光光源较远的检测单元)的检测值，可以看出，随着面粉含水量的增加，吸光度也随之增加，且设置于单模光纤上的多个检测单元均具有较好的检测效果，证实本发明内实现高测量分辨率。
图8为本发明通过波长扫描在第一检测单元实现湿度为15％的面粉在宽谱范围的吸收谱数据，可以看出，在水的吸收峰1480nm附近，吸光度有最大值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光纤近红外检测系统，其特征在于，包括近红外光源、单模光纤以及第一光电探测器，所述第一光电探测器为一个或多个；
所述近红外光源的输出端连接所述单模光纤的输入端，所述第一光电探测器平行设置于单模光纤中的近红外激光的传输方向上，所述单模光纤上设置有与第一光电探测器对应的第一倾斜光栅；
所述近红外光源用于发出波长为λ的近红外激光，所述单模光纤用于引出近红外激光，所述第一倾斜光栅用于引出单模光纤中传输的近红光激光，且所述第一倾斜光栅的引出方向朝向待测样品处，所述第一光电探测器的探测方向朝向待测样品的漫反射方向或透射方向，所述第一光电探测器用于获取待测样品的检测信号I1，所述检测信号为漫反射光强信号或透射光强信号。
2.如权利要求1所述的光纤近红外检测系统，其特征在于，所述光纤近红外检测系统还包括第二光电探测器以及数据采集模块；所述第二光电探测器平行设置于单模光纤中的激光的传输方向上，所述单模光纤上设置有与第二光电探测器对应的第二倾斜光栅，所述第一光电探测器的输出端连接所述数据采集模块的第一输入端，所述第二光电探测器的输出端连接所述数据采集模块的第二输入端；
所述第二倾斜光栅的引出方向朝向第二光电探测器的探测方向，所述第二光电探测器用于获取参考光强信号I2，所述数据采集模块用于获得待测样品的吸光度其中，k(λ)为所述光纤近红外检测系统对波长为λ的近红外激光的校准系数。
3.如权利要求2所述的光纤近红外检测系统，其特征在于，所述第一光电探测器以及第二光电探测器的中心测量点的间距小于3cm。
4.如权利要求2所述的光纤近红外检测系统，其特征在于，所述校准系数其中，α1(λ)为第一倾斜光栅对波长为λ的近红光激光的引出效率，α2(λ)为第二倾斜光栅对波长为λ的近红光激光的引出效率。
5.如权利要求2所述的光纤近红外检测系统，其特征在于，所述数据采集模块还用于根据所述待测样品的吸光度A(λ)，获得待测样品的成分。
6.如权利要求1所述的光纤近红外检测系统，其特征在于，所述近红光激光的波长λ＝λs±400nm；其中，λs为第一倾斜光栅的引出效率最大时的波长，λs＝2nΛcosθ，第一倾斜光栅的周期Λ为400nm～1200nm，第一倾斜光栅倾斜的角度θ为23.1°～66.9°。
7.如权利要求1所述的光纤近红外检测系统，其特征在于，所述近红外光源还用于调节近红光激光的波长λ，所述波长λ的调节范围为λ1～λ2，λ1≥800nm，λ2≤1700nm，λ2－λ1≥100nm。
8.如权利要求1所述的光纤近红外检测系统，其特征在于，所述近红外光源包括激光器以及光纤耦合器，所述激光器的输出端连接光纤耦合器的输入端，所述光纤耦合器的N个输出端分别作为所述近红光光源的N个输出端；所述单模光纤以及第一光电探测器为N个，N为大于等于2的整数；所述近红光光源的N个输出端分别连接N个单模光纤，所述N个第一光电探测器分别设置于所述N个单模光纤中的激光的传输方向上；
所述激光器用于发出近红外激光，所述光纤耦合器用于将近红光激光的光强均匀地分配至所述N个单模光纤。
9.如权利要求1所述的光纤近红外检测系统，其特征在于，所述光纤近红外检测系统还包括样品固定装置，所述样品固定装置用于固定待测样品。
10.如权利要求9所述的光纤近红外检测系统，其特征在于，所述样品固定装置对所述近红外激光的透过率大于95％。
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