CN106872362B - 用于可见近红外光谱检测的led光源装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于可见近红外光谱检测的LED光源装置及其应用。包括驱动电源、LED发光源、套筒、支架、和螺纹圈，套筒安装在支架上，套筒左端内安装有LED发光源，套筒右端内设置有光路组件，并在右端内壁设有内螺纹，LED发光源与驱动电源相连；光路组件包括沿光轴依次布置在套筒右端的阶梯孔端内并通过连接在套筒右端内螺纹上螺纹圈轴向固定的左平凸透镜、光阑和右平凸透镜。本发明发射的光线直接照射被测对象，然后再采集透射光谱，能够适应不同的检测方式：静态透射检测和在线动态检测，本发明具有节能环保的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光源装置，尤其是涉及一种用于可见近红外光谱检测的LED光源装置及其应用，可用于不同类型检测对象的透射检测，既可以进行静态检测，也可以进行在线检测。
背景技术
可见近红外光谱检测技术由于具有快速、无损的特点，已成为一种非常受欢迎的检测技术，它适用于规模化、自动化的工业生产，可用于各类对象的在线检测，实现被测对象的成分等特征指标自动检测与分级。光源是光谱检测技术中极其重要的一环，光源为检测技术提供需要的光谱。
当前用于可见近红外光谱检测技术所使用的光源主要是卤钨灯，在现有的技术中已存在一些利用卤钨灯进行可见近红外光谱检测的装置，如：
在美国专利US7295318B2中，描述了两种可见近红外的检测装置。一种是通过在传送带一边设置多盏卤钨灯，而在另一边安放检测器，中间通过一块黑色挡板隔开；另一种是在传送带上方安装多盏卤钨灯光源，该光源可以调节发光体的个数，在传送带下方安装检测器。这两种方法都采用卤钨灯，但是卤钨灯具有一些缺点：发热量大，温度高、能量利用率低，由于温度高的原因，会对部件造成损害，同时也会影响检测结果，并且功率大，能耗大，不节能。
LED(Light Emitting Diode)，是一种较新型的光源，中文名称叫发光二极管，是一种利用半导体材料制作的电子器件，它可以将电转化为光。LED的核心是一块半导体芯片，芯片两端延伸出两个电极，一个正极，一个负极，整个芯片被封装在透明的环氧树脂材料里面。它具有体积小、能耗低、亮度高、热量低、环保、可控性强等特点，在农产品光学特性检测中，LED通常被用作为成像系统的光源或是荧光诱导系统的光源，在其它方面的应用比较少。
同时单个LED灯珠发射的光谱是单波长的，这不利于用于可见近红外光谱检测技术。组合式的LED在校准光源方面应用的较多，但现有技术中缺少在实际检测对象方面的应用及其装置。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于可见近红外光谱检测的LED光源装置及其应用。本发明能够发射出可见近红外波段的光谱，可以用于不同类型检测对象的的静态透射检测和在线透射检测。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括驱动电源、LED发光源、套筒、支架、和螺纹圈，套筒安装在支架上，套筒左端内安装有LED发光源，套筒右端内设置有光路组件，并在右端内壁设有内螺纹，LED发光源与驱动电源相连。
所述的光路组件包括左平凸透镜、左垫圈、光阑、右垫圈、右平凸透镜和螺纹圈，以套筒的中心轴作为光轴，左平凸透镜、光阑和右平凸透镜沿光轴依次布置在套筒右端的阶梯孔端内并通过连接在套筒右端内螺纹上螺纹圈轴向固定，左平凸透镜和光阑之间通过边缘的左垫圈轴向支撑，光阑和右平凸透镜之间通过边缘的右垫圈轴向支撑，右平凸透镜外端与螺纹圈连接。
所述的LED发光源包括电路板和安装焊接在电路板上的多个LED灯，电路板固定在套筒左端端部，LED灯伸入到套筒内并在垂直于光轴方向的平面阵列均布。
所述的左平凸透镜和右平凸透镜各自的凸面均布置在靠近光阑的一侧，左平凸透镜和右平凸透镜的焦点重合并且，光阑位于左平凸透镜和右平凸透镜的焦点处；光源发射的光线经过左平凸透镜汇聚于焦点处，光阑将汇聚的光线输出并阻止杂散光通过，光阑输出的光相当于点光源，再由右平凸透镜平行射出。光路组件需全部安装在套筒内部，所以套筒的长度为LED发光源的长度、左平凸透镜的焦平面及焦距的长度、右平凸透镜焦距的长度、螺纹圈的长度之和。
发光体为LED灯珠，其组成灯珠组，焊接在电路板上。左平凸透镜安装在套筒内，通过左垫圈固定，使LED发光源处于左平凸透镜的焦平面处，左平凸透镜可以将光线汇聚。光阑安装在左垫圈右边，通过右垫圈固定，光阑的孔隙位于左平凸透镜和右平凸透镜的焦点处，可以排除杂散光。从光阑的出射光经右平凸透镜后平行射出。
所述的LED发光源的发射光波长范围为420～1100nm。
所述的支架顶部是半圆形卡槽，套筒侧壁开有环形凹槽，套筒通过凹槽嵌入到半圆形卡槽中而固定在支架上。
所述的光源装置用于不同类型检测对象(如水果，但不仅限于水果)的透射检测，既应用于生物样品透射检测的静态检测，也应用于生物样品透射检测的在线检测。静态检测指的是针对静止状态下的生物样品进行检测。在线检测指的是针对流水线中的生物样品在输送带输送的移动过程中进行实时的检测。
本发明具有的有益效果是：
本发明能够发射出范围在420～1100nm之间的组合光谱，并且可以适应不同的检测方式：静态透射检测和在线动态检测。
尤其是针对在线动态检测，本发明的发光源采用多个LED灯，可以组合成较大功率的发光源，这样可以减少在线检测时的积分时间，从而提高在线检测传送带的速度，进而提高在线检测效率。
本发明发射的光线直接照射被测对象，然后再采集透射光谱；由于发光源采用的是LED灯珠，本发明具有节能环保的优点。
附图说明
图1是本发明装置的整体示意图。
图2是光源结构剖视图。
图3是支架结构示意图。
图4是本发明的实施例光源光谱图。
图5是本发明的实施例模型结果图。
图中：1、驱动电源，2、LED发光源，3、套筒，4、支架，5、左平凸透镜，6、左垫圈，7、光阑，8、右垫圈，9右平凸透镜，10、螺纹圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明包括驱动电源1、LED发光源2、套筒3、支架4、和螺纹圈10，套筒3安装在支架4上，套筒3左端内安装有LED发光源2，套筒3右端内设置有光路组件，并在右端内壁设有内螺纹，LED发光源2与驱动电源1相连。
如图2所示，包括左平凸透镜5、左垫圈6、光阑7、右垫圈8、右平凸透镜9和螺纹圈10，以套筒3的中心轴作为光轴，左平凸透镜5、光阑7和右平凸透镜9沿光轴依次布置在套筒3右端的阶梯孔端内并通过连接在套筒3右端内螺纹上螺纹圈10轴向固定，左平凸透镜5和光阑7之间通过边缘的左垫圈6轴向支撑，光阑7和右平凸透镜9之间通过边缘的右垫圈8轴向支撑，右平凸透镜9外端与螺纹圈10连接，通过螺纹圈10将左平凸透镜5、光阑7和右平凸透镜9沿光轴固定限位。
LED发光源2包括电路板和安装焊接在电路板上的多个LED灯，电路板固定在套筒3左端端部，LED灯伸入到套筒3内并在垂直于光轴方向的平面阵列均布。LED发光源2的发射光波长范围为420～1100nm。
如图3所示，支架4顶部是半圆形卡槽，套筒3侧壁开有环形凹槽，套筒3通过凹槽嵌入到半圆形卡槽中而固定在支架4上。
当接通电源后，本发明装置可发射出范围在420～1100nm之间的组合光谱，照射到被测对象，然后采集透射光谱。该光源既可以用于静态透射检测，也可以用于在线透射检测。
本发明的实施例及其具体实施工作过程如下：
LED灯珠101采用的是HaSunLED，根据水果的种类选定发射光波长，具体实施中选用柑橘，品种为“涌泉宫川”，水果内部品质检测为糖度检测，其发射的光波长选用：460nm、500nm、515nm、570nm、680nm、690nm、740nm、820nm、940nm、1020nm，780nm、800nm、850nm、870nm、880nm、900nm、920nm、960nm、980nm、1050nm。每一种波长选用2只灯珠。
这些灯珠分为两个LED灯珠组，分别为：
第一组：460nm、500nm、515nm、570nm、680nm、690nm、740nm、820nm、940nm、1020nm；
第二组：780nm、800nm、850nm、870nm、880nm、900nm、920nm、960nm、980nm、1050nm。
第一组LED灯珠组的驱动电源为20mA恒流驱动源，第二组LED灯珠组的驱动电源为50mA恒流驱动源，两组灯珠组焊接在同一块电路板上，该电路板是双面布线电路板。平凸透镜4采用的是光学K9平凸透镜，直径为5.8cm，焦距为6cm。套筒2的内径为5cm，外径为7cm。
实施例检测得到的光源光谱如图4所示。
本实例采用的是在线检测方式，选取了200个柑橘样本。在线传输装置的速度为0.3m/s，接通电源，启动装置后，等待15-20分钟，待设备稳定后再进行光谱采集。实验总共采集到200条透射光谱，在光谱采集完之后，进行理化实验，测量柑橘样本的糖度值，糖度值通过将柑橘剥皮榨汁，利用数字折光仪(PR-101α)测得。
在获取柑橘样本的透射光谱和糖度值之后，进行数据分析。这里采用的数据分析方法为逐步多元线性回归，剔除三个异常样本，选择了148个样本作为校准集，49个样本作为预测集，最后的建模结果如图5所示，预测集相关系数为0.85，误差为0.542°Brix。
由此可见，本发明能够发射出可见近红外波段的光谱，可实现水果的内部品质光谱检测，同时由于采用的是LED发光体，此装置还具有节能环保的优点。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种用于可见近红外光谱检测的LED光源装置，其特征在于：包括驱动电源（1）、LED发光源（2）、套筒（3）、支架（4）和螺纹圈（10），套筒（3）安装在支架（4）上，套筒（3）左端内安装有LED发光源（2），套筒（3）右端内设置有光路组件，并在右端内壁设有内螺纹，LED发光源（2）与驱动电源（1）相连；
所述的光路组件包括左平凸透镜（5）、左垫圈（6）、光阑（7）、右垫圈（8）、右平凸透镜（9）和螺纹圈（10），以套筒（3）的中心轴作为光轴，左平凸透镜（5）、光阑（7）和右平凸透镜（9）沿光轴依次布置在套筒（3）右端的阶梯孔端内并通过连接在套筒（3）右端内螺纹上螺纹圈（10）轴向固定，左平凸透镜（5）和光阑（7）之间通过边缘的左垫圈（6）轴向支撑，光阑（7）和右平凸透镜（9）之间通过边缘的右垫圈（8）轴向支撑，右平凸透镜（9）外端与螺纹圈（10）连接；
所述的左平凸透镜（5）和右平凸透镜（9）各自的凸面均布置在靠近光阑（7）的一侧，左平凸透镜（5）和右平凸透镜（9）的焦点重合并且光阑（7）位于左平凸透镜（5）和右平凸透镜（9）的焦点处；光源发射的光线经过左平凸透镜（5）汇聚于焦点处，光阑（7）将汇聚的光线输出并阻止杂散光通过，光阑（7）输出的光相当于点光源，再由右平凸透镜（9）平行射出；
构成LED发光源（2）的LED灯珠101分为两个LED灯珠组，其发射的光波长分别为：
第一组：460 nm、500 nm、515 nm、570 nm、680 nm、690 nm、740 nm、820 nm、940 nm和1020 nm；
第二组：780 nm、800 nm、850 nm、870 nm、880 nm、900 nm、920 nm、960 nm、980 nm和1050 nm。
2.根据权利要求1所述的一种用于可见近红外光谱检测的LED光源装置，其特征在于：所述的LED发光源（2）包括电路板和安装焊接在电路板上的多个LED灯，电路板固定在套筒（3）左端端部，LED灯伸入到套筒（3）内并在垂直于光轴方向的平面阵列均布。
3.根据权利要求1所述的一种用于可见近红外光谱检测的LED光源装置，其特征在于：所述的支架（4）顶部是半圆形卡槽，套筒（3）侧壁开有环形凹槽，套筒（3）通过凹槽嵌入到半圆形卡槽中而固定在支架（4）上。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种用于可见近红外光谱检测的LED光源装置的应用，其特征在于：所述的光源装置既应用于生物样品透射检测的静态检测，也应用于生物样品透射检测的在线检测。
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- 2017-01-18 CN CN201710035911.1A patent/CN106872362B/zh active Active
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