CN108375546B - 基于可见/近红外光谱技术的化肥在线多点检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于可见/近红外光谱技术的化肥在线多点检测装置及其检测方法，包括光谱检测系统、数据处理显示单元、样品传送带，以及沿长度方向布置在样品传送带上方的多个光纤探头，多个光纤探头通过光纤连接单元将采集到的光谱信号输送至光谱检测系统，光谱检测系统将光谱信号进行分光和光电转换后送入数据处理显示单元中进行定量分析。采用多探头分布于传送带不同位置检测样品，光纤探头可以自动实现光谱仪暗背景、参考光谱的测量，降低了装置受外界环境的干扰，并采用两个不同波段的光谱仪测量，共同提高了装置对化肥质量的检测精度。

Description

基于可见/近红外光谱技术的化肥在线多点检测装置及其检 测方法

技术领域

本发明涉及化肥质量检测技术领域，具体涉及一种基于可见/近红外光谱技术的化肥在线多点检测装置及其检测方法。

背景技术

我国是化肥生产、消费大国。据国家统计局公布的数据，2015年我国的化肥生产量为7627.36万吨。目前，化肥生产过程中的质量监控仍采用传统的离线方式，即在生产现场人工采样后，送到实验室进行传统的化学分析。这一过程操作复杂且费时，通常需要几个小时才能获得分析结果，因此滞后于生产过程，难以即时发现生产过程的问题，不能满足生产质量实时监控的需求。

可见/近红外光谱分析技术是光谱学、化学计量学和计算机科学等多学科知识的一种现代分析技术。相对于传统的化学分析技术，可见/近红外光谱分析技术能够快速、同时获取待测样品中多种成分的含量；同时无需对样品作任何预处理或作简单处理，可现实在线无损检测。但由于传统装置中的探头与被测样品直接接触，导致测量窗口易受被测样品污染，且在连续工作时光源易漂移，减低了检测精度。

发明内容

为了解决现有检测装置中探头与样品直接接触容易污染、光源长时间工作易漂移的问题，本发明提供一种基于可见/近红外光谱技术的化肥在线多点检测装置及其检测方法，提高了装置检测精度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于可见/近红外光谱技术的化肥在线多点检测装置，包括光谱检测系统、数据处理显示单元、样品传送带，以及沿长度方向布置在样品传送带上方的多个光纤探头，多个光纤探头通过光纤连接单元将采集到的光谱信号输送至光谱检测系统，光谱检测系统将光谱信号进行分光和光电转换后送入数据处理显示单元中进行定量分析。

进一步地，所述光谱检测系统包括可见光谱仪、近红外光谱仪，以及用于电性连接可见光谱仪、近红外光谱仪和光纤探头的控制单元，所述光纤连接单元输送的光谱信号分成两路分别进入可见光谱仪和近红外光谱仪。

进一步地，所述光纤探头包括竖直设置的壳体以及布置在壳体内的光源、准直透镜和漫反射光收集器，其中光源与准直透镜中心同轴并与漫反射光收集器平行间隔布置，所述漫反射光收集器与设置在壳体上端的光纤接口相连，壳体下端设置有检测窗口，所述光源发射的光信号通过准直透镜进入检测窗口，样品漫反射后的光信号通过漫反射光收集器进入光纤接口。

优选地，所述准直透镜和漫反射光收集器与检测窗口之间的光路上布置有标准参考白板，该标准参考白板能够通过微型电机左右移动。

优选地，所述漫反射光收集器内置有微型光学快门和聚焦透镜，该微型光学快门置于聚焦透镜与光纤接口之间的光路上。

优选地，所述化肥在线多点检测装置还包括压缩空气发生器，该压缩空气发生器通过气管与设置在所述光纤探头的壳体下端的喷嘴连通，该喷嘴用于对所述检测窗口进行吹灰。

优选地，所述壳体的外侧或内壁上设置有制冷器，该制冷器用于对光源进行冷却。

优选地，所述检测窗口的下端镜面相对水平方向倾斜设置。

优选地，所述光纤探头通过探头固定支架安装在样品传送带上。

本发明还提供一种化肥在线多点检测方法，包括如下步骤：

S1、开启电源，将所有光纤探头中光源发出的光照射于样品传送带上的样品；

S2、依次选择测量的光纤探头；

S3、将所有光纤探头的微型光学快门处于关闭状态，测量光谱仪的暗噪声；

S4、开启选定的第一个光纤探头的微型光学快门，微型电机控制标准参考白板位于检测窗口正上方，测量第一个光纤探头的参考光谱；

S5、标准参考白板回位，测量第一个光纤探头对应的样品光谱；

S6、重复步骤S3-S5，依次获得样品传送带长度方向上多个光纤探头的光谱数据；

S7、数据处理显示单元处理多个光纤探头的光谱数据，调用定量分析模型计算出每个光纤探头的化肥质量检测结果，化肥质量测量结果取平均后显示。

由以上技术方案可知，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的检测装置可以实现对化肥质量的快速、在线检测，如可对复合肥的氮、磷、钾、水分进行快速检测，可用于化肥生产过程中的化肥质量控制；

2、光纤探头通过自动连续的参考光谱和暗背景的测量，降低了装置受外界环境的干扰，避免在连续工作时光源易漂移，提高了装置对化肥质量的检测精度；

3、采用多探头分布于传送带不同位置检测样品，进一步提高了装置对化肥质量的检测精度。

附图说明

图1为本发明化肥在线多点检测装置的结构原理图；

图2为本发明中光纤探头的结构原理图；

图3为优选实施例中光纤探头的结构示意图；

图4为优选实施例中光纤连接单元的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。

如图1所示，所述化肥在线多点检测装置包括光谱检测系统10、数据处理显示单元20、样品传送带30，以及沿长度方向布置在样品传送带上方的多个光纤探头40，多个光纤探头通过光纤连接单元70将采集到的光谱信号输送至光谱检测系统，光谱检测系统将光谱信号进行分光和光电转换后送入数据处理显示单元中进行定量分析，所述数据处理显示单元用于采集光谱数据的前处理、定量模型的调用、样品检测结果的显示。

本实施例是对化肥质量进行检测，由于化肥在样品传送带上传输时，会存在化肥在传送带前后分布不均的情况，若只是针对其中某一点进行质量检测，将会造成检测误差。因此所述光纤探头40是沿着样品传送带长度方向均匀布置的，分布于样品传送带的不同位置，构成对样品的多点探测，提高检测精度，并通过探头固定支架50安装在样品传送带上，光纤探头固定于探头固定支架正中间，光纤探头与传送带上的检测样品不接触，这是由于光纤探头的光学结构决定，光纤探头的光源与漫反射收集器平行放置，可以使探头与被检测样品之间存在一定的距离，如15cm-60cm，防止污染。

所述光谱检测系统10包括可见光谱仪11、近红外光谱仪12，以及用于电性连接可见光谱仪、近红外光谱仪和光纤探头的控制单元13，所述光纤连接单元输送的光谱信号通过分光器分成两路分别进入可见光谱仪和近红外光谱仪，其中可见光谱仪用于接收350nm-780nm的波段，近红外光谱仪用于接收780nm-2500nm的波段，采用两种不同的光谱仪，可以实现可见/近红外全波段的覆盖。所述光谱检测系统内置有供电单元14，用于提供光谱仪的工作电源。本实施例中，将光谱检测系统安装在一个控制柜内，该控制柜密闭控温，不受外界环境的影响，所述控制柜、数据处理显示单元与样品传送带彼此间隔间一定的距离。

如图2和3所示，所述光纤探头40包括竖直设置的壳体41以及布置在壳体内的光源、准直透镜43和漫反射光收集器80，其中光源采用卤素灯42，其与准直透镜中心同轴并与漫反射光收集器平行间隔布置。所述漫反射光收集器80内置有微型光学快门44和聚焦透镜45，该微型光学快门置于聚焦透镜与光纤接口之间的光路上。所述壳体41的上端与光纤接口46相连，壳体的下端设置有检测窗口47，所述卤素灯发射的光信号通过准直透镜进入检测窗口，样品反射后的光信号依次通过聚焦透镜和微型光学快门进入光纤接口。所述微型光学快门44集成于漫反射收集器中，与聚焦透镜同轴，且靠近光纤接口，可用于切断样品反射的光信号，在微型光学快门处于关闭状态时，可以测量光谱仪的暗噪声，减少环境对检测精度的影响。

为了进一步减少环境对检测精度的影响，所述准直透镜和漫反射光收集器与检测窗口之间的光路上布置有标准参考白板48，用于获取参考光谱，该标准参考白板能够通过微型电机49左右移动，从而能够完成对两个光路的切断。开启选定的光纤探头的微型光学快门后，微型电机控制标准参考白板位于检测窗口正上方，测量参考光谱，用于后期计算分析时剔除环境干扰的因素。光纤探头的工作是自动完成的，无需人工控制。

为了实现更加优化的效果，所述壳体的外侧或内壁上设置有制冷器411，该制冷器用于对光源进行冷却。所述检测窗口47的下端镜面相对水平方向倾斜设置，可以减少反射光进入漫反射光收集器。

所述化肥在线多点检测装置还包括压缩空气发生器60，该压缩空气发生器通过气管与设置在光纤探头的壳体下端的喷嘴412连通，该喷嘴用于对所述检测窗口进行吹灰，保证检测装置可以不受空气中的灰尘污染。所述压缩空气发生器也是内置于控制柜内，并通过供电单元供电和通过控制单元控制。所述控制单元还用于控制微型光学快门和微型电机的动作。

如图4所示，所述光纤连接单元70用于将多个光纤探头的光纤线合并输出，在其光纤输入接口71设置有多个光纤接头72，可根据需要接入多根光纤，最多可接5根光纤。

本发明还提供一种化肥在线多点检测方法，包括如下步骤：

S1、开启电源，将所有光纤探头中光源发出的光照射于样品传送带上的样品；

S2、依次选择测量的光纤探头；

S3、将所有光纤探头的微型光学快门处于关闭状态，测量光谱仪的暗噪声；

S4、开启选定的第一个光纤探头的微型光学快门，微型电机控制标准参考白板位于检测窗口正上方，测量第一个光纤探头的参考光谱；

S5、标准参考白板回位，测量第一个光纤探头对应的样品光谱；

S6、重复步骤S3-S5，依次获得样品传送带长度方向上多个光纤探头的光谱数据；

S7、数据处理显示单元处理多个光纤探头的光谱数据，调用定量分析模型计算出每个光纤探头的化肥质量检测结果，化肥质量测量结果取平均后显示。

具体检测方法如下：

首先开启电源，卤素灯42发出的光照射于样品传送带30上的样品，依次选择测量的光纤探头40；选定光纤探头后，所有光纤探头的微型光学快门44处于关闭状态，测量光谱仪的暗噪声；开启选定的光纤探头的微型光学快门，微型电机49控制标准参考白板48位于检测窗口正上方，测量参考光谱，测量完毕后，微型电机控制标准参考白板回到原位；接着测量样品光谱，测量完毕后关闭微型光学快门；接下来开启下一个光纤探头，重复第一个探头的测量过程，多个光纤探头依次类推。数据处理显示单元20处理多个探头光谱数据，调用定量分析模型计算出每个探头的化肥质量检测结果，然后对多个探头的测量结果取平均，以平均结果作为化肥质量的检测结果，并显示平均结果。压缩空气发生器控制的喷嘴412每间隔一定的时间就对窗口吹气清扫可能存在的灰尘。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于可见/近红外光谱技术的化肥在线多点检测装置，其特征在于，包括光谱检测系统、数据处理显示单元、样品传送带，以及沿长度方向布置在样品传送带上方的多个光纤探头，多个光纤探头通过光纤连接单元将采集到的光谱信号输送至光谱检测系统，光谱检测系统将光谱信号进行分光和光电转换后送入数据处理显示单元中进行定量分析；

所述光纤探头包括竖直设置的壳体以及布置在壳体内的光源、准直透镜和漫反射光收集器，其中光源与准直透镜中心同轴并与漫反射光收集器平行间隔布置，所述漫反射光收集器与设置在壳体上端的光纤接口相连，壳体下端设置有检测窗口，所述光源发射的光信号通过准直透镜进入检测窗口，样品漫反射后的光信号通过漫反射光收集器进入光纤接口，所述检测窗口的下端镜面相对水平方向倾斜设置，能够使光纤探头与被检测样品之间存在15cm-60cm的距离；所述漫反射光收集器内置有微型光学快门和聚焦透镜，该微型光学快门置于聚焦透镜与光纤接口之间的光路上。

2.根据权利要求1所述的化肥在线多点检测装置，其特征在于，所述准直透镜和漫反射光收集器与检测窗口之间的光路上布置有标准参考白板，该标准参考白板能够通过微型电机左右移动。

3.根据权利要求1所述的化肥在线多点检测装置，其特征在于，所述化肥在线多点检测装置还包括压缩空气发生器，该压缩空气发生器通过气管与设置在所述壳体下端的喷嘴连通，该喷嘴用于对所述检测窗口进行吹灰。

4.根据权利要求1所述的化肥在线多点检测装置，其特征在于，所述壳体的外侧或内壁上设置有制冷器，该制冷器用于对光源进行冷却。

5.根据权利要求1所述的化肥在线多点检测装置，其特征在于，所述光谱检测系统包括可见光谱仪、近红外光谱仪，以及用于电性连接可见光谱仪、近红外光谱仪和光纤探头的控制单元，所述光纤连接单元输送的光谱信号分成两路分别进入可见光谱仪和近红外光谱仪。

6.根据权利要求1-5任一项所述的化肥在线多点检测装置，其特征在于，所述光纤探头通过探头固定支架安装在样品传送带上。

7.一种采用权利要求1-6任一项所述化肥在线多点检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、开启电源，将所有光纤探头中光源发出的光照射于样品传送带上的样品；

S2、依次选择测量的光纤探头；

S3、将所有光纤探头的微型光学快门处于关闭状态，测量光谱仪的暗噪声；

S4、开启选定的第一个光纤探头的微型光学快门，微型电机控制标准参考白板位于检测窗口正上方，测量第一个光纤探头的参考光谱；

S5、标准参考白板回位，测量第一个光纤探头对应的样品光谱；

S6、重复步骤S3-S5，依次获得样品传送带长度方向上多个光纤探头的光谱数据；

S7、数据处理显示单元处理多个光纤探头的光谱数据，调用定量分析模型计算出每个光纤探头的化肥质量检测结果，化肥质量测量结果取平均后显示。

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