CN108844908B - 一种多维光谱检测装置与分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维光谱检测装置与分析方法，该检测装置包括异形样品池、样品池可调支架、扫描平台、光源和检测器，所述异形样品池是一个底面为直角三角形的直三棱柱样品池，所述样品池可调支架可调节异形样品池的倾斜角度，所述扫描平台可以带动异形样品池移动，所述光源的入射位置和检测器的位置均是可移动的。同时，本发明还公开了一种多维光谱检测装置与分析方法，该分析方法通过对所述光源的入射位置和检测器位置的平移以及对所述样品池支架角度的调节来形成光路的变化，利用扫描平台带动异形样品池移动使检测器逐一获取每一位置的光谱曲线，实现二维非线性的光谱信息的采集。本发明可提高浑浊溶液被测组分光谱检测分析的精度。

Description

一种多维光谱检测装置与分析方法

技术领域

本发明涉及一种光谱分析系统，尤其是涉及用于浑浊溶液成分分析的一种多维光谱检测装置与分析方法。

背景技术

光谱分析是研究物质结构的重要手段之一，主要包括红外光谱、拉曼光谱、荧光光谱、紫外可见吸收光谱、近红外光谱，以及各种动态光谱与其它手段的相互结合。其中，近红外光谱以其速度快、不破坏样品、操作简单、稳定性好、效率高等特点，已广泛应用于各个领域。随着光学、计算机数据处理技术、化学光度理论和方法等各种科学技术的不断发展，光谱分析法已应用在制药、烟草、食品、聚合物、纺织品、油漆涂料、煤炭和石油工业等领域，检测成分的种类越来越多，测量精度也越来越高。

利用异形样品池可同时采集得到散射物质的透射光谱及散射光谱，用多维光谱检测方法引入散射产生的非线性采集得到被测物质的二维光谱信息。与传统测量中圆周对称的弥散斑相比，高光谱图像中增加了两个维度的信息，通过对非圆周光斑的空间信息和谱线信息进行融合，得到了可提高浑浊介质的光学参数及化学成分检测精度的新方法。

常规的光谱分析中，主要存在以下四个方面的问题：

1、应用光谱方法检测微量成分时，光程长的选择非常重要。根据不同成分分析的需要，往往要采用不同的光程长。为实现对样品不同光程长光谱的检测，传统上光谱仪需要配备多种光程长样品池。

2、在使用现有的方形、圆形样品池进行光谱测量时，由于样品的量有限，使用的样品池不能视为理想的无限半径，样品池侧壁对测量造成的影响也不易估计。

3、在现有的光谱测量中，常采用的方法是利用光纤点对点的采集光谱信息，并且光源的入射点和出射光的接收点是固定不变的，只能采集固定光程和固定位置光谱信息，不能得到随位置与光程改变而变化的光谱分布。

4、在现有的光谱测量中，大都通过光谱仪采集得到的光谱曲线来获取有限的光谱信息，对非圆周光斑的空间信息和谱线信息不能有效融合从而增加了浑浊散射介质成分分析的误差。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种能充分利用物质的散射特性及多维多光程光谱技术的一种多维光谱检测装置与分析方法，无需配备多个不同光程长样品池，也不需要接收探头接触被检测物质，同时避免了通用方形、圆形样品池侧壁对测量造成的影响，并且可以减少一半的样品量。利用异形样品池可同时采集得到散射物质的透射光谱及散射光谱，用多维光谱检测方法引入散射产生的非线性采集得到被测物质的二维光谱信息。与传统测量中圆周对称的弥散斑相比，高光谱图像中增加了两个维度的信息，通过对非圆周光斑的空间信息和谱线信息进行融合，得到了可提高浑浊介质的光学参数及化学成分检测精度的新方法。

为了解决上述技术问题，本发明一种多维光谱检测装置与分析方法：所述异形样品池是一个底面为直角三角形的直三棱柱样品池，所述样品池可调支架可调节异形样品池的倾斜角度，所述扫描平台可以带动异形样品池移动使检测器不断采集光谱来获得二维光谱信息，所述光源的入射位置和检测器的位置均是可移动的，由所述异形样品池、光源和检测器形成的光路以及检测器检测到的光斑大小、形状及位置均是可变化的。

本发明一种多维光谱检测装置与分析方法，其中，所述样品池是一个底面为直角三角形的直三棱柱样品池，所述样品池中底面三角形中斜边所在侧面开放；所述样品池中底面三角形中直角边所在的两侧面中：一面为透射光学平面，另一面及两底面为非光学平面；所述样品池的材料是石英、玻璃、树脂或者塑料。所述出射光检测器为超光谱仪或超光谱成像装置；所述超光谱仪或超光谱成像装置响应的波段包括紫外、可见、红外中一种或几种波段的组合，通过CCD直接采集出射光斑。

本发明一种多维光谱检测装置与分析方法，发明还公开了一种可调异形样品池的浑浊介质光谱分析方法，通过对所述光源的入射位置和检测器的位置的平移以及对所述样品池支架角度的调节，使光源、检测器与所述样品池相对位置的改变形成光路的变化导致出射面光斑位置、形状及大小的变化，利用扫描平台带动异形样品池移动使检测器逐一获取每一位置的光谱曲线，实现二维非线性的光谱信息的采集。

本发明一种多维光谱检测装置与分析方法，其中，所述光源直接照射样品池。所述光源经光纤导入或者经狭缝或小孔导入样品池。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种多维光谱检测装置与分析方法中一种可调异形样品池的优势在于：不需要配备多个不同光程长样品池，也不需要接收探头接触被检测物质，同时避免了通用方形、圆形样品池侧壁对测量造成的影响，并且可以减少一半的样品量。

本发明一种多维光谱检测装置与分析方法中异形样品池的倾斜角度光源入射位置和出射光接收位置均是可调的。利用该异形样品池和光源与检测器相对位置及角度的改变等导致光路的变化，利用扫描平台带动异形样品池移动使检测器采集得到不同位置不同光程的二维非线性光谱信息，可使提高被测物质成分含量光谱分析的精度。

附图说明

图1是本发明一种多维光谱检测装置与分析方法；图中：1是异形样品池，2是样品池可调支架，3是合页，4是扫描平台，5是光源，6是光纤(或检测器)，7是检测器

图2是异形样品池示意图；

图3是利用本发明一种多维光谱检测装置与分析方法检测Intralipid-20％溶液得到的非圆周对称光斑；

图4是采集到不同散射系数的Intralipid-20％溶液的光谱信息。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

本发明一种多维光谱检测装置与分析方法，如图1所示，包括一个底面为直角三角形的直三棱柱样品池1，样品池可调支架2，扫描平台4、光源5和检测器7。该异形样品池1可通过调节样品池可调支架2中的合页3来调节倾斜角度，该光源5的入射位置以及检测器7的位置是均是可移的，光源的入射位置和出射光的位置能分别进行平行于光学平面方向和竖直方向的移动，出射光斑由检测器接收，该检测器是超光谱仪或超光谱成像设备。利用样品池1的倾斜角度及和光源5与出射光检测器7相对位置的改变以及带来的光路变化，用扫描平台4带动异形样品池1移动使检测器7采集得到不同位置不同光程的二维非线性光谱信息，可使提高被测物质成分含量光谱分析的精度。

由于若使用现有技术中通用的方形横截面样品池，只在中心部位对样品进行单一光程长光谱的测量。因此本发明中，如图2所示，采用一个底面为直角三角形的直三棱柱异形样品池1，只需采集一个侧面的光谱分布即可得到被测量物质的分布式、不同光程光谱。

本发明中的一个底面为直角三角形的直三棱柱异形样品池1示意图如图2所示，所述样品池中底面三角形中斜边所在侧面开放；所述样品池中底面三角形中直角边所在的两侧面中：一面为透射光学平面，另一面及两底面为非光学平面。异形样品池的材料根据不同测量的需要，可以是石英、玻璃、树脂或者塑料等透光材料。

本发明中，一种多维光谱检测装置与分析方法的优势在于：不需要传统上需要配备多个不同光程长样品池，也不需要接收探头接触被检测物质，同时避免了现有技术中通用的方形或圆形样品池侧壁对测量造成的影响，并且可以减少一半的样品量。

本发明一种多维光谱检测装置与分析方法是，对光源的入射位置和出射光接收装置的位置分别进行平行于光学平面方向2(如图2所示)方向和竖直方向的移动，通过对光源5的入射位置和检测器7的位置的平移以及对样品池可调支架角度2的调节来异形样品池1的倾斜角度，使光源5、检测器7与异形样品池1相对位置的改变形成光路的变化导致出射面光斑位置、形状及大小的变化，从而实现散射物质的分布式光谱的检测。利用扫描平台带动异形样品池移动使检测器逐一获取每一位置的光谱曲线，实现二维多光程非线性的光谱信息的采集。本发明可提高浑浊溶液被测组分光谱检测分析的精度。

所用光源可直接照射样品池，或者经光纤导入，或者经狭缝或小孔导入样品池。出射光检测器为光谱仪或光谱成像装置，响应的波段包括紫外、可见、红外中一种或几种波段的组合，直接接收或经光纤传导。

实施方案1：

如图1所示，该异形样品池1横截面为直角三角形，三个侧面中，光源5由可移动的光纤6导入从已加入被测散射物质的异形样品池1的透射侧面(如图2中2所示)入射，一面开放(如图1中1所示)，剩余一个侧面为非光学平面，出射光由检测器传至超光谱仪接收。测量过程中，入射光从起始位置至终止位置依次直线移动，每移动到一个设定的入射位置后停止移动，然后直线移动出射光纤探头自起始位置至终止位置进行扫描，得到此入射光位置的出射光谱的分布，然后入射光位置移动到下一个设定入射位置后停止移动，再次直线移动出射光纤探头自起始位置至终止位置进行扫描，得到此入射光位置的出射光谱的分布，如此循环，直至完成入射光终止位置的出射光谱分布测量。

实施方案2：

如图1所示，该异形样品池1横截面为直角三角形，三个侧面中，光源5由可移动的光纤6导入入射到已加入被测散射物质的异形样品池1的透射侧面中心(如图2中2所示)，一面开放(如图2中1所示)，剩余一个侧面为非光学平面，出射光由检测器7传至超光谱仪接收。测量过程中，调节样品池可调支架2来获取异形样品池1的最佳倾斜角度，调节光源5 入射光及检测器7位置并选定最佳位置使出射光斑分布在检测器可获取范围中央为最好效果。利用超光谱仪采集出射光斑，调节扫描平台4使异形样品池1从检测器7可检测到的视野范围最远处移动直至探测器检测不到出射光斑，由此可采集到被测物质二维多光程非线性光谱信息如图3所示，采集到不同散射系数的Intralipid-20％溶液的光谱信息如图4所示，其中图4a中Intralipid-20％溶液的散射系数小于图4b中Intralipid-20％溶液的散射系数。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种多维光谱检测装置，该检测装置包括异形样品池、异形样品池可调支架、扫描平台、光源和检测器，其特征在于：所述异形样品池是一个底面为直角三角形的直三棱柱样品池，所述异形样品池中底面三角形中斜边所在侧面开放；所述异形样品池中底面三角形中直角边所在的两侧面中：一面为透射光学平面，另一面及两底面为非光学平面；所述异形样品池可调支架可通过调节合页张口大小来调节异形样品池的倾斜角度，所述扫描平台可以带动异形样品池移动使检测器不断采集光谱来获得二维光谱信息，所述光源的入射位置和检测器的位置均是可移动的，由所述异形样品池、光源和检测器形成的光路以及检测器检测到的光斑大小、形状及位置均是可变化的，通过对所述光源的入射位置和检测器的位置的平移以及对所述异形样品池支架角度的调节，使光源、检测器与所述异形样品池相对位置的改变形成光路的变化导致出射光斑位置、形状及大小的变化，利用扫描平台带动异形样品池移动使检测器逐一获取每一位置的光谱信息，实现对二维非线性的光谱信息的采集。

2.根据权利要求1所述的一种多维光谱检测装置，其特征在于：所述异形样品池的材料是石英、玻璃、树脂或者塑料。

3.根据权利要求1所述的一种多维光谱检测装置，其特征在于：出射光检测器为超光谱仪或超光谱成像装置；所述超光谱仪或超光谱成像装置响应的波段包括紫外、可见、红外中一种或几种波段的组合，通过CCD直接采集出射光斑。

4.根据权利要求1所述的一种多维光谱检测装置，其特征在于：所述光源可直接或通过光纤照射样品池。

5.根据权利要求1所述的一种多维光谱检测装置，其特征在于：所述检测器可直接采集某一位置样品池的光谱信息或不断采集扫描平台带动样品池移动一段距离的二维光谱信息。