CN108982389B - 一种可见和近红外光谱的背景和参考自动校正系统及校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种可见和近红外光谱的背景和参考自动校正系统，包括光源单元、信号收集机构、背景校正模块、参考光谱校正模块。样品位于光源单元正下方，背景校正模块位于标准参考光谱校正模块的正上方，背景和标准参考校正都是通过电磁铁的通电产生磁力带动对应校正单元移动来实现。本发明提供一种可见和近红外光谱的背景和参考自动校正系统，实现可见光和近红外漫反射光谱的自动校正；该发明可采用全封闭结构，消除了外界环境对探头的影响。
Description
技术领域
本发明涉及可见光和近红外漫反射光谱自动校正技术领域，具体来说是一种可见和近红外光谱的背景和参考自动校正系统及校正方法。
背景技术
光学特性分析法中的近红外光谱和拉曼光谱技术能对样品进行无损分析，具有测试样品非接触性、非破坏性、检测灵敏度高、时间短、样品所需量小及样品无需制备等特点。近红外光(NIR)是指波长在780～2526nm(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，近红外光谱吸收是分子振动能级跃迁产生的(伴随转动能级的跃迁)，而分子振动能级跃迁包括基频跃迁，倍频跃迁以及合频跃迁。光源发出的近红外光照射到由分子组成的物质上，若分子吸收近红外光的能量发生振动状态变化或振动状态在不同能级间的跃迁等于近红外光谱区某波长处光子的能量，则会产生近红外光谱吸收。在近红外光谱范围内，测量的主要是分子中含氢官能团X－H(X＝C、N、O、S等)振动的倍频及合频吸收。该技术具有方便、快速、高效、准确、成本较低、不破坏样品、不消耗化学试剂、不污染环境等优点，与常规检测方法相比，更适用于在线检测。
采用近红外漫反射光谱技术时，由于光谱仪生产受到材料和加工工艺的影响，以及受到近红外光源的波动，需要对采集的光谱进行校正，光谱测量的反射率为：
转化为吸光度为：
所以在测量过程中要采集参考光谱和背景光谱对测量的反射率和吸光度进行校正，而在实际的测量过程中，特别是采集近红外漫反射光谱技术时，因无法进行有效的光谱校正，导致测量精度不高，有些还需要人为在现场每隔一段时间进行手动校正，造成了时间和金钱的浪费，而且无法真正实现在线检测。
发明内容
本发明需要解决的技术问题在于提供一种可见和近红外光谱的背景和参考自动校正系统，能够有效地校正光源能量、基线漂移等因素的影响；避免外界影响因素对测量信号的影响。提高了测量精度，拓宽了可见光和近红外漫反射光谱技术在线检测领域的应用范围。适用于对固体粉末、颗粒物、液体等在线和离线的近红外漫反射测量。
本发明是通过以下技术方案来实现上述技术目的：
一种可见和近红外光谱的背景和参考自动校正系统，包括背景校正模块、参考光谱校正模块、光源单元；所述光源单元处于背景校正模块的上方，所述背景校正模块处于参考光谱校正模块的正上方，样品处于参考光谱校正模块的下方且处于光源单元的正下方；
所述背景校正模块包括背景校正单元、第一导向轨道、第一驱动机构；所述背景校正单元固定在第一导向轨道上，并由第一驱动机构驱动其沿第一导向轨道往复移动，并能移动到光源单元的正下方；
所述参考光谱结构包括参考校正单元、第二导向轨道、第二驱动机构；所述参考校正单元固定在第二导向轨道上，并由第二驱动机构驱动其沿第二导向轨道往复移动，并能移动到光源单元的正下方。
作为上述技术方案的优选方案，所述第一驱动机构包括分别固定在第一导向轨道两端的第一弹性件和第一电磁铁；所述第一弹性件一端固定在第一导向轨道的端部，另一端与背景校正单元固定；当背景校正单元被第一电磁铁吸至光源单元正下方时，第一弹性件受拉。
作为上述技术方案的优选方案，所述第二驱动机构包括分别固定在第二导向轨道两端的第二弹性件和第二电磁铁；所述第二弹性件一端固定在第二导向轨道的端部，另一端与参考校正单元固定；当参考校正单元被第二电磁铁吸至光源单元正下方时，第二弹性件受拉。
作为上述技术方案的优选方案，所述光源单元包括光源和第一透镜；所述第一透镜处于光源正下方，光源发射可见和近红外光经第一透镜准直后依次经过背景校正模块、参考光谱校正模块的校正后，产生的信号由信号收集机构收集。
本发明还提供一种可见和近红外光谱的背景和参考自动校正方法，应用于上述的校正系统，包括以下步骤：
步骤1.光源发射可见和近红外光经过第一透镜准直后，进入校正过程；
步骤2.当进行暗背景校正时，第一电磁铁通电具有磁性，将背景校正单元吸过来，光源发出的光被阻挡，无法进入信号收集机构，完成背景校正；然后停止供电，第一电磁铁消磁，第一弹性件会拉动背景校正单元沿第一导向轨道返回至初始位置；
当进行参考校正时，第二电磁铁通电具有磁性，将参考校正单元吸过来，光源发出的光照射参考校正单元上方的标准参考物质，此时信号收集机构采集参考光谱，完成参考校正；然后停止供电，第二电磁铁消磁，第二弹性件会拉动参考校正单元沿第二导向轨道返至初始位置；
步骤3.当完成了一次背景和参考的校正后，光源发射可见和经红外光经第一透镜准直后垂直照射样品，产生对应的可见和近红外光谱，光谱经信号收集机构中的第二透镜耦合至光纤然后传输至光谱仪进行分光和探测，最后根据光谱对样本进行定性和定量分析研究。
本发明的与现有技术相比，具有以下有益效果：
针对可见光和近红外漫反射光谱自动校正的研究，本发明提供一种可见和近红外光谱的背景和参考自动校正系统，实现可见光和近红外漫反射光谱的自动校正，为应用可见光和近红外漫反射光谱技术提供了一种必要手段；该发明也可采用全封闭机构，消除了外界环境对探头的影响。
通过电磁铁和弹性件的配合，实现对校正模块的移动，实现过程简单，操作便捷。
附图说明
图1为本发明一种可见和近红外光谱的背景和参考自动校正系统原理图；
图2为本发明一种可见和近红外光谱的背景自动校正系统原理图；
图3为本发明一种可见和近红外光谱的参考自动校正系统原理图；
图4为自动校正探头采集的背景光谱；
图5为自动校正探头采集的参考光谱；
图6为自动校正探头采集尿素的近红外光谱。
具体实施方式
为使对本发明的机构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
如图1、图2和图3所示，整个系统包括光源单元、信号收集机构和校正系统。光源单元包括光源5、第一透镜6和电源线4。信号收集机构与光源单元中心轴呈一定角度。信号收集机构包括第二透镜3、光纤接头2和光纤1。光源单元和信号收集机构都固定于上固定板13。光源5发射可见和近红外光经光学第一透镜6进行准直，可见和近红外光垂直照射在校正系统上。样品处于校正系统的下方并处于光源5的正下方。
校正系统分为背景校正模块和参考光谱校正模块，背景校正模块处于参考光谱校正模块的正上方。背景校正模块包括背景校正单元7、第一弹性件9-1、第一导向轨道11-1和第一电磁铁10-1组成；标准参考校正系统由参考校正单元8、第二弹性件9-2、第二导向轨道11-2和第二电磁铁10-2组成。第一导向轨道11-1、第二导向轨道11-2分别固定于左侧固定板14和右侧固定板15，第一弹性件9-1,第二弹性件9-2均固定于左固定板14。光学窗片12位于光源及校正系统正下方，光源5通过光学窗片12照射样品产生光谱。光学窗片12固定于下固定板16。第一弹性件9-1,第二弹性件9-2均为弹簧。
具体校正方法为：
当进行暗背景校正时，固定于右侧固定板15的第一电磁铁10-1通电具有磁性，将背景校正单元7吸过来与第一电磁铁10-1抵接后，正好处于光源5的正下方，光源5发出的光被阻挡，无法进入信号收集机构，完成背景校正，停止供电，第一电磁铁10-1消磁，第一弹性件9-1会拉动背景校正单元7沿第一导向轨道11-1返回至初始位置。
当进行参考校正时，固定于右侧固定板15的第二电磁铁10-2通电具有磁性，将参考校正单元8吸过来与第二电磁铁10-2抵接后，正好处于光源5的正下方，光源5发出的光照射参考校正单元8上方的标准参考物质，此时采集参考光谱，完成参考校正，停止供电，第二电磁铁10-2消磁，第二弹性件9-2会拉动参考校正单元8沿第二导向轨道11-2返至初始位置。
当完成了一次背景和参考的校正后，光源5发射可见和经红外光经光学第一透镜6准直后垂直照射样品，产生对应的可见和近红外光谱，光谱经信号收集第二透镜3耦合至光纤1然后传输至光谱仪进行分光和探测，最后根据光谱对样本进行定性和定量分析研究。
本实施例中给出的背景校正单元7、参考校正单元8均采用可被电磁铁吸附的材质制得。
以下为采用自动校正探头探测尿素的近红外光谱检测。
本实施例的检测过程为：采用波长为900-2500nm的便携式光谱仪为采集单元，采用能量为12W的卤钨灯作为近红外光源5，然后经直径为25mm焦距为32mmm的聚焦透镜13对光源进行准直，准直后的光斑大小为25mm，光源垂直照射校正系统；当进行暗背景校正时，固定于右侧固定板15的第一电磁铁10-1通电具有磁性，将背景校正单元7吸过来，光源5发出的光被阻挡，无法进入进行信号收集机构，完成背景校正，采集背景光谱如图4所示，电源断电，第一电磁铁10-1消磁，直径3mm的第一弹性件9-1会拉动背景校正单元7沿第一导向轨道11-1返回至初始位置。
当进行参考校正时，固定于右侧固定板15的第二电磁铁10-2通电具有磁性，将参考校正单元8吸过来，光源5发出的光照射参考校正单元8上方的标准参考白板，标准参考白板的反射率都在98％以上，产生参考光谱，参考光谱通过直径为20焦距为35的聚焦第二透镜3经光纤头2耦合至光纤1，采集参考光谱如图5所示，完成参考校正，电源断电，第二电磁铁10-2消磁，直径3mm的弹簧9-2会拉动参考校正单元8沿第二导向轨道11-2返回至初始位置。
完成背景光谱和参考光谱的自动校正，近红外光可以通过透光窗片12照射样品，样品实际测量位置与校正系统白板位置相差30mm，采集样品实际测量位置处的参考光谱和背景光谱，然后根据两个位置的参考光谱和背景光谱求出对应的矩阵系数，后续的测量过程使用该矩阵系数来校正采集的光谱；样品产生近红外光谱通过收集第二透镜3耦合至光纤1并传送至近红外光谱仪进行分光和光电转换，最终通过终端分析软件进行分析。采集的尿素的近红外光谱如图6所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (2)
1.一种可见和近红外光谱的背景和参考自动校正系统，其特征在于：包括背景校正模块、参考光谱校正模块、光源单元；所述光源单元处于背景校正模块的上方，所述背景校正模块处于参考光谱校正模块的正上方，样品处于参考光谱校正模块的下方且处于光源单元的正下方；
所述背景校正模块包括背景校正单元、第一导向轨道、第一驱动机构；所述背景校正单元固定在第一导向轨道上，并由第一驱动机构驱动其沿第一导向轨道往复移动，并能移动到光源单元的正下方；
所述参考光谱校正模块包括参考校正单元、第二导向轨道、第二驱动机构；所述参考校正单元固定在第二导向轨道上，并由第二驱动机构驱动其沿第二导向轨道往复移动，并能移动到光源单元的正下方；
所述第一驱动机构包括分别固定在第一导向轨道两端的第一弹性件和第一电磁铁；所述第一弹性件一端固定在第一导向轨道的端部，另一端与背景校正单元固定；当背景校正单元被第一电磁铁吸至光源单元正下方时，第一弹性件受拉；
所述第二驱动机构包括分别固定在第二导向轨道两端的第二弹性件和第二电磁铁；所述第二弹性件一端固定在第二导向轨道的端部，另一端与参考校正单元固定；当参考校正单元被第二电磁铁吸至光源单元正下方时，第二弹性件受拉；
所述光源单元包括光源和第一透镜；所述第一透镜处于光源正下方，光源发射可见和近红外光经第一透镜准直后依次经过背景校正模块、参考光谱校正模块的校正后，产生的信号由信号收集机构收集。
2.一种可见和近红外光谱的背景和参考自动校正方法，应用于上述权利要求1所述的校正系统，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1.光源发射可见和近红外光经过第一透镜准直后，进入校正过程；
步骤2.当进行暗背景校正时，第一电磁铁通电具有磁性，将背景校正单元吸过来，光源发出的光被阻挡，无法进入信号收集机构，完成背景校正；然后停止供电，第一电磁铁消磁，第一弹性件会拉动背景校正单元沿第一导向轨道返回至初始位置；
当进行参考校正时，第二电磁铁通电具有磁性，将参考校正单元吸过来，光源发出的光照射参考校正单元上方的标准参考物质，此时信号收集机构采集参考光谱，完成参考校正；然后停止供电，第二电磁铁消磁，第二弹性件会拉动参考校正单元沿第二导向轨道返至初始位置；
步骤3.当完成了一次背景和参考的校正后，光源发射可见和近红外光经第一透镜准直后垂直照射样品，产生对应的可见和近红外光谱，光谱经信号收集机构中的第二透镜耦合至光纤然后传输至光谱仪进行分光和探测，最后根据光谱对样本进行定性和定量分析研究。
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| CN108982389A (zh) | 2018-12-11 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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