CN110514620A - 基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光谱检测技术领域，本发明旨在解决现有的光谱检测实时性较低的问题，提出一种基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，包括以下步骤：通过便携式近红外光谱仪分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图，并将光谱信息图实时发送至移动终端；移动终端接收光谱信息图后，对所有光谱信息图对应的光谱信息进行平均值计算得到光谱数据，并将光谱数据发送至后台服务器；后台服务器接收光谱数据，并对光谱数据进行处理和分析，得到分析结果并将其发送至移动终端。操作人员通过移动终端即可查看分析结果，无需将检测样本或者保存有光谱信息图的近红外光谱仪送回实验室，提高了对检测样本光谱检测的实时性。
Description
技术领域
本发明涉及光谱检测技术领域，具体来说涉及一种光谱检测方法及系统。
背景技术
近红外光谱技术是目前世界上发展非常快速的分析技术，它具有无损、快速等优点，其应用十分广泛，在化工、农业、环境、医药等领域发展极为迅速。近年来，越来越多的科学家对近红外光谱仪做了深入研究，研究范围也越来越广。他们将化学计量学软件、光谱仪和应用模型结合起来，极大的拓展了近红外光谱仪的应用领域。近红外光谱仪目前在过程分析技术中发挥着极其重要的作用。
现有的近红外光谱仪在对检测样本进行光谱检测，通常有以下两种方式：一是在近红外光谱仪内部设有光谱数据分析模块，其能够在采集光谱信号后实时给出检测结果，但是这种近红外光谱仪的体积较大，操作人员不便于携带，一般需要将检测样本送至实验室进行光谱检测；二是近红外光谱仪仅对光谱信号进行采集，生成对应的光谱信息图并进行保存，操作人员将保存有光谱信息图的近红外光谱仪带回实验室进行数据分析，这种方式虽然能够减小近红外光谱仪的体积以便于操作人员携带，但无法实现光谱数据的实时分析。
发明内容
本发明旨在解决现有的光谱检测实时性较低的问题，提出一种基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法及系统。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，包括以下步骤：
步骤1.通过便携式近红外光谱仪分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图，并将所述光谱信息图实时发送至移动终端；
步骤2.移动终端接收所述光谱信息图后，对所有光谱信息图对应的光谱信息进行平均值计算得到光谱数据，并将所述光谱数据发送至后台服务器；
步骤3.后台服务器接收所述光谱数据，并对所述光谱数据进行处理和分析，得到分析结果并将其发送至移动终端。
进一步的，为实现至少两个光谱信息图的获取，所述分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图包括：
便携式近红外光谱仪根据预设次数调整向外发射光线的位置，分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图；
所述移动终端接收所述光谱信息图包括：接收便携式近红外光谱仪根据预设次数调整向外发射光线的位置对应的所有光谱信息图。
进一步的，为实现至少两个光谱信息图的获取，所述分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图包括：
便携式近红外光谱仪调整向外发射光线的位置，分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图；
所述移动终端接收所述光谱信息图包括：移动终端接收预设次数对应的光谱信息图。
进一步的，为实现光谱信息图的获取，所述分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图包括：
便携式近红外光谱仪的卤钨灯向外发射光线，光线在测试样品表面产生漫反射后返回便携式近红外光谱仪的光线接收装置，反射光线经光线接收装置改变光路方向，再通过法珀腔进行滤波后入射至便携式近红外光谱仪的光谱图绘制模块，光谱图绘制模块根据光线对应的光谱信息绘制对应的光谱信息图，调整便携式近红外光谱仪的位置，重复上述步骤分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图。
进一步的，为便于维修人员判断光谱信息图的合理性，所述移动终端在接收所述光谱信息图之后还包括：对所述光谱信息图进行实时显示。
进一步的，为消除检测样本中尺寸、颗粒大小、表面散射和光程度变化对光谱数据的影响，所述对光谱数据进行处理包括：通过标准正态变换对所述光谱数据进行校正处理。
进一步的，为提高光谱数据分析的准确性，所述对光谱数据进行分析包括：根据核偏最小二乘法创建光谱数据分析模型，将所述光谱数据输入至所述光谱数据分析模型中，得到光谱数据分析结果。
本发明还提出一种基于便携式近红外光谱仪的光谱检测系统，包括：
便携式近红外光谱仪，用于分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图，并将所述光谱信息图实时发送至移动终端；
移动终端，用于接收所述光谱信息图后，对所有光谱信息图对应的光谱信息进行平均值计算得到光谱数据，并将所述光谱数据发送至后台服务器；
后台服务器，用于接收所述光谱数据，并对所述光谱数据进行处理和分析，得到分析结果并将其发送至移动终端。
进一步的，所述便携式近红外光谱仪包括：
卤钨灯，用于向外发射光线至检测样本；
光线接收装置，用于接收发射光线在测试样品表面产生漫反射后的反射光线，并改变反射光线的光路方向，使反射光线入射至光谱图绘制模块；
法珀腔，用于接收所述改变方向后的反射光线，对其进行滤波后输入至光谱图绘制模块；
光谱图绘制模块，用于接收所述滤波后的反射光线，并根据其对应的光谱信息绘制对应的光谱信息图。
进一步的，所述后台服务器还用于：通过标准正态变换对所述光谱数据进行校正处理；以及
根据核偏最小二乘法创建光谱数据分析模型，将所述光谱数据输入至所述光谱数据分析模型中，得到光谱数据分析结果。
本发明的有益效果是：本发明所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法及系统，在原有的便携式近红外光谱仪的基础上，通过移动终端将便携式近红外光谱仪采集的光谱数据发送至后台服务器，后台服务器进行数据分析后将分析结果发送至移动终端，操作人员通过移动终端即可查看分析结果，无需将检测样本或者保存有光谱信息图的近红外光谱仪送回实验室，提高了对检测样本光谱检测的实时性，此外，对检测样本的不同位置的光谱信息进行多次检测，并对多次检测得到的多个光谱信息图进行平均值计算得到的光谱数据进行分析，提高了光谱检测的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本发明所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，包括以下步骤：步骤1.通过便携式近红外光谱仪分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图，并将所述光谱信息图实时发送至移动终端；步骤2.移动终端接收所述光谱信息图后，对所有光谱信息图对应的光谱信息进行平均值计算得到光谱数据，并将所述光谱数据发送至后台服务器；步骤3.后台服务器接收所述光谱数据，并对所述光谱数据进行处理和分析，得到分析结果并将其发送至移动终端。
具体的，便携式近红外光谱仪与移动终端建立通信连接，便携式近红外光谱仪内置有控制模块，操作人员可以设置便携式近红外光谱仪的检测次数，控制模块控制便携式近红外光谱仪调整光线发射位置，获取检测样本不同位置对应的多个光谱信息图，并将其通过通信模块实时发送至移动终端，移动终端与后台服务器建立有无线通信连接，且安装有相应的APP，移动终端在接收到多个光谱信息图后，对所有光谱信息图对应的光谱信息进行平均值计算后得到检测样本的光谱数据，再将该光谱数据通过与后台服务器的无线通信连接发送至后台服务器，后台服务器接收到检测样本的光谱数据后，对其进行处理和分析后得到该光谱数据的分析结果，最后反馈至移动终端，操作人员根据反馈结果即可知晓该检测样本的光谱检测分析结果。
实施例
本发明实施例所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1.通过便携式近红外光谱仪分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图，并将所述光谱信息图实时发送至移动终端；
具体而言，便携式近红外光谱仪可以与移动终端建立有线数据连接，如通过数据线方式连接便携式近红外光谱仪与移动终端，为了更加方便，也可在便携式近红外光谱仪和移动终端中分别设置无线通信模块，如蓝牙模块，进而实现光谱信息图的发送，利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动终端与便携式红外光谱仪之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效。相较于有线传输，蓝牙通信的安全性和抗干扰能力强，能够良好的保护光谱信息图的传输。
在进行检测样本的光谱信息图获取之前，维修人员需要对便携式近红外光谱仪进行校准，如，在移动终端与便携式近红外光谱仪监理通信连接后，操作人员可以通过移动终端的APP控制便携式近红外光谱仪自身进行校准，自身校准完成后再进行光谱信号的采集。在便携式近红外光谱仪完成自身校准后还可以通过同一型号的多台便携式近红外光谱仪对同一标准片进行检测，标准片可以是聚苯乙烯，聚苯乙烯标准片不仅成本低，同时测量误差小，精度高，完全满足制作标准片的特征，若检测出来结果均为相同，则说明各便携式近红外光谱仪之间不存在误差，若检测结果有较大差异，则需要对便携式近红外光谱仪进行重新优化处理。
其中，便携式红外光谱仪获取光谱信息图的具体方式如下：便携式近红外光谱仪的卤钨灯向外发射光线，光线在测试样品表面产生漫反射后返回便携式近红外光谱仪的光线接收装置，光线接收装置采用两片非球面透镜改变光路方向，反射光线经光线接收装置改变光路方向，再通过法珀腔进行滤波后入射至便携式近红外光谱仪的光谱图绘制模块，光谱图绘制模块对光线对应的光谱信息进行读取、整合及数据处理，绘制对应的光谱信息图，检测样本的某一位置按上述方法获取光谱信息图后，调整便携式近红外光谱仪发射光线的位置，通过上述方法获取检测样本不同位置对应的多个光谱信息图。
具体的，在获取检测样本的不同位置对应的多个光谱信息图后，对所有光谱信息图对应的光谱信息进行平均值计算，可通过以下两种方式：(1)在便携式近红外光谱仪端，设置便携式近红外光谱仪的调整位置的次数，例如，6次，那么，便携式近红外光谱仪会调整6次位置，并且在每次调整前，均会绘制该位置对应的光谱信息图，每绘制完一个光谱信息图，都会实时发送至移动终端，便携式近红外光谱仪总计绘制6个光谱信息图，移动终端获取到所有光谱信息图后，对所有光谱信息图对应的光谱信息进行平均值计算；(2)在便携式近红外光谱仪端，便携式近红外光谱仪始终调整位置，并且在每次调整前，均会绘制该位置对应的光谱信息图，每绘制完一个光谱信息图，都会实时发送至移动终端，在移动终端，设置接收光谱信息图的数量，如6个，那么，移动终端在接收到6个光谱信息图后，对所有光谱信息图对应的光谱信息进行平均值计算。此外，操作人员也可手动控制移动终端进行平均值计算的操作。
在本实施例中，便携式近红外光谱仪采集到光谱信息后，将初始光谱信号传送至运放，经过运放放大传送至ADC，经ADC模数转换后，传送至ARM芯片进行处理，光谱信息图数据暂存在ARM的内置FLASH里面，ARM芯片通过蓝牙模块传送暂存的光谱信息图数据至移动终端。
步骤S2.移动终端接收所述光谱信息图后，对所有光谱信息图对应的光谱信息进行平均值计算得到光谱数据，并将所述光谱数据发送至后台服务器；
具体而言，便携式近红外光谱仪获取一次光谱信息图后，均会实时发送至移动终端，操作人员通过移动终端可实时查看获取的检测样本的光谱信息图，可检测光谱信息图对应数据的合理性，如若出现偏差较大的光谱数据，选中该数据之后，可长按移送终端屏幕，进行删除操作，删除后对该次光谱信息图进行重新测量，在获取所有光谱信息图后，若均在合理范围内，点击上传数据按钮，移动终端对多次测量的光谱信息图对应的光谱信息进行平均值计算生成一条平均值光谱数据，之后移动终端将该平均值光谱数据发送至后台服务器。通过多次测量取平均值能有效消除测量误差。
步骤S3.后台服务器接收所述光谱数据，并对所述光谱数据进行处理和分析，得到分析结果并将其发送至移动终端。
具体而言，后台服务器在收到移动终端发送的光谱数据后，对光谱数据进行处理和分析，其中，对光谱数据进行处理具体可以是：通过标准正态变换对所述光谱数据进行校正处理，通过标准正态变换进行校正后，有效消除测量样本中尺寸、颗粒大小、表面散射和光程度变化对测量光谱的影响。对光谱数据进行分析具体可以是：根据核偏最小二乘法创建光谱数据分析模型，即将核函数引入到PLS中，将回归方式由线性拓展至非线性。最后将所述光谱数据输入至所述光谱数据分析模型中，得到光谱数据分析结果。该方法不仅克服了传统PLS方法只可处理样本数据线性关系的局限性，又充分利用样本空间分布信息，建立反应变量和解释变量的模型关系，有效地改善了模型的拟合效果以及预测精度，同时相较于PLS法，建模速度也有着明显的提升。
后台服务器得到分析结果后可以直接将分析结果发送至移动终端，也可以将分析结果与标定值进行比较，得到检测样本的检测结论，即检测样本是否合格，再将检测结论发送至移动终端，以便操作人员对检测样本进行合格性判定。
基于上述技术方案，本发明实施例还提出一种基于便携式近红外光谱仪的光谱检测系统，包括：
便携式近红外光谱仪，用于分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图，并将所述光谱信息图实时发送至移动终端；
移动终端，用于接收所述光谱信息图后，对所有光谱信息图对应的光谱信息进行平均值计算得到光谱数据，并将所述光谱数据发送至后台服务器；
后台服务器，用于接收所述光谱数据，并对所述光谱数据进行处理和分析，得到分析结果并将其发送至移动终端。
可选的，所述便携式近红外光谱仪包括：
卤钨灯，用于向外发射光线至检测样本；
光线接收装置，用于接收发射光线在测试样品表面产生漫反射后的反射光线，并改变反射光线的光路方向，使反射光线入射至光谱图绘制模块；
法珀腔，用于接收所述改变方向后的反射光线，对其进行滤波后输入至光谱图绘制模块；
光谱图绘制模块，用于接收所述滤波后的反射光线，并根据其对应的光谱信息绘制对应的光谱信息图。
可选的，所述后台服务器还用于：通过标准正态变换对所述光谱数据进行校正处理；以及
根据核偏最小二乘法创建光谱数据分析模型，将所述光谱数据输入至所述光谱数据分析模型中，得到光谱数据分析结果。
可以理解，由于本发明所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测系统是用于实现所述基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法的系统，对于公开的系统而言，由于其与公开的方法相对应，所以描述的较为简单，相关之处参见方法的部分说明即可。由于上述基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法能够提高光谱检测的实时性，因此，实现上述基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法的系统同样能够提高光谱检测的实时性。
Claims (10)
1.基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.通过便携式近红外光谱仪分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图，并将所述光谱信息图实时发送至移动终端；
步骤2.移动终端接收所述光谱信息图后，对所有光谱信息图对应的光谱信息进行平均值计算得到光谱数据，并将所述光谱数据发送至后台服务器；
步骤3.后台服务器接收所述光谱数据，并对所述光谱数据进行处理和分析，得到分析结果并将其发送至移动终端。
2.如权利要求1所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，所述分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图包括：
便携式近红外光谱仪根据预设次数调整向外发射光线的位置，分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图；
所述移动终端接收所述光谱信息图包括：接收便携式近红外光谱仪根据预设次数调整向外发射光线的位置对应的所有光谱信息图。
3.如权利要求1所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，所述分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图包括：
便携式近红外光谱仪调整向外发射光线的位置，分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图；
所述移动终端接收所述光谱信息图包括：移动终端接收预设次数对应的光谱信息图。
4.如权利要求1所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，所述分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图包括：
便携式近红外光谱仪的卤钨灯向外发射光线，光线在测试样品表面产生漫反射后返回便携式近红外光谱仪的光线接收装置，反射光线经光线接收装置改变光路方向，再通过法珀腔进行滤波后入射至便携式近红外光谱仪的光谱图绘制模块，光谱图绘制模块根据光线对应的光谱信息绘制对应的光谱信息图，调整便携式近红外光谱仪的位置，重复上述步骤分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图。
5.如权利要求1所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，所述移动终端在接收所述光谱信息图之后还包括：对所述光谱信息图进行实时显示。
6.如权利要求1所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，所述对光谱数据进行处理包括：通过标准正态变换对所述光谱数据进行校正处理。
7.如权利要求1所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测方法，其特征在于，所述对光谱数据进行分析包括：根据核偏最小二乘法创建光谱数据分析模型，将所述光谱数据输入至所述光谱数据分析模型中，得到光谱数据分析结果。
8.基于便携式近红外光谱仪的光谱检测系统，其特征在于，包括：
便携式近红外光谱仪，用于分别获取测试样品不同位置对应的至少两个光谱信息图，并将所述光谱信息图实时发送至移动终端；
移动终端，用于接收所述光谱信息图后，对所有光谱信息图对应的光谱信息进行平均值计算得到光谱数据，并将所述光谱数据发送至后台服务器；
后台服务器，用于接收所述光谱数据，并对所述光谱数据进行处理和分析，得到分析结果并将其发送至移动终端。
9.如权利要求8所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测系统，其特征在于，所述便携式近红外光谱仪包括：
卤钨灯，用于向外发射光线至检测样本；
光线接收装置，用于接收发射光线在测试样品表面产生漫反射后的反射光线，并改变反射光线的光路方向，使反射光线入射至光谱图绘制模块；
法珀腔，用于接收所述改变方向后的反射光线，对其进行滤波后输入至光谱图绘制模块；
光谱图绘制模块，用于接收所述滤波后的反射光线，并根据其对应的光谱信息绘制对应的光谱信息图。
10.如权利要求8所述的基于便携式近红外光谱仪的光谱检测系统，其特征在于，所述后台服务器还用于：通过标准正态变换对所述光谱数据进行校正处理；以及
根据核偏最小二乘法创建光谱数据分析模型，将所述光谱数据输入至所述光谱数据分析模型中，得到光谱数据分析结果。
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