CN111896496A - 一种采用近红外全息检测三七切片水分含量的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种采用近红外全息检测三七切片水分含量的装置，近红外全息应用领域。所述装置包括：设计红外全息检测光路，对三七切片拍摄反射式红外全息图，选择红外易被水分吸收的中心波长为1.94μm的红外激光器、不会被水分吸收的中心波长为1.8μm的红外激光器作为检测光源，中心波长为632.8nm的He‑Ne激光器作为引导检测光源；使用MATLAB编程对拍摄的红外全息图再现出原图像，用两种不同波长拍摄的红外全息图再现象相减，即可得到包含水分含量的信息；本发明可以快速精确的测出三七切片水分含量，使得被测三七切片质量提高，延长其保存期限。
Description
技术领域
本发明涉及近红外全息应用领域，特别是采用近红外全息检测三七切片水分含量的装置。
背景技术
三七是一种很名贵的中草药，《本草纲目拾遗》记载:人参补气第一，三七补血第一，味同而功亦等，故称人参三七。很多药物当中都含有三七的成分，三七的功效与作用主要是止血、补血和活血，促进血液的循环,目前常用于防治心脑血管类疾病。三七水分含量的测量和控制在生产过程中都是非常重要的，它的测量精度直接影响到产品的质量和保存期限。中药材水分测定的方法有烘干法、甲苯法、减压干燥法、气象色谱法和近红外光谱法。就三七切片的水分测定而言，前四种方法均存在耗能耗时，操作较复杂等缺陷，无法快速反映三七片的水分含量，而最后一种方法，其检测精度不及红外全息。这些缺陷均不利于在三七切片的生产过程中进行在线快速质量分析，不利于提高生产效率。因此发明了一种新的使用近红外全息技术检测三七切片水分含量的方法。
发明内容
本发明的目的就是提供一种采用近红外全息检测三七切片水分含量的装置，该方法可以有效地实现三七切片水分含量的快速测定，提高产品的生产效率及质量。
本发明通过下列技术方案实现：一种采用近红外全息检测三七切片水分含量的装置，包括He-Ne激光器1、红外激光器I2、红红外激光器Ⅱ3、合光棱镜4、孔径光阑I5、孔径光阑Ⅱ6、分束镜I7、全反镜8、扩束镜I9、扩束镜Ⅱ10、针孔滤波器I11、针孔滤波器Ⅱ12、透镜I13、透镜Ⅱ14、被测三七切片15、分束镜Ⅱ16、红外焦平面阵列探测器17、计算机18；红外激光器I2和红红外激光器Ⅱ3对称放置在合光棱镜4的两侧，He-Ne激光器位于合光棱镜4的后面，He-Ne激光器1、红外激光器I2和红外激光器Ⅱ3发出的激光到达合光棱镜4，穿过达合光棱镜4的激光依次穿过孔径光阑I5和孔径光阑Ⅱ6，使三个激光器发出的激光同轴，三束同轴的激光到达分束镜I7被分成两束，一束激光经过全反镜8，把激光反射到扩束镜Ⅱ10，激光被扩束后再经过针孔滤波器Ⅱ12对光束进行滤波处理，滤波后的激光再经过透镜Ⅱ14，使得这个方向的激光束成为平行光，把该平行光束称作参考光束；经过分束镜I7后的另一束激光到达扩束镜I9，激光被扩束后经过针孔滤波器I11对光束进行滤波处理，滤波后的激光再经过透镜I13，使得这个方向的激光束成为平行光，让该平行光束打到被测三七切片15，再由被测三七切片15反射，此光束称为物光束；物光束和参考光束在分束镜Ⅱ16上形成红外全息干涉图，红外全息干涉图由红外焦平面阵列探测器17进行接收记录，再传递给计算机18进行显示，从而记录包含被测三七切片15水分含量的全息图；再对所获取的全息图进行一系列处理，进而得到被测三七切片15的水分含量。
优选的，本发明选择红外易被水分吸收的中心波长为1.94μm的红外激光器作为其中一个检测光源；选择红外不易被水分吸收的中心波长为1.8μm的红外激光器作为另一个检测光源，因为该激光器发出的激光不易被水分吸收，相比上一个易被水分吸收的激光器，在检测过程中它可以排除除了水分以外的其它干扰因素，提高了检测精度。
优选的，本发明选择He-Ne激光器1作为引导光源，红外激光器I2和红红外激光器Ⅱ3发出的激光作为检测光源，检测时使用合光棱镜4、孔径光阑I5和孔径光阑Ⅱ6来拟合He-Ne激光器1、红外激光器I2和红外激光器Ⅱ3发出的激光，使三种激光器发出的光同轴，以达到引导红外激光器I2和红红外激光器Ⅱ3的作用。
优选的，本发明所述透镜I13、透镜Ⅱ14为锗透镜、硅透镜或玻璃透镜。
优选的，本发明所述分束镜I7、分束镜Ⅱ16为锗分束镜、硅分束镜或玻璃分束镜。
优选的，本发明所述扩束镜I9、扩束镜Ⅱ10为锗扩束镜、硅扩束镜或玻璃扩束镜。
优选的，本发明所述合光棱镜4为锗合光棱镜、硅合光棱镜或玻璃合光棱镜。
优选的，本发明所述红外激光器I2和红红外激光器Ⅱ3分别到达合光棱镜4的距离相等。
优选的，本发明所述红外焦平面阵列探测器17用感应波段包含He-Ne激光器1、红外激光器I2和红红外激光器Ⅱ3波长波段的CCD图像传感器代替。
本发明所述装置的使用过程：打开He-Ne激光器1，其发出的激光经过孔径光阑I5和孔径光阑Ⅱ6到达分束镜I7，把光线分为两束，其中一束光线被反射到达扩束镜I9，经针孔滤波器I11滤波再由透镜I13准直为平行激光束，该平行激光束照射到被测三七切片15，再由其反射到达分束镜Ⅱ16，此光束被称作物光束；另一束光线直透分束镜I7到达全反镜8，被反射的光经过扩束镜Ⅱ10被扩束，被扩束的光束经针孔滤波器Ⅱ12滤波再由透镜Ⅱ14准直为平行激光束，该平行激光束直接到达分束镜Ⅱ16，此光束被称作参考光束；物光束和参考光束在分束镜Ⅱ16的作用下一起到达红外焦平面阵列探测器17，在此形成参物光干涉的全息图，再传递给计算机18进行显示。排布好检测光路后关闭He-Ne激光器1，打开红外激光器I2和红红外激光器Ⅱ3，对已经放置好的被测三七切片15进行拍摄，先挡住红红外激光器Ⅱ3拍摄被测三七切片15的红外全息图，记为图1，再挡住红外激光器I2拍摄被测三七切片15的红外全息图，记为图2；使用MATLAB编程对拍摄到的全息图再现，用图1再现象与图2再现象相减，得到的值即可代表被测三七切片的水分含量值。
本发明还可以把被测三七切片换为茶饼、烟叶或者其它和三七切片相似且对其检测水分含量精度要求高的物体来作为检测对象，检测原理和方法与上述案例所描述的检测原理与方法相同。
本发明的有益效果：
本发明所述方法把红外光分成两束，其中一束作为物光，照射到被测样品上面，水分子中的H-O结合物能够吸收几个特定波长（包括1.94μm）的红外光；随后采集参物光干涉图，测量多组已知水分含量切片的全息图，对全息图进行再现，再对同一水分含量被测物所拍摄的不同波长（1.94μm和1.8μm）全息图的再现像做相减算法，得到的差异就是水分含量不同带来的差异。水分以外的干扰因素用波长为1.8μm不易被水分吸收的红外光拍摄的全息图来排除，以此得到水分含量和检测到不同波长全息图再现象差异值的对应关系，即可快速精确得到被测物的水分含量。光路的搭建过程中，由于红外不可见，所以在光路中使用合光棱镜把红外与可见光拟合，解决了因红外不可见而为检测增加的难题。本发明方法在检测过程中不会对被测物造成损害。
附图说明
图1是发明该方法的检测原理光路图：
图中：1-He-Ne激光器；2-红外激光器I；3-红红外激光器Ⅱ；4-合光棱镜；5-孔径光阑I；6-孔径光阑Ⅱ；7-分束镜I；8-全反镜；9-扩束镜I；10-扩束镜Ⅱ；11-针孔滤波器I；12-针孔滤波器Ⅱ；13-透镜I；14-透镜Ⅱ；15-被测三七切片；16-分束镜Ⅱ；17-红外焦平面阵列探测器；18-计算机。
具体实施方式
下面结合具体实施例本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种采用近红外全息检测三七切片水分含量的装置，包括He-Ne激光器1、红外激光器I2、红红外激光器Ⅱ3、合光棱镜4、孔径光阑I5、孔径光阑Ⅱ6、分束镜I7、全反镜8、扩束镜I9、扩束镜Ⅱ10、针孔滤波器I11、针孔滤波器Ⅱ12、透镜I13、透镜Ⅱ14、被测三七切片15、分束镜Ⅱ16、红外焦平面阵列探测器17、计算机18；
本实施例中所述透镜I13、透镜Ⅱ14为锗透镜；所述分束镜I7、分束镜Ⅱ16为锗分束镜；所述扩束镜I9、扩束镜Ⅱ10为锗扩束镜；所述合光棱镜4为锗合光棱镜。
本实施例中所述红外激光器I2选择易被水分吸收的中心波长为1.94μm的红外激光器；所述红外激光器Ⅱ3选择不易被水分吸收的中心波长为1.8μm的红外激光器；所述He-Ne激光器1是波长为0.6328μm的可见光激光器，用于引导红外检测光路的搭建。
红外激光器I2发出中心波长为1.94μm的红外光束，在其光束的特定位置放置合光棱镜4，使光束被反射到合光棱镜4右边，调节好合光棱镜4的俯仰和方向，使得光束光轴保持水平，被反射过来的激光依次穿过达合光棱镜4的激光依次穿过孔径光阑I5和孔径光阑Ⅱ6；在合光棱镜4的另一边加入中心波长为1.8μm的红红外激光器Ⅱ3，其摆放位置和红外激光器I2相对于合光棱镜4的位置相同，经细致调节使被反射过来的激光束依次经过孔径光阑I5和孔径光阑Ⅱ6；在合光棱镜4的后侧加入He-Ne激光器1，通过调节俯仰左右平移等，也使它发出的中心波长为0.6328μm可见激光经过孔径光阑I5和孔径光阑Ⅱ6，因两点确定一条直线，以上调节使得三个激光器发出的激光同轴。
使用过程中：打开He-Ne激光器1，其发出的激光经过孔径光阑I5和孔径光阑Ⅱ6到达分束镜I7，把光线分为两束，其中一束光线被反射到达扩束镜I9，经针孔滤波器I11滤波，在扩束和滤波前应标记好光束的中心点，扩束和滤波结束后的光斑中心要和之前标记好的光束中心点重合，再由透镜I13准直为平行激光束，在调节平行光的过程中我们使用平晶来验证，当从平晶反射出来的干涉条纹数量达到最小值时，该光束就是经过透镜I13后最好的平行光束，该平行激光束照射到被测三七切片，该切片要放置好角度，使其反射光尽量多的到达分束镜Ⅱ16，此光束被称作物光束；另一束光线直透分束镜I7到达全反镜8，调节好全反镜8的俯仰及摆放角度，使光轴始终保持平行于检测台，被全反镜8反射的光经过扩束镜Ⅱ10被扩束，被扩束的光束经针孔滤波器Ⅱ12滤波，再由透镜Ⅱ14准直为平行激光束，该平行激光束直接到达分束镜Ⅱ16，此光束被称作参考光束；物光束和参考光束在分束镜Ⅱ16的作用下一起到达红外焦平面阵列探测器，在此形成参物光干涉的全息图，再传递给计算机进行显示。排布好检测光路后关闭He-Ne激光器1，打开红外激光器I2和红红外激光器Ⅱ3，对已经放置好的被测三七切片进行拍摄，先挡住红红外激光器Ⅱ3拍摄被测三七切片的红外全息图，记为图1，再挡住红外激光器I2拍摄被测三七切片的红外全息图，记为图2；使用MATLAB编程对拍摄到的全息图再现，用图1再现象与图2再现象相减，得到的值即可代表被测三七切片的水分含量值，对已知水分含量的多个被测三七切片进行多次上诉检测，便得到代表被测三七切片的水分含量值与对应的水分含量值的函数关系，最后在对一个未知水分含量的被测三七切片进行水分检测，得到再现象相减的值后，再对应上诉所得函数关系便可得到被测三七切片实际水分含量。
在拍摄红外全息图时应该调整好参物光夹角，即调整分束镜Ⅱ的左右方向，以及调整到合适参物光强比，以保证得到最好效果的全息图。
本实施例中红外激光器I2的型号为：MW-IR-1870/1~800mW，该型号红外激光器中心波长为1940nm；红红外激光器Ⅱ3的型号为：MW-IR-1870/1~800mW，该型号红外激光器中心波长为1870nm；红外焦平面阵列探测器：cube817；He-Ne激光器1的型号为：TC49-NEWOPTO-HN4R；透镜I、透镜Ⅱ为玻璃透镜，分束镜I、分束镜Ⅱ为玻璃分束镜，扩束镜I、扩束镜Ⅱ为玻璃扩束镜，全反镜为玻璃全反镜，合光棱镜为玻璃合光棱镜。
实施例2
本实施例结构和实施例1相同，不同在于将实施例1的红外焦平面阵列探测器用感应波段包含He-Ne激光器、红外激光器I、红红外激光器Ⅱ波长波段的CCD图像传感器代替，不影响整个装置的功能实现。
Claims (8)
1.一种采用近红外全息检测三七切片水分含量的装置，其特征在于：包括He-Ne激光器（1）、红外激光器I（2）、红红外激光器Ⅱ（3）、合光棱镜（4）、孔径光阑I（5）、孔径光阑Ⅱ（6）、分束镜I（7）、全反镜（8）、扩束镜I（9）、扩束镜Ⅱ（10）、针孔滤波器I（11）、针孔滤波器Ⅱ（12）、透镜I（13）、透镜Ⅱ（14）、被测三七切片（15）、分束镜Ⅱ（16）、红外焦平面阵列探测器（17）、计算机（18）；红外激光器I（2）和红红外激光器Ⅱ（3）对称放置在合光棱镜（4）的两侧，He-Ne激光器位于合光棱镜（4）的后面，He-Ne激光器（1）、红外激光器I（2）和红外激光器Ⅱ（3）发出的激光到达合光棱镜（4），穿过达合光棱镜（4）的激光依次穿过孔径光阑I（5）和孔径光阑Ⅱ（6），使三个激光器发出的激光同轴，三束同轴的激光到达分束镜I（7）被分成两束，一束激光经过全反镜（8），把激光反射到扩束镜Ⅱ（10），激光被扩束后再经过针孔滤波器Ⅱ（12）对光束进行滤波处理，滤波后的激光再经过透镜Ⅱ（14），使得这个方向的激光束成为平行光，把该平行光束称作参考光束；经过分束镜I（7）后的另一束激光到达扩束镜I（9），激光被扩束后经过针孔滤波器I（11）对光束进行滤波处理，滤波后的激光再经过透镜I（13），使得这个方向的激光束成为平行光，让该平行光束打到被测三七切片（15），再由被测三七切片（15）反射，此光束称为物光束；物光束和参考光束在分束镜Ⅱ（16）上形成红外全息干涉图，红外全息干涉图由红外焦平面阵列探测器（17）进行接收记录，再传递给计算机（18）进行显示，从而记录包含被测三七切片（15）水分含量的全息图；再对所获取的全息图进行一系列处理，进而得到被测三七切片（15）的水分含量。
2.根据权利要求1所述采用近红外全息检测三七切片水分含量的装置，其特征在于：选择红外易被水分吸收的中心波长为1.94μm的红外激光器作为其中一个检测光源；选择红外不易被水分吸收的中心波长为1.8μm的红外激光器作为另一个检测光源，He-Ne激光器（1）作为引导光源。
3.根据权利要求1所述采用近红外全息检测三七切片水分含量的装置，其特征在于：所述透镜I（13）、透镜Ⅱ（14）为锗透镜、硅透镜或玻璃透镜。
4.根据权利要求1所述采用近红外全息检测三七切片水分含量的装置，其特征在于：所述分束镜I（7）、分束镜Ⅱ（16）为锗分束镜、硅分束镜或玻璃分束镜。
5.根据权利要求1所述采用近红外全息检测三七切片水分含量的装置，其特征在于：所述扩束镜I（9）、扩束镜Ⅱ（10）为锗扩束镜、硅扩束镜或玻璃扩束镜。
6.根据权利要求1所述采用近红外全息检测三七切片水分含量的装置，其特征在于：所述合光棱镜（4）为锗合光棱镜、硅合光棱镜或玻璃合光棱镜。
7.根据权利要求1所述采用近红外全息检测三七切片水分含量的装置，其特征在于：红外激光器I（2）和红红外激光器Ⅱ（3）分别到达合光棱镜（4）的距离相等。
8.根据权利要求1所述采用近红外全息检测三七切片水分含量的装置，其特征在于：所述红外焦平面阵列探测器（17）用感应波段包含He-Ne激光器（1）、红外激光器I（2）和红红外激光器Ⅱ（3）波长波段的CCD图像传感器代替。
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