CN113366288A - 光谱仪系统和用于测试光谱仪系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光谱仪系统和用于测试光谱仪系统的方法。光谱仪系统包括设有窗的壳体，在壳体中布置有照明源、光谱仪和用于内部重新校准的标准件。在使用标准件的情况下拾取参考光谱，在该参考光谱中识别在壳体中存在的填充气体的独特的吸收带，其中，分别测量表征各自的识别出的独特的吸收带的波长，从而得到针对吸收带的波长的测量值。在使用标准件的情况下以光谱仪拾取测试光谱。在测试光谱中识别填充气体的独特的吸收带，其中，分别测量表征各自的识别出的独特的吸收带的波长，从而得到针对独特的吸收带的波长的测量值。根据本发明，测试：在测试光谱中识别出的吸收带的波长的测量值与在参考光谱中识别出的吸收带的波长的测量值是否相差不超过预先确定的尺度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测试光谱仪系统的方法，光谱仪系统例如构造为用于农产品或食品的成分分析系统。此外，该方法还可以被构造成用于重新校准光谱仪系统。此外，本发明还涉及一种光谱仪系统。
背景技术
DE 10 2007 029 405 A1教导了一种用于光谱仪的波长和强度标准件，该波长和强度标准件尤其被设置成用于校准和测试光谱仪的测量头。标准件包括支架和布置在支架中的由透明的塑料制成的板体，该塑料在很宽的温度范围内具有高的强度和形状稳定性。塑料在整个NIR范围内具有明显的吸收带和那种应该可靠地和时间稳定地确保高防潮层以防吸收和输出水的化学结构和成分。板体有利地由基于环烯烃和/或链烯烃的无定形的、透明的共聚物构成。
DE 698 36 166 T2涉及一种针对在分析和鉴别材料中使用的可见光范围和红外线范围的波长标准件。该波长标准件包括具有分布在基质中的稀土氧化物的混凝土混合物。
DE 10 2004 021 448 A1示出了一种具有内部的重新校准的光谱反射测量头，该光谱反射测量头由设有窗的壳体构成，在壳体中布置有照明源和用于收集测量光并且将其耦合到光导体中的光学结构组件。壳体具有通向电压源、控制和评估单元以及光谱仪的连接部。附加地，在壳体中存在至少两个用于内部的重新校准的标准件，这些标准件可以有选择地枢转到反射测量头的光路中，用以检测测量数据来进行重新校准。
由DE 10 2004 048 103 A1已知了一种用于确定收获的农产品的组成部分的布置结构。该布置结构包括光谱测量头，光谱测量头由设有窗的壳体构成，在壳体中存在照明源、光谱仪布置结构和至少两个用于内部的重新校准的标准件。这些标准件可以枢转到测量头的光路中，从而使整个来自于照明源的测量光用于重新校准。
DE 10 2018 103 509 B3示出了一种用于利用移动式的成分分析系统进行正确样品测量的方法，该移动式的成分分析系统具有带有窗的壳体、用于外部参考单元的接口、显示和操作单元、光源、光谱仪、相机、内部参考单元和电子控制单元。在该方法中，对所选择的校准产品进行可信度测试，其中，用信号通知错误的选定，并且开始重新选定替选的校准产品。在拾取测量值期间检测和监控在测量位置上和壳体内部中的温度和相对空气湿度，其中，利用显示和操作单元用信号通知不允许的与通过校准产品预设的温度值和相对空气湿度的偏差。
所引用的现有技术此外示出了光谱学作为用于农产品和食品的在线和离线测量技术的应用。借助NIR光谱学，可以确定农产品和食品的水分值和成分。相应的测量器可以构造成固定的或移动式的。因为NIR光谱学是一种光学测量方法，所以测量准确度在很大程度上取决于面向样品的接口、即光学测量窗。测量窗在使用过程中可能会变脏或被划伤。测量窗在用于农业器具中时也可能受到材料流的影响，从而必须进行更换。因此导致测量性能发生变化，从而需要使用外部参考物进行周期性的重新校准，由此需要提高花费。
US 2008/0290279 A1示出了一种用于标准化IR光谱仪的方法。该方法基于使用在光谱仪中自然出现的空气的谱线。例如使用在2350cm-1中的CO2吸收带。确定吸收带的测量的波长与参考值的偏差，以便校准光谱仪。
在EP 2 092 296 B1中描述了一种用于光谱测量的方法，在其中使用具有照明源、收集光学器件和内部参考物的测量头。内部参考物通过照明源来照亮，并且通过收集光学器件观察。
US 6,249,343 B1示出了一种波长标准件，其使用气体、例如水蒸气的在1.3μm范围内的吸收线。
发明内容
从现有技术出发，本发明的任务在于，可以测试并且必要时重新校准光谱仪系统，而为此不需要外部波长标准件或线灯。
所提到的任务通过根据所附的权利要求1的方法以及通过根据所附的并列权利要求15的光谱仪系统解决。
根据本发明的方法用于测试光谱仪系统。该光谱仪系统优选是用于基于光谱获知成分的光学测量系统。该光学测量系统优选用于获知农产品或食品的成分。光谱仪系统优选布置在农业机械、例如收割机上，并且被构造成用于对农产品的持续的测试。光谱仪系统优选允许在UV范围中、可见光范围中和/或NIR范围中的测量。光谱仪系统优选构造为多色仪。光谱仪系统优选被构造成用于反射测量。
光谱仪系统包括设有窗的壳体。窗形成光谱仪系统的测量窗。在壳体中布置有照明源、光谱仪和用于内部重新校准的至少一个标准件。照明源优选通过宽带的热辐射器形成。照明源优选通过红外线辐射器、通过卤素灯或通过基于LED的光源形成。
至少一个标准件是用于重新校准光谱仪系统的物理参考物。至少一个标准件尤其是具有参考光谱的波长标准件。优选地，至少一个标准件此外构造为强度标准件。该标准件优选构造为白色标准件，从而其形成白色参考物。在壳体中布置有用于内部重新校准的标准件中的两个。在此，这两个优选是白色标准件和黑色标准件。标准件优选有选择地能机械枢转进入到从光谱仪延伸到窗的光路中。随后，由照明源以光照亮相应的标准件，该光被标准件反射向光谱仪。
光谱仪系统优选包括形式为计算单元的控制和测量信号处理单元。控制和测量信号处理单元优选具有例如形式为触摸屏的图形用户界面。控制和测量信号处理单元优选还具有数据接口，其优选构造为无线的。
光谱仪系统以外部标准件或外部参考物来校准。该校准例如在工厂验收中进行。根据本发明，在校准光谱仪系统之后，在使用布置在壳体中的标准件的情况下，以光谱仪拾取参考光谱。为此，以照明源来照亮标准件，并且以光谱仪拾取由标准件反射的光。优选地，在校准光谱仪系统之后立即拾取参考光谱，从而可以假定参考光谱的非常高的准确度。
在壳体中存在填充气体，填充气体具有吸收带。因为照明源的光和由标准件反射的光的光路延伸通过填充气体，所以可以在参考光谱中识别填充气体的独特的吸收带。根据本发明，在参考光谱中探测并且识别填充气体的独特的吸收带。分别测量至少一个表征各自被识别的独特的吸收带的波长，从而得到针对识别出的独特的吸收带的波长的测量值。
为了测试和必要时为了内部重新校准，在使用标准件的情况下，以光谱仪拾取测试光谱。当以光谱仪系统测量大量样品，和/或在以外部标准件或参考物进行校准之后经过了相关的时间段时，尤其进行这一点。测试光谱以和参考光谱相同的方式被拾取。
根据本发明，在测试光谱中探测并且识别填充气体的独特的吸收带。分别测量至少一个表征各自的识别出的独特的吸收带的波长，从而得到针对识别出的独特的吸收带的波长的测量值。
在方法的另外的步骤中测试：填充气体的在测试光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值与填充气体的在参考光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值是否相差不超过预先确定的尺度。通过预先确定的尺度来定义：从什么时候开始，以光谱仪系统进行测量的不准确度大到不再达到光谱仪系统的所需的准确度。如果填充气体的在测试光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值与填充气体的在参考光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值相差不超过预先确定的尺度，那么对光谱仪系统的测试是肯定的。否则，测试是否定的。
根据本发明的方法的特别优点在于，该方法允许对光谱仪系统进行快速和少花费的测试，而为此不需要外部参考物或标准件。替代地，将内部存在的标准件和原则上存在的填充气体的独特的吸收带用作参考物。
具体实施方式
在本发明的优选的实施方式中，填充气体包括水蒸气形式的游离水，从而使水形成空气湿度。在实践中，在几乎所有的应用中都满足该前提。空气湿度在0℃至70℃的范围内具有优选至少为10％的饱和度，这是一个很小的值，但足以识别吸收带。相应地，在参考光谱和测试光谱中识别水蒸气的独特的吸收带。优选地，在参考光谱和测试光谱中识别水蒸气的至少一个在1300nm和2050nm之间的波长范围内的独特的吸收带。优选地，在参考光谱和测试光谱中识别水蒸气的多个在1300nm和2050nm之间的波长范围内的独特的吸收带。然而，填充气体也可以是其他的气体或保护气体，或者可以由填充气体的不同的组分导致独特的吸收带。
布置在壳体中的标准件优选可以枢转进入到从光谱仪延伸到窗的光路中。在本发明的优选的实施方式中，为了拾取参考光谱并且为了拾取测试光谱，使标准件分别枢转进入到光路中，这优选通过致动器进行，从而可以自动进行该过程。
在本发明的优选的实施方式中，填充气体的在测试光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值和填充气体的在参考光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值通过3点插值确定。以在波长范围内的优选最高为0.1nm的分辨率处理测试光谱和参考光谱，这优选通过在子像素范围内处理测试光谱和参考光谱来进行。由此可以测试光谱仪系统的准确度，该准确度为±1nm。例如如果光谱仪系统构造为农业机械、如收割机上的过程光谱仪系统，那么这是有利的，在那里，光谱仪系统长时间遭受大的冲击和振动负载。
根据本发明的方法优选包括另外的步骤，它们在光谱仪系统的常规的运行期间，即在测量样品期间执行，并且用于将测量值的可靠性告知光谱仪系统的用户。在一个步骤中，首先以光谱仪拾取样品的光谱。为此，样品以照明源来照亮，并且以光谱仪拾取由样品反射的光。在所拾取的光谱中识别样品的独特的吸收带并且必要时识别另外的光谱表征。在另一步骤中，分别测量表征各自的识别出的独特的吸收带的波长，由此得到样品的测量值。如果填充气体的在测试光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值与填充气体的在参考光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值相差超过预先确定的尺度，那么输出样品的测量值具有不准确度的讯息。优选地，在数字式测量值显示或图形式测量值显示中输出该讯息作为测量值的标记。该讯息优选是警告讯息；尤其是在测量值具有减小的准确度，但还能使用的情况况下是如此情况。如果填充气体的在测试光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值与填充气体的在参考光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值相差超过另外的预先确定的尺度，那么优选输出另外的讯息。该另外的讯息优选是干预讯息，通过该干预讯息优选要求或触发内部重新校准。
根据本发明的方法优选还被构造成用于进行光谱仪系统的内部重新校准，为此，该方法包括另外的步骤。首先比较填充气体的在测试光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值与填充气体的在参考光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值。基于该比较确定修正规则。该修正规则适用于修正光谱仪的测量值，从而使测量值具有高的准确度。修正规则优选通过修正函数或通过修正因子形成。修正规则用于处理以光谱仪拾取的测量值。对光谱仪系统的内部重新校准可以通过用户的命令进行，并且/或者当填充气体的在测试光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值与填充气体的在参考光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值相差超过另外的预先确定的尺度时进行。
根据本发明的光谱仪系统包括设有窗的壳体。在壳体中布置有照明源、光谱仪和用于内部重新校准的至少一个标准件。光谱仪系统还包括控制和测量信号处理单元，其被配置成用于实施根据本发明的方法。控制和测量信号处理单元优选被配置成用于实施根据本发明的方法的所描述的优选的实施方式中的一个。此外，根据本发明的光谱仪系统优选也具有结合根据本发明的方法说明的特征。
Claims (15)
1.用于测试光谱仪系统的方法，其中，所述光谱仪系统包括设有窗的壳体，在壳体中布置有照明源、光谱仪和用于内部重新校准的至少一个标准件，并且其中，所述方法包括以下步骤：
-在校准所述光谱仪系统之后在使用所述标准件的情况下以所述光谱仪拾取参考光谱，在所述参考光谱中识别在壳体中存在的填充气体的独特的吸收带，其中，分别测量表征各自的识别出的独特的吸收带的波长，从而得到针对识别出的独特的吸收带的波长的测量值；
-在使用所述标准件的情况下以所述光谱仪拾取测试光谱；
-在所述测试光谱中识别所述填充气体的独特的吸收带，其中，分别测量表征各自的识别出的独特的吸收带的波长，从而得到针对识别出的独特的吸收带的波长的测量值；并且
-测试：所述填充气体的在测试光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值与所述填充气体的在参考光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值是否相差不超过预先确定的尺度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充气体包括水蒸气形式的游离水，从而在所述参考光谱中并且在所述测试光谱中识别水蒸气的独特的吸收带。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，填充气体中的空气湿度是至少10％。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在所述参考光谱中和所述测试光谱中识别水蒸气的至少一个在1300nm和2050nm之间的波长范围内的独特的吸收带。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述标准件通过用于重新校准所述光谱仪系统的物理参考物形成，其中，所述标准件是具有参考光谱的波长标准件。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述标准件构造为强度标准件。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述标准件通过白色参考物形成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，为了拾取所述参考光谱及为了拾取所述测试光谱，使布置在壳体中的标准件分别枢转进入到从光谱仪延伸到窗的光路中。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在壳体中布置有其中两个用于内部重新校准的标准件，这两个标准件是白色标准件和黑色标准件，使所述白色标准件和黑色标准件有选择地机械枢转进入到从光谱仪延伸到窗的光路中。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，通过3点插值确定所述填充气体的在测试光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值和所述填充气体的在参考光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，以在波长范围内的最高为0.1nm的分辨率处理所述测试光谱和所述参考光谱。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下另外的步骤：
-以所述光谱仪拾取样品的光谱；
-在所拾取的光谱中识别所述样品的独特的吸收带；
-分别测量表征各自的识别出的独特的吸收带的波长，由此得到所述样品的测量值；并且
-如果所述填充气体的在测试光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值与所述填充气体的在参考光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值相差超过预先确定的尺度，那么输出所述样品的测量值具有不准确度的讯息。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在数字式测量值显示或图形式测量值显示中输出所述讯息作为测量值的标记。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还被构造成用于重新校准所述光谱仪系统，为此，所述方法包括以下另外的步骤：
-比较所述填充气体的在测试光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值与所述填充气体的在参考光谱中识别出的独特的吸收带的波长的测量值；
-基于对测量值的比较确定修正规则；并且
-将所述修正规则用于处理以所述光谱仪拾取的测量值。
15.光谱仪系统，所述光谱仪系统包括设有窗的壳体，在所述壳体中布置有照明源、光谱仪和用于内部重新校准的至少一个标准件，其中，所述光谱仪系统还包括控制和测量信号处理单元，所述控制和测量信号处理单元被配置成用于实施根据权利要求1至14中任一项所述的方法。
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