CN117368145B - 化学液用的近红外光谱检测系统以及检测方法 - Google Patents

化学液用的近红外光谱检测系统以及检测方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种化学液用的近红外光谱检测系统，包括：旋转盘、球形凹面反射镜、光谱仪、光路模块、比色皿模组；旋转盘能绕一中心轴转动；球形凹面反射镜的中心、旋转盘的中心轴、点光源、光谱仪的狭缝共线；旋转盘设置有贯通的检测孔和标准孔；光路模块包括离轴抛物面镜和空心直角棱镜反射镜；自点光源发出的光线能够在离轴抛物面镜作用下在通过旋转盘的检测孔或标准孔、比色皿模组后经由空心直角棱镜反射镜向球形凹面反射镜。本发明具有如下优点：该近红外光谱检测系统的光路不受运动部件、光纤等不利因素影响，稳定性高；光路避免使用透镜，无色散问题，有效降低杂散光。

Description

化学液用的近红外光谱检测系统以及检测方法
技术领域
本申请涉及近红外分析仪器领域，尤其涉及一种化学液用的近红外光谱检测系统以及检测方法。
背景技术
本部分的描述仅提供与本申请公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
目前，现有的化学液用的近红外光谱系统一般采用单一光路，即，运动模组上有检测液体比色皿、空比色皿参比等部件；通过运动模组移动实现采参比、采样等动作。
但是，现有技术中的化学液用的近红外光谱系统的光路稳定性差、结果输出准确性低。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
基于前述的现有技术缺陷，本申请中化学液用的近红外光谱检测系统以及检测方法，其用于解决现有技术中的光路零件运动引起的光谱采集系统的稳定性问题。
为了实现上述目的，本申请提供了如下的技术方案：一种化学液用的近红外光谱检测系统，包括：旋转盘、球形凹面反射镜、光谱仪、N个光路模块、N个比色皿模组；
其中，旋转盘能绕一中心轴转动；所述点光源和球形凹面反射镜沿所述中心轴方向位于所述转动盘的两侧；所述球形凹面反射镜沿所述中心轴方向位于所述光谱仪和所述旋转盘之间；所述球形凹面反射镜的镜面面向所述光谱仪；所述球形凹面反射镜的中心、所述旋转盘的中心轴、所述点光源、所述光谱仪的狭缝共线；
所述旋转盘设置有贯通的检测孔，以及设置有标准片的标准孔；所述检测孔和所述标准孔分别与所述中心轴之间的距离相同；
其中，N个所述光路模块以所述中心轴为中心沿圆周方向间隔均匀排列；
每个所述光路模块包括离轴抛物面镜和空心直角棱镜反射镜；每个所述离轴抛物面镜位于所述旋转盘朝向所述点光源的一侧，每个所述空心直角棱镜反射镜位于所述旋转盘朝向所述球形凹面反射镜的一侧；
N个所述比色皿模组分别与N个所述光路模块一一对应；
所述检测孔和所述标准孔中的一个在随着所述旋转盘转动过程中能至少部分地或者全部的覆盖每一个所述比色皿模组，从而使得自点光源发出的光线能够在所述离轴抛物面镜作用下在通过所述旋转盘的检测孔或所述标准孔、所述比色皿模组后经由所述空心直角棱镜反射镜射向所述球形凹面反射镜；
所述检测孔的中心和所述标准孔的中心之间形成的圆心角的角度值不等于两个相邻的所述比色皿模组之间的圆心角的角度值；
其中，N为大于或等于2的正整数。
优选地，所述旋转盘具有至少一个工作位置，所述标准孔和所述检测孔均与任一个所述比色皿模组错开。
优选地，所述旋转盘沿所述中心轴方向位于所述比色皿模组和所述离轴抛物面镜之间。
优选地，所述旋转盘沿所述中心轴方向位于所述比色皿模组和所述空心直角棱镜反射镜之间。
优选地，所述球形凹面反射镜的焦点和所述光谱仪的狭缝中心所成的直线与所述中心轴重合。
优选地，由N个所述比色皿模组的中心形成的圆的半径和所述检测孔和所述中心轴之间的距离相同。
优选地，还包括控制装置，所述控制装置能定时对旋转盘进行转动，从而定时获得各个比色皿模组的采集结果。
优选地，N个所述比色皿模组内部处于真空状态。
优选地，每个所述比色皿模组包括具有一定光程的比色皿和套设在比色皿外侧的密封架，。
本申请实施例还公开了一种采用如上述的化学液用的近红外光谱检测系统的检测方法，包括以下步骤：
使N个比色皿模组中的至少一个处于真空状态；
使标准片与检测孔均不与任何的比色皿模组相对，从而采集暗电流；
使标准片与处于真空状态的比色皿模组相对，进而采集实现标定；
使检测孔与处于真空状态的比色皿模组相对，进而采集得到采参比；
使检测孔与其他处于非真空状态的比色皿模组相对，进而得到该比色皿模组内的化学液的检测结果。
1、该近红外光谱检测系统的光路不受运动部件、光纤等不利因素影响，稳定性高；2、光路避免使用透镜，无色散问题，有效降低杂散光；
3、该近红外光谱检测系统可单一液体检测；也可多液体定时、非定时巡检；
4、该近红外光谱检测系统的采集结果准确性和重复性佳。
参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施例，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施例在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施例包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，与其它实施例中的特征相组合，或替代其它实施例中的特征。
应该强调，术语“包括/包括”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本申请公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本申请的理解，并不是具体限定本申请各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本申请的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本申请。在附图中：
图1示出了本申请实施例中化学液用的近红外光谱检测系统的结构示意图。
图2示出了本申请实施例中运动切换模组的结构示意图。
图3示出了本申请实施例中旋转盘的结构示意图。
图4示出了本申请实施例中比色皿模组的结构示意图。
图5示出了本申请实施例中化学液用的近红外光谱检测系统的另一个视角的结构示意图。
以上附图的附图标记为：1、点光源；2、运动切换模组；21、旋转盘；211、检测孔；212、标准孔；22、支持架；23、电机；24、霍尔传感器；3、球形凹面反射镜；4、光谱仪；5、光路模块；51、离轴抛物面镜；52、空心直角棱镜反射镜；6、比色皿模组；61、比色皿；62、密封架；63、同轴孔；64、入液口；65、出液口；P、中心轴。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的包括义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的包括义是两个或两个以上。
参照图1和图5所示，本申请实施例公开了一种化学液用的近红外光谱检测系统，包括：旋转盘21、球形凹面反射镜3、光谱仪4、N个光路模块5、N个比色皿模组6；
其中，所述旋转盘21能绕一中心轴P转动；所述点光源1和球形凹面反射镜3沿所述中心轴P方向位于所述转动盘的两侧；所述球形凹面反射镜3沿所述中心轴P方向位于所述光谱仪4和所述旋转盘21之间；所述球形凹面反射镜3的镜面面向所述光谱仪4；所述球形凹面反射镜3的中心、所述旋转盘21的中心轴P、所述点光源1、所述光谱仪4的狭缝共线；
所述旋转盘21设置有贯通的检测孔211，以及设置有标准片的标准孔212；所述检测孔211和所述标准孔212分别与所述中心轴P之间的距离相同；
其中，N个所述光路模块5以所述中心轴P为中心沿圆周方向间隔均匀排列；
每个所述光路模块5包括离轴抛物面镜51和空心直角棱镜反射镜52；每个所述离轴抛物面镜51位于所述旋转盘21朝向所述点光源1的一侧，每个所述空心直角棱镜反射镜52位于所述旋转盘21朝向所述球形凹面反射镜3的一侧；
N个所述比色皿模组6分别与N个所述光路模块5一一对应；
所述检测孔211和所述标准孔212在随着所述旋转盘21转动过程中能至少部分地或者全部的覆盖每一个所述比色皿模组6，从而使得自点光源1发出的光线能够在所述离轴抛物面镜51作用下在通过所述旋转盘21的检测孔211或所述标准孔212、所述比色皿模组6后经由所述空心直角棱镜反射镜52射向所述球形凹面反射镜3；
所述检测孔211的中心和所述标准孔212的中心之间形成的圆心角的角度值不等于两个相邻的所述比色皿模组6之间的圆心角的角度值
其中，N为大于或等于2的正整数。
借由上述结构，本发明具有如下优点：
1、该近红外光谱检测系统的光路不受运动部件、光纤等不利因素影响，稳定性高；
2、光路避免使用透镜，无色散问题，有效降低杂散光；
3、该近红外光谱检测系统可单一液体检测；也可多液体定时、非定时巡检；
4、该近红外光谱检测系统的采集结果准确性和重复性佳。
参照图2所示，该近红外光谱检测系统可以包括一个运动切换模组2。该运动切换模组2包括支持架22、电机23、一个呈圆盘状的旋转盘21、设置在旋转盘21上的支持架22上呈圆柱状的磁铁(图中未示出)、设置在支持架22上的霍尔传感器24。其中，旋转盘21可以在电机23的驱动下，相对所述支持架22绕所述中心轴P(图1中竖直方向)转动。在霍尔传感器24与旋转盘21上的磁铁配合使用下，可以确定旋转盘21的初始位置，并且随之确定旋转盘21的转动角度以及相应的转动位置。
参照图3所示，在本实施方式中，所述旋转盘21上设置有一个贯通的检测孔211(通孔)和一个标准孔212(台阶通孔)。其中，标准孔212(台阶通孔)的台阶上固定着标准片。其中，所述检测孔211和所述中心轴P之间的距离等于所述标准孔212与所述中心轴P之间的距离。即，假设所述检测孔211和所述标准孔212的中心线所在虚拟圆柱面为Q面；则Q面的中心线与旋转盘21的中心轴P重合。
参照图1所示，在旋转盘21的上侧，设置有点光源1。点光源1位于中心轴P上，从而可以向四周发散出光线。在旋转盘21的下侧，设置有球形凹面反射镜3和光谱仪4。其中，球形凹面反射镜3沿竖直方向位于所述旋转盘21和所述光谱仪4之间。并且，所述球形凹面反射镜3的镜面朝向光谱仪4的狭缝。特别的，所述球形凹面反射镜3的焦点和所述光谱仪4的狭缝中心所成的直线与所述中心轴P重合。即，球形凹面反射镜3的焦点在光谱仪4的狭缝中心上，可将空心直角棱镜反射镜52(下文详述)反射的平行光汇集到光谱仪4的狭缝中心。
结合图5所示，该近红外光谱检测系统还包括N个相同的光路模块5。N个相同的光路模块5以所述中心轴P为中心沿圆周方向间隔均匀排列。在本实施方式中，N为12。当然的，在其他可选的实施方式中,N也可以根据需要设定为2、3、4、5或者其他大于或等于2的正整数个。每个光路组件包括一个离轴抛物面镜51和一个空心直角棱镜反射镜52。显然，离轴抛物面镜51的数量和空心直角棱镜反射镜52的数量也为N个。N个离轴抛物面镜51以所述中心轴P为中心沿圆周方向间隔均匀排列。N个空心直角棱镜反射镜52也以所述中心轴P为中心沿圆周方向间隔均匀排列。具体的，每个离轴抛物面镜51分别与点光源1和与其对应的空心直角棱镜反射镜52相对。每个所述空心直角棱镜反射镜52还与球形凹面反射镜3相对。即，点光源1发出的光可以由离轴抛物面镜51反射出平行光，经空心直角棱镜反射镜52反射到球形凹面反射镜3上后，最终焦点落在光谱仪4狭缝中心上，被光谱仪4接收。
该近红外光谱检测系统还包括N个相同的比色皿模组6。其中，一个比色皿模组6与一个光路模块5对应。即，N个光路模块5与N个比色皿模组6分别一一对应。
参照图4所示，在本实施方式中，比色皿模组6包括具有一定光程的比色皿61和套设在比色皿61外侧的密封架62。比色皿61可以呈方形，其两侧(图X中的上下两侧)可以设置入液口64和出液口65。并且，密封架62的两侧(图X中的左右两侧)开设有两个同轴孔63。光可穿过两侧的同轴孔63孔和比色皿61两光程面的中心。对于比色皿61的非光程面侧壁来说，被密封架62完全遮挡。在一个可选的实施方式中，安装时，入液口64可以位于比色皿61的下侧，出液口65位于比色皿61的上侧。相应的，此时中心轴P沿水平方向延伸。垂直于图1的方向为高度方向。这样，可以有利于液体输送中比色皿模组6内气体排空。
在随着旋转盘21转动过程中，所述检测孔211可以至少部分地或全部的任一个覆盖比色皿模组6中的同轴孔63。或者，所述标准孔212也可以至少部分地或全部的任一个覆盖比色皿模组6中的同轴孔63。
优选地，N个比色皿模组6中可以有1个或多个为比色皿61空位模组，该比色皿61空位模组的入液口64和出液口65可以均处于封闭状态，内部真空。而其余的非真空状态的比色皿模组6内均可以通过入液口64输入不同或相同的液体。
在一个优选的实施方式中，标准孔212(或，检测孔211)和中心轴P之间的距离与同轴孔63和中心轴P之间的距离相同。即，由N个所述比色皿模组6的中心形成的圆的半径和所述检测孔211和所述中心轴P之间的距离相同。并且，标准孔212、检测孔211、两个同轴孔63的孔径相同。这样，在转动过程中，标准孔212(或，检测孔211)可以与各个同轴孔63完全地重叠，或者完全地错开。
并且，为了使N个光路模块5均与光源、球形凹面反射镜3、光谱仪4形成光耦合，以及减少光路的复杂性，所述光源、所述球形凹面反射镜3的焦点、所述旋转盘21的中心轴P和所述光谱仪4的狭缝中心重合。
在一个优选的实施方式中，由检测孔211的中心和中心轴P之间形成的第一连接线和由标准孔212的中心和中心轴P之间形成的第二连接线共同形成的夹角(即检测孔211的中心和标准孔212的中心之间的圆心角)为第一角度值α(例如，40°)；N个光路组件的分布角度为β＝360°/N。α与β不相等，即确保旋转盘21上的检测孔211和标准孔212上的标准片每次最多保证N个光路中的一路处于工作状态。
参照图1所示，在本实施方式中，所述旋转盘21沿中心轴P方向位于所述比色皿模组6和所述离轴抛物面镜51之间。在另一个可选的实施方式中，所述旋转盘21沿中心轴P方向位于所述比色皿模组6和所述空心直角棱镜反射镜52之间。
当旋转盘21上的标准孔212(标准片)或检测孔211覆盖在其中一个比色皿模组6的同轴孔63的上方或者下方时，点光源1发出的光线经过离轴抛物面镜51反射后，变成平行光，经过标准孔212(标准片)或检测孔211、该组比色皿模组6的同轴孔63、比色皿61导向空心直角棱镜反射镜52，或者，点光源1发出的光线经过离轴抛物面镜51反射后，变成平行光，经过该组比色皿模组6的同轴孔63、比色皿61、标准孔212(标准片)或检测孔211导向空心直角棱镜反射镜52。
显然，该化学液用的近红外光谱检测系统的整个光路系统，未使用透镜，不存在色散问题。并且，该化学液用的近红外光谱检测系统为空间光路，没有设置光纤；因此，也不受光纤自身弯曲、应力、温度变化等因素的影响。综上，该化学液用的近红外光谱检测系统的光路稳定。
该化学液用的近红外光谱检测系统检测方法包括以下步骤：
为了实现暗电流采集，可以将旋转盘21上的检测孔211和标准孔212(标准片)均与任一个所述比色皿模组6错开。此时，光谱仪4接收不到光，实现了采集暗电流。
为了实现光路采集标定，可以将旋转盘21的标准孔212(标准片)与比色皿61真空模组相对，此时，其他N-1个光路均被旋转盘21格挡状态，仅有该比色皿61真空模组所在光路工作。点光源1的光由离轴抛物面镜51反射出平行光，穿过比色皿61真空模组的同轴孔63和旋转盘21上的标准片，经空心直角棱镜反射镜52反射到球形凹面反射镜3上后，最终焦点落在光谱仪4的狭缝中心上，被光谱仪4接收，达到标定目的。该过程与光谱结果无关，不影响系统的稳定性和后续的化学液检测结果。
为了实现光路采集参比，将旋转盘21上的检测孔211与那路比色皿61真空模组的同轴孔63对齐时，其他N-1个光路均被旋转盘21格挡状态，仅有该比色皿61真空模组所在光路工作。该采集参比时，旋转盘21对参比光路无任何影响。因此，可以无数次反复采集参比，该参比光路的重复性均到达数万分数级。
为了实现化学液光谱采集，可以将旋转盘21上的检测孔211与处于非真空状态的比色皿模组6中的任一同轴孔63对齐，此时其他的各光路均处于被旋转盘21格挡状态，仅有当前的比色皿模组6所在光路工作。此时，光谱仪4能接收到包含当前比色皿模组6内液体信息的光，并输出光谱；这样，液体光谱结果重复性高。
特别的，还包括控制装置，所述控制装置能定时对旋转盘21进行转动，从而定时获得各个比色皿模组6的采集结果。在运动切换模组2的作用下，采集光路可以在处于非真空状态的比色皿模组6间切换；达到定时或者非定时巡检功能。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。

Claims (10)

1.一种化学液用的近红外光谱检测系统，其特征在于，包括：点光源、旋转盘、球形凹面反射镜、光谱仪、N个光路模块、N个比色皿模组；
其中，旋转盘能绕一中心轴转动；所述点光源和球形凹面反射镜沿所述中心轴方向位于所述转动盘的两侧；所述球形凹面反射镜沿所述中心轴方向位于所述光谱仪和所述旋转盘之间；所述球形凹面反射镜的镜面面向所述光谱仪；所述球形凹面反射镜的中心、所述旋转盘的中心轴、所述点光源、所述光谱仪的狭缝共线；
所述旋转盘设置有贯通的检测孔，以及设置有标准片的标准孔；所述检测孔和所述标准孔分别与所述中心轴之间的距离相同；
其中，N个所述光路模块以所述中心轴为中心沿圆周方向间隔均匀排列；
每个所述光路模块包括离轴抛物面镜和空心直角棱镜反射镜；每个所述离轴抛物面镜位于所述旋转盘朝向所述点光源的一侧，每个所述空心直角棱镜反射镜位于所述旋转盘朝向所述球形凹面反射镜的一侧；
N个所述比色皿模组分别与N个所述光路模块一一对应；
所述检测孔和所述标准孔中的一个在随着所述旋转盘转动过程中能至少部分地或者全部的覆盖每一个所述比色皿模组，从而使得自点光源发出的光线能够在所述离轴抛物面镜作用下在通过所述旋转盘的检测孔或所述标准孔、所述比色皿模组后经由所述空心直角棱镜反射镜射向所述球形凹面反射镜；
所述检测孔的中心和所述标准孔的中心之间形成的圆心角的角度值不等于两个相邻的所述比色皿模组之间的圆心角的角度值；
其中，N为大于或等于2的正整数。
2.根据权利要求1所述的化学液用的近红外光谱检测系统，其特征在于，所述旋转盘具有至少一个工作位置，所述标准孔和所述检测孔均与任一个所述比色皿模组错开。
3.根据权利要求1所述的化学液用的近红外光谱检测系统，其特征在于，所述旋转盘沿所述中心轴方向位于所述比色皿模组和所述离轴抛物面镜之间。
4.根据权利要求1所述的化学液用的近红外光谱检测系统，其特征在于，所述旋转盘沿所述中心轴方向位于所述比色皿模组和所述空心直角棱镜反射镜之间。
5.根据权利要求1所述的化学液用的近红外光谱检测系统，其特征在于，所述球形凹面反射镜的焦点和所述光谱仪的狭缝中心所成的直线与所述中心轴重合。
6.根据权利要求1所述的化学液用的近红外光谱检测系统，其特征在于，由N个所述比色皿模组的中心形成的圆的半径和所述检测孔和所述中心轴之间的距离相同。
7.根据权利要求1所述的化学液用的近红外光谱检测系统，其特征在于，还包括控制装置，所述控制装置能定时对旋转盘进行转动，从而定时获得各个比色皿模组的采集结果。
8.根据权利要求1所述的化学液用的近红外光谱检测系统，其特征在于，N个所述比色皿模组中的至少一个内部处于真空状态。
9.根据权利要求1所述的化学液用的近红外光谱检测系统，其特征在于，每个所述比色皿模组包括具有一定光程的比色皿和套设在比色皿外侧的密封架。
10.一种采用如权利要求1至9任一项所述的化学液用的近红外光谱检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
使N个比色皿模组中的至少一个处于真空状态；
使标准片与检测孔均不与任何的比色皿模组相对，从而采集暗电流；
使标准片与处于真空状态的比色皿模组相对，进而采集实现标定；
使检测孔与处于真空状态的比色皿模组相对，进而采集得到采参比；
使检测孔与其他处于非真空状态的比色皿模组相对，进而得到该比色皿模组内的化学液的检测结果。
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