CN1995972A - 一种近红外光谱分析仪 - Google Patents

Abstract

提供一种近红外光谱分析仪，该分析仪包括光源、样品池、光收集单元、分光检测单元、数据处理单元和光具平台；其中，该分析仪还包括导轨，导轨位于光具平台上，样品池与导轨滑动配合，所述光收集单元为漫透射光收集装置。本发明的样品池是可移动的，这样在进行固体样品分析时可以改变光源在样品池上的照射位置，从而可以对固体样品进行多位置分析。此外，漫透射光收集装置可以有效的收集光源照射在固体样品上所产生的散射光并提供给分光检测单元。

Description

一种近红外光谱分析仪

技术领域

本发明涉及一种近红外光谱分析仪，更具体的说是涉及一种用于固体颗粒样品的近红外光谱分析仪。

背景技术

在一些固体产品的生产过程中，例如聚丙烯树脂，常常需要定时分析产品中的固体粉料、粒料的熔融指数、拉伸强度、屈服强度等指标，并根据分析结果调整工艺参数，将产品质量控制在设定的范围内。常规检测通常采用标准分析方法，但是很多指标的标准分析方法操作步骤繁琐，导致分析结果滞后，很难满足生产控制和产品及时出厂的要求。比如聚丙烯树脂产品的拉伸性能试验方法，整个分析过程必须经过样条的制备、标准环境交换、拉伸性能测定三个阶段，对测试环境要求极为严格，一个样品分析周期要36小时或100小时，并且要求操作人员具有较高的技术水平。

近年来，随着近红外光谱技术和化学计量学的发展，固体样品的近红外光谱分析方法得到深入研究并开始应用在不同领域。

早期固体颗粒和粉末样品的近红外光谱分析方法主要采用滤光片分光，结合多元线性方法进行定量分析。受到滤光片分光方式的限制，该类型仪器无法获得足够丰富的样品信息。此外，采用漫反射附件的傅立叶变换型近红外光谱仪也广泛用于固体样品的性质分析，但是这种近红外光谱分析仪的分光系统结构复杂，仪器体积大，价格昂贵。

近年来，随着光电技术的发展，采用光栅分光结合阵列检测进行近红外光谱分析可以兼具分析速度快、光谱信息丰富的特点。例如CN2285895A和CN1472525A两项专利分别介绍了两种采用固定光路、光栅、CCD检测器，利用透射光来分析液体样品的近红外光谱分析仪。但是由于近红外光穿过固体颗粒和粉状样品会发生严重的散射现象，而颗粒的表面形貌和堆积状态都会对光散射产生很大影响，所以，采用这两种近红外光谱分析仪所采用的固定样品池均无法全面反映固体颗粒样品的特征，很难满足固体粉末和颗粒样品分析的重复性要求，得到理想的光谱和准确的分析结果。

发明内容

本发明针对上述透射式近红外光谱分析仪采用固定样品池无法反映固体样品的特征的局限，提供一种可用于固体样品分析的、具有可移动样品池的近红外光谱分析仪。

本发明所提供的近红外光谱分析仪，包括光源、样品池、光收集单元、分光检测单元、数据处理单元和光具平台，所述光源、样品池和光收集单元依次置于光具平台上，所述分光检测单元与数据处理单元连接；所述光收集单元将收集的光提供给分光检测单元，所述分光检测单元将输入的光进行分光并转换成电信号输出到数据处理单元，所述数据处理单元对接收到的电信号进行数据处理得到光谱；其中，该分析仪还包括导轨，导轨位于光具平台上，样品池与导轨滑动配合，所述光收集单元为漫透射光收集装置。

采用本发明所提供的近红外光谱分析仪，由于样品池与光具平台上的导轨滑动配合，所以该样品池是可移动的，这样在进行固体样品分析时可以改变光源在样品池上的照射位置，从而可以对固体样品进行多位置分析。此外，还运用了漫透射光收集装置，根据本发明的优选实施方式面光源照射装有固体样品的样品池，光源发出的光在样品表面和内部会发生反射、折射、衍射和透射，其中穿过样品池的部分主要是漫透射光，即透射光和散射光的叠加，并且散射光占主要部分。所述漫透射光收集装置可以有效的收集这些漫透射光并提供给分光检测单元，从而数据处理单元可以根据分光检测单元所提供的电信号分析出近红外光谱。该近红外光谱分析仪适用于高分子聚合物树脂质量指标的分析，特别适用于聚丙烯树脂质量指标分析，也可用于测定其他固体样品的水分、蛋白含量和羟基等参数。

附图说明

图1是本发明所提供的近红外光谱分析仪的组成和光路示意图；

图2是本发明所提供的样品池与导轨滑动配合的一种实施方式的示意图；

图3是本发明所提供的样品池与导轨滑动配合的另一种实施方式的示意图；

图4是本发明所提供的近红外光谱分析仪的组件放置示意图；

图5是使用实例1的近红外光谱分析仪A所得到的聚丙烯粒料样品的光谱图；

图6是使用实例2的近红外光谱分析仪B所得到的聚丙烯粒料样品的光谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1所示为本发明所提供的近红外光谱分析仪的组成以及光路示意图，图2为本发明中的样品池与导轨滑动配合的一种实施方式的示意图，图3为本发明所提供的样品池与导轨滑动配合的另一种实施方式的示意图。该分析仪包括光源10、样品池20、光收集单元30、分光检测单元50、数据处理单元60和光具平台70，所述光源10、样品池20和光收集单元30依次置于光具平台70上；所述光源10照射样品池20，所述光收集单元30收集透过样品池20的光并将收集的光提供给分光检测单元50，所述分光检测单元50将输入的光进行分光并转换成电信号输出到数据处理单元60，所述数据处理单元60对接收到的电信号进行数据处理得到光谱；其中，该分析仪还包括导轨21，导轨21位于光具平台70上，样品池20与导轨21滑动配合，所述光收集单元30为漫透射光收集装置。

其中，所述样品池20可以为任意形状，优选为长方体，便于放置样品。所述样品池20选用经黑色阳极氧化加工的铝合金。

所述样品池20还包括两个透光窗片22，彼此相对地位于样品池20的内壁上，其中一个透光窗片22与光源10相对，另一个透光窗片22与光收集单元30相对，与光源10相对的透光窗片22固定，与光收集单元30相对的透光窗片22可动，这样可以通过调整该窗片控制光程。所述透光窗片4为近红外区域不吸收的玻璃，例如K9、JGS2等。

如图2所示，所述导轨21可以为位于光具平台70上的凹槽，所述凹槽的宽度以样品池20能在导轨21中滑动为限。该导轨21也可以为一根或多根滑动轴，所述样品池20的下部具有轴孔与之配合。

所述样品池20的滑动可以采用于动方式，但是手动方式会对光谱重复性产生影响，所以优选情况下采用电动方式，即该分析仪还包括牵引电机和牵引电机控制模块，所述牵引电机控制模块与牵引电机电连接，输出用于控制牵引电机的启动、停止和运行速度的控制信号。所述牵引电机使样品池20在导轨21上滑动。

所述牵引电机优选为步进电机，这样可以控制样品池20匀速运动，使光源10发出的光连续透过。

所述牵引电机可以直接带动样品池20，也可以间接带动样品池20。优选情况下，如图3所示，所述分析仪优选还包括移动平台24，牵引电机带动该移动平台24，所述样品池20放置在该移动平台24上，所述移动平台24具有轴孔25，导轨21为穿过所述轴孔25并固定在光具平台70上的轴。这样所述移动平台24在牵引电机的带动下可以在导轨21上滑动。

所述移动平台24还包括卡槽26，所述样品池20卡在该卡槽26中，可以防止运动时样品池20的摆动。

所述分析仪还包括限位器23，位于导轨21的两端，与牵引电机控制模块合同作用以控制样品池(20)的行程。所述合同作用根据限位器23的不同而采用不同的合同设定，例如机械式限位器与光电式限位器之间的合同必然不同，这点为本领域人员所公知。所述限位器23为任何可以限制滑动的装置，优选为限位开关，更优选为光电式限位开关。这种情况下，上述牵引电机控制模块还可以接收来自所述光电式限位开关的信号并根据该信号调整牵引电机的控制信号。当样品池20滑动到导轨的一端时，所述光电式限位开关启动，并向牵引电机控制模块发出信号，所述牵引电机控制模块根据该信号输出控制牵引电机向反方向运动或停止的控制信号。

所述光源10可以为点光源，也可以为面光源。由于用于固体颗粒测试分析，所以需要较大功率的光源，所以优选为面光源，更优选为带反射杯的卤钨灯。

为了保证样品测试的一致，所述光源10的输出功率要尽可能恒定。因此，所述光源10可以外接大功率稳压电源，优选情况下也可以包括光源补偿控制模块；所述光源补偿控制模块接收光源信号，比较光源信号的强弱变化，并输出补偿信号到光源10的电源，以控制光源10输出稳定的能量。当接收到的光源信号与设定值相比减弱时，所述光源补偿控制模块输出增强信号到光源10的电源，以增强光源10的输出功率；当接收到的光源信号与设定值相比增强时，所述光源补偿控制模块输出减弱信号到光源10的电源，以减弱光源10的输出功率。所述设定值由用户预先设定。

由于本分析仪用于固体样品分析，所以光源10照射样品池20中的固体样品之后会发生反射、折射、衍射和透射。穿过样品池的部分主要是漫透射光，即透射光和散射光的叠加，并且散射光占主要部分。因此，所述光收集单元30为漫透射光收集装置，起到会聚散射光的作用，所述漫透射光收集装置可以为透镜组或积分球，所述透镜组优选为大口径透镜组。

所述光收集单元30将收集的光提供给分光检测单元50，优选通过光纤40提供给分光检测单元50。所述光纤40可以根据传输光的特征进行选择。

所述分光检测系统50包括光栅53和检测器55，分别用于对输入的光进行分光和将分光后的光信号转换成电信号。

其中，所述光栅53可以为透射式或反射式光栅。如图1中所示，所述光栅53为反射式光栅，所述分光检测系统50还包括了反射镜54用于调整光路。

所述检测器55为阵列检测器，所述阵列检测器可以采用各种阵列检测器，例如Si、InGaAs或PbS光电二极管线列检测器，所述阵列检测器的象元数可以是256、512、1024、2048、4086等，波长范围在700-2500nm内，取值间隔相等或不等，制冷方式可以采用任何制冷方式，例如水冷、风冷、热电制冷。

所述检测器55将转换后的电信号通过电缆线输出到数据处理单元60。

所述分光检测系统还可以包括透镜组51、狭缝52，分别用于将输入的光会聚和滤掉杂散光线。当杂散光线较少时，所述狭缝52可以省略。

由于本发明采用固定光路，受温度影响光路会发生轻微变化从而影响分光效果，因此为了保证波长稳定，所述分光检测系统50需要恒温环境。因此，优选情况下，所述分光检测系统50还包括恒温室56、电热片、温度传感器和温度控制模块。所述分光检测系统50位于恒温室56内；所述温度传感器置于恒温室56中用于感测恒温室56内的环境温度信号并输出到所述温度控制模块；所述温度控制模块接收所述环境温度信号，比较环境温度信号的高低变化，并输出补偿信号到电热片，使恒温室56内部的环境温度保持恒定。当温度传感器感测到恒温室56内的环境温度高于设定值时，所述温度控制模块输出降低温度的补偿信号到电热片，从而降低恒温室56内的环境温度；当温度传感器感测到恒温室56内的环境温度低于设定值时，所述温度控制模块输出升高温度的补偿信号到电热片，从而升高恒温室56内的环境温度。所述电热片为电热装置，其结构为本领域人员所公知。

以上所述的牵引电机控制模块、光源补偿控制模块、温度控制模块可以集成为控制单元80，所述控制单元80可以为单片机，如图4所示。

所述数据处理单元60，对接收到的电信号进行数据处理得到光谱，可以为单片机或计算机，所述数据处理单元60包括A/D转换模块、运算模块和存储器。

其中，所述A/D转换模块用于将检测器55输出的模拟信号转换为数字信号，以便于对数据进行分析、处理、运算。所述A/D转换模块可以采用A/D转换器，其构成和连接为本领域人员所公知。

所述运算模块对A/D转换模块输出的数字信号进行数据处理得到近红外光谱。所述数据处理的方法为本领域人员所公知，例如采用下面的流程：分别测定暗电流、背景和装入样品后的检测器55输出信号的能量，通过式1转换为吸光度数据，得到样品的近红外光谱：

$A=-\log \frac{E_s-E_0}{E_r-E_0}$ (式1)

式中，E_O为光源关闭状态下对暗电流检测的输出能量，E_r为光源开启状态下对装入内置背景检测的输出能量，即装入样品前，E_s为光源开启状态下对样品检测的输出能量。

所述运算模块还可以根据得到的光谱计算固体样品的质量指标，所述质量指标包括平均分子量、熔融指数、熔体流动速度、密度、某种成分的含量、拉伸强度等与分子结构相关的理化参数和力学参数。所述计算方法为本领域人员所公知化学计量学方法。所述化学计量学方法根据质量指标与近红外光谱的相关程度可以采用最小二乘法(PLS)、主成分回归(PCR)、人工神经网络(ANN)等不同方法。

所述运算模块可以根据预先测定的样品建立样品模型，并根据该样品模型对要测定的样品进行预测。

所述存储器存储数据处理程序和存储执行该程序时所产生的数据，所以所述存储器包括存储数据处理程序的区域和存储执行该程序时所产生的数据的区域。

所述数据处理单元60还可以包括校正模块，所述校正模块通过标准光源对波长进行校正，通过对标准样品的测定进行模型校正。

所述数据处理单元60还可以包括显示模块，用于显示数据处理单元60进行数据处理之后所产生的数据。

所述分析仪还可以包括外壳，光源10、样品池20、光收集单元30、分光检测单元50、光具平台70和导轨21，或者光源10、样品池20、光收集单元30、分光检测单元50、光具平台70、导轨21和控制单元80位于外壳内，所述外壳具有样品池20的出入口，便于样品池20的放入和取出。

所述光具平台70为重量较大的金属平台，为放置光学仪器以及起到稳定作用。其结构为本领域人员所公知，在此不做过多说明。

下面通过实例对本发明做具体说明。

实例1

本实例用于说明本发明的近红外光谱分析仪。

根据图1中所示结构，采用额定功率为50瓦、带反射杯的卤钨灯作为光源；图3中所示的样品池结构；口径为30mm的透镜作为漫透射光收集装置；分光检测单元采用图1中所示结构并通过直径0.6mm光纤与漫透射光收集装置连接，其中，检测器为InGaAs光电二极管线列，像元数为512，波长范围900-1700nm，光谱数据按照像元顺序等间隔取值；光栅为透射全息光栅；狭缝宽度为50微米；数据处理单元为普通计算机。由此构建本发明所提供的近红外光谱分析仪A。

实例2

本实例用于说明本发明的近红外光谱分析仪。

按照实例1构建本发明所提供的近红外光谱分析仪B，所不同在于分光检测单元中的检测器为CCD光电二极管线列，像元数为512，波长范围900-1700nm，光谱数据按照像元顺序等间隔取值；光栅为反射全息光栅。

实例3

本实例用于说明本发明的近红外光谱分析仪的性能。

分别启动上述近红外光谱分析仪A和B，分析仪进行自检、预热。调用数据处理单元的分析功能后，分析仪提示装样。在近红外光谱分析仪A和B的样品池中装入聚丙烯粒料样品后，将样品池放入红外光谱分析仪A和B中。样品池自动定位并开始采集光谱，计算并显示样品光谱和测量结果。

在近红外光谱分析仪A和B上所得的光谱如图5和图6所示。

Claims (24)

1.一种近红外光谱分析仪，该分析仪包括光源(10)、样品池(20)、光收集单元(30)、分光检测单元(50)、数据处理单元(60)和光具平台(70)，所述光源(10)、样品池(20)和光收集单元(30)依次置于光具平台(70)上；所述光源(10)照射样品池(20)，所述光收集单元(30)收集透过样品池(20)的光并将收集的光提供给分光检测单元(50)，所述分光检测单元(50)将输入的光进行分光并转换成电信号输出到数据处理单元(60)，所述数据处理单元(60)对接收到的电信号进行数据处理得到光谱；其中，该分析仪还包括导轨(21)，导轨(21)位于光具平台(70)上，样品池(20)与导轨(21)滑动配合，所述光收集单元(30)为漫透射光收集装置。

2.根据权利要求1所述的分析仪，其中，所述样品池(20)为长方体。

3.根据权利要求1所述的分析仪，其中，所述分析仪还包括牵引电机和牵引电机控制模块；所述牵引电机控制模块与牵引电机电连接，输出用于控制牵引电机的启动、停止和运行速度的控制信号；所述牵引电机使样品池(20)在导轨(21)上滑动。

4.根据权利要求3所述的分析仪，其中，所述牵引电机为步进电机。

5.根据权利要求4所述的分析仪，其中，所述分析仪还包括移动平台(24)，牵引电机带动该移动平台(24)，所述样品池(20)放置在该移动平台(24)上，所述移动平台(24)具有轴孔(25)，导轨(21)为穿过所述轴孔(25)并固定在光具平台(70)上的轴。

6.根据权利要求5所述的分析仪，其中，所述移动平台(24)还包括卡槽(26)，所述样品池(20)卡在该卡槽(26)中。

7.根据权利要求3所述的分析仪，其中，所述分析仪还包括限位器(23)，位于导轨(21)的两端，与牵引电机控制模块合同作用以控制样品池(20)的行程。

8.根据权利要求7所述的分析仪，其中，所述限位器(23)为光电式限位开关，所述牵引电机控制模块接收来自所述光电限位开关的信号并根据该信号调整牵引电机的控制信号。

9.根据权利要求1所述的分析仪，其中，所述光源(10)为面光源。

10.根据权利要求9所述的分析仪，其中，所述面光源为带反射杯的卤钨灯。

11.根据权利要求1、9或10中任一个所述的分析仪，其中，所述光源(10)还包括光源补偿控制模块；所述光源补偿控制模块接收光源信号，比较光源信号的强弱变化，并输出补偿信号到光源(10)的电源。

12.根据权利要求1所述的分析仪，其中，所述漫透射光收集装置为透镜组或积分球。

13.根据权利要求1所述的分析仪，其中，所述光收集单元(30)将收集的光通过光纤(40)提供给分光检测单元(50)。

14.根据权利要求1所述的分析仪，其中，所述分光检测系统(50)包括光栅(53)和检测器(55)，分别用于对输入的光进行分光和将分光后的光信号转换成电信号。

15.根据权利要求14所述的分析仪，其中，所述光栅(53)为透射式或反射式光栅。

16.根据权利要求14所述的分析仪，其中，所述检测器(55)为阵列检测器。

17.根据权利要求14所述的分析仪，其中，所述检测器(55)将转换后的电信号通过电缆线输出到数据处理单元(60)。

18.根据权利要求1所述的分析仪，其中，所述分光检测系统(50)还包括恒温室(56)、电热片、温度传感器和温度控制模块；所述分光检测系统(50)位于恒温室(56)内；所述温度传感器置于恒温室(56)中用于感测恒温室(56)内的环境温度信号并输出到所述温度控制模块；所述温度控制模块接收所述环境温度信号，比较环境温度信号的高低变化，并输出补偿信号到电热片，使恒温室(56)内部的环境温度保持恒定。

19.根据权利要求1所述的分析仪，其中，所述分析仪还包括：

(a)牵引电机和牵引电机控制模块，所述牵引电机控制模块与牵引电机电连接，输出用于控制牵引电机的启动、停止和运行速度的控制信号；所述牵引电机带动样品池(20)使样品池(20)在导轨(21)上滑动；所述牵引电机控制模块还接收来自所述光电限位开关的信号并根据该信号调整牵引电机的控制信号；

(b)光源补偿控制模块，所述光源补偿控制模块接收光源信号，比较光源信号的强弱变化，并输出补偿信号到光源(10)的电源；

(c)恒温室(56)、电热片、温度传感器和温度控制模块；所述分光检测系统(50)位于恒温室(56)内；所述温度传感器置于恒温室(56)中用于感测恒温室(56)内的环境温度信号并输出到所述温度控制模块；所述温度控制模块接收所述环境温度信号，比较环境温度信号的高低变化，并输出补偿信号到电热片，使恒温室(56)内部的环境温度保持恒定；

所述的牵引电机控制模块、光源补偿控制模块、温度控制模块集成为控制单元(80)，所述控制单元(80)为单片机。

20.根据权利要求1所述的分析仪，其中，所述数据处理单元(60)为单片机或计算机，包括A/D转换模块、运算模块和存储器；所述A/D转换模块用于将检测器(55)输出的模拟信号转换为数字信号；所述运算模块对A/D转换模块输出的数字信号进行数据处理得到近红外光谱；所述存储器存储数据处理程序和存储执行该程序时所产生的数据。

21.根据权利要求20所述的分析仪，其中，所述运算模块根据预先测定的样品建立样品模型，并根据该样品模型对要测定的样品进行预测。

22.根据权利要求20所述的分析仪，其中，所述数据处理单元(60)还包括校正模块，所述校正模块通过标准光源对波长进行校正，通过对标准样品的测定进行模型校正。

23.根据权利要求20所述的分析仪，其中，所述数据处理单元(60)还包括显示模块，用于显示数据处理单元(60)进行数据处理之后所产生的数据。

24.根据权利要求1或19所述的分析仪，其中，所述分析仪还包括外壳，光源(10)、样品池(20)、光收集单元(30)、分光检测单元(50)、光具平台(70)和导轨(21)，或者光源(10)、样品池(20)、光收集单元(30)、分光检测单元(50)、光具平台(70)、导轨(21)和控制单元(80)位于外壳内，所述外壳具有样品池(20)的出入口。

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