CN204612860U - 一种基于红外激光光谱的真空度检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于红外激光光谱的真空度检测系统，其特征是以近红外半导体激光器作为检测光源，半导体激光器控制模块将半导体激光器的输出中心波长调谐到水汽目标吸收谱线中心，以信号发生电路产生的锯齿波信号叠加在半导体激光器控制模块上使其输出波长在设定波长范围内周期性连续扫描，半导体激光器输出的激光束分束为检测光和参考光，检测光传输到外光路的发射探头，外光路是由处在对射位置上的发射探头和接收探头组成的检测光路，待测密封容器置于发射探头和接收探头之间，由信号采集处理模块对于检测光谱信号和同步干涉信号进行信号处理。本实用新型可以用于食品、医药工业真空密封容器真空度检测，以及实现快速检漏。

Description

一种基于红外激光光谱的真空度检测系统

技术领域

本实用新型属于一种激光在线检测系统，具体是一种针对食品、医药等工业中产品真空密封包装的真空度检测及检漏应用的红外半导体激光光谱测量系统。

背景技术

真空密封包装是防止产品长期存放变质的常用手段，在食品、药品等工业中对出厂产品真空密封包装进行无损真空检漏是国家对相关产品的强制性要求和必要工序，针对真空密封包装的快速、无损真空度测量和检漏在工业领域有着重要意义和广泛应用需求。传统的真空度测量仪表需要气路连通，会对密封包装造成破坏，检测速度慢，无法应用于产品真空密封包装的真空度在线测量与检漏。色水法是目前针对真空密封包装的无损真空度检测与检漏上较普遍应用的方法，但该方法最终是通过操作人员根据容器中药液量的变化或颜色的变化来判断容器是否泄漏，易产生误判，并有二次污染产品存在的风险。真空衰减法是常用的另一种检漏方法，检漏原理是容器泄漏会导致真空检测腔体内的真空度下降。首先将检测容器放到检测腔体内，对检测腔体抽真空，真空度第一次读数，预设时间(稳定)后，真空度第二次读数，两次读数的差值与预先设定的阈值进行比较，即可判定产品是否合格。该方法检漏可靠性高，但检测速度相对较慢。

实用新型内容

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种针对食品、医药等工业中产品真空密封包装的真空度在线检测及检漏应用的红外激光光谱真空度检测系统，实现密封容器内真空度的快速无损检测，满足工业产品真空密封包装的真空度在线无损检测及检漏应用需求。

本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案：

本实用新型基于红外激光光谱的真空度检测系统的特点是：以近红外半导体激光器作为检测光源，半导体激光器控制模块通过温度和电流控制将半导体激光器的输出中心波长调谐到水汽目标吸收谱线中心，设置信号发生电路，以所述信号发生电路产生的锯齿波信号叠加在半导体激光器控制模块上使其输出波长在设定波长范围内周期性连续扫描，半导体激光器输出的激光束分束为检测光和参考光，所述检测光经光纤接口通过单模光纤传输到外光路的发射探头，所述外光路是由处在对射位置上的发射探头和接收探头组成的检测光路，待测密封容器置于所述发射探头和接收探头之间；检测光在发射探头内经准直透镜准直后形成输出光，所述输出光经过待测密封容器后到达接收探头，所述接收探头内置有聚焦透镜和光电探测器，利用所述聚焦透镜将光束聚焦到光电探测器，所述光电探测器的输出电信号经电缆传输到主机箱，并通过电缆接口将电信号传送至第一低通滤波放大电路，所述低通滤波放大电路的输出信号由信号采集处理模块进行数据采集作为检测光谱信号；所述参考光通过光纤耦合进入光纤干涉仪，由光纤干涉仪和光纤耦合光电探测器构成系统参考光路，光纤干涉仪中的输出光束由光纤耦合光电探测器进行光电转换，由所述光纤耦合光电探测器输出的电信号传送至第二低通滤波放大电路，在所述第二低通滤波放大电路中输出的滤波放大后信号由信号采集处理模块进行数据采集作为同步干涉信号；由所述信号采集处理模块对于所述检测光谱信号和同步干涉信号进行信号处理。

本实用新型中基于红外激光光谱的真空度检测系统的结构特点是：所述半导体激光器输出的激光束是经光纤耦合在1×2光纤分束器分束为检测光和参考光。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型利用密封容器中释放的吸附水汽，以近红外激光光源作为检测光源，同时测量水汽分压和谱线压力展宽，实现了密封容器真空度无损快速检测。

2、本实用新型通过双光路检测，利用同步干涉条纹信号进行检测光谱时域向频域的转换及频率标定，更进一步结合谱线线型拟合获得谱线展宽的绝对值，实现了水汽分压和气体压强的绝对测量，消除了系统标定需要。

3、本实用新型利用红外半导体激光光谱法快速检测优点，通过快速扫描半导体激光器输出波长，获得水汽吸收谱线完整特征，进一步反演容器内气体压强，检测时间不大于10ms，满足了药品、食品行业生产线密封容器在线检测要求。

附图说明

图1为本实用新型基于红外激光光谱的真空度检测系统构成图；

图2为本实用新型基于红外激光光谱的真空度检测方法流程图；

图中标号：1主机箱，2半导体激光器控制模块，3激光器，4为1×2光纤分束器，5光纤干涉仪，6光纤接口，7单模光纤，8发射探头，9准直透镜，10接收探头，11光电探测器，12聚焦透镜，13电缆，14光纤耦合光电探测器，15电缆接口，16第一低通滤波放大电路，17总电源插座，18主电源开关，19直流稳压电源,20信号采集处理模块，21液晶显示器，22信号发生电路，23第二低通滤波放大电路。

具体实施方式

参见图1，本实施例中基于红外激光光谱的真空度检测系统的结构设置为：以近红外半导体激光器3作为检测光源，半导体激光器控制模块2通过温度和电流控制将半导体激光器3的输出中心波长调谐到水汽目标吸收谱线中心，设置信号发生电路22，以信号发生电路22产生的频率为200Hz的锯齿波信号叠加在半导体激光器控制模块2上使其输出波长在设定波长范围内周期性连续扫描，半导体激光器3输出的激光束经光纤耦合在1×2光纤分束器4中按9:1的光强比例分束为检测光和参考光，检测光经光纤接口6通过单模光纤7传输到外光路的发射探头8，外光路是由处在对射位置上的发射探头8和接收探头10组成的检测光路，待测密封容器置于发射探头8和接收探头10之间；检测光在发射探头8内经准直透镜9准直后形成输出光，输出光经过待测密封容器后到达接收探头10，接收探头10内置有聚焦透镜12和光电探测器11，利用聚焦透镜12将光束聚焦到光电探测器11，光电探测器11的输出电信号经电缆13传输到主机箱1，并通过电缆接口15将电信号传送至第一低通滤波放大电路16，低通滤波放大电路16的输出信号由信号采集处理模块20进行数据采集作为检测光谱信号；参考光通过光纤耦合进入光纤干涉仪5，由光纤干涉仪5和光纤耦合光电探测器14构成系统参考光路，光纤干涉仪5中的输出光束由光纤耦合光电探测器14进行光电转换，由光纤耦合光电探测器14输出的电信号传送至第二低通滤波放大电路23，在第二低通滤波放大电路23中输出的滤波放大后信号由信号采集处理模块20进行数据采集作为同步干涉信号；由信号采集处理模块20对于检测光谱信号和同步干涉信号进行信号处理，并由液晶显示器21进行显示输出；图1中所示直流稳压电源19为系统各部件供电，图1中还包括用于引入外部交流电源的总电源插座17，以及系统主电源开关18。

参见图1和图2，本实施例中基于红外激光光谱的真空度检测方法是按如下步骤进行：

步骤a、采用近红外半导体激光器作为检测光源，通过叠加在激光器驱动电流上的锯齿波信号实现输出波长在设定波长范围内周期性连续扫描，激光器的发射光束经光纤分束器后分为检测光和参考光，检测光通过待测真空密封容器构成检测光路，实现对待测真空密封容器内水汽在近红外光谱区一条孤立的水汽目标吸收谱线的检测，得到水汽检测光谱信号D₀(n)；参考光输入至光纤干涉仪作为获取同步干涉信号R₀(n)的参考光路，真空密封容器对近红外光具有透光性；水汽在近红外光谱区一条孤立的目标吸收谱线是指不受水汽其它谱线以及真空密封容器内其它气体谱线干扰的水汽吸收谱线。

步骤b、检测光谱信号时域向频域转换与波长标定

检测光谱信号D₀(n)为时域信号，参考光路同步干涉信号R₀(n)为等频率间距条纹信号，δv₀为等频率间距条纹信号的条纹频率间距，确定等频率间距条纹信号的第i个条纹峰值的时域采样点位置为n_0i，以第一个干涉条纹峰值位置作为参考频率点n₀₁，则各条纹峰值相对参考频率点n₀₁的频率偏移量为(i-1)δv₀，得到一组条纹峰值时域采样点位置与对应频率偏移量的数据点为(n_0i，(i-1)δv₀)，通过拟合得到关于信号时域采样点n频域的频率偏移量函数Δv(n)如式(1)，其中a、b、c和d均为拟合参数；

Δv(n)＝a+bn+cn²+dn³   (1)

以v₀表示水汽目标吸收谱线的中心频率，确定中心频率v₀在检测光谱信号时域采样点为n₀，则中心频率v₀时域采样点n₀位置相对参考频率点的频率偏移量Δv(n₀)为： $\mathrm{\Δ}v\left(n_0\right)=a+{\mathrm{bn}}_0+{\mathrm{cn}}_0^2+{\mathrm{dn}}_0^3;$

令v(n)为时域采样点n对应的频域值，则检测光谱信号的时域与频域转换关系如式(2)：

v(n)＝v₀-(Δv(n₀)-Δv(n))   (2)

利用式(2)对时域检测光谱信号D₀(n)进行波长标定，得到频域检测光谱信号D₀(v)，D₀(v)中v＝v(n)。

关于波长标定：通过信号采集得到的检测光谱信号D₀(n)为时域信号，采样点以n表示，每一个采样点数据即为(n，数据)，采样点n与采样时间直接相关；另一方面，激光器工作特征是波长扫描输出，在一个扫描周期里输出波长与时间相关，因此采样时间与输出波长关联，即频率与采样点n相关，对应关系由式(2)表示，利用(2)式将采样点n变换成对应的频率即波长v，得到频域检测光谱信号D₀(v)，频域检测光谱信号的数据点为(v，数据)，如此时域向频域变换即为波长标定。

步骤c、背景光强拟合

以函数B(v)表示透射光强函数，通过对频域检测光谱信号D₀(v)中没有水汽吸收的背景光谱区数据进行拟合得到拟合函数如式(3)，其中b₀、b₁、b₂和b₃是拟合参数；

B(v)＝b₀+b₁v+b₂v²+b₃v³   (3)

则有，归一化检测光谱信号D(v)为：

以ΔD(v)表示水汽吸收系数光谱信号，则有：ΔD(v)＝1-D(v)；水汽吸收系数光谱信号ΔD(v)中每一频率数据点的数值即为水汽在该频率处的吸收系数。

步骤d：谱线拟合与光谱参数获取

对水汽吸收系数光谱信号ΔD(v)按式(4)所示的拟合函数Φ_V(v)进行谱线线型拟合；

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_V\left(v\right)=\frac{P_{H2O}SL}{2v_V(1.065+0.447x+0.058x^2)}\{(1-x)\exp (-0.693y^2)+x/(1+y^2)\\ +0.016(1-x)x\[\exp (-0.0814y^{2.25})-1/(1+0.021y^{2.25})\]\}\end{array}---\left(4\right)$

式(4)中，p_H2O为容器内水汽分压，S为水汽目标吸收谱线吸收线强，L为水汽吸收光程，L取为待测真空密封容器的内径；x＝v_L/v_V，y＝2|v－v₀|/v_V，v_D是水汽目标吸收谱线多普勒展宽、v_L是水汽目标吸收谱线压力展宽，v_V是水汽目标吸收谱线复合线型的半高宽，并有：

v_V＝2[0.5346(v_L/2)+(0.2166(v_L/2)²+(v_D/2)²)^1/2]   (5)

对式(4)采用L-M非线性拟合算法，分别得到水汽吸收光谱积分吸收系数p_H2OSL、多普勒展宽v_D和压力展宽v_L；

则容器内水汽分压p_H2O为：

将容器内气体除水汽以外的剩余气体视为空气，令容器内空气分压为p_air，则有：

$p_{air}=\frac{v_L-p_{H2O}{\mathrm{\γ}}_{H2O}}{{\mathrm{\γ}}_{air}}$

其中，γ_H2O为水汽目标吸收谱线压力自展宽系数，γ_air为水汽目标吸收谱线空气展宽系数，则容器内气压p为： $p=p_{H2O}+p_{air}=p_{H2O}+\frac{v_L-p_{H2O}{\mathrm{\γ}}_{H2O}}{{\mathrm{\γ}}_{air}},$ 以容器内气压p表征待测真空密封容器的真空状态。

本实用新型利用密封容器顶空释放的吸附水汽红外高分辨吸收谱线展宽特征，通过测量水汽吸收谱线压力展宽实现真空压力检测，针对水汽和空气不同碰撞压力展宽特性，结合对水汽分压的同时检测，分别计算水汽分压和空气分压对谱线展宽的贡献，实现容器内气压的快速精确测量，满足工业产品真空密封包装的真空度在线检测及检漏应用需要。

本实用新型可以根据实际检测光程大小和水汽吸收强弱，选择较强或较弱的水汽吸收谱线作为分析谱线，达到优化检测的目的，适用于玻璃及其它红外透光性较好材料的密封容器真空度在线检测与检漏。

Claims (2)

1.一种基于红外激光光谱的真空度检测系统，其特征是：以近红外半导体激光器(3)作为检测光源，半导体激光器控制模块(2)通过温度和电流控制将半导体激光器(3)的输出中心波长调谐到水汽目标吸收谱线中心，设置信号发生电路(22)，以所述信号发生电路(22)产生的锯齿波信号叠加在半导体激光器控制模块(2)上使其输出波长在设定波长范围内周期性连续扫描，半导体激光器(3)输出的激光束分束为检测光和参考光，所述检测光经光纤接口(6)通过单模光纤(7)传输到外光路的发射探头(8)，所述外光路是由处在对射位置上的发射探头(8)和接收探头(10)组成的检测光路，待测密封容器置于所述发射探头(8)和接收探头(10)之间；检测光在发射探头(8)内经准直透镜(9)准直后形成输出光，所述输出光经过待测密封容器后到达接收探头(10)，所述接收探头(10)内置有聚焦透镜(12)和光电探测器(11)，利用所述聚焦透镜(12)将光束聚焦到光电探测器(11)，所述光电探测器(11)的输出电信号经电缆(13)传输到主机箱(1)，并通过电缆接口(15)将电信号传送至第一低通滤波放大电路(16)，所述低通滤波放大电路(16)的输出信号由信号采集处理模块(20)进行数据采集作为检测光谱信号；所述参考光通过光纤耦合进入光纤干涉仪(5)，由光纤干涉仪(5)和光纤耦合光电探测器(14)构成系统参考光路，光纤干涉仪(5)中的输出光束由光纤耦合光电探测器(14)进行光电转换，由所述光纤耦合光电探测器(14)输出的电信号传送至第二低通滤波放大电路(23)，在所述第二低通滤波放大电路(23)中输出的滤波放大后信号由信号采集处理模块(20)进行数据采集作为同步干涉信号；由所述信号采集处理模块(20)对于所述检测光谱信号和同步干涉信号进行信号处理。

2.根据权利要求1所述的基于红外激光光谱的真空度检测系统，其特征是：所述半导体激光器(3)输出的激光束是经光纤耦合在1×2光纤分束器(4)分束为检测光和参考光。