CN208902604U - 一种测量液体成分光谱特性的光谱探测仪 - Google Patents
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Abstract
本专利公开了一种测量液体成分光谱特性的光谱探测仪。该专利基于声光可调滤光器等可电控分光器件的分光功能，利用宽光谱光源作为标准光源，标准光源经过准直透镜组准直，再利用声光可调滤光器对准直光进行光谱滤光，从而产生一定光谱特性的宽光谱源，再将被测液体放置于该宽光谱源之后，通过探测有无被测液体前后的光谱曲线，通过两条光谱曲线的比对，从而分析被测液体的内部成分信息。该专利适用于光谱检测与分析等领域，该光谱探测仪结构简单，光谱探测定标方法简单、价格低廉。
Description
技术领域
本专利涉及一种光谱分析仪器，特别指一种测量液体成分光谱特性的光谱探测仪，该专利适用于液体的光谱检测与分析领域，特别适用于液体食品、药品等成分检测等领域。
背景技术
光谱仪器从其出现以来就在实验室中扮演着至关重要的角色。各类光谱分析技术被应用在过程监控、化合物识别、化学结构测定等任务中。近年来，随着各地方政府对环境/污染监控政策的日趋严厉，使得监测仪器的需求不断增加，未来光谱仪器需求的放开也成了大势所趋。
随着我国经济的迅速发展，人们的生活水平得到了很大的提高，对于食品的营养、保健及安全给予了越来越多的关注。近年来由于一系列食品原料的化学污染、畜牧业中抗生素的应用、基因工程技术的应用，使食品污染导致的食源性疾病呈上升趋势。我国三鹿奶粉事件或者说三聚氰胺食品安全事故，更是对整个食品行业甚至对中国食品和农产品加工业在世界范围的品质声誉构成了负面影响，对消费者所造成的生理和心理伤害则是无法弥补的。目前，国内的近红外成分分析仪市场几乎完全被国外产品垄断，每年市场超百亿人民币。近红外成分分析仪产品无论是从需求，消费方面，都体现出极大的潜力，我国近红外成分分析仪需求巨大，应用行业分布较多，因此从需求及消费角度考虑，产品转移转化开发前景巨大。
本专利利用声光可调谐滤光器的波长可选择性,从而实现对物质的光谱探测。声光可调谐滤光器(Acousto-optic tunable filter，AOTF)是一种窄带可调谐滤光器，它是根据声光作用原理制成的分光器件。通过改变施加在晶体上的射频驱动的频率选择分光波长，从而实现波长扫描。目前该技术已广泛应用于非成像及成像光谱仪器。
发明内容
本专利的目的是提供了一种测量液体成分光谱特性的光谱探测仪，该专利基于声光可调滤光器等可电控分光器件的分光功能，利用宽光谱光源作为标准光源，标准光源经过准直透镜组准直，再利用声光可调滤光器对准直光进行光谱滤光，从而产生一定光谱特性的宽光谱源，再将被测液体放置于该宽光谱源之后，通过探测有无被测液体前后的光谱曲线，通过两条光谱曲线的比对，从而分析被测液体的内部成分及含量信息。
该专利的关键部件为声光可调滤光器，声光可调谐滤光器(Acousto-optictunable filter，AOTF)是一种窄带可调谐滤光器，它是根据声光作用原理制成的分光器件。通过改变施加在晶体上的射频驱动的频率选择分光波长，从而实现波长扫描。目前该技术已广泛应用于非成像及成像光谱仪器。声光可调滤光器(AOTF)的分光原理：当一束复色光通过一个高频振动的具有光学弹性的晶体时，某一波长的单色光将会在晶体内部产生衍射，以一定角度从晶体中透射出来，未发生衍射的复色光则沿原光线传播方向直接投射过晶体，由此达到分光的目的。当晶体振动频率改变时，可透射单色光的波长也相应改变。
本专利为一种测量液体成分光谱特性的光谱探测仪及其方法，它包括防尘遮光模块1、光谱分析模块2、数据采集与控制模块3；其基本特征在于：防尘遮光模块1由仪器上盖101和仪器下盖102组成；仪器上盖101保护防止灰尘污染光路并方便待测样品的插入；仪器下盖102保护防止外界因素污染电路并同时固定封装电路；当仪器探测时直接通过仪器上盖101上预留的样品孔将样品插入仪器进行探测。
光谱分析模块2由宽光谱光源201，光纤聚光透镜组202、光纤203、光纤准直透镜组204、起偏格兰棱镜205、声光可调滤光器206、检偏格兰棱镜207、液体器皿208、会聚透镜组209、探测器210、光源模块底板211、光路模块底板212和支撑柱213组成；光谱探测仪工作时，宽光谱光源201发出的宽光谱光束经过光纤聚光透镜组202聚焦进入光纤203，光纤203输出的光束经过光纤准直透镜组204后准直输出，准直光经过起偏格兰棱镜205后形成水平或竖直方向线偏光，该线偏光经过声光可调滤光器206后再经过检偏格兰棱镜207，检偏格兰棱镜207的方向与起偏格兰棱镜205的方向正交；当声光可调滤光器 206未工作时，准直光无法通过检偏格兰棱镜207，当声光可调滤光器206在某一射频驱动频率下工作时，某一波长的光会发生衍射，衍射光的偏振方向与检偏格兰棱镜207的方向一致，该衍射光经过检偏格兰棱镜207、液体器皿208、会聚透镜组209后，被探测器210探测到，通过改变射频驱动的频率来实现对不同波长的探测，从而完成宽光谱曲线探测，通过探测有无被测液体前后的光谱曲线，通过两条光谱曲线的比对，从而分析被测液体的内部成分信息。光源模块和光路模块分别固定在光源模块底板211和光路模块底板212上，光源模块底板211通过四个支撑柱213固定在光路模块底板212上。
数据采集与控制模块3由电源及控制电路板3-1、射频功率放大器3-2、支撑结构3-3、散热风扇3-4组成，电源及控制电路板3-1由电源电路311、 FPGA电路312、射频驱动信号发生电路313、光源调节控制电路314、信号处理电路315、探测器温控电路316、温度信息采集电路317、通信电路318、温度信息收集电路(319)组成；其中电源电路311将供电转化为二次电源，满足数据采集与控制模块3各单元的供电需求；由通信电路318接收指令通过 FPGA电路312控制光谱采集系统工作；FPGA电路312控制射频驱动信号发生电路313产生所需频率的射频信号，通过射频功率放大器3-2放大，施加于声光可调滤光器206；FPGA电路312控制射频驱动信号发生电路313产生射频通道选择信号至射频功率放大器3-2选择射频信号输出通道，满足仪器光谱选择的需求；FPGA电路312控制光源调节控制电路314实现对光源强度的调节；FPGA 电路312控制信号处理电路315处理并采集来自于探测器210的红外光谱信号，并通过通信电路318输出；FPGA电路312控制探测器温控电路316稳定探测器 210的制冷温度；FPGA电路312控制温度信息采集电路317和温度信息收集电路319获取重要部件的实时温度。
一种测量液体成分光谱特性的光谱探测仪及其方法，其特征在于方法步骤如下：
1)设备上电自检
通过电源适配器给电源电路311供电，电源电路311给设备上电，散热风扇3-4 工作，FPGA电路312控制温度信息采集电路317工作，获取设备关键模块的实时温度，并经由通信电路318传输至上位机，其他电路模块处于待机状态。
2)设备预热，工作前准备
2-1)光源调节控制电路314工作，开启宽光谱光源201并按需设定光源强度。经过光纤聚光透镜组202和光纤203输出的宽光谱光束经过光纤准直透镜组204后准直输出，准直光经过起偏格兰棱镜205后形成水平或竖直方向线偏光，该线偏光经过声光可调滤光器206后再经过检偏格兰棱镜207，检偏格兰棱镜207的方向与起偏格兰棱镜205的方向正交；
2-2)探测器温控电路316工作，控制探测器制冷至工作温度。由于此时无衍射光，同时检偏格兰棱镜207的方向与起偏格兰棱镜205的方向正交，无光信号进入探测器210，测试宽光谱光源201开启情况下探测器210的暗电平，并进行记录；
3)标准光源光谱测试
3-1)将空的液体器皿208放置于检偏格兰棱镜207与会聚透镜组209之间；
3-2)FPGA电路312控制射频驱动信号发生电路313工作，产生所需频率的射频信号，经射频功率放大器3-2放大后加载至声光可调滤光器206，对光纤203输出的宽光谱光束经过系统后的衍射光谱进行分光扫描。探测器210探测经过声光可调滤光器206后的衍射光信号并传输至信号处理电路315，经由通信电路318传输至上位机；
3-3)通过定标的频率与光谱之间的关系，记录并保存经声光可调滤光器 206后的衍射光信号强度，该光谱曲线为基准光谱曲线。
4)被测液体光谱采集
4-1)取少量待测液体，倒入液体器皿208中；
4-2)FPGA电路312控制射频驱动信号发生电路313工作，产生所需频率的射频信号，经射频功率放大器3-2放大后加载至声光可调滤光器206，对光纤203输出的宽光谱光束经过系统后的衍射光谱进行分光扫描。探测器210探测经过声光可调滤光器206后的衍射光信号并传输至信号处理电路315，经由通信电路318传输至上位机；
4-3)通过定标的频率与光谱之间的关系，记录有液体存在的情况下光纤 203输出的宽光谱光束经过系统后的衍射光信号强度，该光谱曲线为被测液体的透射光谱曲线。
5)数据分析及处理
5-1)通过比对基准光谱曲线及被测液体的透射光谱曲线，计算出被测液体对不同波长光源的透射率；
5-2)通过计算获得被测液体不同波长的透射率光谱曲线，对比标准模型来判断被测液体的物质成分及含量。
该专利的特点主要体现在：
a)该光谱探测仪结构简单，特别适用于对液体的探测
b)该专利的光谱探测定标方法简单、价格低廉
附图说明
图1实施例中仪器内部示意图。
图2为实施例中仪器整机结构。
图3为实施例中光谱分析模块2示意图。
图4为实施例中红外钨灯光源的光谱响应曲线。
图5为实施例中InGaAs光电二极管光谱响应曲线。
图6为实施例中数据采集与控制模块3示意图。
具体实施方式
本专利为一种测量液体成分光谱特性的光谱探测仪及其方法，该光谱探测仪由防尘遮光模块1、光谱分析模块2、数据采集与控制模块3组成，以下结合附图对本专利方法的实施实例进行详细的描述。本专利中所采用的主要器件描述如下：该光谱探测仪及其光谱探测方法的特征在于：
1)宽光谱光源201:本实施方案中光纤输出的宽光谱光源1采用Thorlabs 公司稳定型红外钨灯光源，型号为SLS202L的光纤输出光源，其光谱范围为450-5500nm；
2)光纤聚光透镜组202、光纤准直透镜组204、会聚透镜组209：本实施方案中采用的光纤聚光透镜组、光纤准直透镜组与会聚透镜组是自行设计的组件，其使用波长范围为900-2500nm，光纤准直透镜组204对光纤203输出的宽光谱光束进行准直，会聚透镜组209将衍射平行光会聚于探测器210的表面；
4)起偏格兰棱镜205、检偏格兰棱镜207：本实施方案中采用Thorlabs 公司的GL15Glan-Laser Calcite Polarizers，消光比优于10000:1，光谱范围在350nm-2500nm之间，实现宽谱段测试；
5)声光可调滤光器206：本实施例中所用声光可调滤光器206选用中国电子科技集团第26研究所定制产品，其主要技术指标为：
a)工作波长：850nm-2400nm
b)光谱分辨率：2nm-12nm
c)一级偏转角：2.6°
d)分离角：>＝6.1°
e)衍射效率：>＝60％
f)尺寸：560mm*400mm*315mm
g)驱动功率：<＝2W
h)驱动频率范围：37MHz-112MHz
6)液体器皿208:本实施例中采用的液体器皿为红外光系列(红外石英比色皿)，使用材质为jgs3，其透光范围为300-3500nm。有很好的可见光、红外光的透光性能，耐强酸、耐强碱、耐有机溶液。
7)探测器210：本实施方案中选用Judson公司J23TE2-66C型InGaAs红外探测器件，主要技术指标为：其感光面积为φ1mm，光谱响应范围为0.9to 1.7μm，暗电流最大值为1.0E-5A；探测率：8.4E11cmHz1/2W-1,2级TEC制冷。
本专利为一种测量液体成分光谱特性的光谱探测仪及其方法。该专利适用于液体的光谱检测与分析领域，该方法的具体步骤如下：
1)设备上电自检
通过电源适配器给电源电路311供电，电源电路311给设备上电，散热风扇3-4 工作，FPGA电路312控制温度信息采集电路317工作，获取设备关键模块的实时温度，并经由通信电路318传输至上位机，其他电路模块处于待机状态。
2)设备预热，工作前准备
2-1)光源调节控制电路314工作，开启宽光谱光源201—稳定型红外钨灯光源,并按需设定光源强度。经过光纤聚光透镜组202和光纤203输出的宽光谱光束经过光纤准直透镜组204后准直输出，准直光经过起偏格兰棱镜205后形成水平或竖直方向线偏光，该线偏光经过声光可调滤光器206后再经过检偏格兰棱镜207，检偏格兰棱镜207的方向与起偏格兰棱镜205的方向正交；
2-2)探测器温控电路316工作，控制探测器制冷至工作温度。由于此时无衍射光，同时检偏格兰棱镜207的方向与起偏格兰棱镜205的方向正交，无光信号进入探测器210，测试宽光谱光源201开启情况下探测器210的暗电平，并进行记录；
3)标准光源光谱测试
3-1)将空的液体器皿208放置于检偏格兰棱镜207与会聚透镜组209之间；
3-2)FPGA电路312控制射频驱动信号发生电路313工作，产生所需频率的射频信号，经射频功率放大器3-2放大后加载至声光可调滤光器206，对光纤203输出的宽光谱光束经过系统后的衍射光谱进行分光扫描。探测器210探测经过声光可调滤光器206后的衍射光信号并传输至信号处理电路315，经由通信电路318传输至上位机；
3-3)通过定标的频率与光谱之间的关系，记录并保存经声光可调滤光器 206后的衍射光信号强度，该光谱曲线为基准光谱曲线。
4)被测液体光谱采集
4-1)取少量待测液体，倒入液体器皿208中；
4-2)FPGA电路312控制射频驱动信号发生电路313工作，产生所需频率的射频信号，经射频功率放大器3-2放大后加载至声光可调滤光器206，对光纤203输出的宽光谱光束经过系统后的衍射光谱进行分光扫描。探测器210探测经过声光可调滤光器206后的衍射光信号并传输至信号处理电路315，经由通信电路318传输至上位机；
4-3)通过定标的频率与光谱之间的关系，记录有液体存在的情况下光纤 203输出的宽光谱光束经过系统后的衍射光信号强度，该光谱曲线为被测液体的透射光谱曲线。
5)数据分析及处理
5-1)通过比对基准光谱曲线及被测液体的透射光谱曲线，计算出被测液体对不同波长光源的透射率；
5-2)通过计算获得被测液体不同波长的透射率光谱曲线，对比标准模型来判断被测液体的物质成分及含量。
Claims (8)
1.一种测量液体成分光谱特性的光谱探测仪，包括防尘遮光模块(1)、光谱分析模块(2)、数据采集与控制模块(3)；其特征在于：
所述的防尘遮光模块(1)由仪器上盖(101)和仪器下盖(102)组成；仪器上盖(101)保护防止灰尘污染光路并方便待测样品的插入；仪器下盖(102)保护防止外界因素污染电路并同时固定封装电路；当仪器探测时直接通过仪器上盖(101)上预留的样品孔将样品插入仪器进行探测；
所述的光谱分析模块(2)由宽光谱光源(201)，光纤聚光透镜组(202)、光纤(203)、光纤准直透镜组(204)、起偏格兰棱镜(205)、声光可调滤光器(206)、检偏格兰棱镜(207)、液体器皿(208)、会聚透镜组(209)、探测器(210)、光源模块底板(211)、光路模块底板(212)和支撑柱(213)组成；所述的光纤(203)的两端端面分别位于光纤聚光透镜组(202)和光纤准直透镜组(204)的焦面处；所述的光纤聚光透镜组(202)、光纤准直透镜组(204)、会聚透镜组(209)具备对宽光谱光进行准直、会聚的能力，同时光纤聚光透镜组(202)将宽光谱光源(201)产生的光会聚于光纤(203)中，光纤准直透镜组(204)将光纤(203)输出的宽光谱光源(201)产生的宽光谱光进行准直，会聚透镜组(209)将衍射的准直光会聚于探测器(210)；光谱探测仪工作时，宽光谱光源(201)发出的宽光谱光束经过光纤聚光透镜组(202)聚焦进入光纤(203)，光纤(203)输出的光束经过光纤准直透镜组(204)后准直输出，准直光经过起偏格兰棱镜(205)后形成水平或竖直方向线偏光，该线偏光经过声光可调滤光器(206)后再经过检偏格兰棱镜(207)，检偏格兰棱镜(207)的方向与起偏格兰棱镜(205)的方向正交；当声光可调滤光器(206)未工作时，准直光无法通过检偏格兰棱镜(207)，当声光可调滤光器(206) 在某一射频驱动频率下工作时，某一波长的光会发生衍射，衍射光的偏振方向与检偏格兰棱镜(207)的方向一致，该衍射光经过检偏格兰棱镜(207)、液体器皿(208)、会聚透镜组(209)后，被探测器(210)探测到，通过改变射频驱动的频率来实现对不同波长的探测，从而完成宽光谱曲线探测，通过探测有无被测液体前后的光谱曲线，通过两条光谱曲线的比对，从而分析被测液体的内部成分信息；光源模块和光路模块分别固定在光源模块底板(211)和光路模块底板(212)上，光源模块底板(211)通过四个支撑柱(213)固定在光路模块底板(212)上；
所述的数据采集与控制模块(3)由电源及控制电路板(3-1)、射频功率放大器(3-2)、支撑结构(3-3)、散热风扇(3-4)组成，电源及控制电路板(3-1)由电源电路(311)、FPGA电路(312)、射频驱动信号发生电路(313)、光源调节控制电路(314)、信号处理电路(315)、探测器温控电路(316)、温度信息采集电路(317)、通信电路(318)、温度信息收集电路(319)组成；其中电源电路(311)将供电转化为二次电源，满足数据采集与控制模块(3)各单元的供电需求；由通信电路(318)接收指令通过FPGA电路(312)控制光谱采集系统工作；FPGA电路(312)控制射频驱动信号发生电路(313)产生所需频率的射频信号，通过射频功率放大器(3-2)放大，施加于声光可调滤光器(206)；FPGA电路(312)控制射频驱动信号发生电路(313)产生射频通道选择信号至射频功率放大器(3-2)选择射频信号输出通道，满足仪器光谱选择的需求；FPGA电路(312)控制光源调节控制电路(314)实现对光源强度的调节；FPGA电路(312)控制信号处理电路(315)处理并采集来自于探测器(210)的红外光谱信号，并通过通信电路(318)输出；FPGA电路(312)控制探测器温控电路(316)稳定探测器(210)制冷温度；FPGA电路(312)控制温度信息采集电路(317)和温度信息收集电路(319)获取重要部件的实时温度。
2.根据权利要求1所述的一种测量液体成分光谱特性的光谱探测仪，其特征在于：所述宽光谱光源(201)的光谱范围覆盖待测光谱的波长范围。
3.根据权利要求1所述的一种测量液体成分光谱特性的光谱探测仪，其特征在于：所述的光纤(203)的工作光谱覆盖待测光谱的波长范围。
4.根据权利要求1所述的一种测量液体成分光谱特性的光谱探测仪，其特征在于：所述的声光可调滤光器(206)的工作光谱覆盖待测光谱的波长范围。
5.根据权利要求1所述的一种测量液体成分光谱特性的光谱探测仪，其特征在于：所述的探测器(210)的工作光谱覆盖待测光谱的波长范围。
6.根据权利要求1所述的一种测量液体成分光谱特性的光谱探测仪，其特征在于：所述的起偏格兰棱镜(205)的起偏光谱响应范围覆盖待测光谱的波长范围，消光比优于1000:1。
7.根据权利要求1所述的一种测量液体成分光谱特性的光谱探测仪，其特征在于：所述的检偏格兰棱镜(207)的光谱响应范围覆盖待测光谱的波长范围，消光比优于1000:1。
8.根据权利要求1所述的一种测量液体成分光谱特性的光谱探测仪，其特征在于：所述的液体器皿(208)为中空的玻璃器皿,该玻璃的光谱透过范围覆盖待测光谱的波长范围，液体器皿(208)通光面的平行度优于20”。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108872159A (zh) * | 2018-08-20 | 2018-11-23 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种测量液体成份光谱特性的光谱探测仪及其方法 |
| CN112285042A (zh) * | 2020-10-13 | 2021-01-29 | 上海中科航谱光电技术有限公司 | 一种测量光学材料透射光谱特性的光谱探测仪及其方法 |
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2018
- 2018-08-20 CN CN201821335638.0U patent/CN208902604U/zh active Active
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