CN220419157U - 一种在线式微型化近红外光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种在线式微型化近红外光谱仪，包括：壳体；灯光发射器，至少包括两个，对称的安装在壳体内，且均朝着壳体轴线处倾斜；滤波片，位于灯光发射器的中间，且其轴线与壳体轴线重合；阵列光谱传感器，安装于壳体内的PCB板上，且其轴线与壳体轴线重合；MCU控制器，安装在壳体内，并与PCB板电连接；显示屏，安装在壳体上；灯光发射器用于发出准直近红外光，反射光经过滤波片后被阵列光谱传感器吸收，显示屏用于展示检测结果。本实用新型的光谱仪结构简单、成本低廉、结果实时可见、设备体积小、应用场景广。采用阵列式光谱传感器实现分段式采集光谱数据，极大程度提高采集效率，满足在线式微型化近红外光谱仪设备的采集实时性。

Description

一种在线式微型化近红外光谱仪

技术领域

本实用新型涉及在线式近红外光谱仪技术领域，尤其涉及一种在线式微型化近红外光谱仪。

背景技术

近年来，近红外光谱分析技术发展十分迅速，已在化工、军工、食品、医药、煤炭等多个领域都获得了应用。尤其是在线检测应用中，近红外光谱分析技术以其检测快速、结果准确而被广泛应用，但现有的在线式近红外光谱快检技术存在近红外光谱仪体积较大，设备费用昂贵，检测环境较为固定，应用场景十分有限等问题。

随着微机电技术的发展，使得在线式近红外光谱仪设备朝着结构简单、体积小巧、价格低廉的微型化方向发展。在线式微型化近红外光谱仪相较于传统的在线式光谱分析仪，其具有结构简单、成本低廉、结果实时可见、应用场景广等优势。在以上背景下，有必要设计一种在线式微型化近红外光谱仪用于解决传统在线式近红外光谱仪体积较大，设备费用昂贵，检测环境较为固定，应用场景十分有限的问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种在线式微型化近红外光谱仪，用于解决现有在线近红外检测技术中存在检测设备体积较大，设备费用昂贵，检测环境较为固定，应用场景十分有限的问题，提出一种结构简单、成本低廉、结果实时可见、应用场景广的在线式微型化近红外光谱仪。

本实用新型采用的技术方案是：提供一种在线式微型化近红外光谱仪，包括：

壳体；

灯光发射器，至少包括两个，对称的安装在所述壳体内，且均朝着壳体轴线处倾斜；

滤波片，位于灯光发射器的中间，且其轴线与壳体轴线重合；

阵列光谱传感器，安装于所述壳体内的PCB板上，且其轴线与壳体轴线重合；

MCU控制器，安装在所述壳体内，并与PCB板电连接；

显示屏，安装在所述壳体上；

所述灯光发射器用于发出准直近红外光，反射光经过滤波片后被阵列光谱传感器吸收，所述显示屏用于展示检测结果。

进一步的，所述壳体包括顶板、底板和侧板，所述底板边缘还设置有衔接板，所述衔接板上设置有螺孔。

进一步的，所述底板中部设置有通光孔，所述滤波片安装在所述通光孔处。

进一步的，所述衔接板和壳体均为铝合金材质，所述衔接板与壳体焊接为一体结构。

进一步的，所述灯光发射器包括匀光板、聚光杯、卤钨灯，所述卤钨灯位于聚光杯内，所述匀光板安装于聚光杯出光侧的端部；所述底板上设置有供匀光板穿过的通孔。

进一步的，所述壳体内还设置有安装座和安装板，所述安装座安装在顶板上，所述安装板通过螺钉将PCB板安装在所述安装座上，所述安装板中部具有避让阵列光谱传感器的避让孔。

进一步的，所述安装板四周朝着壳体轴线处倾斜，所述灯光发射器安装在所述安装板四周。

进一步的，所述灯光发射器为两个、三个或四个。

进一步的，所述壳体为正方体或圆柱体结构。

进一步的，所述阵列光谱传感器包括多个相同的单点式光谱传感器，且与单点式光谱传感器拥有相同的波段范围。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型实现了一种在线式微型化近红外光谱仪，该在线式光谱仪结构简单、成本低廉、结果实时可见、设备体积小、应用场景广。

(2)本实用新型采用阵列式光谱传感器实现分段式采集光谱数据，极大程度提高采集效率，满足在线式微型化近红外光谱仪设备的采集实时性。

(3)本实用新型的灯光发射器倾斜安装，且将滤波片和阵列光谱传感器安装在壳体轴线处，使得采集的光谱信息更多，且使得体积更小。

附图说明

图1为本实用新型公开的在线式微型化近红外光谱仪的结构示意图；

图2为本实用新型公开的在线式微型化近红外光谱仪壳体内部的结构示意图；

图3为本实用新型公开的在线式微型化近红外光谱仪的剖视图；

图4为本实用新型公开的在线式微型化近红外光谱仪的另一结构示意图；

图5为本实用新型公开的在线式微型化近红外光谱仪的另一剖视图。

附图标记：1-衔接板，2-灯光发射器，3-滤波片，4-PCB板，5-显示屏，6-壳体，7-DC接口，8-匀光板，9-聚光杯，10-卤钨灯，11-设备开关，12-安装座，13-安装板，14-阵列光谱传感器，15-MCU控制器，16-螺孔，17-侧板，18-顶板，19-底板。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步详细描述，但本实用新型的实施方式不限于此。需要说明的是，当元件被称为“固定于”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。

在本实用新型中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本实用新型及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本实用新型中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1：

参见图1-图3，本实施例公开一种在线式微型化近红外光谱仪，包括：壳体6；灯光发射器2，至少包括两个，对称的安装在所述壳体6内，且均朝着壳体6轴线处倾斜；滤波片3，位于灯光发射器2的中间，且其轴线与壳体6轴线重合；阵列光谱传感器14，安装于所述壳体6内的PCB板4上，且其轴线与壳体6轴线重合；MCU控制器15，安装在所述壳体6内，并与PCB板4电连接；显示屏5，安装在所述壳体6上；所述灯光发射器2用于发出准直近红外光，反射光经过滤波片3后被阵列光谱传感器14吸收，所述显示屏5用于展示检测结果。

在一些实施例中，图图1-图3所示，所述壳体6为正方体结构。在另一些实施例中，参见图4-图5，所述壳体6为圆柱体结构。

具体的，所述壳体6包括顶板18、底板19和侧板17，所述底板19边缘还设置有衔接板1，所述衔接板1上设置有螺孔16。衔接板1的作用是通过螺钉将光谱仪安装在生产线上方的支架上，从而光谱仪向下发出准直近红外光，检测生产线上的待测产品。

在一些实施例中，所述衔接板1和壳体6均为铝合金材质，该材质成本低，轻便且有良好的可塑性，与微型化近红外光谱仪的壳体6焊接为一体化结构。

具体的，底板19中部为镂空的通光孔，可以将滤波片3安装在所述通光孔处，也可以给滤波片3单独设置一个安装层，只需要使滤波片3轴线与壳体6轴线重合即可。滤波片3的尺寸大于阵列光谱传感器14的尺寸，进而保证完全覆盖阵列光谱传感器14。同时滤波片3根据阵列光谱传感器14的光谱波段范围进行滤波，如阵列光谱传感器14的光谱波段范围为1850nm～2150nm，滤波片3的滤波范围为1850nm～2150nm，使得1850nm～2150nm波段范围的近红外光可以穿透滤波片3，而其余波段范围的近红外光被阻拦无法穿透。

具体的，所述灯光发射器2包括匀光板8、聚光杯9、卤钨灯10，灯光发射器2通过安装板13上开设的通孔与PCB板4进行电连接，灯光发射器2以一定倾斜角度照射在待测产品上并在待测产品上表面形成相同采样光斑，灯光发射器2中的卤钨灯10处于聚光杯9中心位置，匀光板8处于聚光杯9正前方并与其衔接在一起，卤钨灯10的发光波长范围为350nm～2500nm，近乎包含整个近红外波段范围。聚光杯9将卤钨灯10发出的近红外光聚集于匀光板8，经过匀光板8的均匀化处理后，从匀光板8前方出射稳定且均匀的近红外光，由上，灯光发射器2发出的近红外光可以稳定且均匀的照射在生产线上的待测产品上。此外，底板19上设置有供匀光板8穿过的通孔。

在一些实施例中，参见图1-图5，所述灯光发射器2为四个，以壳体6的中轴线对称分布，并且安装时倾斜安装，每个灯光发射器2的倾斜角度相同，均向壳体6中轴线处倾斜，从而其发出的准直近红外光经过反射后能尽可能多的进入滤波片3并被阵列光谱传感器14吸收。在另一些实施例中，所述灯光发射器2还可以为两个或三个，当然所述灯光发射器2个数也可以更多，但这会造成成本的上升，且检测效果没有明显变化。

所述壳体6内还设置有安装座12和安装板13，所述安装座12安装在顶板18上，所述安装板13通过螺钉将PCB板4安装在所述安装座12上，所述安装板13中部具有避让阵列光谱传感器14的避让孔。MCU控制器15也安装在安装座12上，保持微型化近红外光谱仪内部结构的稳定性。所述安装板13四周朝着壳体6轴线处倾斜，所述灯光发射器2安装在所述安装板13四周，从而实现了倾斜安装，相应的，底板19上的面也要分区域随之倾斜。

外置电源适配器通过DC接口7对在线式微型化近红外光谱设备进行供电，MCU控制器15分别与阵列光谱传感器14、设备开关11及显示屏5进行电连接，设备开关11控制在线式近红外光谱仪的开启与关闭功能，阵列光谱传感器14用于近红外光谱数据的采集，MCU控制器15对近红外光谱数据进行分析。

所述阵列光谱传感器14包括多个相同的单点式光谱传感器，且与单点式光谱传感器拥有相同的波段范围。多个相同的单点式光谱传感器采用拼接的方式覆盖阵列式光谱传感器的波段范围，即每个单点式光谱传感器仅采集部分波段范围内的特征波长点光谱数据，通过上述方式可以大幅提升采集效率，满足在线检测的实时性需求。设定阵列式光谱传感器及单点式光谱传感器的光谱波段范围为1850nm～2150nm，光谱特征点波长间隔为6nm，即光谱传感器的特征波长点分别为1850nm，1856nm……，2150nm，合计个特征波长点，在对待测产品进行光谱数据采集过程实际可以表征为逐一对每个特征波长点上的光谱数据进行采集，若单点式光谱传感器采集单一波长点光谱数据需要时间为，则每次采集待测产品单条光谱数据所需要时间为，若采用3个单点式光谱传感器构建阵列光谱传感器14，则每个单点式光谱传感器仅需要采集个特征波长点上的光谱数据，即采集待测产品单条光谱数据所需要的时间为，缩减为初始时间的1/3，其中3个单点式光谱传感器采集的特征波长点各不相同，分别为(1850nm，1856nm……，1946nm)、(1952nm，1958nm……，2048nm)、(2054nm，2060nm……，2150nm)，将3个单点式光谱传感器采集的光谱数据进行拼接后即可实现阵列光谱传感器14所需采集的光谱波段范围1850nm～2150nm。

本实用新型提出的在线式微型化近红外光谱仪的工作流程为：灯光发射器2向生产线发出稳定且均匀的准直近红外光，近红外光汇聚于待测产品的上表面，待测产品对近红外光进行吸收与反射，部分反射的近红外光通过微型化近红外光谱仪设备下表面的通光孔处的滤波片3重新返回微型化近红外光谱仪内腔中，经过滤波片3的宽带滤波后到达阵列光谱传感器14，阵列光谱传感器14对滤波后的近红外光进行吸收后将光信号转化为电信号传输至MCU控制器15，MCU控制器15对电信号数据进行模数转换后生成对应的光谱数据，MCU控制器15进一步对该光谱数据进行处理分析，获得该待测产品的含量与类别，并将该待测产品含量与类别数据传输至显示屏5，显示屏5接收到生产线上待测产品含量与类别数据后进行直观展示。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种在线式微型化近红外光谱仪，其特征在于，包括：

壳体；

灯光发射器，至少包括两个，对称的安装在所述壳体内，且均朝着壳体轴线处倾斜；

滤波片，位于灯光发射器的中间，且其轴线与壳体轴线重合；

阵列光谱传感器，安装于所述壳体内的PCB板上，且其轴线与壳体轴线重合；

MCU控制器，安装在所述壳体内，并与PCB板电连接；

显示屏，安装在所述壳体上；

所述灯光发射器用于发出准直近红外光，反射光经过滤波片后被阵列光谱传感器吸收，所述显示屏用于展示检测结果。

2.根据权利要求1所述的在线式微型化近红外光谱仪，其特征在于，所述壳体包括顶板、底板和侧板，所述底板边缘还设置有衔接板，所述衔接板上设置有螺孔。

3.根据权利要求2所述的在线式微型化近红外光谱仪，其特征在于，所述底板中部设置有通光孔，所述滤波片安装在所述通光孔处。

4.根据权利要求2所述的在线式微型化近红外光谱仪，其特征在于，所述衔接板和壳体均为铝合金材质，所述衔接板与壳体焊接为一体结构。

5.根据权利要求2所述的在线式微型化近红外光谱仪，其特征在于，所述灯光发射器包括匀光板、聚光杯、卤钨灯，所述卤钨灯位于聚光杯内，所述匀光板安装于聚光杯出光侧的端部；所述底板上设置有供匀光板穿过的通孔。

6.根据权利要求2所述的在线式微型化近红外光谱仪，其特征在于，所述壳体内还设置有安装座和安装板，所述安装座安装在顶板上，所述安装板通过螺钉将PCB板安装在所述安装座上，所述安装板中部具有避让阵列光谱传感器的避让孔。

7.根据权利要求6所述的在线式微型化近红外光谱仪，其特征在于，所述安装板四周朝着壳体轴线处倾斜，所述灯光发射器安装在所述安装板四周。

8.根据权利要求1所述的在线式微型化近红外光谱仪，其特征在于，所述灯光发射器为两个、三个或四个。

9.根据权利要求1所述的在线式微型化近红外光谱仪，其特征在于，所述壳体为正方体或圆柱体结构。

10.根据权利要求1所述的在线式微型化近红外光谱仪，其特征在于，所述阵列光谱传感器包括多个相同的单点式光谱传感器，且与单点式光谱传感器拥有相同的波段范围。