專(zhuān)利名稱(chēng)：可見(jiàn)光、近紅外光光譜分析測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于一種測(cè)量和分析可見(jiàn)光到近紅外光全譜段的光譜分析測(cè)量?jī)x，具體涉及一種可見(jiàn)光到近紅外光全譜380nm 2500nm段光譜范圍內(nèi)在線和現(xiàn)場(chǎng)分析的光譜分析測(cè)量?jī)x。
背景技術(shù)：
近年來(lái)隨著光譜分析技術(shù)發(fā)展，近紅外光譜780~2500nm分析測(cè)量技 術(shù)現(xiàn)在已進(jìn)入白炙化時(shí)期，但是也有些領(lǐng)域仍需要可見(jiàn)光進(jìn)行樣品色度和 光度的分析，因此380nm 2500nm全譜段分析測(cè)量?jī)x有著廣泛的應(yīng)用。目 前國(guó)外美國(guó)ASD公司提供的labspec⑧pro型儀器為代表，其不足之處主要 是測(cè)量時(shí)受外界光的干擾，而且價(jià)格昂貴，中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?8124798.9 的"一種在線近紅外多成分的測(cè)量方法及儀器"的專(zhuān)利公開(kāi)了采用四波長(zhǎng) 雙光路八光束的測(cè)量方法及系統(tǒng)，其缺點(diǎn)是只有四個(gè)波長(zhǎng)，不適合光譜的 全波段分析，中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?3127633.4的"便攜式近紅外礦物分析儀" 的專(zhuān)利和申請(qǐng)?zhí)?00420025072.3的"便攜式近紅外分析儀"的專(zhuān)利公開(kāi)了 一種小型適合攜帶的光柵掃描型近紅外光譜儀，其存在的問(wèn)題是測(cè)量速度 慢(70秒)和波長(zhǎng)范圍只在近紅外區(qū)域，不適合在線快速測(cè)量。中國(guó)專(zhuān)利 申請(qǐng)?zhí)枮?2125852,X的"在線近紅外光譜儀"的專(zhuān)利公開(kāi)了一種采用線陣 電荷耦合器件作為接受元件實(shí)現(xiàn)光譜的快速測(cè)量，其優(yōu)點(diǎn)是儀器具有波長(zhǎng) 穩(wěn)定和速度快的特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是測(cè)量時(shí)會(huì)受到外界雜散光干擾，探測(cè)器每 個(gè)像元小，測(cè)得的譜線信噪比不高，同時(shí)在近紅外譜段的線陣電荷耦合器 件價(jià)格相當(dāng)昂貴。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種降低機(jī)械磨損、掃描速度快、性?xún)r(jià)比高、體積小、 重量輕、適合野外小型并便于攜帶和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行在線測(cè)量的可見(jiàn)光、近紅外 光譜測(cè)量?jī)x。本實(shí)用新型是以如下方式實(shí)現(xiàn)的；包括光源、沿光路設(shè)有的聚透鏡、 濾光片、光柵單色儀以及與其光路的輸出端上的光纖連接測(cè)量組件、測(cè)量 組件輸出端上兩條光纖中的一路光纖連接有耦合測(cè)量光(可見(jiàn)光 短波近紅 外)光纖連接件、硅光探測(cè)器、低噪聲前置放大器、信號(hào)線插座、連接前 置放大器至信號(hào)處理板信號(hào)線、信號(hào)處理板的輸入端，另一路光纖連接有 耦合測(cè)量光(近紅外)光纖連接件、InGaAs探測(cè)器、低噪聲前置放大器、 信號(hào)線插座、連接前置放大器至信號(hào)處理板信號(hào)線、信號(hào)處理板的輸入端， 信號(hào)處理板的電路輸出端上連接有數(shù)據(jù)通訊線以及上位測(cè)量計(jì)算機(jī)。所述的光源包括內(nèi)設(shè)有光源燈并設(shè)有透光口的光源罩一側(cè)設(shè)有內(nèi)設(shè)隔 熱圈的儀器殼體，光源罩的側(cè)面上裝有的半導(dǎo)體制冷器件外側(cè)連接有罩式 散熱片，罩式散熱片內(nèi)側(cè)裝有的電機(jī)軸上設(shè)有風(fēng)扇。光源燈包括鹵鎢燈、 滎燈、氖燈、能斯特紅外光源、激光中的任何一種光源。所述的光柵單色儀由光路上設(shè)有的準(zhǔn)直鏡、光柵和成像凹面鏡所組成, 其分光光路包括水平式成像單色儀或交叉式成像單色儀，水平式成像單色 儀包括左側(cè)的光柵、右側(cè)上部和下部設(shè)有的準(zhǔn)直凹面鏡和成像凹面鏡。交 叉式成像單色儀包括左側(cè)的光柵、右側(cè)上部和下部設(shè)有的準(zhǔn)直凹面鏡和成 像凹面鏡，所述的光柵單色儀還包括光路上設(shè)有的光柵掃描裝置。所述的光柵掃描裝置包括支架上設(shè)有的直流電機(jī)和光電編碼器、支架 上設(shè)有的基底板以及電機(jī)軸兩段上裝有的軸承、軸承之間設(shè)有的隔圈和電 機(jī)軸上裝有的旋轉(zhuǎn)架、旋轉(zhuǎn)架上設(shè)有的光柵架和光柵，所述的直流電機(jī)帶 動(dòng)光柵掃描機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)架，通過(guò)編碼器反饋記錄波長(zhǎng)掃描的位置。所述的測(cè)量組件包括反射式測(cè)量組件、積分球漫反射測(cè)量組件或透射測(cè) 量組件，反射式測(cè)量組件由外架上部設(shè)有的樣品保護(hù)鏡、外架內(nèi)部設(shè)有的 左聚焦透鏡和右聚焦透鏡以及輸入端穿透外架底部和兩側(cè)的光纖所構(gòu)成， 積分球漫反射測(cè)量組件由積分球上部設(shè)有的樣品保護(hù)鏡、積分球底部?jī)蓚?cè) 設(shè)有的左聚焦透鏡和右聚焦透鏡以及輸入端對(duì)應(yīng)樣品鏡片的光纖所構(gòu)成， 光纖的輸出段連接測(cè)量組件，透射測(cè)量組件由外圍結(jié)構(gòu)架內(nèi)側(cè)設(shè)有的樣品 池、右側(cè)設(shè)有的反射棱鏡、樣品池左側(cè)設(shè)有的單光纖和雙光纖所構(gòu)成。所述的光源可采用內(nèi)置的光源，也可采用外置輸入光。內(nèi)置光源是光 源通過(guò)透鏡聚焦在單色儀入射狹縫口處，經(jīng)分光后出色的光，經(jīng)光纖到樣 品，樣品吸收反射的光又通過(guò)光纖耦合到探測(cè)器來(lái)測(cè)量樣品的吸收反射光 譜。外置光源輸入包括1、光通過(guò)光纖耦合到單色儀入射狹縫處，其余相 同內(nèi)置光源光路；2、被測(cè)量光經(jīng)光纖耦合到單色儀入射狹縫處，經(jīng)單色儀 分出的光直接耦合到探測(cè)器上測(cè)量入射光的光譜；3、被測(cè)量目標(biāo)經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn) 或顯微系統(tǒng)進(jìn)入單色儀的狹縫，經(jīng)單色儀分出的光直接耦合到探測(cè)器上測(cè) 量入射光的光譜，從而實(shí)現(xiàn)遙感或顯微測(cè)量。所述的譜段包括了可見(jiàn)光到近紅外區(qū)域，波長(zhǎng)為380nm 2500nm，通 過(guò)直流電機(jī)帶動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)角度增大也可測(cè)量到紫外和中熱紅外區(qū)域，不過(guò) 不通過(guò)光纖耦合到樣品，通過(guò)單色儀分出的光經(jīng)過(guò)反射部件(積分球、反
射板)耦合到探測(cè)器，通過(guò)濾光片切換來(lái)消除個(gè)譜段的二級(jí)光譜。所述的信號(hào)放大器采用電流放大，采用超低直流偏置運(yùn)算放大器構(gòu)成。 所述的信號(hào)處理板電路包括線路連接的自適應(yīng)跟蹤濾波電路、同步積 分放大電路、相敏檢波電路、高階巴特奧斯低通濾波電路以及輸出端分別 連接同步積分電路和相敏檢波電路其輸入端的來(lái)自斬光裝置的參考信號(hào)通 道所構(gòu)成，這樣能夠使經(jīng)調(diào)制的交流輸入信號(hào)變成噪聲相對(duì)非常低的直流 信號(hào)，方便了信號(hào)的采集，大大提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。所述的探測(cè)器制冷采用PID控制電路，探測(cè)器工作在低于零度的恒定 溫度，驅(qū)動(dòng)采用高效大功率的DC-DC降壓芯片，降壓后輸出的電壓1.3V， 電流大于3A，效率優(yōu)于75%。所述的儀器溫度控制，采用半導(dǎo)體制冷、熱管和風(fēng)扇散熱的方式將儀 器內(nèi)部熱量散出，結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖8，采用PID控制電路和PWM驅(qū)動(dòng)方式控制 半導(dǎo)體制冷和風(fēng)扇散熱，具有很高的效率和保持內(nèi)外溫度一致，同時(shí)在測(cè) 量時(shí)通過(guò)每次掃描標(biāo)準(zhǔn)樣品來(lái)消除環(huán)境溫度的影響。本實(shí)用新型具有如下特點(diǎn)；1、 采用了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)光柵掃描，解決了傳統(tǒng)的因使用絲桿傳動(dòng)或凸 輪傳動(dòng)方式帶來(lái)的長(zhǎng)期磨損導(dǎo)致儀器性能下降和掃描速度慢的問(wèn)題。2、 采用光電編碼器作為位置反饋，使儀器的波長(zhǎng)定位精度和重復(fù)性大 有提高。3、 采用光纖作為光能的傳輸和測(cè)量部件，儀器有很強(qiáng)的靈活性。4、 儀器體積小、重量輕、不僅適合在線分析，而且適合野外攜帶現(xiàn)場(chǎng) 使用。5、性?xún)r(jià)比高。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的水平式成像光刪單色儀光路圖。圖3是本實(shí)用新型的交叉式成像光刪單色儀光路圖。圖4是本實(shí)用新型的光刪掃描部分剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本實(shí)用新型的反射式測(cè)量組件示意圖。圖6是本實(shí)用新型的積分球漫反射測(cè)量組件示意圖。圖7是本實(shí)用新型的透射測(cè)量組件示意圖。圖8是本實(shí)用新型的半導(dǎo)體制冷、風(fēng)扇和儀器壁組合示意圖。圖9是信號(hào)處理電路框圖。'在圖1至圖9中，1、光源2、聚透鏡3、斬光裝置4、入射狹 縫5、濾光片組6、光柵單色儀7、準(zhǔn)直凹面鏡 8、光柵9、成像 凹面鏡10、成像凹面鏡 11、準(zhǔn)直凹面鏡12、光柵掃描裝置13、光 電編碼器和直流電機(jī)14、支架 15、軸承 16、隔圈 17、軸承18、 基地板19、旋轉(zhuǎn)架、20、光柵架21、出色狹縫22、耦合出射光光 纖連接件23、光纖24、測(cè)量組件25、被測(cè)樣品26、聚焦透鏡27、 聚焦透鏡28、外架29、積分球30、左聚焦透鏡31、右聚焦透鏡32、 外圍結(jié)構(gòu)件33、單光纖34、雙光纖35、樣品池36、反射棱鏡 37、 耦合測(cè)量光光纖連接件38、耦合測(cè)量光光纖連接件39、硅光探測(cè)器 40、InGaAs探測(cè)器41、低噪聲前置放大器42、信號(hào)線插座 43、連接 前置放大器至信號(hào)處理板信號(hào)線44、信號(hào)處理板電路45、數(shù)據(jù)通訊線
46、上位測(cè)量計(jì)算機(jī)47、風(fēng)扇48、散熱片49、半導(dǎo)體制冷器件50、 隔熱圈51、儀器殼體52、光源罩53、自適應(yīng)跟蹤濾波電路54、同步 積分放大電路55、相敏檢波電路56、高階巴特奧斯低通濾波電路57、 來(lái)自斬光裝置的參考信號(hào)通道。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型包括光源l、沿光路設(shè)有的聚透鏡2、斬光裝置3、入射夾 縫4、濾光片5、光柵單色儀6以及與其光路的輸出端上的光纖23連接測(cè) 量組件24，測(cè)量組件24輸出端上兩條光纖中的一路光纖23連接有耦合測(cè) 量光(可見(jiàn)光 短波近紅外)光纖連接件37、硅光探測(cè)器39、低噪聲前置 放大器41、信號(hào)線插座42、連接前置放大器至信號(hào)處理板信號(hào)線43、信號(hào) 處理板電路44的輸入端，另一路光纖23連接有耦合測(cè)量光(近紅外)光 纖連接件38、 InGaAs探測(cè)器40、低噪聲前置放大器41、信號(hào)線插座42、 連接前置放大器至信號(hào)處理板信號(hào)線43、信號(hào)處理板電路44的輸入端，信 號(hào)處理板電路44的電路輸出端上連接有數(shù)據(jù)通訊線45以及上位測(cè)量計(jì)算 機(jī)46，所述的信號(hào)處理板電路44由線路連接的自適應(yīng)跟蹤濾波電路53、 同步積分放大電路54、相敏檢波電路55、來(lái)自斬光裝置的參考信號(hào)通道57 和高階巴特奧斯低通濾波電路所構(gòu)成的鎖相放大器組成。在圖8中，所述的光源1包括內(nèi)設(shè)有光源燈并設(shè)有透光口的光源罩52 一側(cè)設(shè)有內(nèi)設(shè)隔熱圈50的儀器殼體51，光源罩52的側(cè)面上裝有的半導(dǎo)體 制冷器件49外側(cè)連接有罩式散熱片48，罩式散熱片48內(nèi)側(cè)裝有的電機(jī)軸 上設(shè)有風(fēng)扇47。光源燈包括鹵鎢燈、汞燈、氘燈、能斯特紅外光源、激光 中的任何一種光源。 在圖l、圖2、圖3和圖4中，所述的光柵單色儀6由光路上設(shè)有的準(zhǔn) 直鏡、光柵和成相凹面鏡三鏡所組成，其分光光路包括水平式成像單色儀 或交叉式成像單色儀，水平式成像單色儀包括左側(cè)的光柵8、右側(cè)上部和下 部設(shè)有的準(zhǔn)直凹面鏡7和成像凹面鏡9。交叉式成像單色儀包括左側(cè)的光柵 8、右側(cè)上部和下部設(shè)有的準(zhǔn)直凹面鏡11和成像凹面鏡10,所述的光柵單 色儀6還包括光路上設(shè)有的光柵掃描裝置12。所述的光柵掃描裝置12包括 支架14上設(shè)有的直流電機(jī)和光電編碼器13、支架14上設(shè)有的基底板18以 及電機(jī)軸兩段上裝有的軸承15和17、軸承15和17之間設(shè)有的隔圈16和 電機(jī)軸上裝有的旋轉(zhuǎn)架19、旋轉(zhuǎn)架19下部設(shè)有的光柵架20和光柵8，所 述的直流電機(jī)帶動(dòng)光柵掃描機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)架，通過(guò)編碼器反饋記錄波長(zhǎng)掃描的 位置。在圖5、圖6和圖7中，所述的測(cè)量組件24包括反射式測(cè)量組件、積 分球漫反射測(cè)量組件和透射測(cè)量組件，反射式測(cè)量組件由外架28上部設(shè)有 的樣品鏡25、外架28內(nèi)部設(shè)有的左聚焦透鏡26和右聚焦透鏡27以及輸入 端穿透外架28底部和兩側(cè)的光纖23所構(gòu)成，積分球漫反射測(cè)量組件由積 分球29上部設(shè)有的樣品鏡25、積分球29底部?jī)蓚?cè)設(shè)有的左聚焦透鏡30和 右聚焦透鏡31以及輸入端對(duì)應(yīng)透鏡和對(duì)應(yīng)樣品鏡片的光纖23所構(gòu)成，光 纖25的輸出段連接測(cè)量組件24，透射測(cè)量組件由外圍結(jié)構(gòu)架32內(nèi)側(cè)設(shè)有 的樣品池35右側(cè)設(shè)有的反射棱鏡36、樣品池35左側(cè)設(shè)有的單光纖33和雙 光纖34所構(gòu)成。 具體工作過(guò)程如下光源采用卣鉤燈，鹵鉤燈輻射的光譜能量包括了 380 2500nm波段的連
續(xù)光譜，燈絲通過(guò)聚透鏡2聚焦成像在入射狹縫4上，在聚透鏡2和入射 狹縫4之間放置斬光裝置3，斬光裝置3采用機(jī)械方式，調(diào)制電機(jī)采用高速 的無(wú)刷直流電機(jī)，濾光片組5采用多片濾光片來(lái)消除二級(jí)光譜，光通過(guò)濾 光片組5進(jìn)入光柵單色儀6，經(jīng)光柵單色儀6把復(fù)色光分成單色光，出色狹 逢21出色的光通過(guò)耦合出色光光纖連接件22耦合到光纖23，光纖23和測(cè) 量組件24相連，將待側(cè)樣品的反射光收集到光纖23上，光纖23將待測(cè)量 的光耦合到儀器內(nèi)部的兩個(gè)探測(cè)器硅光探測(cè)器39和InGaAs探測(cè)器40，兩 路探測(cè)器通過(guò)各自的低噪聲前置放大器41將信號(hào)放大和前預(yù)處理，信號(hào)輸 入到處理板電路44完成兩路信號(hào)處理，得到信噪比高的直流信號(hào)，信號(hào)處 理板上的電路上有一個(gè)低功耗的微處理器負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)采集、儀器測(cè)控和 通訊功能，最終信號(hào)輸入到上位測(cè)量計(jì)算機(jī)46，完成譜圖采集、顯示、處 理等工作。測(cè)量過(guò)程方式1:測(cè)量塊狀或粉末狀固體和液體的反射光譜時(shí)，樣品 25選用掃描標(biāo)準(zhǔn)板進(jìn)行測(cè)量得到一種反射信號(hào)，再將附件圖的樣品25換成 待測(cè)樣品測(cè)得另一種反射信號(hào)，經(jīng)過(guò)軟件處理就可得到樣品的反射光譜， 然后用光譜處理軟件進(jìn)行樣品的定量和定性分析。測(cè)量過(guò)程方式2:同樣測(cè)量塊狀或粉末狀固體和液體的反射光譜時(shí)，可 將光源1外置，將光源1通過(guò)光纖耦合到入射狹縫4，其余如同方式l。測(cè)量過(guò)程方式3:如大氣、地表土壤、植被、礦山等被動(dòng)遙測(cè)遠(yuǎn)處物體 吸收太陽(yáng)光照射的反射光譜，測(cè)量時(shí)將光源1去掉，將聚透鏡2換成望遠(yuǎn) 物鏡，將單色儀出射的單射光直接耦合到硅光探測(cè)器39和InGaAs探測(cè)器 測(cè)量40進(jìn)行測(cè)量即可。 測(cè)量過(guò)程方式4:測(cè)量細(xì)胞等微小物體的發(fā)射光譜，測(cè)量時(shí)將光源l去 掉，將聚透鏡2換成顯微物鏡，其余如同方式3。
權(quán)利要求1、一種可見(jiàn)光、近紅外光光譜分析測(cè)量?jī)x，包括光源、沿光路設(shè)有的聚透鏡、斬光裝置、濾光片、光柵單色儀，其特征在于光柵單色儀(6)的光路輸出端上的光纖(23)連接測(cè)量組件(24)、測(cè)量組件(24)輸出端上兩條光纖中的一路光纖(23)連接有耦合測(cè)量光光纖連接件(37)、硅光探測(cè)器(39)、低噪聲前置放大器(41)、信號(hào)線插座(42)、連接前置放大器至信號(hào)處理板信號(hào)線(43)、信號(hào)處理板電路(44)的輸入端，另一路光纖(23)連接有耦合測(cè)量光光纖連接件(38)、InGaAs探測(cè)器(40)、低噪聲前置放大器(41)、信號(hào)線插座(42)、連接前置放大器至信號(hào)處理板信號(hào)線(43)、信號(hào)處理板電路(44)的輸入端，信號(hào)處理板電路(44)的輸出端上連接有數(shù)據(jù)通訊線(45)以及上位測(cè)量計(jì)算機(jī)(46)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可見(jiàn)光、近紅外光光譜分析測(cè)量?jī)x，其 特征在于所述的信號(hào)處理板電路(44)由線路連接的自適應(yīng)跟蹤濾波電路(53)、同步積分放大電路(54)、相敏檢波電路(55)、高階巴特奧斯低通 濾波電路(56)以及輸出端分別連接同步積分放大電路(54)和相敏檢波 電路(55)輸入端的來(lái)自斬光裝置的參考信號(hào)通道(57)所構(gòu)成的鎖相放 大器組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可見(jiàn)光、近紅外光光譜分析測(cè)量?jī)x，其 特征在于所述的光柵單色儀(6)由光路上設(shè)有的光柵掃描裝置(12)，所 述的光柵掃描裝置(12)包括支架(14)上設(shè)有的直流電機(jī)和光電編碼器(13)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可見(jiàn)光、近紅外光光譜分析測(cè)量?jī)x，其 特征在于所述的光源(1)包括內(nèi)設(shè)有光源燈并設(shè)有透光口的光源罩(52) 一側(cè)設(shè)有內(nèi)設(shè)隔熱圈(50)的儀器殼體(51)，光源罩(52)的側(cè)面上裝有 的半導(dǎo)體制冷器件(49)外側(cè)連接有罩式散熱片(48)，罩式散熱片(48) 內(nèi)側(cè)裝有的電機(jī)軸上設(shè)有風(fēng)扇(47)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種可見(jiàn)光、近紅外光光譜分析測(cè)量?jī)x，包括光源、沿光路設(shè)有的聚透鏡、斬光裝置、濾光片、光柵單色儀，光柵單色儀的光路輸出端上的光纖連接測(cè)量組件、測(cè)量組件輸出端上兩條光纖中的一路光纖連接有耦合測(cè)量光光纖連接件、硅光探測(cè)器、低噪聲前置放大器、信號(hào)線插座、連接前置放大器至信號(hào)處理板信號(hào)線、信號(hào)處理板電路的輸入端，另一路光纖連接有耦合測(cè)量光光纖連接件、InGaAs探測(cè)器、低噪聲前置放大器、信號(hào)線插座、連接前置放大器至信號(hào)處理板信號(hào)線、信號(hào)處理板的輸入端，信號(hào)處理板的輸出端上連接有數(shù)據(jù)通訊線以及上位測(cè)量計(jì)算機(jī)。本實(shí)用新型具有體積小、重量輕、不僅適合在線分析，而且適合野外攜帶現(xiàn)場(chǎng)使用等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/27GK201045610SQ20072009396
公開(kāi)日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月18日
發(fā)明者金英俊 申請(qǐng)人:金英俊