專利名稱：光譜儀亮度自校準(zhǔn)調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光譜儀，尤其是光源亮度自校準(zhǔn)和調(diào)節(jié)的近紅外光譜儀測(cè)控系統(tǒng)及測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
光譜儀器作為一種常用的分析儀器，應(yīng)用范圍廣泛。光譜儀器由光源、單色器、探測(cè)器、取樣器、采集和控制、電源等兒個(gè)部分組成。其中光源系統(tǒng)是為光譜儀器提供所需波段的光線。而光譜儀種類繁多，按波段分，有紫外、可見、近紅外、中紅外等；按分光器件可分為濾光片、光柵分光、傅立葉變換和聲光可調(diào)4種類型；按樣品與光源的作用方式分為反射、透射、漫反射、漫透射、漫透反射等。所有類型的光譜儀均需測(cè)得樣品對(duì)光源發(fā)出光線作用情況，即反射率或透射率，從而分析樣品的結(jié)構(gòu)和成分?，F(xiàn)有的光譜儀器其光源的亮度是固定的，對(duì)于反射率、透射率小的樣品所測(cè)得光譜數(shù)據(jù)的信噪比低，這將影響其分析的精度甚至無法進(jìn)行分析，從而限制了光譜儀器的使用范圍。為了解決這一問題，現(xiàn)有的儀器廠家和設(shè)計(jì)者通常采用更換附件的方法，對(duì)于不同的樣品，采用不同的光源或取樣器，從而增加了儀器的成本和操作的復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采用光機(jī)電一體化閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，適用于反射光譜儀或透射光譜儀的光譜儀亮度自校準(zhǔn)調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的光譜儀亮度自校準(zhǔn)調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)，與單色器、取樣器及電源組成的反射式光譜儀或透射式光譜儀，光譜儀亮度自校準(zhǔn)調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)為光機(jī)電一體化的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，由光譜信號(hào)采集單元9、亮度自動(dòng)校準(zhǔn)控制單元7、光源可控穩(wěn)流單元13和參比調(diào)節(jié)單元16四部分構(gòu)成亮度自動(dòng)校準(zhǔn)控制單元7分別連接參比調(diào)節(jié)單元16和光源可控穩(wěn)流單元13，亮度自動(dòng)校準(zhǔn)控制單元7接收由光源可控穩(wěn)流單元13發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)單色器15、取樣器17再由光譜信號(hào)采集單元9轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)，根據(jù)該信號(hào)發(fā)出參比調(diào)節(jié)單元和光源可控穩(wěn)流單元的控制信號(hào)；參比調(diào)節(jié)單元16接收亮度自動(dòng)校準(zhǔn)單元的控制信號(hào)，根據(jù)該信號(hào)調(diào)節(jié)有效參比位置”電源分別與光譜信號(hào)采集單元9、亮度自動(dòng)校準(zhǔn)控制單元7、光源可控穩(wěn)流單元13和參比調(diào)節(jié)單元16連接。所述的光譜信號(hào)采集單元9是由信號(hào)轉(zhuǎn)換放大電路分別連接探測(cè)器、電源接口和信號(hào)接口構(gòu)成。所述的亮度自動(dòng)校準(zhǔn)控制單元7是由控制電路分別與電源接口、測(cè)量信號(hào)接口、控制信號(hào)I接口和控制信號(hào)II接口連接構(gòu)成。所述的光源可控穩(wěn)流單元13是由控制信號(hào)I接口經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、穩(wěn)流控制電路與光源接口連接，電源接口分別與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和穩(wěn)流控制電路連接構(gòu)成所述的參比調(diào)節(jié)單元16是由參比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和電路兩部分構(gòu)成，電路是由控制信號(hào)II接口經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接電機(jī)接口，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)電源接口與光譜儀的電源連接；參比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是在光譜儀取樣器17靠近的后側(cè)板I或底板12上通過螺釘固定有支架3，在支架3上裝有步進(jìn)電機(jī)2，在步進(jìn)電機(jī)軸上通過鍵銷裝有參比調(diào)節(jié)盤5，參比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝時(shí)使取樣器7的光軸與參比調(diào)節(jié)盤5上所設(shè)的有效參比透射孔或參比反射板6的中心在同一直線上，電線4與電機(jī)接口連接構(gòu)成。參比調(diào)節(jié)盤5上等圓心角設(shè)有三個(gè)以上不同直徑的參比透射孔或參比反射板6，參比透射孔的用于透射式光譜儀，設(shè)有參比反射板的用于反射式光譜儀。參比調(diào)節(jié)盤5上設(shè)有參比透射孔或參比反射板6,參比透射孔或參比反射板6的中心距參比調(diào)節(jié)盤5的中心距離相等，參比調(diào)節(jié)盤5上的有效參比透射孔或參比反射板6均位于光軸上，參比透射孔或參比反射板6有效直徑<光斑直徑。光譜儀亮度自校準(zhǔn)調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)的光譜測(cè)量方法，包括以下步驟a、初始化進(jìn)行樣品預(yù)測(cè)和系統(tǒng)校準(zhǔn)。將待測(cè)樣品置于光譜儀的測(cè)量窗口或取樣池內(nèi)，光源可控穩(wěn)流單元13按標(biāo)準(zhǔn)方式控制，發(fā)出光線經(jīng)單色器15、取樣器17與待測(cè)樣品發(fā)生作用，得到樣品的漫反射或漫透射光線。光譜信號(hào)采集單元9測(cè)量待測(cè)樣品的作用光線強(qiáng)度的數(shù)字量。亮度自動(dòng)校準(zhǔn)控制單元7根據(jù)此強(qiáng)度值，計(jì)算光源調(diào)整參數(shù)kl和參比調(diào)整比值kc，并控制光源可控穩(wěn)流單元13的控制電流和參比調(diào)節(jié)單元16的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；以保證實(shí)際測(cè)量時(shí)樣品的測(cè)量值大于信號(hào)采集單元滿量程的1/2，參比的測(cè)量信號(hào)不超出量程。b、樣品測(cè)量系統(tǒng)按初始化調(diào)整后，光譜儀分別進(jìn)行背景、參比、樣品的作用信號(hào)測(cè)量，得三者的測(cè)量值mC、光譜數(shù)據(jù)計(jì)算根據(jù)背景、參比、樣品的測(cè)量值Dp D2, D3和參比調(diào)整比值kc，計(jì)算樣品實(shí)際的反射率或透射率光譜數(shù)據(jù)G，以及吸光度A
權(quán)利要求
1.光譜儀亮度自校準(zhǔn)調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)，包括單色器(15)、取樣器(17)及電源組成的反射式光譜儀或透射式光譜儀，其特征在于，光譜儀亮度自校準(zhǔn)調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)為光機(jī)電一體化的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，由光譜信號(hào)采集單元(9)、亮度自動(dòng)校準(zhǔn)控制單元(7)、光源可控穩(wěn)流單元(13)和參比調(diào)節(jié)單元(16)四部分構(gòu)成 亮度自動(dòng)校準(zhǔn)控制單元⑵分別連接參比調(diào)節(jié)單元(16)和光源可控穩(wěn)流單元(13)，亮度自動(dòng)校準(zhǔn)控制單元(7)接收由光源可控穩(wěn)流單元(13)發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)單色器(15)、取樣器(17)再由光譜信號(hào)采集單元(9)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)，根據(jù)該信號(hào)發(fā)出參比調(diào)節(jié)單元和光源可控穩(wěn)流單元的控制信號(hào)，參比調(diào)節(jié)單元(16)接收亮度自動(dòng)校準(zhǔn)單元(7)的控制信號(hào)，根據(jù)該信號(hào)調(diào)節(jié)有效參比位置，電源分別與光譜信號(hào)采集單元(9)、亮度自動(dòng)校準(zhǔn)控制單元(7)、光源可控穩(wěn)流單元(13)和參比調(diào)節(jié)單元(16)連接。
2.按照權(quán)利要求I所述的光譜儀亮度自校準(zhǔn)調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)，其特征在于，所述的光譜信號(hào)采集單元(9)是由信號(hào)轉(zhuǎn)換放大電路分別連接探測(cè)器、電源接口和信號(hào)接口構(gòu)成。
3.按照權(quán)利要求I所述的光譜儀亮度自校準(zhǔn)調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)，其特征在于，所述的亮度自動(dòng)校準(zhǔn)控制單元(7)是由控制電路分別與電源接口、測(cè)量信號(hào)接口、控制信號(hào)I接口和控制信號(hào)II接口連接構(gòu)成。
4.按照權(quán)利要求I所述的光譜儀亮度自校準(zhǔn)調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)，其特征在于，所述的光源可控穩(wěn)流單元(13)是由控制信號(hào)I接口經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、穩(wěn)流控制電路與光源接口連接，電源接口分別與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和穩(wěn)流控制電路連接構(gòu)成。
5.按照權(quán)利要求I所述的光譜儀亮度自校準(zhǔn)調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)，其特征在于，所述的參比調(diào)節(jié)單元(16)是由參比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和電路兩部分構(gòu)成，電路是由控制信號(hào)II接口經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接電機(jī)接口，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)電源接口與光譜儀的電源連接； 參比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是在光譜儀取樣器(17)靠近的后側(cè)板(I)或底板(12)上通過螺釘固定有支架(3)，在支架(3)上裝有步進(jìn)電機(jī)(2)，在步進(jìn)電機(jī)軸上通過鍵銷裝有參比調(diào)節(jié)盤(5)，參比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝時(shí)使取樣器(7)的光軸與參比調(diào)節(jié)盤(5)上所設(shè)的有效參比透射孔或參比反射板(6)的中心在同一直線上，電線(4)與電機(jī)接口連接構(gòu)成。
6.按照權(quán)利要求I所述的光譜儀亮度自校準(zhǔn)調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)，其特征在于，參比調(diào)節(jié)盤(5)上等圓心角設(shè)有三個(gè)以上不同直徑的參比透射孔或參比反射板￠)，設(shè)有參比透射孔的用于透射式光譜儀，設(shè)有參比反射板的用于反射式光譜儀。
7.按照權(quán)利要求5、6所述的光譜儀亮度自校準(zhǔn)調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)，其特征在于，參比調(diào)節(jié)盤(5)上設(shè)有參比透射孔或參比反射板￠)，參比透射孔或參比反射板(6)的中心距參比調(diào)節(jié)盤(5)的中心距離相等，參比調(diào)節(jié)盤(5)上的參比透射孔或參比反射板(6)均位于光軸上，參比透射孔或參比反射板(6)有效直徑<光斑直徑。
8.一種光譜儀亮度自校準(zhǔn)調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)的光譜測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟 a、初始化進(jìn)行樣品預(yù)測(cè)和系統(tǒng)校準(zhǔn)。將待測(cè)樣品置于光譜儀的測(cè)量窗口或取樣池內(nèi)，光源可控穩(wěn)流單元(13)按標(biāo)準(zhǔn)方式控制，發(fā)出光線經(jīng)單色器(15)、取樣器(17)與待測(cè)樣品發(fā)生作用，得到樣品的漫反射或漫透射光線。光譜信號(hào)采集單元(9)測(cè)量待測(cè)樣品的作用光線強(qiáng)度的數(shù)字量。亮度自動(dòng)校準(zhǔn)控制單元(7)根據(jù)此強(qiáng)度值，計(jì)算光源調(diào)整參數(shù)kl和參比調(diào)整比值kc，并控制光源可控穩(wěn)流單元(13)的控制電流和參比調(diào)節(jié)單元(16)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；以保證實(shí)際測(cè)量時(shí)樣品的測(cè)量值大于信號(hào)采集單元滿量程的1/2，參比的測(cè)量信號(hào)不超出量程。
b、樣品測(cè)量系統(tǒng)按初始化調(diào)整后，光譜儀分別進(jìn)行背景、參比、樣品的作用信號(hào)測(cè)量，得三者的測(cè)量值DpD^D3t5 C、光譜數(shù)據(jù)計(jì)算根據(jù)背景、參比、樣品的測(cè)量值Dp D2, D3和參比調(diào)整比值kc，計(jì)算樣品實(shí)際的反射率或透射率光譜數(shù)據(jù)G，以及吸光度A c "vAkc ■ /)2-DiA = -IogG 其中kc為參比調(diào)整比值光譜儀在標(biāo)準(zhǔn)配置時(shí)和樣品測(cè)量時(shí)參比的測(cè)量值之比； 其計(jì)算方法如下 ,Ss KC =— SI Ss為光譜儀在標(biāo)準(zhǔn)配置時(shí)所用參比的有效面積，St為光譜儀在樣品測(cè)量時(shí)所用參比的有效面積； Kl為光源調(diào)整參數(shù)光譜儀在標(biāo)準(zhǔn)配置時(shí)和樣品測(cè)量時(shí)光源供電電流之比； D1為光譜儀背景測(cè)量值；D2為光譜儀參比測(cè)量值；D3為光譜儀樣品測(cè)量值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光譜儀亮度自校準(zhǔn)調(diào)節(jié)測(cè)控系統(tǒng)及光譜測(cè)量方法。該系統(tǒng)為光機(jī)電一體化的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，由光譜信號(hào)采集單元、亮度自動(dòng)校準(zhǔn)控制單元、光源可控穩(wěn)流單元和參比調(diào)節(jié)單元四部分構(gòu)成。其方法是光源可控穩(wěn)流單元經(jīng)單色器、取樣器得到樣品的光譜信號(hào)，可控穩(wěn)流單元控制電流和參比調(diào)節(jié)單元的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；以保證實(shí)際測(cè)量時(shí)參比的測(cè)量信號(hào)不超出量程。通過改變樣品的入射光強(qiáng)的方式，使光譜儀對(duì)不同反射率或透過率樣品測(cè)量的光譜數(shù)據(jù)具有一致的信噪比。與現(xiàn)有技術(shù)相比，解決了現(xiàn)有光譜儀測(cè)量范圍有限的問題，擴(kuò)大儀器的適用范圍，提高光譜儀器的通用性；與現(xiàn)有光譜儀或采用不同的光源或取樣器的技術(shù)方案相比，降低了成本，提高了工作效率。
文檔編號(hào)G01N21/25GK102636263SQ201210152240
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月16日
發(fā)明者于永, 劉杰, 孫玉洋, 滕飛, 王智宏 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)