專利名稱：一種在線近紅外多成分的測量方法及儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電測試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種過程自動(dòng)控制中的儀表設(shè)備，尤其涉及一種在線近紅外物質(zhì)多成分的測量方法及設(shè)備。
現(xiàn)有技術(shù)中，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源消耗，保護(hù)環(huán)境，提高經(jīng)濟(jì)效益，通常在生產(chǎn)過程中對被測物中某種成分含量進(jìn)行在線監(jiān)測和控制。例如在冶煉工業(yè)中測量和控制原料中的水分含量；食品、固體飲料、化肥、化學(xué)化工等工業(yè)中測量和控制原料、中間品和最終產(chǎn)品中不同成分的含量或濃度。因此該種儀器是過程自動(dòng)控制中的關(guān)鍵儀表。此種儀表一般是利用物質(zhì)成分對近紅外光譜區(qū)特定波長輻射能的吸收強(qiáng)度來測定物質(zhì)成分的含量或濃度。目前現(xiàn)有技術(shù)中使用的已有近紅外傅立葉變換光譜儀、近紅外光柵光譜儀、近紅外棱鏡光譜儀和近紅外聲光調(diào)制光譜儀等。在上述這類儀器中，雖說都能在不同程度上實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)成分或濃度的測定，但近紅外光柵光譜儀和近紅外棱鏡光譜儀由于掃描時(shí)間長，測量速度慢而不能用于在線測量；近紅外傅立葉變換光譜儀和近紅外聲光調(diào)制光譜儀的測量速度雖能滿足在線測量的要求，作為實(shí)驗(yàn)室儀器具有很高的測量精度，但其價(jià)格昂貴，不便于在工業(yè)生產(chǎn)上推廣應(yīng)用。
日本《計(jì)測技術(shù)》雜志(1996.06)公開了一種日本千野株式會(huì)社(CHINOCorporation)生產(chǎn)的IRM系列水分計(jì)，這種儀器僅能測量水分一種成分，而不能測量物質(zhì)的其他成分。IRM系列的水分計(jì)采用三波長單光路的測量原理，它由近紅外光源照明部分、單色器部分、光電接收部分、信號處理部分和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。為了消除被測物的反射率、距離、質(zhì)地(表面狀態(tài)、顏色、組分等)變化及外界干擾因素的影響，除了選擇水分的特征吸收波長外，另外選擇此波長附近不被水分吸收的兩個(gè)波長構(gòu)成儀器使用的三個(gè)波長。將此三個(gè)波長的輻射能投射到被測物表面，利用光電探測器PbS將經(jīng)被測物表面漫反射回來的輻射能轉(zhuǎn)換成電信號，采用比例運(yùn)算，消除了上述因素的影響。但由于硫化鉛(PbS)探測器具有熱效應(yīng)的缺點(diǎn)；干涉濾波片中心波長的透過率是溫度的函數(shù)，因此系統(tǒng)必須具有溫度補(bǔ)償或內(nèi)部基準(zhǔn)功能，才能允許儀器工作環(huán)境溫度的變化。而該水分計(jì)的缺點(diǎn)是不能自動(dòng)消除或補(bǔ)償因環(huán)境溫度變化而引起的測量誤差，而且還存在由于電源波動(dòng)、光學(xué)元件老化和干擾等因素引起測量結(jié)果的變化等缺陷。
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明的目的和任務(wù)是為工業(yè)自動(dòng)化提供一種符合光學(xué)自適應(yīng)原則的在線近紅外多成分測量方法及儀器，它不僅能自動(dòng)消除或補(bǔ)償因環(huán)境溫度變化以及電源波動(dòng)、光學(xué)元件老化和干擾等因素引起的測量誤差，具有高精度、高穩(wěn)定度的優(yōu)點(diǎn)；而且還具有成本較低，便于在工業(yè)生產(chǎn)中推廣和應(yīng)用的特點(diǎn)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的它包括近紅外光源照明系統(tǒng)，裝有干涉濾波片的調(diào)制盤，光電探測器，對光電探測器輸出的信號進(jìn)行處理的信號處理系統(tǒng)及與其相連的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征是采用四波長雙光路八光束的測量方法，該測量方法是分別將測量光路產(chǎn)生的光信號和參考光路產(chǎn)生的光信號依次投射到同一光電探測器上。在調(diào)制盤轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)周期內(nèi)，該光電探測器按時(shí)間分割方式交替接收來自測量光路產(chǎn)生的四個(gè)調(diào)制光信號和參考光路產(chǎn)生的四個(gè)調(diào)制光信號，并將其分別轉(zhuǎn)換為八個(gè)電信號。對上述八個(gè)電信號進(jìn)行放大、濾波、鎖相放大、解調(diào)，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送往計(jì)算機(jī)，然后由儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存器中的計(jì)算程序計(jì)算得到被測物成分的濃度。
實(shí)現(xiàn)上述方法的一種在線近紅外多成分測量儀，它包括由一個(gè)近紅外光源以及與該光源安裝在同一光軸上的球面反射鏡、準(zhǔn)直透鏡、裝有干涉濾波片的調(diào)制盤、平面反射鏡、聚光鏡所組成的照明系統(tǒng)；由成象物鏡、光電探測器及被測物所組成的測量光路；對光電探測器輸出的信號進(jìn)行處理的信號處理部分以及與其相連的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于還包括一條參考光路，該參考光路是由與上述光源在同一水平面上的第一平面反射鏡以及安裝在與該反射鏡垂直方向的第二平面反射鏡和與第二平面反射鏡在同一光軸上的準(zhǔn)直透鏡及反射鏡組成；還包括儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中的測量程序和計(jì)算程序。
由于物質(zhì)成分對特定波長的近紅外波輻射能量具有吸收作用，其吸收能量的強(qiáng)度與成分的濃度或含量有關(guān)，該測量儀正是通過測量特征波長吸收能量的強(qiáng)度來確定其成分含量或濃度的。
附

圖1是光學(xué)系統(tǒng)示意圖。
附圖2為圖1的A-A剖視圖。
附圖3是調(diào)制盤結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖4為圖3的A-A剖視圖。
附圖5是信號處理系統(tǒng)示意圖。
附圖6是測量信號示意圖。
附圖7是微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)示意圖。
附圖8是計(jì)算程序流程框圖。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的測量原理、方法及具體實(shí)施方案由于物質(zhì)成分對特定波長的近紅外波輻射能量具有吸收作用，其吸收能量的強(qiáng)度與成分的濃度或含量有關(guān)，該測量方法及儀器正是通過測量特征波長吸收能量的強(qiáng)度來確定其成分含量或濃度的。
如圖1所示，該儀器采用四波長雙光路8光束的測量原理。一路為測量光路，另一路為參考光路。由紅外光源8以及與該光源安裝在同一光軸上的球面反射鏡7、準(zhǔn)直透鏡9、裝有干涉濾波片的調(diào)制盤18、平面反射鏡14、聚光鏡16組成照明光路，由成象物鏡1、光電探測器3及被測物17組成測量光路。參考光路是由與上述光源8在同一水平面上的第一平面反射鏡6以及安裝在與該反射鏡垂直方向的第二平面反射鏡5和與第二平面反射鏡5在同一光軸上的準(zhǔn)直透鏡4及反射鏡2組成。測量時(shí)，測量光路由紅外光源8發(fā)出的近紅外輻射，經(jīng)球面反射鏡7反射后成象在光源8處，之后經(jīng)準(zhǔn)直透鏡9和安裝在調(diào)制盤18上的干涉濾波片10～13(干涉濾波片采用4片)后，三波長(測量波長λm、基準(zhǔn)波長λ1和基準(zhǔn)波長λ2)的單色近紅外輻射波和全波段λ的近紅外輻射經(jīng)反射鏡14，聚光鏡16，保護(hù)玻璃15依次投射到被測物17上，經(jīng)由被測物漫反射的輻射波由成象物鏡1會(huì)聚到硫化鉛(PbS)探測器3上。參考光路由紅外光源8發(fā)出的近紅外輻射，經(jīng)平面反射鏡6、5和準(zhǔn)直透鏡4及安裝在同一調(diào)制盤18上的干涉濾波片10～13后，三個(gè)波長(測量波長λm、基準(zhǔn)波長λ1和基準(zhǔn)波長λ2)的單色近紅外輻射波和全波段λ的近紅外輻射經(jīng)由反射鏡2依次直接投射到同一個(gè)硫化鉛(PbS)探測器3上。探測器3按時(shí)間分割方式順序接收來自測量光路和參考光路的信號，如圖6所示，每周期接收8個(gè)不同的信號。采用這種光學(xué)系統(tǒng)，通過對8個(gè)光電信號的采集、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算得到被測物多種成分的含量或濃度。
設(shè)Iλm,Iλ1,Iλ2,Iλ分別表示測量波長λm、基準(zhǔn)波長λ1、基準(zhǔn)波長λ2和全波段λ經(jīng)測量光路反射至光電探測器3輸出的光電流。Iaλm,Ia λ1,Iaλ2,Iaλ分別表示經(jīng)由參考光路射至光電探測器3輸出的光電流，則Iλm=Istλmrλm(1-αλmC)EλmTλm(1)Iλ1=Istλ1rλ1(1-αλ1C)Eλ1Tλ1(2)Iλ2=Istλ2rλ2(1-αλ2C)Eλ2Tλ2(3)Iλ=Istλrλ(1-αλC)EλTλ(4)Iaλm=k1IstλmEλmTλm(5)Iaλ1=k1Istλ1Eλ1Tλ1(6)Iaλ2=k1Istλ2Eλ2Tλ2(7)Iaλ=k1IstλEλTλ(8)式中Is-光源的發(fā)光強(qiáng)度；tλm、tλ1、tλ2、tλ-相應(yīng)波長濾波片的透過率；rλm、rλ1、rλ2、rλ-被測物對相應(yīng)波長的反射率；αλm、αλ1、αλ2、αλ-被測物成分對相應(yīng)波長的吸收系數(shù)；C-被測物成分的含量或濃度；Eλm、Eλ1、Eλ2、Eλ-探測器對相應(yīng)波長的光電轉(zhuǎn)換效率；Tλm、Tλ1、Tλ2、Tλ-探測器對相應(yīng)波長的溫度系數(shù)；
k1-基準(zhǔn)光路與測量光路光通量的比例系數(shù)。令E=kIλ1Iaλ1+Iλ2Iaλ2IλmIaλm---(9)]]>式中k-比例系數(shù)。將公式(1)～(3),(4)～(6)代入式(9)，由于探測器接收的測量光路的四個(gè)信號和參考光路中的四個(gè)信號均來自同一個(gè)光源，經(jīng)過相同的干涉濾波片，被同一個(gè)探測器接收放大，經(jīng)整理得到E=k(rλ1+rλ2)-(rλ1αλ1+rλ2αλ2)Crλm(1-αλmC)---(10)]]>此式說明信號強(qiáng)度僅與被測物的表面反射率、吸收系數(shù)和濃度有關(guān)。
可見該測量方法能自動(dòng)消除電子線路等器件的漂移、光源老化和光源色溫隨時(shí)間變化以及自動(dòng)消除由于干涉濾波片的老化和環(huán)境溫度變化對測量結(jié)果的影響。
由于被測物質(zhì)地(表面狀態(tài)、顏色、組成成分等)的變化引起被測物表面分光特性的變化，導(dǎo)致rλm、rλ1、rλ2變化，從而引起測量誤差。由于此變化引起測量基線傾斜，通過正確選擇測量波長λm、基準(zhǔn)波長λ1和λ2，可消除此項(xiàng)誤差的影響。作為—種特例，使λ1和λ2位于λm的兩側(cè)，且使λm-λ1=λ2-λm。此種情況下，αλ1=αλ2，由于被測物質(zhì)地變化引起的反射系數(shù)分別變?yōu)閞λ1+Δ和rλ2-Δ，因此信號強(qiáng)度E不變。
僅當(dāng)被測物中成分的濃度發(fā)生變化時(shí)，公式(10)中信號強(qiáng)度E變化。因此能準(zhǔn)確地反映出被測物成分濃度的變化。
被測物成分濃度的計(jì)算公式為Y=aX3+bX2+cX+d (11)式中X=LgE； (12)a,b,c,d-待定系數(shù)。
除測量波長λm、基準(zhǔn)波長λ1和λ2外，本系統(tǒng)中增加對測量光路的全波段信號Iλ和基準(zhǔn)光路的全波段信號Iaλ的測量，令E1=k2IλIaλ=rλ(1-αλC)K1---(13)]]>當(dāng)強(qiáng)度為I0的外界近紅外輻射被測物表面時(shí)，強(qiáng)度Iλ增加，而Iaλ不變，此時(shí)E1=K2IλIaλ=rλ(1-αλC)k1(1+IaIs)---(14)]]>E1隨I0的增加而增大，因此可用來判斷有無外界近紅外輻射的干擾。如果出現(xiàn)這種情況，此時(shí)的測量結(jié)果不可靠，發(fā)出報(bào)警信號，排除干擾的影響。
因此該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)補(bǔ)償光源老化和色溫的變化、電源波動(dòng)、電子線路的漂移、干涉濾波片的中心波長透過率隨溫度的漂移、探測器信號隨溫度的漂移等引起的信號變化，使測量信號強(qiáng)度的變化僅隨成分濃度的變化而改變，即系統(tǒng)具有光學(xué)自適應(yīng)的功能。測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定、重復(fù)性好、精度高。另外系統(tǒng)對外界近紅外輻射的干擾影響也能隨時(shí)識別并提示排除。
附圖3是調(diào)制盤結(jié)構(gòu)示意圖。調(diào)制盤18由電機(jī)23帶動(dòng)，以1000轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)。調(diào)制盤上裝有干涉濾波片10～13，其中心透過波長分別為λm、λ1\λ2和λ，其中λm為被測成分的吸收波長，λ1和λ2為不吸收或吸收極少的波長。一般情況下使λm-λ1=λ2-λm,λ為帶通濾波片，透過波長為0.8～2.6μm。19、20為發(fā)光二極管，21、22為光電接收管。在每周期內(nèi)，光電接收管21接收24個(gè)同步信號，作為電機(jī)的速度鎖相信號，通過速度鎖相器30控制電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，24個(gè)同步信號經(jīng)三分頻后產(chǎn)生的8個(gè)信號用于采樣信號。在每周期內(nèi)，光電接收管接收1個(gè)信號作為復(fù)位信號，用以控制周期采樣。光電探測器3按時(shí)間分割方式交替地接收測量光路和基準(zhǔn)光路的光信號，一周期內(nèi)接收到8個(gè)光信號，如圖6所示。
附圖5是信號處理系統(tǒng)示意圖。信號處理系統(tǒng)要完成的任務(wù)是將被樣品吸收、散射后的光信號和不經(jīng)過樣品的光信號經(jīng)由探測器3轉(zhuǎn)換成電信號并將其進(jìn)行放大。由探測器輸出的信號經(jīng)過前置放大器24放大，放大后的輸出信號輸入到帶通濾波器25。另一路由光電接收管21產(chǎn)生的同步信號經(jīng)過帶通濾波器28后輸入到移相器29。由移相器29輸出的信號和帶通濾波器25的輸出信號經(jīng)乘法器26相乘后再經(jīng)過低通濾波器27濾波放大，得到與被測信號幅值成比例的相敏檢波直流信號輸出。
設(shè)信號Vs(t)=Vscos(ωst+θs) (15)參考信號為VR(t)=4πΣn=0∝12n+1cos[(2n+1)(ωRt+θR)]---(16)]]>二者相乘后V0(t)=Σn=0∝2Vs2n+1cos{[ωs±(2n+1)ωR]t+[θs±(2n+1)θR]}---(17)]]>當(dāng)ωS=ωR時(shí)，V0(t)中產(chǎn)生一項(xiàng)直流量2Vsπcos(θs-θR)]]>，其他項(xiàng)均為交流量，經(jīng)過低通濾波后，只剩下直流成分。因而相敏檢波輸出為V0(t)=2Vsπcos(θs-θR)---(18)]]>調(diào)整兩信號之間的相位差(θS-θR)，使之等于0，則V0(t)有最大輸出2Vs/π，這個(gè)值線性地反映了信號的幅值。
光譜檢測屬于微弱信號處理，整個(gè)系統(tǒng)包括鎖相放大、調(diào)制電機(jī)速度鎖定等部分組成。經(jīng)過鎖相放大后的信號V0(t)經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器輸入給單片機(jī)，按程序計(jì)算得到物質(zhì)成分的濃度。
圖7是微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)框圖。微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由80C198單片機(jī)32和PC機(jī)31構(gòu)成。單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算和控制功能。通過RS-422串行數(shù)據(jù)通信口與PC機(jī)連接，將數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)，通過PC機(jī)對單片機(jī)及整套儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和控制。
當(dāng)需要對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制時(shí)，由計(jì)算得到的成分濃度值經(jīng)由數(shù)摸轉(zhuǎn)換器DA1230轉(zhuǎn)換為4～20mA電信號，作為操作器的控制信號，實(shí)現(xiàn)對被測成分的濃度進(jìn)行控制，從而使控制器對生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)在線控制，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約材料，減少能源消耗。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果由于本發(fā)明采用了四波長雙光路8光束的測量方法及其相應(yīng)的系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了對物質(zhì)多成分或濃度的檢測，而且能實(shí)時(shí)補(bǔ)償由于光源老化和色溫的變化、電源波動(dòng)、電子線路的漂移、干涉濾波片的中心波長透過率隨溫度的漂移以及探測器信號隨溫度的漂移等引起的信號變化，使測量信號強(qiáng)度的變化僅隨成分濃度的變化而改變，即系統(tǒng)具有光學(xué)自適應(yīng)功能。因此測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定、重復(fù)性好、精度高。另外系統(tǒng)對外界近紅外輻射的干擾影響也能隨時(shí)判別并提示排除。本發(fā)明既適用于粉狀、顆粒狀、片狀和纖維等固體物質(zhì)的多種成分濃度檢測，也適用于漿狀、膏狀和液體物質(zhì)多種成分濃度的檢測。在食品、飲料、冶煉、輕工、陶瓷、煙草、醫(yī)藥、造紙、木材加工等工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。所測量的成分濃度與物質(zhì)的厚度無關(guān)，特別適用于物質(zhì)成分的在線非接觸連續(xù)測量。
權(quán)利要求
1.一種在線近紅外物質(zhì)多成分的測量方法，它包括近紅外光源照明系統(tǒng)，裝有干涉濾波片的調(diào)制盤，光電探測器，對光電探測器輸出的信號進(jìn)行處理的信號處理系統(tǒng)及與其相連的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征是采用四波長雙光路八光束的測量方法，其測量步驟如下a．分別將測量光路產(chǎn)生的光信號和參考光路產(chǎn)生的光信號依次投射到同一光電探測器上；b．在調(diào)制盤的一個(gè)周期內(nèi)，該光電探測器按時(shí)間分割方式交替接收來自測量光路產(chǎn)生的四個(gè)調(diào)制光信號和參考光路產(chǎn)生的四個(gè)調(diào)制光信號，并將其分別轉(zhuǎn)換為八個(gè)電信號；c．對上述八個(gè)電信號進(jìn)行放大、濾波、鎖相放大、解調(diào)，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送往計(jì)算機(jī)；d．由儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存器中的計(jì)算程序計(jì)算得到被測物成分的濃度。
2．按照權(quán)利要求1所述的一種在線近紅外物質(zhì)多成分的測量方法，其特征是計(jì)算機(jī)將被測物成分濃度的數(shù)字信號，經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，變成對被測物成分的濃度進(jìn)行控制的4～20mA電信號輸出。
3．一種采用如權(quán)利要求1的在線近紅外多成分測量儀，它包括由一個(gè)近紅外光源以及與該光源安裝在同一光軸上的球面反射鏡、準(zhǔn)直透鏡、裝有干涉濾波片的調(diào)制盤、平面反射鏡、聚光鏡所組成的照明光路，由成象物鏡、光電探測器及被測物所組成的測量光路，對光電探測器輸出的信號進(jìn)行處理的信號處理部分以及與其相連的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于還包括一條參考光路，該參考光路是由與上述光源在同一水平面上的第一平面反射鏡以及安裝在與該反射鏡垂直方向上的第二平面反射鏡和與第二平面反射鏡在同一光軸上的準(zhǔn)直透鏡及反射鏡組成。
4．按照權(quán)利要求3所述的一種在線近紅外多成分測量儀，其特征是調(diào)制盤上采用4個(gè)干涉濾波片。
全文摘要
在線近紅外多成分的測量方法及儀器,涉及一種在線自動(dòng)檢測物質(zhì)多成分的技術(shù)及設(shè)備。其特征是利用同一光源和同一探測器,采用四波長雙光路八光束的測量方法及系統(tǒng)。本發(fā)明不僅具有成本較低,便于在工業(yè)生產(chǎn)中推廣和應(yīng)用的特點(diǎn),而且能自動(dòng)消除或補(bǔ)償環(huán)境溫度的變化、光源老化和色溫的變化以及電源波動(dòng)、電子線路漂移等因素而引起的測量誤差,即系統(tǒng)具有光學(xué)自適應(yīng)功能。因此測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定、重復(fù)性好、精度高。另外系統(tǒng)對外界近紅外輻射的干擾影響也能隨時(shí)判別并提示排除。
文檔編號G01N21/35GK1215837SQ98124798
公開日1999年5月5日 申請日期1998年11月20日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月20日
發(fā)明者王東生, 廖文帥, 徐振明 申請人:清華大學(xué)