基于紅外光譜特征的化學品快速判別方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于紅外光譜特征的化學品快速判別方法和裝置，可針對特定類別的化學品，實現(xiàn)快速篩查。該裝置由光源、光譜儀、光纖構(gòu)成的光路模塊、主板單元、可觸摸顯示屏、軟件分析單元組成，其中，分析算法部分應(yīng)用了多種化學計量學方法，模型的建立和替換十分方便。該方法和裝置主要應(yīng)用于化學品光譜信息的自動采集和快速判別，具有便攜、穩(wěn)定性強、交互界面人性化等特點。
【背景技術(shù)】
[0002]由于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的不同，造成了不同物質(zhì)對光吸收或光輻射的不同，人們就是利用這種不同，把物質(zhì)相互區(qū)分開來以達到分析的目的。紅外光譜便是其中之一。不同的分子或官能團有自己獨特的運動方式，通過對紅外輻射的吸收，會產(chǎn)生不同的紅外吸收譜圖，紅外譜圖中，峰的位置、峰形、強度給出了分子結(jié)構(gòu)中官能團的信息，通過對由不同原子或官能團所引起的特征吸收帶的鑒別，可作為解析紅外光譜的基礎(chǔ)。
[0003]紅外波段的光譜特征決定了紅外光譜分析技術(shù)與常規(guī)分析技術(shù)相比，具有顯著的優(yōu)越性，既可用于定性也可用于定量分析，其分析對象廣泛:紅外光譜幾乎可用于所有與含氫基團有關(guān)的樣品物化性質(zhì)分析，不僅能反映絕大多數(shù)有機化合物的組成和結(jié)構(gòu)信息，對某些無紅外光譜吸收的物質(zhì)(如某些無機離子化合物)，也可通過它對共存的本體物質(zhì)影響引起的光譜變化，間接地反映它存在的信息。
[0004]這些信息的匯總，我們可以分析甚至可以確定分子的結(jié)構(gòu)。適合紅外光譜測量的物質(zhì)種類范圍和場合非常廣泛，在大多數(shù)情況下，從分析一個樣品到獲得結(jié)果不到一分鐘，成本較低；由于無需樣品預(yù)處理步驟，減少了人為因素帶來的實驗誤差，紅外光譜分析結(jié)果的準確性與其它分析技術(shù)相比更為可靠。
[0005]實際上，在紅外的吸收區(qū)域中由含氫基團化學鍵振動而產(chǎn)生的吸收信號比較弱，容易導致了靈敏度相對偏低，使得譜峰重疊或譜帶變寬。紅外光譜的分析僅僅靠建立工作曲線的手段來進行定性或定量分析是行不通的。因此本裝置使用化學計量學的方法構(gòu)建已知紅外光譜的識別模型并處理未知光譜，以便最大限度地提取出光譜數(shù)據(jù)中的相關(guān)信息。
[0006]本裝置基于紅外光譜特征、采用PCA或Fisher等化學計量學分析方法所構(gòu)成。體積小、重量輕、便攜；全觸摸操作體驗，在線分析、快速識別，更適合現(xiàn)場檢測，充分體現(xiàn)了紅外光譜在化學品分析方面的應(yīng)用，具有較大的價值和意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]現(xiàn)行檢測分析裝置體積較大，重量較重，不宜便攜；分析方法花費時間較長，不能在線即時分析。本發(fā)明的主要目的是提供一種基于紅外光譜的化學品快速判別方法和裝置，主要為現(xiàn)場采集測試提供便攜的裝置、快速的分析方法。
[0008]該裝置在主面板上設(shè)置有樣品盒(5)、觸摸顯示屏(2)、開關(guān)。后面板(6)設(shè)置有散熱孔(7)、電源插口(8)，側(cè)面板預(yù)留有USB接口(9)。裝置內(nèi)部設(shè)置有用于檢測和分析的光源，近紅外光譜儀，ATOM型主板(15)，硬盤(16)。裝置搭載有用于化學品快速檢測的化學計量學模型以及運行分析的軟件平臺，軟件部分包括功能設(shè)置、識別分析方法和分析結(jié)果存儲。
[0009]本裝置為達到便攜、快速分析的效果所采取的方案為:
硬件部分分為光路部分、主板單元和觸摸顯示屏。
[0010]光路部分主要包括光源、光譜儀、光纖、樣品座。光源采用鹵化鎢光源，光譜儀采用海洋光學的波長范圍在900-1700nm、焦距為200mm的NIRQuest512以及配套的光纖和樣品座，樣品座置于樣品盒(5)中。樣品盒(5)深度大約10cm，足以滿足普通器皿的長度，盒內(nèi)壁都為黑色，包括翻蓋的內(nèi)面(4)，大大減少了自然光的干擾。
[0011]主板單元包括:AT0M型主板以及配套的電源及外設(shè)。該主板尺寸小、功耗低、高性能，不僅能滿足縮小裝置的尺寸的目的，也能滿足軟件算法的需求。主板配套電源盒能提供了 +5V-10A，+12V-14A，不僅為主板提供需要的電源，而且還能為光源、光譜儀、觸摸屏提供電源，統(tǒng)一了電源接口，去除了多余的電源適配器，同樣縮小了裝置體積；觸摸顯示屏(2)為定制的10寸電阻屏，全觸摸操作，解除了鼠標鍵盤的限制，既能顯示必要操作信息，又大大縮小了裝置體積，使得整個裝置更加便于攜帶使用。
[0012]在所述硬件主板上可搭載Windows XP系統(tǒng)，安裝光譜儀驅(qū)動、觸摸屏驅(qū)動，便可驅(qū)動相關(guān)硬件設(shè)備，以此提供軟件運行平臺。預(yù)留USB接口(9)，作為可以更新程序和模型使用。
[0013]軟件部分包括功能設(shè)置、識別分析方法和分析結(jié)果存儲。
[0014]功能設(shè)置包括:光譜儀參數(shù)設(shè)置，包括積分時間、平均次數(shù)、平滑度、去除暗噪聲；光譜顯示設(shè)置，顯示光源光譜、預(yù)處理光譜、不帶預(yù)處理光譜。還包括光譜數(shù)據(jù)保存設(shè)置，保存路徑設(shè)置、保存文件設(shè)置。
[0015]識別分析方法包括建立模型，未知光譜識別分析:模型的建立需要先使用本裝置采集一定量的化學純品的吸光度光譜作為訓練集樣品，通過化學計量學的算法(如PCA、Fisher線性判別等)進行降維以及聚類分析等處理，將最有用的信息提取出來，并存儲在裝置的模型矩陣(包括分析模型矩陣和判定模型矩陣)中，便于即時調(diào)用；當進行未知光譜識別時，確定選用的算法，調(diào)用相應(yīng)算法的模型矩陣，將采集到的光譜使用模型中的分析模型矩陣進行分析，并與判定模型進行比較和分析，實現(xiàn)定性。軟件中可以存儲多組模型，模型還可以同預(yù)留的USB 口(9)進行實時更新和補充，當要檢測新的化學品而且現(xiàn)行模型不適用時，可以再建立一組新的模型，靈活性很強。建立新的模型后，在預(yù)測新的未知樣品時，要確定所需的算法，加載相應(yīng)模型。程序會自動讀取模型中相關(guān)矩陣和參數(shù)，對未知樣品的光譜進行處理，并進行判斷，從而實現(xiàn)未知樣品的鑒定。
[0016]分析結(jié)果存儲可以保存檢測結(jié)果，包含日期時間，分析方法等字段，便于歸檔與查詢。
[0017]通過軟硬件的搭配，使得裝置小巧輕便，便于攜帶，快速現(xiàn)場分析測試，全觸摸體驗。
【附圖說明】
[0018]圖1為本裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本裝置后蓋結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本裝置側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本裝置光路結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本裝置主板單元結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6為軟件流程示意圖；
圖7為算法流程示意圖；
圖8為實例(一)中訓練集的PCA得分示意；
圖9為實例(一)中苯甲酸甲酯的得分投影圖；
圖10為實例(一)中水的得分投影圖。
[0019]附圖圖面說明
1、前面版，2、觸摸屏，3、儀器開關(guān)，4、樣品盒蓋，5樣品盒，
6、后蓋面板，7、散熱孔，8、電源插孔，
9、USB接口，
10、光源，11、光纖，12、樣品底座，13、器皿臺，14、光譜儀，
15、ATOM型主板，16、硬板，17、電源盒(可為其它設(shè)備提供+5V，12V)，18、觸摸顯示屏，33、鄰苯二甲酸二壬酯，34、乙酸乙酯，35、鄰苯二甲酸二乙酯，36、鄰苯二甲酸二烯丙酯，37、苯甲酸乙酯，38、苯甲酸甲酯。
【具體實施方式】
[0020]為能進一步了解本發(fā)明的內(nèi)容、特點，列舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下:
參閱圖1本發(fā)明整體框圖，該裝置的尺寸為:長X寬X高=45x33x26，單位cm。整體大小接近普通辦公使用打印機大小，整體重量約為8kg。用戶前面版(I)有樣品盒(5)、觸摸顯示屏(2)、開關(guān)。樣品盒(5)深度大約10cm，足以滿足普通器皿的長度，盒內(nèi)壁都為黑色，包括翻蓋的內(nèi)面(4)，大大減少了自然光的干擾。觸摸顯示屏(2)可以完整展現(xiàn)人性化的人機交互，完成檢測分析。開關(guān)(3)可以啟動或停止裝置。
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