一種基于便攜式光纖光譜儀的可見(jiàn)近紅外漫反射基線(xiàn)信號(hào)的扣除裝置及其方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于便攜式光纖光譜儀的可見(jiàn)近紅外漫反射基線(xiàn)信號(hào)的扣除裝置及其方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及可見(jiàn)近紅外光譜在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)，具體涉及一種基于便攜式光纖光譜儀的可見(jiàn)近紅外漫反射基線(xiàn)信號(hào)的扣除裝置及其方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]近紅外光譜技術(shù)具有無(wú)需樣品預(yù)處理、多種參數(shù)同時(shí)測(cè)量、測(cè)量時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，適宜用于現(xiàn)場(chǎng)在線(xiàn)分析，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于食品安全、品質(zhì)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。
[0005]近紅外光譜儀、化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件和應(yīng)用模型構(gòu)成了現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)，多波長(zhǎng)下吸光度的準(zhǔn)確測(cè)量要求光譜儀具有較高的信噪比和良好的穩(wěn)定性。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，便攜式光纖光譜儀與傅里葉型、CCD型、晶體衍射型、光電陣列型光譜儀相比具有更好的靈活性，其模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)更加便于工作人員操作，因此更適用于固體粉末狀樣品的快速在線(xiàn)分析。
[0006]但由于受材料和加工工藝的影響，便攜式光纖光譜儀自身存在的基線(xiàn)漂移，易導(dǎo)致測(cè)量光譜的穩(wěn)定性下降，因此在使用過(guò)程中需定期校正光譜儀的參數(shù)；另外，由于在暗背景下的光譜基線(xiàn)漂移對(duì)吸光度的測(cè)定造成干擾，所以為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，讓測(cè)試數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確反映待測(cè)對(duì)象的物理化學(xué)性質(zhì)，需扣除其基線(xiàn)漂移對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供基于便攜式光纖光譜儀的可見(jiàn)近紅外漫反射基線(xiàn)信號(hào)的扣除裝置及其方法，有效地避免外界環(huán)境對(duì)測(cè)量信號(hào)的及扣除光譜儀自身基線(xiàn)漂移對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高其檢測(cè)精度，適用于固體粉末狀、顆粒狀樣品的實(shí)時(shí)、在線(xiàn)可見(jiàn)近紅外漫反射光譜測(cè)量，為定性定量分析提供可靠有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
一種基于便攜式光纖光譜儀的可見(jiàn)近紅外漫反射基線(xiàn)信號(hào)的扣除裝置，包括光源附件和將光纖傳輸給光纖光譜儀的光纖接收附件，所述光源附件和光纖接收附件的中軸線(xiàn)交點(diǎn)處設(shè)有光學(xué)窗片；所述光學(xué)窗片內(nèi)嵌在水平的底板中間，位于光學(xué)窗片外側(cè)的底板上設(shè)有活動(dòng)L形擋板用于控制光源附件發(fā)出的漫反射信號(hào)進(jìn)入或阻斷進(jìn)入光纖接收附件。
[0010]進(jìn)一步方案，所述光源附件固定在固定板上，光源附件的中軸線(xiàn)與所述底板垂直；所述固定板上還固設(shè)有兩個(gè)固定槽，所述光纖接收附件固定在所述的固定槽上，所述光纖接收附件的中軸線(xiàn)與所述底板呈45°或60°。
[0011]進(jìn)一步方案，所述光源附件包括外筒，所述外筒的內(nèi)部底端固設(shè)有聚焦透鏡，聚焦透鏡的上方固設(shè)有光源。
[0012]更進(jìn)一步方案，所述光源為鹵素?zé)簟?br>[0013]進(jìn)一步方案，所述光纖接收附件包括外筒，所述外筒的內(nèi)部底端固設(shè)有收集透鏡，外筒的頂端開(kāi)設(shè)有光纖接口。
[0014]進(jìn)一步方案，所述L形擋板的外側(cè)設(shè)有驅(qū)動(dòng)裝置，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括設(shè)在電機(jī)座上的電機(jī)，所述電機(jī)座中套設(shè)有推桿，所述推桿的一端與所述L形擋板的外側(cè)連接，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)推桿伸縮而帶動(dòng)L形擋板移動(dòng)。
[0015]進(jìn)一步方案，所述電機(jī)座的底端設(shè)于底板上、頂端通過(guò)螺栓與固定架連接，位于L形擋板正上方的固定架上固設(shè)有接近開(kāi)關(guān)。
[0016]進(jìn)一步方案，所述光源附件和光纖接收附件的中軸線(xiàn)之間夾角為30°或45°。
[0017]進(jìn)一步方案，所述光學(xué)窗片為可透過(guò)390_2526nm的可見(jiàn)近紅外波段光的藍(lán)寶石玻璃；所述電機(jī)優(yōu)選為步進(jìn)電機(jī)，也可為其他能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的電機(jī)。
[0018]本發(fā)明的另一個(gè)發(fā)明目的是提供上述基于便攜式光纖光譜儀的可見(jiàn)近紅外漫反射光譜基線(xiàn)扣除方法，其步驟如下:
(1)初始狀態(tài)，電機(jī)不工作，L形擋板位于接近開(kāi)關(guān)的正下方；
(2)開(kāi)始測(cè)量，打開(kāi)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)推桿往外伸出，推動(dòng)L形擋板沿底板往光學(xué)窗片運(yùn)動(dòng)至其另一側(cè)，遮擋住光纖接收附件；
(3)光源附件發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)光學(xué)窗片漫反射被L形擋板遮擋，此時(shí)光纖光譜儀檢測(cè)的數(shù)據(jù)為基線(xiàn)信號(hào)；
(4)電機(jī)運(yùn)行3-4秒后反向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)推桿往回運(yùn)行，L形擋板一同運(yùn)行到原始位置，接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到L形擋板位于其下正下方時(shí)，切斷電機(jī)電源，使電機(jī)停止運(yùn)行；
(5)光源附件發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)光學(xué)窗片漫反射被光纖接收附件的收集透鏡(72)收集，再經(jīng)光纖接口傳輸給光纖光譜儀，此時(shí)光纖光譜儀檢測(cè)的數(shù)據(jù)為含基線(xiàn)的漫反射光譜信號(hào)；
(6)將步驟(5)檢測(cè)的含基線(xiàn)的漫反射光譜信號(hào)減去步驟(3)檢測(cè)的基線(xiàn)信號(hào)即為實(shí)際光譜信號(hào)。
[0019]本發(fā)明的裝置每次掃描樣品時(shí)，能分別獲取暗背景光譜信號(hào)和含基線(xiàn)的漫反射光譜信號(hào)，兩種光譜信號(hào)的測(cè)量是基于同一組測(cè)量附件和光譜儀。其是通過(guò)光纖接收附件將漫反射信號(hào)傳輸至光纖光譜儀，光纖光譜儀將光譜數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行記錄，扣除基線(xiàn)信號(hào)來(lái)達(dá)到消除光譜儀自身響應(yīng)對(duì)測(cè)試樣品光譜的影響，即達(dá)到消除基線(xiàn)漂移對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)的影響。并可通過(guò)上位機(jī)來(lái)控制L形擋板的運(yùn)動(dòng)方向及位置，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)L形擋板的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如前進(jìn)、后退和停止來(lái)實(shí)現(xiàn)基線(xiàn)信號(hào)、含基線(xiàn)的漫反射光譜信號(hào)的動(dòng)態(tài)測(cè)量，通過(guò)減去基線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度以扣除光譜儀的基線(xiàn)，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。
[0020]所以本發(fā)明不僅有效避免外界環(huán)境對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響，還可以有效扣除光譜儀自身基線(xiàn)漂移對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高其檢測(cè)精度；并且使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊減小了系統(tǒng)體積，適用于固體粉末狀、顆粒狀樣品的實(shí)時(shí)、在線(xiàn)可見(jiàn)近紅外漫反射光譜測(cè)量。
[0021]本發(fā)明中的光源附件和光纖接收附件的中軸線(xiàn)夾角有30°、45°兩種選擇，可以安裝一個(gè)光纖接收附件，或同時(shí)安裝兩個(gè)光纖接收附件以提高光譜收集效率。光纖接收附件采用差分光纖將漫反射信號(hào)耦合至光纖端面并同時(shí)傳輸至可見(jiàn)、近紅外光譜儀，同時(shí)獲取可見(jiàn)、近紅外波段的漫反射光譜數(shù)據(jù)。
[0022]所述的光學(xué)窗片采用藍(lán)寶石玻璃，該玻璃可透過(guò)可見(jiàn)近紅外波段的光(390-2526nm),該光學(xué)窗片鑲嵌在底板表面。本裝置可放置于實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)上作離線(xiàn)測(cè)試使用，也可以安裝于生產(chǎn)線(xiàn)上作在線(xiàn)測(cè)試使用。
[0023]接近開(kāi)關(guān)為電感式接近傳感器，當(dāng)L形擋板位于接近開(kāi)關(guān)敏感面正下方時(shí)產(chǎn)生信號(hào)驅(qū)動(dòng)關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)停止工作。
[0024]說(shuō)明書(shū)附圖
圖1是本裝置的第一種狀態(tài)示意圖；
圖2是本裝置的第二種狀態(tài)示意圖；
圖3是本裝置的第三種狀態(tài)示意圖；
圖4是本裝置中光源附件的剖視圖；
圖5是本裝置中光纖接收附件的剖視圖；
圖6是本發(fā)明的漫反射光譜基線(xiàn)扣除方法的流程圖；
圖7是本裝置檢測(cè)的光譜信號(hào)曲線(xiàn)圖，圖中A為基線(xiàn)信號(hào)，B為含基線(xiàn)的漫反射光譜信號(hào)，C為實(shí)際光譜信號(hào)；
圖8是重復(fù)測(cè)試得到的基線(xiàn)信號(hào)曲線(xiàn)；
圖9是圖8中基線(xiàn)信號(hào)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線(xiàn)；
圖10是采集得到的土壤漫反射光譜信號(hào)；
圖11是采集得到的化肥漫反射光譜信號(hào)。
[0025]圖中:1-固定架，2-電機(jī)，3-接近開(kāi)關(guān)，4-光源附件，41-外筒，42光源，43-聚焦透鏡；5_固定板，6-固定槽，7-光纖接收附件，71-外筒，72-光纖接口，73-收集透鏡；8_光學(xué)窗片,9-L形擋板，10-電機(jī)座，11-推桿。
[0026]
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0028]實(shí)施例一:
如圖1-3所示，一種基于便攜式光纖光譜儀的可見(jiàn)近紅外漫反射基線(xiàn)信號(hào)的扣除裝置，包括光源附件4和將光纖傳輸給光纖光譜儀的光纖接收附件7，所述光源附件4和光纖接收附件7的中軸線(xiàn)交點(diǎn)處設(shè)有光學(xué)窗片8 ;所述光學(xué)窗片8內(nèi)嵌在水平的底板12中間，位于光學(xué)窗片8外側(cè)的底板12上設(shè)有活動(dòng)L形擋板9用于控制光源附件4發(fā)出的漫反射信號(hào)進(jìn)入或阻斷進(jìn)入光纖接收附件7。
[0029]進(jìn)一步方案，所述光源附件4固定在固定板5上，光源附件4的中軸線(xiàn)與所述底板12垂直；所述固定板5上還固設(shè)有兩個(gè)固定槽6，所述光纖接收附件7固定在固定槽6上，光纖接收附件7的中軸線(xiàn)與底板12之間呈45-60°夾角。
[0030]進(jìn)一步方案，所述L形擋板9的外側(cè)設(shè)有驅(qū)動(dòng)裝置，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括設(shè)在電機(jī)座10上的電機(jī)2,所述電機(jī)座10中套設(shè)有推桿11，所述推桿11的一端與所述L形擋板9的外側(cè)連接，電機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)推桿11伸縮而帶動(dòng)L形擋板9移動(dòng)。
[0031]進(jìn)一步方案，所述電機(jī)座10的底端設(shè)于底板12上、頂端通過(guò)螺栓與固定架I連接，位于L形擋板9正上方的固定架I上固設(shè)有接近開(kāi)關(guān)3。
[0032]本發(fā)明中的光學(xué)窗片8為可透過(guò)390_2526nm的可見(jiàn)近紅外波段光的藍(lán)寶石玻璃；電機(jī)2為步進(jìn)電機(jī)。
[0033]本發(fā)明的裝置中結(jié)構(gòu)狀態(tài)具體有以下幾種:
1、本裝置的第一種狀態(tài)示意圖如圖1所示，光源附件4和光纖接收附件7的中軸線(xiàn)之間夾角為45°，L形擋板9位于初始狀態(tài)；
2、本裝置的第二種狀態(tài)示意圖如圖2所示，光源附件4和光纖接收附件7的中軸線(xiàn)之間夾角為30°，L形擋板9位于初始狀態(tài)；
3、本裝置的第三種狀態(tài)