一種微型紫外?可見/紅外無損檢測光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微型紫外?可見/紅外無損檢測光譜儀，其包括光源、光電傳感器、電路系統(tǒng)、外殼和電源。光源包括管腳、管座、鋁基板、微型單片機(jī)電路、LED陣列、導(dǎo)光體和導(dǎo)光筒；光電傳感器是紫外?可見/紅外硅光電二極管；電路系統(tǒng)包括單片機(jī)控制電路、功放電路、信號放大和濾波電路以及數(shù)據(jù)傳輸電路；外殼是帶有光源插槽、電源插口、通訊插口和隔離層的圓柱體；電源為直流電源。本發(fā)明的微型紫外?可見/紅外無損檢測光譜儀可以用于測定一種或多種特定目標(biāo)物質(zhì)的紫外?可見/紅外透射或反射吸收光譜，其整機(jī)體積小、重量輕、成本低廉、適合現(xiàn)場檢測，便于推廣，光譜分辨率較為理想，系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性較好。
【專利說明】
一種微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)儀器領(lǐng)域，具體涉及一種微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀和 用途，特別是涉及由光源、光電傳感器、電路系統(tǒng)、外殼和電源構(gòu)成，用于無損檢測一種或多 種特定目標(biāo)物質(zhì)紫外-可見/紅外光譜的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜檢測是一項(xiàng)通過測量目標(biāo)物質(zhì)在紫外-可見光區(qū)和紅外光區(qū)的透射光或反射 光的強(qiáng)度來進(jìn)行定性或定量分析的新興檢測技術(shù)?；谶@項(xiàng)技術(shù)研發(fā)的光譜儀可以應(yīng)用于 食品及環(huán)境檢測、化學(xué)成分定量、電磁輻射分析等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的光譜儀由眾多光學(xué)、電學(xué)與 機(jī)械系統(tǒng)組成，儀器的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，綜合成本較高，整體可靠性較差，工作環(huán)境和日常維 護(hù)要求的條件比較苛刻，限制了其廣泛的應(yīng)用。為了滿足檢測機(jī)構(gòu)和普通人群日常、實(shí)時(shí)、 在線(現(xiàn)場)光譜測量的實(shí)際需求，我們急需開發(fā)一種成本低廉、體積小、重量輕，便于攜帶 的微型光譜儀。
[0003] 目前，主流的微型光譜儀以美國海洋光學(xué)、美國安捷倫、荷蘭愛萬提斯、日本濱松 等公司的產(chǎn)品為代表，大多基于切尼-特納光路、平場凹面光柵光路或邁克爾遜干涉儀，采 用電荷耦合圖像傳感器(CCD)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器(CMOS)接收光譜，數(shù)據(jù) 通過嵌入式工控機(jī)或USB/藍(lán)牙傳輸至電腦顯示。由于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)和微細(xì)加 工技術(shù)的迅猛發(fā)展，上述微型光譜儀可做到手掌大小，其結(jié)構(gòu)緊湊便攜、使用簡便、測量快 速，價(jià)格可降到萬元左右，因此特別適合現(xiàn)場原位快速檢測。
[0004] 近年來，隨著3G/4G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以智能手機(jī)自帶CMOS攝像頭電路拍攝 可見光光譜，以手機(jī)APP分析所測數(shù)據(jù)，以手機(jī)屏幕作為顯示外設(shè)的手機(jī)光譜儀在微型光譜 儀領(lǐng)域展現(xiàn)出更大的優(yōu)勢。手機(jī)光譜儀只需設(shè)計(jì)光機(jī)模塊，與手機(jī)裝配結(jié)合即可實(shí)現(xiàn)光譜 檢測，因此和專業(yè)微型光譜儀相比具有更好的便攜性；由于其無需專門的電路和專門的顯 示外設(shè)，因此其成本更為低廉(可降至3000元左右）；通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)更快捷的數(shù) 據(jù)上傳共享，從而更加容易普及應(yīng)用。
[0005] 相對于傳統(tǒng)的光譜儀，上述微型光譜儀在便攜性、成本和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫婢哂泻?大的優(yōu)勢。然而，目前的微型光譜儀技術(shù)還存在很多的不足之處，主要有：
[0006] 第一，光譜分辨率不理想。在光路中，復(fù)色光光源發(fā)出的發(fā)散光，經(jīng)平面透射光柵 衍射后的光線難以在短距離內(nèi)聚焦成像，因此光譜重疊嚴(yán)重，光譜分辨率不理想。
[0007] 第二，光路復(fù)雜、抗干擾性差。為實(shí)現(xiàn)分光，整個(gè)微型光譜儀系統(tǒng)采用了復(fù)雜的光 路結(jié)構(gòu)。分光光路中的部分光學(xué)元件如:反射微鏡等對環(huán)境溫度特別敏感，造成光譜儀系統(tǒng) 的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性隨環(huán)境溫度而變化，采用復(fù)雜的溫控系統(tǒng)對這些元件進(jìn)行溫度控制，會(huì) 增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高成本。同時(shí)，復(fù)雜光路系統(tǒng)對光學(xué)元件位置要求較高，一旦受震動(dòng) 等物理因素影響造成光學(xué)元件錯(cuò)位，會(huì)出現(xiàn)較大的測量誤差。特別是對于手機(jī)光譜儀而言， 如果將其光路結(jié)構(gòu)和手機(jī)機(jī)體本身固定成一個(gè)整體，則其整機(jī)成本難以降低;如果將其光 學(xué)結(jié)構(gòu)做成可拆卸的模塊，則無法避免由于每次安裝位置偏差所造成的測量誤差。
[0008] 第三，成本相對較高。由于復(fù)雜光路和CCD系統(tǒng)的成本相對較高，目前的微型光譜 儀成本仍難以達(dá)到普通消費(fèi)者接受的程度。以食品檢測為例，目前社會(huì)對于食品安全的日 益關(guān)注及消費(fèi)者對食品質(zhì)量要求的日益提高，使得家用檢測光譜儀具有了極大的市場前 景，但目前微型光譜儀多則上萬，少則數(shù)千的成本限制了其在家用食品安全檢測領(lǐng)域的應(yīng) 用。
[0009] 本發(fā)明提供一種微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀，其采用LED陣列作為光源 的發(fā)光部分，通過微型單片機(jī)控制LED陣列中的不同波長LED燈的發(fā)光順序，基于透射光或 反射光，通過光電傳感器收集信號，整個(gè)光譜儀的控制、供電、信號處理和數(shù)據(jù)傳輸功能由 電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀體積小、重量輕、成本低、操 作簡單、便于攜帶，適合用于現(xiàn)場檢測，可同時(shí)滿足專業(yè)技術(shù)人員和普通人群的檢測需求， 具有廣闊的市場前景和社會(huì)價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微型紫外-可見/紅外無損檢測 光譜儀。
[0011] 本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀的用途。
[0012] 本發(fā)明的目的主要通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0013] 本發(fā)明的一種微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀(包括反射式和透射式兩種類 型），其特征是包括光源、光電傳感器、電路系統(tǒng)、外殼和電源。
[0014] 所述的光源，其特征是包括管腳、管座、鋁基板、微型單片機(jī)電路、LED陣列、導(dǎo)光體 和導(dǎo)光筒。所述的管腳，其特征是包括兩路電壓供電管腳、公共地管腳、數(shù)據(jù)傳輸管腳和同 步時(shí)鐘管腳，兩路電壓供電管腳分別給微型單片機(jī)電路和LED陣列供電，數(shù)據(jù)傳輸管腳執(zhí)行 微型單片機(jī)電路和單片機(jī)控制電路之間的I2C通訊。所述的微型單片機(jī)電路，其特征是包括 微型單片機(jī)、0402封裝貼片電阻和電容，用于LED陣列發(fā)光順序的控制。所述的LED陣列，其 特征是包括一個(gè)或多個(gè)LED燈，所述的LED燈可以是單波長LED燈或多波長LED燈，波長在紫 外-可見光譜和紅外光譜范圍內(nèi)。
[0015]所述的光電傳感器，其特征是紫外-可見/紅外硅光電二極管，其光譜接收范圍較 寬，可以讀取紫外-可見/紅外光的強(qiáng)度。
[0016]所述的電路系統(tǒng)，其特征是包括單片機(jī)控制電路、功放電路、信號放大和濾波電路 以及數(shù)據(jù)傳輸電路。其中，單片機(jī)控制電路的核心元件是nRF51822單片機(jī)芯片，其特征是包 括通用I/O接口（GPI0)、12C通訊接口、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、藍(lán)牙模塊。單片機(jī)控制電路通 過GPI0控制功放電路為光源進(jìn)行時(shí)長為20s的短暫供電，通過I2C通訊接口控制光源的微型 單片機(jī)電路和LED陣列的發(fā)光順序，通過ADC讀取電壓信號，并將其轉(zhuǎn)換為透射率或反射率 數(shù)據(jù)，通過藍(lán)牙模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。功放電路的核心元件是貼片功率放大三極管，主要 為光源供電。信號放大和濾波電路包括采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)建的信號放大電路、低通濾 波電路和50Hz陷波電路，主要用于處理光電傳感器測得的電壓信號。其中，信號放大電路對 光電傳感器測得的微弱信號進(jìn)行放大，低通濾波電路濾除信號中摻雜的高頻干擾，50Hz陷 波電路用于濾除信號中的工頻干擾。數(shù)據(jù)傳輸電路采用USB通訊或串口通訊，可通過數(shù)據(jù)線 上傳所測數(shù)據(jù)。
[0017] 所述的外殼，其特征是帶有光源插槽、電源插口、通訊插口和隔離層的圓柱體。光 源插槽用于給光源供電，電源插口有兩路供電正極和公用負(fù)極，用于給紫外-可見/紅外無 損檢測光譜儀供電，數(shù)據(jù)傳輸插口用于傳輸所測得的透射率或反射率數(shù)據(jù)，隔離層主要用 來屏蔽外部環(huán)境對電路系統(tǒng)的電磁干擾。
[0018] 所述的電源為直流電源，具體可以是鋰電池、氧化銀電池或堿性錳電池。
[0019] 本發(fā)明的一種微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀可以用于測定一種或多種特 定目標(biāo)物質(zhì)的紫外-可見/紅外透射或反射吸收光譜，進(jìn)而應(yīng)用于化工、水質(zhì)、食品、地質(zhì)、油 漆、涂料、金屬、航天、汽車和文物等領(lǐng)域。
[0020] 本發(fā)明的一種微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀采用微細(xì)加工技術(shù)，光源以不 同波長的LED燈組成的LED陣列代替?zhèn)鹘y(tǒng)光譜儀的復(fù)色光光源和復(fù)雜分光光路，采用紫外-可見/紅外硅光電二極管代替CCD光電傳感器陣列。光譜儀整機(jī)體積小、重量輕、成本低廉、 適合現(xiàn)場檢測，便于推廣。本發(fā)明基于光譜檢測技術(shù)，利用被測物質(zhì)表面對不同波長的單色 光的透射率或反射率的差異來判定物質(zhì)的種類，光源通過微型單片機(jī)控制LED陣列中的不 同波長的LED燈依次發(fā)光，每次測量時(shí)光電傳感器讀數(shù)均為特定波長單色光照射被測物表 面所產(chǎn)生的反射光或透射光，不存在光譜重疊現(xiàn)象，故光譜分辨率較為理想。同時(shí)，由于沒 有設(shè)計(jì)復(fù)雜的分光光路，故系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性較好。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的反射式多波長微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀的結(jié) 構(gòu)示意圖。
[0022] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例3的透射式多波長微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀的結(jié) 構(gòu)示意圖。
[0023] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1-3的微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀的功能結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0024] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例1-3的微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀的工作流程圖。
[0025] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例1-3的微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀的光源的結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0026] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例1-3的微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀的LED陣列的外形 示意圖。
[0027] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例1-3的微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀的光源插口示意 圖。
[0028] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例1的反射式多波長微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀測定 氧化樂果的反射吸收曲線。
[0029] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例3的透射式多波長微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀測定 壽都礦泉飲用天然水和自來水的吸收曲線。
[0030] 附圖標(biāo)記：1外殼2檢測口 3光源4光電傳感器5信號放大和濾波電路6單片機(jī) 控制電路7數(shù)據(jù)傳輸電路8功放電路9電源
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，其目的僅在于更好的理解本發(fā)明的內(nèi)容 而非限制本發(fā)明的保護(hù)范圍：
[0032] 實(shí)施例1反射式多波長微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀
[0033] -種微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀的光源3、光電傳感器4、電路系統(tǒng)和電 源9均安裝在外殼1內(nèi)（見圖1、3_4)。光源3、照射中心點(diǎn)和光電傳感器4位于同一平面上，光 源3的出光光路、光電傳感器4的探測通路和照射中心點(diǎn)的法線之間的角度相等，確保反射 光線最大限度的進(jìn)入光電傳感器4。
[0034]光源3包括管腳、管座、鋁基板、微型單片機(jī)電路、LED陣列、導(dǎo)光體和導(dǎo)光筒（見圖 5)。管腳包括兩路電壓供電管腳、公共地管腳、數(shù)據(jù)傳輸管腳和同步時(shí)鐘管腳，兩路電壓供 電管腳分別給微型單片機(jī)電路和LED陣列供電，數(shù)據(jù)傳輸管腳執(zhí)行微型單片機(jī)電路和單片 機(jī)控制電路6之間的I2C通訊。管腳連接在管座的左端面上，插在紫外-可見/紅外無損檢測 光譜儀的特制基座內(nèi)，管座和鋁基板通過焊點(diǎn)將電壓供電管腳和數(shù)據(jù)傳輸管腳連接在一 起。微型單片機(jī)電路包括微型單片機(jī)、0402封裝貼片電阻和電容，它們均焊接在鋁基板上， 用于LED陣列發(fā)光順序的控制。LED陣列包括49個(gè)多波長LED燈(見圖6)，波長均在紫外可見 光譜和紅外光譜范圍內(nèi)，其供電電壓通過微型單片機(jī)引出的0402封裝貼片電阻和LED陣列 構(gòu)成的分壓電路來調(diào)節(jié)。微型單片機(jī)系型號為UFQFPN20封裝的STM8S003單片機(jī)，其大小僅 為3X3mm 2,成本較低。導(dǎo)光體的末端為凸面，有聚光功能，光經(jīng)導(dǎo)光體發(fā)出并照射在被檢測 物表面。導(dǎo)光筒的內(nèi)表面為鏡面，用來固定導(dǎo)光體和鋁基板，也能起到聚光作用。
[0035] 光電傳感器4是紫外-可見/紅外硅光電二極管，其光譜接收范圍較寬，可以讀取紫 外-可見/紅外光的強(qiáng)度。
[0036] 電路系統(tǒng)包括單片機(jī)控制電路6、功放電路8、信號放大和濾波電路5以及數(shù)據(jù)傳輸 電路7。其中，單片機(jī)控制電路6的核心元件是nRF51822單片機(jī)芯片，包括通用I/O接口 (GPI0)、12C通訊接口、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、藍(lán)牙通訊模塊。單片機(jī)控制電路6通過GPI0控 制功放電路8為光源3進(jìn)行時(shí)長為20s的短暫供電，通過I2C通訊接口控制光源3的微型單片 機(jī)電路和LED陣列的發(fā)光順序，通過ADC讀取電壓信號，并將其轉(zhuǎn)換為反射率數(shù)據(jù)，通過藍(lán)牙 模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。功放電路8的核心元件是貼片功率放大三極管，主要為光源3供電。 信號放大和濾波電路5包括采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)建的信號放大電路、低通濾波電路和 50Hz陷波電路，主要用于處理光電傳感器4測得的電壓信號。其中，信號放大電路對光電傳 感器4測得的微弱信號進(jìn)行放大，低通濾波電路濾除信號中摻雜的高頻干擾，50Hz陷波電路 用于濾除信號中的工頻干擾。數(shù)據(jù)傳輸電路7采用USB通訊，可通過數(shù)據(jù)線上傳所測數(shù)據(jù)。
[0037] 外殼1是帶有光源插槽、電源插口、通訊插口和隔離層的黑色圓柱體(見圖7)。光源 插槽用于給光源3供電，電源插口有兩路供電正極和公用負(fù)極，用于給紫外-可見/紅外無損 檢測光譜儀供電，數(shù)據(jù)傳輸插口用于傳輸所測得的光譜數(shù)據(jù)，隔離層主要用來屏蔽外部環(huán) 境對電路系統(tǒng)的電磁干擾。
[0038]電源9為鋰電池。
[0039]被檢測物質(zhì)置于檢測口 2的位置，光源3發(fā)出的檢測光照射在位于檢測口 2的被測 物質(zhì)表面上，經(jīng)被測物質(zhì)表面反射吸收后的光強(qiáng)度被光電傳感器4接收并轉(zhuǎn)化為電壓信號。 電壓信號經(jīng)信號放大和濾波電路5濾除干擾后，被單片機(jī)控制電路6的核心元件一一 nRF51822單片機(jī)芯片的ADC讀取并轉(zhuǎn)換為被測物質(zhì)表面反射率信息。反射率信息可通過單 片機(jī)控制電路6核心元件一一nRF51822單片機(jī)芯片的藍(lán)牙通訊模塊向手機(jī)上傳檢測數(shù)據(jù)。 所述的光源3由單片機(jī)控制電路6通過功放電路8控制供電。信號放大和濾波電路5、單片機(jī) 控制電路6、數(shù)據(jù)傳輸電路7、功放電路8均通過電源9進(jìn)行供電。
[0040] 實(shí)施例2反射式雙波長微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀
[0041] -種微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀的光源3、光電傳感器4、電路系統(tǒng)和電 源9均安裝在外殼1內(nèi)（見圖3-4)。光源3、照射中心點(diǎn)和光電傳感器4位于同一平面上，光源3 的出光光路、光電傳感器4的探測通路和照射中心點(diǎn)的法線之間的角度相等，確保反射光線 最大限度的進(jìn)入光電傳感器4。
[0042]光源3包括管腳、管座、鋁基板、微型單片機(jī)電路、LED陣列、導(dǎo)光體和導(dǎo)光筒（見圖 5)。管腳包括兩路電壓供電管腳、公共地管腳、數(shù)據(jù)傳輸管腳和同步時(shí)鐘管腳，兩路電壓供 電管腳分別給微型單片機(jī)電路和LED陣列供電，數(shù)據(jù)傳輸管腳執(zhí)行微型單片機(jī)電路和單片 機(jī)控制電路6之間的I2C通訊。管腳連接在管座的左端面上，插在紫外-可見/紅外無損檢測 光譜儀的特制基座內(nèi)，管座和鋁基板通過焊點(diǎn)將電壓供電管腳和數(shù)據(jù)傳輸管腳連接在一 起。微型單片機(jī)電路包括微型單片機(jī)、0402封裝貼片電阻和電容，它們均焊接在鋁基板上， 用于LED陣列發(fā)光順序的控制。LED陣列包括2個(gè)單波長LED燈(見圖6)，波長均在紫外-可見 光譜和紅外光譜范圍內(nèi)，其供電電壓通過微型單片機(jī)引出的0402封裝貼片電阻和LED陣列 構(gòu)成的分壓電路來調(diào)節(jié)。微型單片機(jī)系型號為UFQFPN20封裝的STM8S003單片機(jī)，其大小僅 為3X3mm 2,成本較低。導(dǎo)光體的末端為凸面，有聚光功能，光經(jīng)導(dǎo)光體發(fā)出并照射在被檢測 物表面。導(dǎo)光筒的內(nèi)表面為鏡面，用來固定導(dǎo)光體和鋁基板，也能起到聚光作用。
[0043] 光電傳感器4是紫外-可見/紅外硅光電二極管，其光譜接收范圍較寬，可以讀取紫 外-可見/紅外光的強(qiáng)度。
[0044] 電路系統(tǒng)包括單片機(jī)控制電路6、功放電路8、信號放大和濾波電路5以及數(shù)據(jù)傳輸 電路7。其中，單片機(jī)控制電路6的核心元件是nRF51822單片機(jī)芯片，包括通用I/O接口 (GPI0)、12C通訊接口、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、藍(lán)牙通訊模塊。單片機(jī)控制電路6通過GPI0控 制功放電路8為光源3進(jìn)行時(shí)長為20s的短暫供電，通過I2C通訊接口控制光源3的微型單片 機(jī)電路和LED陣列的發(fā)光順序，通過ADC讀取電壓信號，并將其轉(zhuǎn)換為反射率數(shù)據(jù)，通過藍(lán)牙 模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。功放電路8的核心元件是貼片功率放大三極管，主要為光源3供電。 信號放大和濾波電路5包括采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)建的信號放大電路、低通濾波電路和 50Hz陷波電路，主要用于處理光電傳感器4測得的電壓信號。其中，信號放大電路對光電傳 感器4測得的微弱信號進(jìn)行放大，低通濾波電路濾除信號中摻雜的高頻干擾，50Hz陷波電路 用于濾除信號中的工頻干擾。數(shù)據(jù)傳輸電路7采用串口通訊，可通過數(shù)據(jù)線上傳所測數(shù)據(jù)。
[0045] 外殼1是帶有光源插槽、電源插口、通訊插口和隔離層的黑色圓柱體(見圖7)。光源 插槽用于給光源3供電，電源插口有兩路供電正極和公用負(fù)極，用于給紫外-可見/紅外無損 檢測光譜儀供電，數(shù)據(jù)傳輸插口用于傳輸所測得的光譜數(shù)據(jù)，隔離層主要用來屏蔽外部環(huán) 境對電路系統(tǒng)的電磁干擾。
[0046] 電源9為氧化銀電池。
[0047] 被檢測物質(zhì)置于檢測口 2的位置，光源3發(fā)出的檢測光照射在位于檢測口 2的被測 物質(zhì)表面上，經(jīng)被測物質(zhì)表面反射吸收后的光強(qiáng)度被光電傳感器4接收并轉(zhuǎn)化為電壓信號。 電壓信號經(jīng)信號放大和濾波電路5濾除干擾后，被單片機(jī)控制電路6的核心元件一一 nRF51822單片機(jī)芯片的ADC讀取并轉(zhuǎn)換為被測物質(zhì)表面反射率信息。反射率信息可通過數(shù) 據(jù)傳輸電路7向平板電腦上傳檢測數(shù)據(jù)。所述的光源3由單片機(jī)控制電路6通過功放電路8控 制供電。信號放大和濾波電路5、單片機(jī)控制電路6、數(shù)據(jù)傳輸電路7、功放電路8均通過電源9 進(jìn)行供電。
[0048] 實(shí)施例3透射式多波長微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀
[0049] -種微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀的光源3、光電傳感器4、電路系統(tǒng)和電 源9均安裝在外殼1內(nèi)（見圖2-4)。光源3、照射中心點(diǎn)和光電傳感器4位于同一平面上，光源3 的出光光路、光電傳感器4的探測通路和照射中心點(diǎn)處于同一直線上，確保透射光線最大限 度的進(jìn)入光電傳感器4。
[0050] 光源3包括管腳、管座、鋁基板、微型單片機(jī)電路、LED陣列、導(dǎo)光體和導(dǎo)光筒（見圖 5)。管腳包括兩路電壓供電管腳、公共地管腳、數(shù)據(jù)傳輸管腳和同步時(shí)鐘管腳，兩路電壓供 電管腳分別給微型單片機(jī)電路和LED陣列供電，數(shù)據(jù)傳輸管腳執(zhí)行微型單片機(jī)電路和單片 機(jī)控制電路6之間的I2C通訊。管腳連接在管座的左端面上，插在紫外-可見/紅外無損檢測 光譜儀的特制基座內(nèi)，管座和鋁基板通過焊點(diǎn)將電壓供電管腳和數(shù)據(jù)傳輸管腳連接在一 起。微型單片機(jī)電路包括微型單片機(jī)、0402封裝貼片電阻和電容，它們均焊接在鋁基板上， 用于LED陣列發(fā)光順序的控制。LED陣列包括24個(gè)單波長LED燈和25個(gè)多波長LED燈(見圖6)， 波長均在紫外-可見光譜和紅外光譜范圍內(nèi)，其供電電壓通過微型單片機(jī)引出的0402封裝 貼片電阻和LED陣列構(gòu)成的分壓電路來調(diào)節(jié)。微型單片機(jī)系型號為UFQFPN20封裝的 STM8S003單片機(jī)，其大小僅為3 X 3mm2,成本較低。導(dǎo)光體的末端為凸面，有聚光功能，光經(jīng) 導(dǎo)光體發(fā)出并照射在被檢測物表面。導(dǎo)光筒的內(nèi)表面為鏡面，用來固定導(dǎo)光體和鋁基板，也 能起到聚光作用。
[0051] 光電傳感器4是為紫外-可見/紅外硅光電二極管，其光譜接收范圍較寬，可以讀取 紫外-可見/紅外光的強(qiáng)度。
[0052] 電路系統(tǒng)包括單片機(jī)控制電路6、功放電路8、信號放大和濾波電路5以及數(shù)據(jù)傳輸 電路7。其中，單片機(jī)控制電路6的核心元件是nRF51822單片機(jī)芯片，包括通用I/O接口 (GPI0)、12C通訊接口、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、藍(lán)牙通訊模塊。單片機(jī)控制電路6通過GPI0控 制功放電路8為光源3進(jìn)行時(shí)長為20s的短暫供電，通過I2C通訊接口控制光源3的微型單片 機(jī)電路和LED陣列的發(fā)光順序，通過ADC讀取電壓信號，并將其轉(zhuǎn)換為透射率數(shù)據(jù)，通過藍(lán)牙 模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。功放電路8的核心元件是貼片功率放大三極管，主要為光源3供電。 信號放大和濾波電路5包括采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)建的信號放大電路、低通濾波電路和 50Hz陷波電路，主要用于處理光電傳感器4測得的電壓信號。其中，信號放大電路對光電傳 感器4測得的微弱信號進(jìn)行放大，低通濾波電路濾除信號中摻雜的高頻干擾，50Hz陷波電路 用于濾除信號中的工頻干擾。數(shù)據(jù)傳輸電路7采用USB通訊，可通過數(shù)據(jù)線上傳所測數(shù)據(jù)。 [0053]外殼1是帶有光源插槽、電源插口、通訊插口和隔離層的黑色圓柱體(見圖7)。光源 插槽用于給光源3供電，電源插口有兩路供電正極和公用負(fù)極，用于給紫外-可見/紅外無損 檢測光譜儀供電，數(shù)據(jù)傳輸插口用于傳輸所測得的光譜數(shù)據(jù)，隔離層主要用來屏蔽外部環(huán) 境對電路系統(tǒng)的電磁干擾。
[0054]電源9為堿性錳電池。
[0055]被檢測物質(zhì)置于檢測口 2的位置，光源3發(fā)出的檢測光照射在位于檢測口 2的被測 物質(zhì)表面上，經(jīng)被測物質(zhì)吸收后的光強(qiáng)度被光電傳感器4接收并轉(zhuǎn)化為電壓信號。電壓信號 經(jīng)信號放大和濾波電路5濾除干擾后，被單片機(jī)控制電路6的核心元件--nRF51822單片機(jī) 芯片的ADC讀取并轉(zhuǎn)換為被測物質(zhì)透射率信息。透射率信息可通過數(shù)據(jù)傳輸電路7向PC機(jī)上 傳檢測數(shù)據(jù)。所述的光源3由單片機(jī)控制電路6通過功放電路8控制供電。信號放大和濾波電 路5、單片機(jī)控制電路6、數(shù)據(jù)傳輸電路7、功放電路8均通過電源9進(jìn)行供電。
[0056] 實(shí)施例4農(nóng)藥殘留的測定
[0057] 針對農(nóng)藥氧化樂果，采用實(shí)施例1的反射式多波長微型紫外-可見/紅外無損檢測 光譜儀測定氧化樂果的反射吸收曲線(見圖8)，由圖可知，435nm和765nm為氧化樂果的反射 特征吸收峰，氧化樂果與純水比較反射吸收率存在明顯的變化。
[0058]實(shí)施例5農(nóng)藥殘留的測定
[0059] 針對農(nóng)藥氧化樂果，采用實(shí)施例2的反射式雙波長微型紫外-可見/紅外無損檢測 光譜儀測定不同濃度氧化樂果的反射吸收率(見表1)，由表可知，氧化樂果與純水比較反射 吸收率存在明顯的變化。使用435nm和765nm雙波長LED燈的光源進(jìn)行檢測，最低檢測限可達(dá) 到千萬分之一濃度級別。
[0060] 表1不同濃度氧化樂果的反射吸收率
[0062] 實(shí)施例6液態(tài)物質(zhì)的分析
[0063] 針對壽都礦泉飲用天然水(巴馬活泉食品飲料公司）和自來水的液態(tài)物質(zhì)分析，采 用實(shí)施例3的透射式多波長微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀測定水的吸收曲線（見圖 9)，由圖可知，壽都礦泉飲用天然水與自來水比較吸收率存在明顯變化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀(包括反射式和透射式兩種類型），其特征 是包括光源、光電傳感器、電路系統(tǒng)、外殼和電源;所述的光源，其特征是包括管腳、管座、鋁 基板、微型單片機(jī)電路、LED陣列、導(dǎo)光體和導(dǎo)光筒;所述的光電傳感器，其特征是紫外-可 見/紅外硅光電二極管，其光譜接收范圍較寬，可以讀取紫外-可見/紅外光的強(qiáng)度;所述的 電路系統(tǒng)，其特征是包括單片機(jī)控制電路、功放電路、信號放大和濾波電路以及數(shù)據(jù)傳輸電 路;所述的外殼，其特征是帶有光源插槽、電源插口、通訊插口和隔離層的圓柱體;所述的電 源為直流電源，具體可以是鋰電池、氧化銀電池或堿性錳電池。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀，其特征是所述的 管腳，其特征是包括兩路電壓供電管腳、公共地管腳、數(shù)據(jù)傳輸管腳和同步時(shí)鐘管腳，兩路 電壓供電管腳分別給微型單片機(jī)電路和LED陣列供電，數(shù)據(jù)傳輸管腳執(zhí)行微型單片機(jī)電路 和單片機(jī)控制電路之間的I2C通訊；所述的微型單片機(jī)電路，其特征是包括微型單片機(jī)、 0402封裝貼片電阻和電容，用于LED陣列發(fā)光順序的控制;所述的LED陣列，其特征是包括一 個(gè)或多個(gè)LED燈，所述的LED燈可以是單波長LED燈或多波長LED燈，波長在紫外-可見光譜和 紅外光譜范圍內(nèi)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀，其特征是所述的 單片機(jī)控制電路的核心元件是nRF51822單片機(jī)芯片，包括通用I/O接口（GPIO)、I2C通訊接 口、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、藍(lán)牙模塊，單片機(jī)控制電路通過GPIO控制功放電路為光源進(jìn)行 時(shí)長為20s的短暫供電，通過I2C通訊接口控制光源的微型單片機(jī)電路和LED陣列的發(fā)光順 序，通過ADC讀取電壓信號，并將其轉(zhuǎn)換為透射率或反射率數(shù)據(jù)，通過藍(lán)牙模塊進(jìn)行無線數(shù) 據(jù)傳輸;所述的功放電路的核心元件是貼片功率放大三極管，主要為光源供電;所述的信號 放大和濾波電路包括采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)建的信號放大電路、低通濾波電路和50Hz陷波 電路，主要用于處理光電傳感器測得的電壓信號，信號放大電路對光電傳感器測得的微弱 信號進(jìn)行放大，低通濾波電路濾除信號中摻雜的高頻干擾，50Hz陷波電路用于濾除信號中 的工頻干擾;數(shù)據(jù)傳輸電路采用USB通訊或串口通訊，可通過數(shù)據(jù)線上傳所測數(shù)據(jù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀，其特征是所述的 光源插槽用于給光源供電，所述的電源插口有兩路供電正極和公用負(fù)極，用于給紫外-可 見/紅外無損檢測光譜儀供電，所述的數(shù)據(jù)傳輸插口用于傳輸所測得的透射率或反射率數(shù) 據(jù)，所述的隔離層主要用來屏蔽外部環(huán)境對電路系統(tǒng)的電磁干擾。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型紫外-可見/紅外無損檢測光譜儀在測定一種或多種 特定目標(biāo)物質(zhì)的紫外-可見/紅外透射或反射吸收光譜的應(yīng)用。
【文檔編號】G01N21/27GK106092918SQ201610387106
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月1日 公開號201610387106.0, CN 106092918 A, CN 106092918A, CN 201610387106, CN-A-106092918, CN106092918 A, CN106092918A, CN201610387106, CN201610387106.0
【發(fā)明人】劉天軍, 董曉曦, 洪閣
【申請人】劉天軍