近红外光谱分析仪
阅读：709发布：2020-05-11
专利汇可以提供近红外光谱分析仪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及谷物品质检测技术领域，提供了一种 近红外 光谱 分析仪，包括壳体，所述壳体内设有 光源 装置、分光装置、反应池和检测装置，所述分光装置与所述光源装置对应设置，所述反应池包括积分球和多个样品盒，所述积分球与所述分光装置对应设置，用以使单色光由所述积分球的第一端射入并照射在所述积分球的第二端，多个所述样品盒设置在旋转装置上，多个所述样品盒可旋转的设置在所述积分球的第二端处，所述检测装置设置在所述积分球内。通过旋转样品盒实现对不同样品的光谱扫描检测，简单方便，提高检测效率，保证了检测结果的准确性。，下面是近红外光谱分析仪专利的具体信息内容。
1.一种近红外光谱分析仪，包括壳体，其特征在于，所述壳体内设有光源装置、分光装置、反应池和检测装置，所述分光装置与所述光源装置对应设置，所述反应池包括积分球和多个样品盒，所述积分球与所述分光装置对应设置，用以使单色光由所述积分球的第一端射入并照射在所述积分球的第二端，多个所述样品盒设置在旋转装置上，多个所述样品盒可旋转的设置在所述积分球的第二端处，所述检测装置设置在所述积分球内。
2.根据权利要求1所述的近红外光谱分析仪，其特征在于，所述光源装置包括光源、散热装置和控制电路，所述光源用以发射复合光，所述散热装置设置在所述光源一侧并与复合光光线平行，所述控制电路与所述光源连接。
3.根据权利要求1所述的近红外光谱分析仪，其特征在于，所述分光装置包括第一凹面反射镜、多个色散光栅、第二凹面反射镜和平面反射镜，所述第一凹面反射镜与所述光源装置对应设置，用以将光线准直为平行光并反射至所述色散光栅上，所述第二凹面反射镜与所述色散光栅对应设置，用以将所述色散光栅分解的单色光准直为平行光并反射至所述平面反射镜，所述平面反射镜与所述积分球对应设置，用以将单色光反射经所述积分球的第一端进入所述积分球内。
4.根据权利要求3所述的近红外光谱分析仪，其特征在于，多个所述色散光栅围合成分光组件，所述分光组件安装在旋转底座上，所述旋转底座通过步进电机驱动旋转。
5.根据权利要求1所述的近红外光谱分析仪，其特征在于，所述积分球为空心球体，所述积分球的外表面设有遮光涂层，所述积分球的内表面设有反射涂层。
6.根据权利要求5所述的近红外光谱分析仪，其特征在于，所述积分球的第二端设有与所述样品盒的开口无缝对接适配的端口。
7.根据权利要求1所述的近红外光谱分析仪，其特征在于，所述旋转装置包括旋转轴，所述旋转轴设有多个旋转臂，所述旋转臂的个数与所述样品盒一一对应，所述旋转臂的一端可旋转的安装在所述旋转轴上，所述旋转臂的另一端与所述样品盒连接。
8.根据权利要求1所述的近红外光谱分析仪，其特征在于，所述检测装置包括探测器、放大电路和温度控制电路，所述探测器安装在所述积分球的内侧壁上，所述放大电路与所述探测器连接，所述温度控制电路与所述探测器连接。
9.根据权利要求1-8任一项所述的近红外光谱分析仪，其特征在于，所述壳体内还设有控制装置，所述控制装置分别与所述光源装置、所述分光装置、所述检测装置连接。
10.根据权利要求9所述的近红外光谱分析仪，其特征在于，所述控制装置通过控制所述光源装置的电流强度以控制发射的复合光的强度，所述控制装置通过控制所述分光装置的旋转角度以将复合光分解为单色光，所述控制装置通过所述检测装置获取检测数字信号。
近红外光谱分析仪
技术领域
背景技术
[0002] 小麦、玉米、大豆等谷物主要成分的快速测定是其生产、储存、流通和育种过程中的重要环节，能有效保证质量安全。目前，谷物中蛋白质、脂肪、糖分等主要成分含量检测还是以化学分析方法为主，虽然精度较高，但是存在着破坏样品、污染环境、耗时耗力、成本较高等缺点，近红外光谱快速分析法因其快速、准确、绿色、高效等优点在粮食、肉制品、医药、乳制品等领域中展开了广泛的应用，这对提高自动化生产水平、增加经济效益具有重要意义。
[0003] 近红外光谱信息记录的是含氢基团(C-H、O-H、N-H等)倍频与合频的吸收，大部分农产品都含有这种官能团，因此近红外光谱涵盖了大量的结构和组成信息，可通过化学计量方法建立光谱信息与待测目标的关系模型，从而用于样本的定性或定量分析，谷物中蛋白质、脂肪、糖类都主要成分都含有这种官能团，因此可以用近红外光谱对其进行品质分析，另外，其他含有这种官能团的成分都可以进行近红外分析。近红外光波长介于780～2526nm，分为短波近红外(波长780～1100nm)与长波近红外(波长1100～2526nm)，短波段因其透射能力较强常用于液态样品的品质检测，长波段则常用于反射分析，多用于固体样品的测量。
[0004] 目前，虽然近红外光谱仪相关研究较多，但目前用于谷物品质分析的近红外光谱分析仪方面还存在如下的缺点：
[0006] (2)更换样品步骤繁琐，扫描完一个样品后需要重新取出样品盒进行样品更换，无法同时进行光谱扫描和样品更换；
[0007] (3)现有光谱仪体积较大，操作复杂，无法满足企业的生产需要；
[0008] (4)成本高昂，无法实现低成本，高精度的需求。
发明内容
[0009] 本发明实施例提供一种近红外光谱分析仪，以解决现有光谱分析仪检测谷物样品更换过程繁琐，检测结果不准确的问题。
[0010] 本发明实施例提供一种近红外光谱分析仪，包括壳体，所述壳体内设有光源装置、分光装置、反应池和检测装置，所述分光装置与所述光源装置对应设置，所述反应池包括积分球和多个样品盒，所述积分球与所述分光装置对应设置，用以使单色光由所述积分球的第一端射入并照射在所述积分球的第二端，多个所述样品盒设置在旋转装置上，多个所述样品盒可旋转的设置在所述积分球的第二端处，所述检测装置设置在所述积分球内。
[0012] 其中，所述分光装置包括第一凹面反射镜、多个色散光栅、第二凹面反射镜和平面反射镜，所述第一凹面反射镜与所述光源装置对应设置，用以将光线准直为平行光并反射至所述色散光栅上，所述第二凹面反射镜与所述色散光栅对应设置，用以将所述色散光栅分解的单色光准直为平行光并反射至所述平面反射镜，所述平面反射镜与所述积分球对应设置，用以将单色光反射经所述积分球的第一端进入所述积分球内。
[0013] 其中，多个所述色散光栅围合成分光组件，所述分光组件安装在旋转底座上，所述旋转底座通过步进电机驱动旋转。
[0014] 其中，所述积分球为空心球体，所述积分球的外表面设有遮光涂层，所述积分球的内表面设有反射涂层。
[0015] 其中，所述积分球的第二端设有与所述样品盒的开口无缝对接适配的端口。
[0018] 其中，所述壳体内还设有控制装置，所述控制装置分别与所述光源装置、所述分光装置、所述检测装置连接。
[0019] 其中，所述控制装置通过控制所述光源装置的电流强度以控制发射的复合光的强度，所述控制装置通过控制所述分光装置的旋转角度以将复合光分解为单色光，所述控制装置通过所述检测装置获取检测数字信号。
[0020] 本发明实施例提供的一种近红外光谱分析仪，光源装置发射复合光，经分光装置分为单色光，单色光由积分球的第一端射入积分球内，并照射在设置在积分球第二端处的样品盒，单色光扫描样品后发生漫反射，由检测装置接收光信号，多个样品盒可旋转的设置在积分球的第二端处，不同的样品盒装有不同的样品，通过旋转样品盒实现对不同样品的光谱扫描检测，简单方便，提高检测效率，保证了检测结果的准确性。附图说明
[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022] 图1为本发明实施例近红外光谱分析仪的结构示意图；
[0023] 图2为本发明实施例近红外光谱分析仪分光装置的结构示意图；
[0024] 图3为本发明实施例近红外光谱分析仪积分球的结构示意图；
[0025] 图4为本发明实施例近红外光谱分析仪样品盒的结构示意图；
[0026] 图5为本发明实施例近红外光谱分析仪的装置流程图；
[0027] 图6为本发明实施例近红外光谱分析仪的工作流程图。
[0028] 图中，1：壳体；2：光源；3：散热装置；4：控制电路；5：第一凹面反射镜；6：色散光栅；7：第二凹面反射镜；8：平面反射镜；9：积分球；10：样品盒；11：控制装置；12：显示装置；13：
电源装置；14：数据接口；15：分隔板；16：探测器；17：旋转轴；18：旋转臂。
电源装置；14：数据接口；15：分隔板；16：探测器；17：旋转轴；18：旋转臂。
具体实施方式
[0029] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0031] 此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
[0032] 如图1至图6所示，本发明实施例提供一种近红外光谱分析仪，包括壳体1，壳体1内设有光源装置、分光装置、反应池和检测装置，整体体积小，携带方便。分光装置与光源装置对应设置，光源装置作为光谱分析仪的基础部分，用以发射复合光；分光装置作为光谱分析仪的关键部分，用以将光源装置发射的复合光分解为覆盖近红外波段的单色光，精度越高，光谱仪的检测准确度越高。
[0033] 进一步的，如图1所示，光源装置包括光源2、散热装置3和控制电路4。光源2用以发射连续稳定的复合光，并且光谱范围覆盖整个近红外区域。在一个例子中，光源2选用发射波长为300nm～2.5um的卤钨灯，其发射强度高，工作电压为5V，工作电流为2A，性能稳定，寿命能达到6000小时以上。光源出口处设置滤光片(附图中未示出)，用以消除多级重叠谱线。
[0034] 其中，散热装置3设置在光源2的一侧并与光源2发出的复合光光线平行，用以将光源室的热量及时排出，减少温度过高对其他元器件的影响。尤其当光谱分析仪的热功率密度超过0.122W/cm3时，需要强制冷却提高光源2及其他零件的使用寿命。在一个例子中，散热装置3采用风扇，安装直径为10厘米，工作电压为10V，可靠性高及设计成本低，安装在光源室的侧壁上。
[0035] 其中，控制电路4与光源2连接，用以为光源2提供稳定的工作电源，提高光源发射复合光强度的稳定性，保证测量精度。在一个例子中，考虑到卤钨灯工作时流过灯丝电流对发光强度影响较电压更为灵敏，因此设计高精度稳流源，稳流精度达到0.01％，并且实现电流可调以控制光源2的发光强度，可调范围是1.0000A-5.0000A。
[0036] 进一步的，如图2所示，分光装置包括第一凹面反射镜5、多个色散光栅6、第二凹面反射镜7和平面反射镜8。第一凹面反射镜5与光源装置对应设置，用以将光线准直为平行光并反射至色散光栅6上。在一个例子中，第一凹面反射镜5与第二凹面反射镜7之间设置有分隔板15，用以防止第一凹面反射镜5与第二凹面反射镜7的反射光线交叉相互影响，提高检测数据的准确度。
[0037] 其中，色散光栅6用以将复合光分解成单色光，通过角度旋转来得到近红外波段区域的光谱。色散光栅6选择闪耀波长为1500nm，刻线数为300/mm，可以得到750～300nm波段的光谱，分辨率最高可达到1nm。本实施例中相同参数的色散光栅6具体设置三个，三个色散光栅6为何成分光组件，分光组件安装在旋转底座上，旋转底座通过步进电机驱动旋转。三个色散光栅6旋转切换，缩短复位时间，提高扫描速度，通过步进电机控制色散光栅6的旋转角度，控制精度可达到0.0008°。
[0038] 其中，第二凹面反射镜7与色散光栅6对应设置，用以将色散光栅6分解的单色光准直为平行光并反射至平面反射镜8。通过第一凹面反射镜5和第二凹面反射镜7的共同作用，将水平射出的复合光反射至色散光栅6后，再将分解成的单色光水平照射在平面反射镜8上。
[0039] 其中，平面反射镜8用以改变单色光的传播方向，对单色光的其它参数不进行作用。值得说明的，第一凹面反射镜5、多个色散光栅6、第二凹面反射镜7和平面反射镜8的摆放位置，在不影响彼此工作的情况下，以合理利用空间，使光谱分析仪内部结构布局更加紧凑为目的的设置均在本申请的保护范围之内。
[0040] 进一步的，如图3所示，反应池用以为近红外光线与样品发生作用提供场所。反应池包括积分球9和多个样品盒10，积分球9与分光装置对应设置，用以使单色光由积分球9的第一端射入并照射在积分球9的第二端。具体的，平面反射镜8与积分球9对应设置，用以将单色光反射经积分球9的第一端进入积分球9内。
[0041] 具体的，积分球9为空心球体，积分球9的外表面设有遮光涂层，以最大限度的减少光的衰减；积分球9的内表面设有反射涂层，提高反射率，以采集到的更多的光谱信号。
[0042] 在一个例子中，鉴于谷物颗粒一般较大，需要与近红外光有充分的接触面积，以减少随机因素的影响，积分球9的内直径设计尺寸为10cm，外直径12cm，外部的遮光涂层颜色为黑色，内涂层为高反射的硫酸钡，减少外部光的影响。积分球9的第二端设有与样品盒10的开口无缝对接适配的端口，端口的内横截面积为2cm。
[0043] 其中，多个样品盒10设置在旋转装置上，多个样品盒10可旋转的设置在积分球9的第二端处，通过旋转样品盒10实现在线样品更换，提高检测效率。具体的，旋转装置包括旋转轴17，旋转轴17上设有多个旋转臂18，旋转臂18的个数与样品盒10一一对应，本实施例设置四个样品盒10。旋转臂18的一端可旋转的安装在旋转轴17上，旋转臂18的另一端与样品盒10固定连接，可以理解的，旋转臂18的一端通过与轴承焊接，轴承套设在旋转轴17上，旋转臂的另一端与样品盒10焊接。可以理解的，近红外光由积分球9的顶端射入并照射在积分球9的底端，样品盒10开口与积分球9底端的端口无缝对接，实现近红外光对样品盒10内样品的光谱扫描，完成扫描的光线返回至积分球9内，由积分球9内的检测装置接收。
[0044] 其中，样品盒10的外表面设有黑色涂层，防止近红外光的损失，样品盒10的上端开口，并与积分球9的第二端的端口无缝吻合，防止漏光。在一个例子中，样品盒10设计为上端宽、下端窄的圆锥柱形，不同的样品盒10内装有不同的谷物样品，这样只需要拨动样品盒10即可实现样品的切换，提高了光谱扫描效率，并且每个样品盒10的底板可以打开，同时进行光谱扫描和样品更换，提高了样品更换的效率。
[0045] 进一步的，检测装置设置在积分球9内，用以收集携带了样品的结构、组织信息的反射光，并将光信号转换成数字信号。具体的，检测装置包括探测器16、放大电路和温度控制电路。
[0046] 其中，探测器16安装在积分球9的内侧壁上，本实施例中探测器16设置两个，并对称设置在积分球9中部的内侧壁上，用以实现光信号转换为模拟信号，将收集到的信号进行平均处理，以减少随机因素的影响。在一个例子中，探测器16选用响应速度快、灵敏度高的铟镓砷PIN光电二极管，其光谱响应范围为900～2570nm。
[0047] 其中，放大电路与探测器16连接，用以实现对信号的放大，并将模拟信号转换成数字信号。在一个例子中，为抑制共模噪声，提高信噪比，放大电路选用A/D8476芯片来进行差动放大，该芯片能实现24bit高精度转换。
[0048] 其中，温度控制电路与探测器16连接，用以保证探测器16在恒温条件下工作，以达到较高的测量精度和性能。在一个例子中，温度控制电路的控制芯片采用MAX1969，通过改变电流变化来控制探测器16内部的TEC进行冷却。
[0049] 进一步的，壳体1内还设有控制装置11，控制装置11分别与光源装置、分光装置、检测装置连接。控制装置11通过控制光源装置的电流强度以控制发射的复合光的强度，控制装置11通过控制分光装置的旋转角度以将复合光分解为单色光，控制装置11通过检测装置获取检测数字信号。具体的，控制装置11用以负责光谱分析仪的初始化、光路传输、模式选择、分辨率设置、光谱扫描，数据传输等，由硬件和软件配合完成，是光谱分析仪正常运转的大脑。
[0051] 在一个例子中，考虑到后期需要对大量的光谱数据进行数据运算，处理器选用运算速度快、兼容性好的TMS320C67xx系列DSP芯片；通信接口采用RS232串口与上位机进行通信，可完成数据的读写操作；无线传输模块可以将本地存储的光谱数据或检测记录传输到局域网或者互联网，选取高性能Prism芯片组的无线网卡和基于DSP嵌入式无线局域网终端设计方案，能够很好的与DSP芯片兼容；存储模块用来存储光谱数据及检测结果，以SD卡形式扩展4GB存储空间，解决存储空间不足问题，其读写速度可达2Mbyte/s以上。
[0052] 其中，装置程序为软件部分，用来保障装置的正常工作，包括仪器复位、分辨率设置、样品光谱扫描、实时显示、数据保存等功能，开发语言为C++。
[0053] 进一步的，壳体1的端面设有显示装置12，显示装置12与控制装置11连接，用以数据显示和指令输入。在一个例子中，显示装置12采用分辨率高、性能稳定的可触控式LCD显示屏，尺寸为10英寸，不仅能显示仪器运转状态、光谱信息、运算结果等数据，还能提供数据交互功能，直接点触即可对仪器进行启动、复位、关闭、模式选择、网络设置、参数设置、数据录入、数据导出等操作。
[0054] 进一步的，还包括电源装置13，用以为其他各装置提供电能。在一个例子中，电源装置13为外接220V交流电，使用稳压芯片LM2576HVT-12得到10V和5V直流电源，并设置熔断保护装置防止过压损坏仪器。
[0055] 在一个例子中，还包括数据处理装置，用以对扫描的光谱进行后期的处理，包括建立校正模型和模式识别两部分。具体的，包括光谱数据预处理、波段及特征值优选、建立校正模型、模型校验、模式识别等步骤，通过评价指标循环遍历筛选出准确性高、稳定性好的预测模型，预测谷物中蛋白质、脂肪、糖分等主要成分含量。编程语言统一采用C++实现。
[0056] 数据预处理用来减少基线漂移、高频噪声以及外部环境因素对光谱数据的影响，提供代数运算、多元散射校正、基线校正、微分四种处理方式。
[0058] 建立校正模型是将采集到的样品集光谱数据与谷物成分含量建立关联关系，用来进行定量或者定性分析，内设线性建模方法为主成分回归、偏最小二乘回归和多元线性回归，非线性为区域权重回归和人工神经网络。
[0059] 模型校验是对建立校正模型的稳定性和准确性进行评价，筛选出优质校验模型，采用相关系数、校正集标准差、预测集标准差三个指标进行评判。
[0060] 模式识别是通过得到的校正模型预测未知谷物样主要成分含量的过程，完成品质分析。
[0061] 如图6所示，本发明实施例的检测工作流程如下：
[0062] (1)收集谷物样品80个，尽可能覆盖多个品种、多个地区、多个年份，成分含量范围广，浓度分布均匀，保证建模样品具有较好的代表性，采用标准化学方法测量所有样品的蛋白质、脂肪、糖分含量作为参考值，并按照3:1划分为校正集和预测集。
[0063] (2)打开近红外光谱分析仪并将仪器初始化并进行基线校正，即用扫描白板作为基线，每次扫描谷物样品需要扣除基线，以减小背景光谱的影响，将仪器设置为校正模式，即建立校正模型，待仪器稳定后开始采集所有样品的近红外光谱图，以序号命名保存在本地备用。
[0064] (3)对采集到的光谱数据进行数据预处理，采用四种算法组合的方式进行处理，即代数运算+多元散射校正+基线校正+微处理分，提高信噪比、提高光谱的分辨率。
[0065] (4)对预处理后的光谱数据进行波段和特征值优选，筛选出相关性高的变量信息，采用五种建模算法分别建立谷物中蛋白质、脂肪、糖分的校正模型，即每一种成分都建立5个校正模型以供筛选。
[0066] (5)对建立的校正模型进行校验，分为内部校验和外部校验，数据处理装置自动从5种模型中遍历筛选出相关性好、预测精度高、稳定性最好的校正模型，并将每一种成分预测最优的模型保存在本地。
[0067] (6)将光谱仪设置为检测模式，将未知谷物样品放入样品盒扫描其近红外光谱，通过调取本地保存的校正模型可以快速分析谷物中蛋白质、脂肪和糖分的含量，即完成模式识别的过程。
[0068] 本发明实施例的优点如下：
[0069] (1)针对谷物样品特点设计了反射型样品池，采用积分球结构提高光的收集效率，同时放置两个探测器均值化处理来减少随机因素的影响。
[0070] (2)设计了4个可旋转式样品盒安装在旋转轴上，与积分球的第二端无缝贴合，只需要旋转样品盒就可以更换样品，样品盒底板可以打开，光谱扫描和样品更换可同时进行，提高了工作效率。
[0071] (3)合理设计光谱仪各零部件位置及尺寸，提高光谱仪紧凑性，整个机身尺寸仅为25cm×20cm×20cm，并降低了制造成本，有利于推广。
[0072] (4)设计分辨率高、结构简单、成本低的分光装置，结合软件控制装置能得到范围广、精度高的近红外光谱，最高分辨率可达到1nm，波长扫描速度大于80nm/s，得到近红外全波段光谱在10秒左右。
[0073] (5)光谱仪提供校正和检测两种工作模式，内置光谱预处理、波段及特征值优选、模型校正等多种算法，能根据待测目成分自动遍历、匹配出最优预测模型，提高预测精度。
[0074] 以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0075] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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