CN101201319A - 近红外光谱仪 - Google Patents

Abstract

近红外光谱仪，属于光电测试技术领域。其特征在于近红外光源与准直透镜配合构成光源系统，准直透镜后部位置配合设置光强调制盘和滤光片盘，之后配合设置由双光路斩光盘、反射镜构成的双光路变换装置，双光路变换装置与前部设置的积分球光路连接，积分球上配合设置旋转样品池及与信号处理器连接的光电探测器。本发明结构简单、造价低廉，使用时可像连续波长型光谱仪一样，利用基于连续谱的定标方法，针对某一种特殊的分析成分，无需在研发仪器阶段确定仪器的特征波长；且利用滤光片型较大带宽的特性和积分球、双光路、旋转旋转样品池等结构设置，实现了准连续波长型光谱仪的技术效果，大大提高滤光片型光谱仪的信噪比、稳定性和通用性。

Description

近红外光谱仪

技术领域

本发明属于光电测试的技术领域，具体涉及一种近红外光谱仪。

背景技术

在近红外光谱应用中，光谱分辨率不再是衡量仪器性能的重要指标。目前，不论计算机模拟或是实验都证明：仪器的光谱带宽2nm、10nm、20nm都不影响分析结果。更注重的是仪器的信噪比和稳定性，其主要表现为吸光度的准确性与稳定性。

传统滤光片型近红外光谱仪配备的几个滤光片都是仪器开发人员根据用户的应用场合量身定做的，分析某种样品的某种成分时所用的特征波长在仪器开发阶段已经完成，如果实际待分析的样品或成分相对于仪器的开发目的发生了改变，就算是重新定标，仪器的分析精度一般也会显著下降，其应用场合受到了一定的限制。随着近红外光谱仪器技术的发展，基于连续波长的化学计量学方法如PCR(主成分回归)、PLSR(偏最小二乘回归)、ANN(人工神经网络)等，代表了现代近红外光谱技术的发展方向，其相应的连续波长型仪器通用性强、性能稳定，但结构相对复杂、价格昂贵。利用上述化学计量学方法进行回归建模的方法很难在传统分立波长型光谱仪上使用，严重阻碍了分立波长型近红外光谱仪的进一步发展。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术中存在的问题，结合现有产品的优点，设计提供一种利用准连续波长、双光路技术的近红外光谱仪，以提高滤光片型近红外光谱仪的稳定性、通用性。

所述的近红外光谱仪，其特征在于近红外光源与准直透镜配合构成光源系统，准直透镜后部位置配合设置由电机M₁驱动的光强调制盘和由电机M₂驱动的滤光片盘，之后配合设置由双光路斩光盘、反射镜构成的双光路变换装置，双光路斩光盘由电机M₃驱动，双光路变换装置与后部设置的积分球光路连接，积分球上配合设置由电机M₄驱动的旋转样品池及与信号处理器连接的光电探测器。

所述的近红外光谱仪，其特征在于所述的滤光片盘由光谱带宽为5-15nm，中心波长间隔均为5-20nm的一组窄带滤光片配合构成。

所述的近红外光谱仪，其特征在于所述的双光路斩光盘上具有挡光、反光和透光三种功能设置：当双光路斩光盘处于挡光位置时，光线不能进入积分球；当双光路斩光盘处于反光位置时，光线被反射到另一反射镜后再次反射进入积分球内壁，作为参考光；当双光路斩光盘处于透光位置时，光线直接进入积分球，照到样品上，作为测量光。

所述的近红外光谱仪，其特征在于光强调制盘上配合设置一组形状一样、大小相当且中心位置均匀分布在与光强调制盘同一圆心圆周上的圆孔或扇形孔，光强调制盘上的圆孔或扇形孔与滤光片盘上安装滤光片的圆孔相应匹配。

所述的近红外光谱仪，其特征在于近红外光源采用卤钨灯。

所述的近红外光谱仪，其特征在于光电探测器为PbS、InGaAs或Si。上述近红外光谱仪器吸取了传统分立波长型仪器结构简单、造价低廉的优点。使用该装置可以像连续波长型光谱仪一样，利用基于连续谱的定标方法如PCR(主成分回归)、PLSR(偏最小二乘回归)、ANN(人工神经网络)等进行定标，针对某一种特殊的分析成分，无需在研发仪器阶段确定仪器的特征波长；且利用了滤光片型较大带宽的特性和积分球、双光路、旋转旋转样品池等结构设置，实现了准连续波长型光谱仪的技术效果，大大提高滤光片型光谱仪的信噪比、稳定性和通用性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为双光路斩光盘结构示意图。

附图中：1-近红外光源、2-准直透镜、3-光强调制盘、4-滤光片盘、5-双光路斩光盘、6-积分球、7-旋转样品池、8-光电探测器、9-信号处理器、10-反射镜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明，并给出具体实施方式。

近红外光源1采用卤钨灯，近红外光源1与准直透镜2构成光源系统，准直透镜2后部位置配合设置由电机M₁驱动的光强调制盘3和由电机M₂驱动的滤光片盘4，光强调制盘3与滤光片盘4前后位置可以互换。其中光强调制盘3上配合设置10个中心与光强调制盘3同一圆心的圆周上的扇形孔，孔的通光宽度与挡光宽度与滤光片通光直径相匹配，保证光强能完全通过和完全遮挡，滤光片盘4上安装了20个圆心均匀分布在与滤光片盘4同一圆心的圆周上的滤光片，通光直径为12mm，光谱带宽为10nm，中心波长间隔均为10nm，  波长范围为1670nm-1870nm。构成了“准连续”干涉滤光片分光系统。光强调制盘3与滤光片盘4配合设置由双光路斩光盘5、反射镜10构成的双光路变换装置，双光路斩光盘5由电机M₃驱动，双光路变换装置与后部设置的积分球6光路连接，积分球6的直径8cm，其上配合设置由电机M₄驱动的旋转样品池7及与信号处理器9连接的光电探测器8，该光电探测器8为PbS。

使用时，近红外光源1发出的近红外光经准直透镜2后成为平行光，经光强调制盘3调制成交流信号光，然后经过滤光片盘4分光变成准单色光，双光路斩光盘5的斩光片有三种状态---挡光5a、反光5b和透光5c。处于透光时，光强进入积分球后照在旋转的样品上产生漫反射，积分球6收集反映样品成份含量信息的漫反射光投射到光电探测器8上，然后进入信号处理单元9经放大、A/D转换及计算处理等过程，最后得到此时的信号光强度信息I_s；当双光路斩光盘5的斩光片处于反光位置时，光线再经反射镜10反射后进入积分球，照到积分球内壁，可以得到参考光的强度信息I_c，同理，当双光路斩光盘5的斩光片处于挡光位置时，可以探测到背景光及暗电流的强度信息I_b，根据公式 $A=-\lg \frac{I_s-I_b}{I_c-I_b}$ (A为吸光度)，求出样品在对应于准连续波长处的吸光度A，根据相应的吸光度值和样品中相关成份的含量建立数学模型，进而结合未知样品的光谱吸光度，可以测出相应成份的含量。

该近红外光谱仪的运行程序包括光谱数据库建模程序和样品中相应成份含量检测程序。建模程序工作过程：输入代表性样品的成份及含量→测量代表性样品准连续近红外吸收光谱→建立相应样品成份含量与光谱吸光度标准数据库→将光谱数据与成份含量进行回归分析→建立标准数据数学模型。检测程序工作过程：调入已经建立好的数学模型→测量待测样品准连续近红外吸收光谱→根据已经建立好的数学模型→得出相应成份的浓度。

Claims (6)

1.近红外光谱仪，其特征在于近红外光源(1)与准直透镜(2)配合构成光源系统，准直透镜(2)后部位置配合设置由电机M₁驱动的光强调制盘(3)和由电机M₂驱动的滤光片盘(4)，之后配合设置由双光路斩光盘(5)、反射镜(10)构成的双光路变换装置，双光路斩光盘(5)由电机M₃驱动，双光路变换装置与后部设置的积分球(6)光路连接，积分球(6)上配合设置由电机M₄驱动的旋转样品池(7)及与信号处理器(9)连接的光电探测器(8)。

2.如权利要求1所述的近红外光谱仪，其特征在于所述的滤光片盘(4)由光谱带宽为5-15nm，中心波长间隔均为5-20nm的一组或多组等间隔窄带滤光片配合构成。

3.如权利要求1所述的近红外光谱仪，其特征在于所述的双光路斩光盘(5)上具有挡光(5a)、反光(5b)和透光(5c)三种功能设置，双光路斩光盘(5)处于挡光(5a)位置时，光线不能进入积分球，反光(5b)位置时，反射的光线通过反射镜(10)再次反射进入积分球(6)，处于透光(5c)位置时光线直接进入积分球(6)。

4.如权利要求1所述的近红外光谱仪，其特征在于光强调制盘(3)上配合设置一组形状一样、大小相当且中心均匀分布在光强调制盘(3)同一圆心的圆周上的圆孔或扇形孔，光强调制盘(3)上的圆孔或扇形孔与滤光片盘(4)上安装滤光片的圆孔相应匹配。

5.如权利要求1所述的近红外光谱仪，其特征在于近红外光源(1)采用卤钨灯。

6.如权利要求1所述的近红外光谱仪，其特征在于光电探测器(8)为PbS、InGaAs或Si。

Images