專利名稱：基于微機電技術的農產品品質近紅外光譜分析儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于近紅外無損檢測技術領域，涉及一種新型微機電技術(MEMS)的農產品品質近紅外光譜分析儀。
背景技術：
近紅外光譜分析作為一種快速高效的分析方法，可以對包括從氣體到透明或混濁的液體、從勻漿到粉末、從固體材料到生物組織等各種樣品進行快速、精確的定量或定性分析。近紅外光譜分析(NIR)是近十年來發(fā)展最為迅速的高新分析技術之一，它樣品用量少且不破壞樣品，無需對樣品進行化學處理，并可在廣2分鐘的極短時間內對樣品中的多種成分同時進行定量分析，具有成本低，速度快，精度高，無污染，便于實時、在線分析和控制等優(yōu)點。
近紅外檢測技術在農業(yè)、石化、制藥、食品等領域都得到很好應用，并取得極好的社會和經(jīng)濟效益。如農產品中的谷物產品檢驗、奶制品的成分檢測；制藥工業(yè)中成品的檢測以及制備過程中各個階段半成品的在線監(jiān)控。在藥物檢驗中，近紅外光譜分析技術已是一項大量推廣的藥物真?zhèn)蔚呐袆e手段。近紅外光譜分析技術在中藥原材料的品質判別以及制劑中的有效成分分析方面也有應用。我國盛產茶葉，用近紅外光譜分析技術快速研究茶葉等級以及茶制品過程的在線檢測都已有報道。近年來，近紅外光譜分析在石化領域中已得到廣泛應用，并逐漸應用到在線過程分析。傳統(tǒng)的近紅外光譜分析儀種類很多，可以分為固定波長型和掃描型，固定波長型又分為濾光片型與LED型，濾光片型近紅外光譜分析儀采用若干片干涉濾光片對光源發(fā)射出的光進行分光，測量時根據(jù)需要的波長轉動片輪選擇合適的一個濾光片光路，儀器體積大不方便攜帶，這種分析儀的單色光的譜帶較寬，波長分辨率差，功耗大，有效光功率小，壽命短。發(fā)光二極管(LED)型近紅外光譜分析儀是采用LED作為光源，用不同的發(fā)光二極管產生不同的波長，該類近紅外分析儀的光譜半寬過大達到30nm以上，滿足不了對于精確的特定波長的選擇要求，此外有些儀器上還是會采用LED加濾光片的方式，同樣會出現(xiàn)有效光功率過小的情況，影響測量精度和準確性。掃描型又分為光柵型、傅里葉型、聲光可調濾光器型(A0TF型)和多通道型。光柵型近紅外分析儀采用的是光柵分光，因此狹縫的限制使其分辨率和靈敏度較低，且對光路要求嚴格，外界光強會影響測試結果，掃描速度慢。傅里葉型近紅外分析儀因帶有移動部件，在掃描過程中會發(fā)生晃動和偏轉，造成干涉信號的不穩(wěn)定，靈敏度下降。聲光可調濾光器型(A0TF型)近紅外分析儀使用交變電場控制晶體的排列實現(xiàn)對復合光的分光，分光的譜帶較寬，分辨率較低，且自然界的雜光會有影響。多通道型近紅外分析儀的原理為光源發(fā)出的光經(jīng)過樣品后聚焦到固定光柵上，經(jīng)全息光柵色散后的光由多通道檢測器同時檢測。其缺點是動態(tài)范圍有限，且對溫度敏感?；谖C電系統(tǒng)MEMS技術的農產品品質近紅外光譜分析儀由于米用MEMS動態(tài)掃描微鏡技術和單元InGaAs探測器技術，克服現(xiàn)有近紅外光譜儀采用濾光片型、光柵掃描型、傅立葉變換型、陣列檢測型和聲光調諧型等分光技術時的體積龐大、光學結構復雜、成本高的缺點，實現(xiàn)了光譜儀的微型化；國外小型近紅外光譜儀售價在40萬元左右，中檔產品在150萬元左右，本研發(fā)的基于微機電系統(tǒng)MEMS技術的農產品品質近紅外光譜分析儀實現(xiàn)了國產化，具有很高的性能價格比和良好的競爭力，其價格只有進口儀器的六分之一。小型產品定價在5萬元左右，中檔產品在15萬元左右。

發(fā)明內容
為了克服傳統(tǒng)的近紅外光譜分析儀所存在的局限性,提供了一種基于微機電系統(tǒng)MEMS技術的農產品品質近紅外光譜分析儀?；谖C電系統(tǒng)MEMS技術的農產品品質近紅外光譜分析儀,該儀器包括微機電系統(tǒng)的分光器件、積分球、樣品杯、微處理器、鍵盤輸入與結果顯示裝置，計算機數(shù)據(jù)處理單元；所述的微機電系統(tǒng)分光器件通過光纖與積分球連接，光源發(fā)出的近紅外光與待測物料相互作用后在積分球內壁經(jīng)過多次反射后通過光纖進入微機電系統(tǒng)近紅外光譜分析儀；所述的積分球包括集成于積分球壁上的光入射孔、探測器口和樣品杯入口，樣品杯由樣品杯 入口與積分球連接；鍵盤輸入與結果顯示裝置置于儀器的外殼上，與微處理器相連；計算機數(shù)據(jù)處理單元通過USB接口與微處理器相連；進入微機電系統(tǒng)分光器件的光經(jīng)過微機系統(tǒng)電控制的微鏡分光后由近紅外光電探測器測出的光信號變化通過前置放大電路與微處理器相連。其中所述的微機電系統(tǒng)分光器件，其包括光纖連接器、光纖準直器、掃描反射微鏡、閃耀光柵、聚焦反射鏡、狹縫和探測器；待測光信號由光纖連接器接入光路，光纖準直器位于光纖連接器的后部，光信號經(jīng)由光纖連接器和光纖準直器后，形成準直光入射到掃描反射微鏡上，掃描反射微鏡反射光信號至閃耀光柵，閃耀光柵將入射復色光分解成不同波長的單色光，單色光入射到聚焦鏡反射鏡上，由聚焦鏡反射鏡會聚并反射通過狹縫至探測器上，探測器放置于聚焦反射鏡的會聚方向，探測器測量接收的單色光的強度；掃描反射微鏡的鏡面作周期性擺動，使得入射復色光在閃耀光柵上的入射角度和出射單色光的空間位置呈周期性變化，經(jīng)過聚焦鏡反射鏡會聚后，通過狹縫依次進入探測器中，實現(xiàn)全光譜的掃描。其中所述的積分球的樣品杯入口有用來使樣品杯固定的凹槽與定位銷；光通過光入射孔進入積分球，樣品杯由樣品杯入口置入積分球，并旋轉樣品杯直至定位銷進入法蘭圈凹槽，將其位置固定。光照射在樣品杯的底部，經(jīng)物料吸收后的漫反射光在積分球內壁不斷發(fā)生反射，經(jīng)積分球內表面多次反射后的光進入到微機電系統(tǒng)的光譜儀內進行分光，同時經(jīng)微機電系統(tǒng)中的近紅外探測器將光信號轉變成電信號傳到微處理器。其中所述的樣品杯采用低羥基石英玻璃制作，形狀采用圓柱形，下端加底，并采用法蘭圈來固定樣品杯與積分球接觸，法蘭圈上有凹槽用于檢測時使積分球上的定位銷置入以便更精確的定位；樣品杯由積分球樣品室入口垂直放置到積分球上，實現(xiàn)樣品對近紅外光的表面吸收，根據(jù)樣品的結構特點對應不同直徑的樣品室規(guī)格和測量模型參數(shù)。采用本發(fā)明所提供的基于微機電系統(tǒng)MEMS技術的農產品品質近紅外光譜分析儀，由于采用了先進的微機電系統(tǒng)進行分光，不但實現(xiàn)了近紅外光譜儀器的小型化和微型化，為研發(fā)后續(xù)的手提式農產品品質近紅外快速檢測儀器創(chuàng)造了基本條件外，還因為檢測的是物料連續(xù)近紅外漫反射光譜，從而可以非常方便地對衡量農產品品質的多種成分含量指標進行檢測。本發(fā)明采用積分球漫反射方式對攜帶樣品信息的光信號進行收集并傳到微處理器進行處理。


圖I是本發(fā)明所提供的微機電系統(tǒng)(MEMS)近紅外分析儀的結構 圖2是本發(fā)明所提供的微機電系統(tǒng)(MEMS)近紅外分析儀的分光結構 圖3是本發(fā)明所提供的積分球剖面示意圖與樣品杯結構示意 圖4是本發(fā)明所提供的樣品杯結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
圖I是本發(fā)明所提供的微機電系統(tǒng)(MEMS)近紅外光譜分析儀的組成結構示意圖，該儀器包括微機電系統(tǒng)分光器件14、積分球20、樣品杯30、微處理器50、鍵盤輸入與結果顯示裝置60，計算機數(shù)據(jù)處理單元70 ;所述的微機電系統(tǒng)分光器件14通過光纖13與積分球20連接，微機電系統(tǒng)分光器件14的光通過光纖13進入積分球20 ;所述的積分球20包括集成于積分球壁上的光入射孔21、探測器口 25和樣品杯入口 22，樣品杯30由樣品杯入口 22與積分球20連接；鍵盤輸入與結果顯示裝置60置于儀器的外殼90上，與微處理器50相連。計算機數(shù)據(jù)處理單元70通過USB接口 71與微處理器50相連；積分球20的外圓周上的探測器口 25上設探測器40，探測器測出的光信號變化通過前置放大電路與微處理器相連。圖2是本發(fā)明所提供的基于微機電系統(tǒng)MEMS (Micro-Electro-MechanicalSystems)技術的農產品品質近紅外光譜分析儀的微機電系統(tǒng)分光器件14的光路圖，如圖2所示，其包括光纖連接器I、光纖準直器2、掃描反射微鏡3、閃耀光柵4、聚焦反射鏡5、狹縫6和探測器7 ;待測光信號由光纖連接器I接入光路，光纖準直器2位于光纖連接器I的后部，光信號經(jīng)由光纖連接器I和光纖準直器2后,形成準直光入射到掃描反射微鏡3上,掃描反射微鏡3反射光信號至閃耀光柵4，閃耀光柵4將入射復色光分解成不同波長的單色光，單色光入射到聚焦鏡反射鏡5上，由聚焦鏡反射鏡5會聚并反射通過狹縫6至探測器7上，探測器7放置于聚焦反射鏡5的會聚方向，探測器5測量接收的單色光的強度；掃描反射微鏡3的鏡面作周期性擺動，使得入射復色光在閃耀光柵4上的入射角度和出射單色光的空間位置呈周期性變化，經(jīng)過聚焦鏡反射鏡5會聚后，通過狹縫依次進入探測器7中，實現(xiàn)全光譜的掃描。如圖3所不所述的積分球,包括集成于積分球底座26的入光孔10、樣品杯入口 22和連接MEMS光譜儀光纖的接口 25組成，樣品杯入口 22有用來使樣品杯固定的凹槽23與定位銷24 ;光通過入光孔10進入積分球20，樣品杯30由樣品杯入口 22置入積分球20，并旋轉樣品杯30直至定位銷24進入法蘭圈31凹槽32，將其位置固定。光照射在樣品杯30中的物料上后，物料吸收后的漫反射近紅外光在在積分球20內壁不斷發(fā)生反射使得積分球20內表面的光強度達到一致，連接MEMS光譜儀光纖的25中放入光譜儀的入射光纖13攜帶樣品信息的光信號輸入到微機電系統(tǒng)分光器件14進行分光，由光譜儀中的探測器7將單色光強度變化的信號轉換成電信號并傳到微處理器50。如圖4所示，所述的樣品杯30采用低羥基石英玻璃制作，形狀采用圓柱形，下端加底，并采用法蘭圈31來固定插入積分球的深度，法蘭圈31上有凹槽32用于檢測時使積分球20上的定位銷24置入以便更精確的定位；樣品杯30由積分球樣品室入口 22垂直放入到積分球20內部，實現(xiàn)樣品對近紅外光的體吸收，根據(jù)樣品的結構特點對應不同直徑的樣品室規(guī)格和測量模型參數(shù)。所述的光導纖維13，用于接收均分布于積分球內壁的所測物質的漫透射光譜信號，并把這些攜帶有樣品信息的近紅外光信號送入微機電系統(tǒng)分光器件14中轉變?yōu)殡娦盘?。所述的微處理?0對接收到的電信號進行處理,其中包括微機電系統(tǒng)(MEMS)控制模塊、A/D轉換模塊、運算模塊、存儲器模塊和顯示模塊。所述的A/D轉換模塊用于將探測器40輸出的模擬信號轉換為數(shù)字信號，以便于對數(shù)據(jù)進行分析、處理、運算。所屬的A/D轉換模塊可以采用A/D轉換器，其構成和連接為本領域人員所公知。 所述的存儲器模塊存儲數(shù)據(jù)處理程序和存儲執(zhí)行該程序時所產生的數(shù)據(jù)，所以所述的存儲器包括存儲器處理程序和存儲執(zhí)行該程序時所產生的數(shù)據(jù)的區(qū)域。所述的運算模塊可以根據(jù)預先測定的樣品建立樣品模型，并根據(jù)該樣品模型對要測定的樣品進行預測。所述的鍵盤輸入與結果在微處理器50中的顯示模塊中顯示，鍵盤輸入用于對檢測的模式進行選擇，對光功率進行調節(jié)，數(shù)據(jù)處理模式選擇。顯示器用于對處理結果的顯示。用于對數(shù)據(jù)的處理，并建立模型，通過USB接口 71，將建立的模型傳到微處理器50的相應存儲器中，便于以后對其直接調用。所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)近紅外光譜分析儀還包括外殼90、電源插頭85、開關80、USB接口 71，用于控制整個儀器，如圖I所示。樣本的測試操作如下
I.插上電源85，打開電源開關80，對裝置各附件的參數(shù)進行設置。如設置光源強度、暗電流檢測、本底檢測等。2.將待測樣品裝入樣品杯30，樣品量為沒過法蘭圈31，由樣品杯入口 22置入積分球20內。光源發(fā)出的光經(jīng)過入射光孔10照射到待測樣品表面，并在積分球20內不斷發(fā)生反射，樣品杯中樣品對光進行充分吸收，隨后光導纖維40將攜帶有樣品信息的光輸入到微機電系統(tǒng)(MEMS)的近紅外光譜儀器中轉換成電信號，并傳到微處理器50中，經(jīng)A/D轉換裝置將模擬信號轉換成數(shù)字信號，并選取已經(jīng)建立的模型對測試量進行計算，將計算得到的該物質的某項品質指標值通過鍵盤輸入與結果顯示裝置顯示出來。3.將測試后的樣品取出，清掃樣品杯，做下一次測試準備。下面通過實例對本發(fā)明做具體說明。本發(fā)明可以測量多種物質的成分含量，在此只舉一個用于芝麻水分含量檢測的實施實例，其他樣品的檢測可參照該實施實例的檢測方法。取不同水分的芝麻若干份(100份左右)，一部分作為校正集(70份左右)，其余部分作為預測集(30份左右)。按照現(xiàn)行芝麻質量檢查的國家標準和行業(yè)標準GB8304-87測定所有樣品的含水量作為實測值；用微機電系統(tǒng)(MEMS)近紅外光譜分析儀對其進行光譜采集，把檢測器得到的吸收光譜信號值保存在微處理器50中。然后通過USB通信接口 71將數(shù)據(jù)導入到計算機數(shù)據(jù)處理單元中，建立光譜信號值與芝麻含水量之間的關聯(lián)模型。將得到的模型參數(shù)通過USB通信接口 71寫入到光譜儀的微處理器50相應存儲區(qū)中。接下來就可以對未知水分含量的芝麻進行快速測定。插上電源線85，打開電源開關80，通過鍵盤輸入與顯示模塊選擇檢測模式為芝麻水分檢測；用待測芝麻將樣品杯30裝至沒過法蘭圈，加蓋，由樣品杯入口 22置入旋轉至定位銷24置于法蘭圈凹槽32內，開始檢測；按照事先設定的程序，光源發(fā)出的進入積分球20，在其內壁和樣品表面不斷發(fā)生反射，樣品杯30中樣品對光進行充分吸收，漫反射出來的光由光導纖維40收集并輸入到微機電系統(tǒng)(MEMS)的近紅外光譜儀中；檢測器將攜帶樣品信息的近紅外光信號轉變?yōu)殡娦盘?，再通過A/D轉變?yōu)閿?shù)字信號輸入微處理器50中；微處理器接受此光譜信號值并把光譜信號值代入模型計算，在鍵盤輸入與結果顯示模塊上即可顯示該芝麻含水量，至此芝麻含水量檢測結束。上述近紅外檢測方法可以實現(xiàn)儀器的建模，模型建立后，實現(xiàn)品質指標的快速檢測和顯示。
該實例僅僅是本發(fā)明的一個實施實例。顯然，本發(fā)明不僅限于此，還可以有許多變形，本領域的普通技術人員能從本發(fā)明公開的內容直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.基于微機電技術的農產品品質近紅外光譜分析儀，其特征在于包括微機電系統(tǒng)的分光器件、積分球、樣品杯、微處理器、鍵盤輸入與結果顯示裝置，計算機數(shù)據(jù)處理單元；所述的微機電系統(tǒng)分光器件通過光纖與積分球連接，光源發(fā)出的近紅外光與待測物料相互作用后在積分球內壁經(jīng)過多次反射后通過光纖進入微機電系統(tǒng)近紅外光譜分析儀；所述的積分球包括集成于積分球壁上的光入射孔、探測器口和樣品杯入口，樣品杯由樣品杯入口與積分球連接；鍵盤輸入與結果顯示裝置置于儀器的外殼上，與微處理器相連；計算機數(shù)據(jù)處理單元通過USB接口與微處理器相連；進入微機電系統(tǒng)分光器件的光經(jīng)過微機系統(tǒng)電控制的微鏡分光后由近紅外光電探測器測出的光信號變化通過前置放大電路與微處理器相連。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于微機電技術的農產品品質近紅外光譜分析儀，其特征在于其中所述的微機電系統(tǒng)分光器件，包括光纖連接器、光纖準直器、掃描反射微鏡、閃耀光柵、聚焦反射鏡、狹縫和探測器；待測光信號由光纖連接器接入光路，光纖準直器位于光纖連接器的后部，光信號經(jīng)由光纖連接器和光纖準直器后，形成準直光入射到掃描反射微鏡 上，掃描反射微鏡反射光信號至閃耀光柵，閃耀光柵將入射復色光分解成不同波長的單色光，單色光入射到聚焦鏡反射鏡上，由聚焦鏡反射鏡會聚并反射通過狹縫至探測器上，探測器放置于聚焦反射鏡的會聚方向，探測器測量接收的單色光的強度；掃描反射微鏡的鏡面作周期性擺動，使得入射復色光在閃耀光柵上的入射角度和出射單色光的空間位置呈周期性變化，經(jīng)過聚焦鏡反射鏡會聚后，通過狹縫依次進入探測器中，實現(xiàn)全光譜的掃描。
3.根據(jù)權利要求I所述的基于微機電技術的農產品品質近紅外光譜分析儀，其特征在于其中所述的積分球的樣品杯入口有用來使樣品杯固定的凹槽與定位銷；光通過光入射孔進入積分球，樣品杯由樣品杯入口置入積分球，并旋轉樣品杯直至定位銷進入法蘭圈凹槽，將其位置固定，光照射在樣品杯的底部，經(jīng)物料吸收后的漫反射光在積分球內壁不斷發(fā)生反射，經(jīng)積分球內表面多次反射后的光進入到微機電系統(tǒng)的光譜儀內進行分光，同時經(jīng)微機電系統(tǒng)中的近紅外探測器將光信號轉變成電信號傳到微處理器。
4.根據(jù)權利要求I所述的基于微機電技術的農產品品質近紅外光譜分析儀，其特征在于其中所述的樣品杯采用低羥基石英玻璃制作，形狀采用圓柱形，下端加底，并采用法蘭圈來固定樣品杯與積分球接觸，法蘭圈上有凹槽用于檢測時使積分球上的定位銷置入以便更精確的定位；樣品杯由積分球樣品室入口垂直放置到積分球上，實現(xiàn)樣品對近紅外光的表面吸收，根據(jù)樣品的結構特點對應不同直徑的樣品室規(guī)格和測量模型參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明基于微機電技術的農產品品質近紅外光譜分析儀，屬于近紅外無損檢測技術領域。該儀器包括微機電系統(tǒng)的分光器件、積分球、樣品杯、微處理器、鍵盤輸入與結果顯示裝置，計算機數(shù)據(jù)處理單元。采用了先進的微機電系統(tǒng)進行分光，不但實現(xiàn)了近紅外光譜儀器的小型化和微型化，為研發(fā)后續(xù)的手提式農產品品質近紅外快速檢測儀器創(chuàng)造了基本條件外，還因為檢測的是物料連續(xù)近紅外漫反射光譜，從而可以非常方便地對衡量農產品品質的多種成分含量指標進行檢測。本發(fā)明采用積分球漫反射方式對攜帶樣品信息的光信號進行收集并傳到微處理器進行處理。
文檔編號G01N21/01GK102890070SQ20121033846
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月14日 優(yōu)先權日2012年9月14日
發(fā)明者龍濤, 劉正東, 陳斌 申請人:江蘇惠通集團有限責任公司