專利名稱：陣列式半導(dǎo)體激光器近紅外光譜分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于近紅外無損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新型陣列式半導(dǎo)體激光器近紅外光譜分析儀。
背景技術(shù)：
近紅外光譜分析作為一種快速高效的分析方法，可以對(duì)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(jìn)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(shù)之一，它樣品用量少且不破壞樣品，無需對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)處理，并可在廣2分鐘的極短時(shí)間內(nèi)對(duì)樣品中的多種成分同時(shí)進(jìn)行定量分析，具有成本低，速度快，精度高，無污染，便于實(shí)時(shí)、在線分析和控制等優(yōu)點(diǎn)。近紅外檢測(cè)技術(shù)在農(nóng)業(yè)、石化、制藥、食品等領(lǐng)域都得到很好應(yīng)用，并取得極好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。如農(nóng)產(chǎn)品中的谷物產(chǎn)品檢驗(yàn)、奶制品的成分檢測(cè)；制藥工業(yè)中成品的檢測(cè)以及制備過程中各個(gè)階段半成品的在線監(jiān)控。在藥物檢驗(yàn)中，近紅外光譜分析技術(shù)已是一項(xiàng)大量推廣的藥物真?zhèn)蔚呐袆e手段。近紅外光譜分析技術(shù)在中藥原材料的品質(zhì)判別以及制劑中的有效成分分析方面也有應(yīng)用。我國盛產(chǎn)茶葉，用近紅外光譜分析技術(shù)快速研究茶葉等級(jí)以及茶制品過程的在線檢測(cè)都已有報(bào)道。近年來，近紅外光譜分析在石化領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用，并逐漸應(yīng)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(duì)光源發(fā)射出的光進(jìn)行分光，測(cè)量時(shí)根據(jù)需要的波長轉(zhuǎn)動(dòng)片輪選擇合適的一個(gè)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(chǎn)生不同的波長，該類近紅外分析儀的光譜半寬過大達(dá)到30nm以上，滿足不了對(duì)于精確的特定波長的選擇要求，此外有些儀器上還是會(huì)采用LED加濾光片的方式，同樣會(huì)出現(xiàn)有效光功率過小的情況，影響測(cè)量精度和準(zhǔn)確性。掃描型又分為光柵型、傅里葉型、聲光可調(diào)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(duì)光路要求嚴(yán)格，外界光強(qiáng)會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，掃描速度慢。傅里葉型近紅外分析儀因帶有移動(dòng)部件，在掃描過程中會(huì)發(fā)生晃動(dòng)和偏轉(zhuǎn)，造成干涉信號(hào)的不穩(wěn)定，靈敏度下降。聲光可調(diào)濾光器型(A0TF型)近紅外分析儀使用交變電場(chǎng)控制晶體的排列實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)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(huì)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(cè)器同時(shí)檢測(cè)。其缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍有限，且對(duì)溫度敏感。20世紀(jì)70年代初實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器的室溫、連續(xù)激射后，開創(chuàng)了半導(dǎo)體激光器發(fā)展的新時(shí)期。目前它已經(jīng)是光纖通訊、光纖傳感、光盤記錄存儲(chǔ)、光互連、激光打印和印刷、激光分子光譜學(xué)以及固體激光器泵浦中不可替代的重要光源，此外，在光學(xué)測(cè)量、機(jī)器人與自動(dòng)控制、醫(yī)療、原子和分子物理的基礎(chǔ)研究等方面也有廣泛應(yīng)用。它已經(jīng)是需要高效單色光源的光電子器件中不可缺少的光學(xué)器件。半導(dǎo)體激光器(LD)的工作原理是，利用半導(dǎo)體物質(zhì)(既利用電子)在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個(gè)平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋、產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。與其他種類的激光器相比，半導(dǎo)體激光器具有十分突出的優(yōu)點(diǎn)，除了體積小、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高、省電等優(yōu)點(diǎn)外，半導(dǎo)體激光器的激射頻率可在較寬的范圍內(nèi)調(diào)諧，激射功率和頻率可以方便、高效地進(jìn)行直接調(diào)制，且調(diào)制范圍大。且LD光譜與LED光譜相比較其半寬小于2nm，邊膜抑制比大于30dB，有效光功率高等。
發(fā)明內(nèi)容為了克服傳統(tǒng)的近紅外光譜分析儀所存在的局限性，提供了陣列式半導(dǎo)體激光器近紅外光譜分析儀。 陣列式半導(dǎo)體激光器近紅外光譜分析儀，該儀器包括光源半導(dǎo)體激光器、積分球、樣品杯、微處理器、鍵盤輸入與結(jié)果顯示裝置，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元；所述的半導(dǎo)體激光器通過光纖與積分球連接，半導(dǎo)體激光器的光通過光纖進(jìn)入積分球；所述的積分球包括集成于積分球壁上的光入射孔、探測(cè)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(jié)果顯示裝置置于儀器的外殼上，與微處理器相連。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元通過USB接口與微處理器相連；積分球的外圓周上的探測(cè)器口上設(shè)探測(cè)器，探測(cè)器測(cè)出的光信號(hào)變化通過前置放大電路與微處理器相連。其中所述的半導(dǎo)體激光器(LD)為陣列式半導(dǎo)體激光器，首先將不同半導(dǎo)體激光器(LD)陣列式排列，并由光纖將光傳出，然后對(duì)多束光纖通過I禹合器進(jìn)行外I禹合,并由一根光纖輸出，通過積分球的光入射孔，對(duì)樣品池中樣品進(jìn)行照射?？梢愿鶕?jù)用戶的需要選擇不同的LD波段進(jìn)行封裝，以滿足不同的需求，此外可以在已封裝的LD中根據(jù)需要選擇一個(gè)組合進(jìn)行點(diǎn)亮來測(cè)量不同的樣品成分。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(jìn)入積分球，樣品杯由樣品杯入口置入積分球，并旋轉(zhuǎn)樣品杯直至定位銷進(jìn)入法蘭圈凹槽，將其位置固定。光照射在樣品杯上，在積分球內(nèi)壁和樣品表面不斷發(fā)生反射，樣品杯中樣品對(duì)光進(jìn)行充分吸收，探測(cè)器孔中放入探測(cè)器將攜帶樣品信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并傳到微處理器。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插入積分球的深度，法蘭圈上有凹槽用于檢測(cè)時(shí)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入到積分球內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)樣品對(duì)近紅外光的體吸收，根據(jù)樣品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同直徑的樣品室規(guī)格和測(cè)量模型參數(shù)。采用本實(shí)用新型所提供的近紅外光譜分析儀，由于光源由多個(gè)半導(dǎo)體激光器陣列式排列，在對(duì)光譜進(jìn)行采集時(shí)可選用不同的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行組合點(diǎn)亮，從而可以對(duì)多種不同成分進(jìn)行檢測(cè)。本實(shí)用新型采用積分球漫反射方式對(duì)攜帶樣品信息的光信號(hào)進(jìn)行搜集并傳到微處理器進(jìn)行處理。

[0013]圖I是本實(shí)用新型所提供的陣列式半導(dǎo)體激光器(LD)近紅外分析儀的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本實(shí)用新型所提供的光源與光譜采集單元連接示意圖；圖3是本實(shí)用新型所提供的積分球剖面示意圖與樣品杯結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實(shí)用新型所提供的樣品杯結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。圖I是本實(shí)用新型所提供的陣列式半導(dǎo)體激光器(LD)近紅外光譜分析儀的組成結(jié)構(gòu)不意圖，該儀器包括光源半導(dǎo)體激光器10、積分球20、樣品杯30、微處理器50、鍵盤輸入與結(jié)果顯示裝置60，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元70 ;所述的半導(dǎo)體激光器10通過光纖13與積分球20連接，半導(dǎo)體激光器10的光通過光纖13進(jìn)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(cè)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(jié)果顯示裝置60置于儀器的外殼90上，與微處理器50相連。計(jì)算機(jī)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(cè)器口 25上設(shè)探測(cè)器40，探測(cè)器測(cè)出的光信號(hào)變化通過前置放大電路與微處理器相連。如圖2所示，其中所述的半導(dǎo)體激光器(LD) 10為陣列式半導(dǎo)體激光器，首先將不同半導(dǎo)體激光器(LD)陣列式排列，并由光纖12將光傳出，然后對(duì)多束光纖12通過耦合器11進(jìn)行外I禹合，并由一根光纖13輸出，通過積分球20的光入射孔21,對(duì)樣品池30中樣品進(jìn)行照射?？梢愿鶕?jù)用戶的需要選擇不同的LD波段進(jìn)行封裝，以滿足不同的需求，此外可以在已封裝的LD中根據(jù)需要選擇一個(gè)組合進(jìn)行點(diǎn)亮來測(cè)量不同的樣品成分。所述半導(dǎo)體激光器10的輸出功率可以根據(jù)樣品的不同由用戶進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，為了保證樣品測(cè)試的一致，設(shè)定后的輸出功率要盡可能的恒定，半導(dǎo)體激光器以電流輸入為激勵(lì)，可以采用電流反饋電路得到穩(wěn)定的輸入電流，通過對(duì)電流的控制來得到穩(wěn)定的光功率。如圖3所示所述的積分球，包括集成于積分球壁上的光入射孔21、樣品杯入口 22和探測(cè)器口 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 ;光通過光入射孔21進(jìn)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(zhuǎn)樣品杯30直至定位銷24進(jìn)入法蘭圈31凹槽32，將其位置固定。光照射在樣品杯30上，在積分球20內(nèi)壁和樣品表面不斷發(fā)生反射，樣品杯30中樣品對(duì)光進(jìn)行充分吸收，探測(cè)器孔25中放入探測(cè)器40將攜帶樣品信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)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(cè)時(shí)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(nèi)部，實(shí)現(xiàn)樣品對(duì)近紅外光的體吸收，根據(jù)樣品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同直徑的樣品室規(guī)格和測(cè)量模型參數(shù)。所述的探測(cè)器40采用的半導(dǎo)體銦稼砷探測(cè)器，用于接收均分布于積分球內(nèi)壁的所測(cè)物質(zhì)的漫透射光譜信號(hào)，并把這些攜帶有樣品信息的近紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。所述的微處理器50對(duì)接收到的電信號(hào)進(jìn)行處理，包括半導(dǎo)體激光器(LD)控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、運(yùn)算模塊和存儲(chǔ)器模塊。[0025]其中所述的半導(dǎo)體激光器(LD)控制模塊用于控制陣列式半導(dǎo)體激光器10，其中包括對(duì)所需LD的選擇，對(duì)選擇的LD的點(diǎn)亮順序及點(diǎn)亮?xí)r間的控制以及對(duì)LD輸入電流穩(wěn)定性的反饋控制。所述的A/D轉(zhuǎn)換模塊用于將探測(cè)器40輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、運(yùn)算。所屬的A/D轉(zhuǎn)換模塊可以采用A/D轉(zhuǎn)換器，其構(gòu)成和連接為本領(lǐng)域人員所公知。所述的存儲(chǔ)器模塊存儲(chǔ)數(shù)據(jù)處理程序和存儲(chǔ)執(zhí)行該程序時(shí)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，所以所述的存儲(chǔ)器包括存儲(chǔ)器處理程序和存儲(chǔ)執(zhí)行該程序時(shí)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的區(qū)域。所述的運(yùn)算模塊可以根據(jù)預(yù)先測(cè)定的樣品建立樣品模型，并根據(jù)該樣品模型對(duì)要測(cè)定的樣品進(jìn)行預(yù)測(cè)。所述的鍵盤輸入與結(jié)果顯示模塊60，鍵盤輸入用于對(duì)檢測(cè)的模式進(jìn)行選擇，對(duì)光 功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)處理模式選擇。顯示器用于對(duì)處理結(jié)果的顯示。所述的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元70，用于對(duì)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(yīng)存儲(chǔ)器中，便于以后對(duì)其直接調(diào)用。所述的半導(dǎo)體激光器(LD)近紅外光譜分析儀還包括外殼90、電源插頭85、開關(guān)80、USB接口 71，用于控制整個(gè)儀器，如圖I所示。樣本的測(cè)試操作如下I.插上電源85，打開電源開關(guān)80，對(duì)裝置各附件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。如設(shè)置光源強(qiáng)度、選取所需的測(cè)量波長的組合和輪流點(diǎn)亮?xí)r間間隔等。2.將待測(cè)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(nèi)。半導(dǎo)體激光器10發(fā)出的光照射到待測(cè)樣品表面，并在積分球20內(nèi)不斷發(fā)生反射，樣品杯中樣品對(duì)光進(jìn)行充分吸收，隨后探測(cè)器接收攜帶有樣品信息的光并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并傳到微處理器50中，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換裝置將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并選取已經(jīng)建立的模型對(duì)測(cè)試量進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算得到的該物質(zhì)的某項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)值通過鍵盤輸入與結(jié)果顯示裝置顯示出來。3.將測(cè)試后的樣品取出，清掃樣品杯，做下一次測(cè)試準(zhǔn)備。下面通過實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型做具體說明。本實(shí)用新型可以測(cè)量多種物質(zhì)的成分含量，在此只舉一個(gè)用于茶葉水分含量檢測(cè)的實(shí)施實(shí)例，其他樣品的檢測(cè)可參照該實(shí)施實(shí)例的檢測(cè)方法。首先將水分的特征波長及參考波長的半導(dǎo)體激光器10進(jìn)行陣列式封裝，并將輸出的光纖由耦合器11進(jìn)行外耦合，最后由一根光纖輸出(或從已封裝的陣列式半導(dǎo)體激光器中選取所需的波長組合點(diǎn)亮)連接到光入射口 21將光輸入積分球內(nèi)。取不同水分的茶葉若干份(100份左右)，一部分作為校正集(80份左右)，其余部分作為預(yù)測(cè)集(20份左右)。按照現(xiàn)行茶葉質(zhì)量檢查的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB8304-87測(cè)定所有樣品的含水量作為實(shí)測(cè)值；用半導(dǎo)體激光器(LD)近紅外光譜分析儀對(duì)其進(jìn)行光譜采集，把檢測(cè)器得到的吸收光譜信號(hào)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(dǎo)入到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元70中，建立光譜信號(hào)值與茶葉含水量之間的關(guān)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(yīng)存儲(chǔ)區(qū)中。接下來就可以對(duì)未知水分含量的茶葉進(jìn)行快速測(cè)定。插上電源線85，打開電源開關(guān)80，通過鍵盤輸入與顯示模塊60選擇檢測(cè)模式為茶葉水分檢測(cè)；用待測(cè)茶葉將樣品杯30裝至沒過法蘭圈，加蓋，由樣品杯入口 22置入旋轉(zhuǎn)至定位銷24置于法蘭圈凹槽32內(nèi)，開始檢測(cè)；按照事先設(shè)定的程序，開始輪流點(diǎn)亮入射光源中被選中的光源組合，光源發(fā)出的進(jìn)入積分球20，在其內(nèi)壁和樣品表面不斷發(fā)生反射，樣品杯30中樣品對(duì)光進(jìn)行充分吸收，漫反射出來的光被檢測(cè)器40接收；檢測(cè)器將攜帶樣品信息的近紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再通過A/D轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸入微處理器50中；微處理器接受此光譜信號(hào)值并把光譜信號(hào)值代入模型計(jì)算，在鍵盤輸入與結(jié)果顯示模塊60上即可顯示該茶葉含水量，至此茶葉含水量檢測(cè)結(jié)束。上述近紅外檢測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)儀器的建模，模型建立后，實(shí)現(xiàn)品質(zhì)指標(biāo)的快速檢測(cè)和顯示。該實(shí)例僅僅是本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施實(shí)例。顯然，本實(shí)用新型不僅限于此，還可以有許多變形，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本實(shí)用新型公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。·
權(quán)利要求1.陣列式半導(dǎo)體激光器近紅外光譜分析儀，其特征在于包括光源半導(dǎo)體激光器、積分球、樣品杯、微處理器、鍵盤輸入與結(jié)果顯示裝置，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元；所述的半導(dǎo)體激光器通過光纖與積分球連接，半導(dǎo)體激光器的光通過光纖進(jìn)入積分球；所述的積分球包括集成于積分球壁上的光入射孔、探測(cè)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(jié)果顯示裝置置于儀器的外殼上，與微處理器相連； 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元通過USB接口與微處理器相連；積分球的外圓周上的探測(cè)器口上設(shè)探測(cè)器，探測(cè)器測(cè)出的光信號(hào)變化通過前置放大電路與微處理器相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的陣列式半導(dǎo)體激光器近紅外光譜分析儀，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(jìn)入積分球，樣品杯由樣品杯入口置入積分球，并旋轉(zhuǎn)樣品杯直至定位銷進(jìn)入法蘭圈凹槽，將其位 置固定；光照射在樣品杯上，在積分球內(nèi)壁和樣品表面不斷發(fā)生反射，樣品杯中樣品對(duì)光進(jìn)行充分吸收，探測(cè)器孔中放入探測(cè)器將攜帶樣品信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并傳到微處理器。
專利摘要本實(shí)用新型公開了陣列式半導(dǎo)體激光器近紅外光譜分析儀，屬于近紅外無損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。該儀器包括光源半導(dǎo)體激光器、積分球、樣品杯、微處理器、鍵盤輸入與結(jié)果顯示裝置，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元；所述的半導(dǎo)體激光器通過光纖與積分球連接，半導(dǎo)體激光器的光通過光纖進(jìn)入積分球；所述的積分球包括集成于積分球壁上的光入射孔、探測(cè)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(jié)果顯示裝置置于儀器的外殼上，與微處理器相連。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理單元通過USB接口與微處理器相連；積分球的外圓周上的探測(cè)器口上設(shè)探測(cè)器，探測(cè)器測(cè)出的光信號(hào)變化通過前置放大電路與微處理器相連。本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種不同成分進(jìn)行快速檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/39GK202710470SQ20122001640
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者陳斌, 陸道禮, 胡靜芳, 朱文靜, 詹敦平 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)