一種便攜式近紅外光譜檢測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外光譜檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種便攜式近紅外光譜檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近紅外光譜分析技術(shù)(Near InfrarecUNIR)是介于可見光(Vis)和中紅外(MIR)之間的電磁輻射波，美國材料檢測協(xié)會(ASTM)將近紅外光譜區(qū)定義為780-2526nm的區(qū)域，是人類在吸收光譜中發(fā)現(xiàn)的第一個非可見光區(qū)。近紅外光譜區(qū)與有機分子中含氫基團(0H、NH、CH)振動的合頻和各級倍頻的吸收區(qū)一致，通過掃描樣品的近紅外光譜，可以得到樣品中有機分子含氫基團的特征信息，而且利用近紅外光譜技術(shù)分析樣品具有方便、快速、高效、準確和成本較低，不破壞樣品，不消耗化學試劑，不污染環(huán)境等優(yōu)點，因此該技術(shù)受到越來越多人的青睞。
[0003]由于技術(shù)水平的限制及檢測標準的嚴格，為保證檢測質(zhì)量，國內(nèi)外常見的近紅外檢測設備受傅里葉變換技術(shù)的時間、及位移影響較大。同時近紅外的分光系統(tǒng)需要較大空間，故設備及產(chǎn)品的體積及重量無法變小，大多呈現(xiàn)體積大、重量大、成本高、應用場景局限等缺點。
[0004]隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，針對粉末狀樣品(如:奶粉、毒品等)的實時現(xiàn)場檢測，國內(nèi)外陸續(xù)出現(xiàn)了便攜式近紅外檢測設備。設備由:采集窗口、光源、分光系統(tǒng)、檢測器、操作程序及供電系統(tǒng)組成。其中:采集窗口采用光纖、光源采用鹵鎢燈、分光系統(tǒng)采用光柵或積分球、檢測器采用CCD、操作系統(tǒng)采用嵌入式LINUX、供電系統(tǒng)采用如鋰電池或移動電源等。從客戶的角度來說，近紅外檢測設備解決的問題在于在不破壞樣品的情況下進行樣品定性及定量的無損檢測，如奶粉，定性無損檢測的目的在于知道此樣品的產(chǎn)地及品牌，起到溯源追蹤及樣品真假的作用。定量無損檢測的目的在于知道此樣品的各種元素含量，如蛋白質(zhì)、脂肪、氨基酸等，但現(xiàn)有技術(shù)中的針對粉末狀樣品檢測的便攜式近紅外檢測設備仍存在以下問題:1、粉末狀樣品具有特殊性，在光譜采集時由于光纖探頭接觸面較小，不能采集到具有代表性的樣品信息;2、針對定性分析及檢測，目前國內(nèi)外同類型設備精度較低，造成檢測結(jié)果與實際結(jié)果誤差較大；3、現(xiàn)有技術(shù)中的便攜式近紅外檢測設備檢測結(jié)果仍不穩(wěn)定，造成結(jié)果無可用性;4、由于近紅外檢測設備在使用前必須校準，校準的原理在于根據(jù)設備的不同屬性及精度，對自然光強進行采集，并用校準模塊采集最大吸收率，以確定積分時間，但現(xiàn)有便攜式近紅外檢測設備由于自然光的因素，造成校準的不確定性因素靠譜較多，無法準確獲取檢測結(jié)果。
[0005]由此可見，能否針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種精度更高、價格便宜、體積較小、重量較輕、持續(xù)工作時間更長、用戶體驗感更強的新型基于粉末狀樣品的便攜式近紅外檢測設備，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題，提供一種便攜式近紅外光譜檢測系統(tǒng)，能夠有效實現(xiàn)粉末狀樣品的紅外光譜檢測，進行定性和定量分析，操作簡單，測定快速，測定結(jié)果準確可靠。
[0007]為了達到上述技術(shù)效果，本發(fā)明包括以下技術(shù)方案:
[0008]—種便攜式近紅外光譜檢測系統(tǒng)，包括殼體、設置在殼體上的采集窗口、依次安裝在殼體內(nèi)且與所述采集窗口位于同一直線上的采集窗口、檢測光源、分光裝置和檢測器，所述殼體內(nèi)還安裝有轉(zhuǎn)換器和供電裝置，所述檢測器的輸出端與所述轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，所述供電裝置分別與檢測光源、檢測器和轉(zhuǎn)換器連接;還包括樣品池，所述樣品池安裝在所述采集窗口上，所述樣品池包括采樣件和固定座，所述采樣件內(nèi)設有腔室，且一端設置有開口，另一端活動連接在固定座內(nèi)，所述固定座固定安裝在采集窗口上;所述分光裝置為線性漸變?yōu)V光片。
[0009]進一步的，所述采樣件呈圓柱體，所述開口上設置有活塞;所述殼體上活動連接有蓋體，所述蓋體罩設在所述樣品池外。
[0010]所述檢測光源照射所述采樣件內(nèi)的樣品經(jīng)慢反射得到光信號，所述光信號進入線性漸變?yōu)V光片經(jīng)色散得到光束，所述檢測器接收所述光束經(jīng)轉(zhuǎn)換得到電信號，并將所述電信號輸出至轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器將接收的所述電信號轉(zhuǎn)換為光譜數(shù)據(jù)后輸出。
[0011]現(xiàn)有技術(shù)中的光纖式(直徑5_)采集窗口，由于窗口較小，造成得到的光譜信息為局部信息，未達到樣品采集的標準化要求，由于固體樣品相對較硬，表面粗糙。在采集時光譜信息局限造成得到的光譜中0H、NH、CH化學基團信息量受影響，造成采集的光譜無代表性。同時現(xiàn)有技術(shù)中采用光柵或積分球作為分光系統(tǒng)，在采樣及檢測過程中光源通過樣品體表面并將0H、NH、CH化學基團信息通過漫反射或透射的形式返回到分光系統(tǒng)過程中，由于光柵或積分球原理限制即若被一個大小接近于或小于波長的物體阻擋，就繞過這個物體，繼續(xù)進行。若通過一個大小近于或小于波長的孔，則以孔為中心，形成環(huán)形波向前傳播。造成采樣過程中偏向角度約小，波長越長，并且光譜重疊，從而造成干擾較大。
[0012]本發(fā)明樣品池為針對粉末狀樣品特性而自主設計的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設計合理，能夠與較大采集窗口匹配使用，解決了采用光纖時信號微弱，需要積分球?qū)⒍啻温瓷涞墓庑畔⑦M行累加的問題。應用線性漸變?yōu)V光片，解決了由于光譜對應光譜段存在光譜重疊的影響，造成精度較低的問題。
[0013]所述樣品池采用透明材料制成。
[0014]進一步的，所述檢測器為128線元非制冷銦鎵砷二極管陣列檢測器，所述轉(zhuǎn)換器為A/D轉(zhuǎn)換器。
[0015]應用128線元非制冷銦鎵砷(inGaAs)二極管陣列，不會發(fā)生由于累計關(guān)照的原因，造成檢測器溫度過高從而造成精度較低的影響。并且減少光譜信噪比影響，使得到的原始光譜更加穩(wěn)定、高效。
[0016]進一步的，所述光源為雙集成真空鎢燈。雙集成真空鎢燈光源壽命大于1.7萬小時，解決了光源使用壽命問題。
[0017]進一步的，所述的供電裝置為充電電池，所述殼體上安裝有充電插頭。所述充點電池為鋰電池，，持續(xù)待機及工作時長8小時，解決了傳統(tǒng)產(chǎn)品待機時間短問題。
[0018]進一步的，所述殼體上安裝有電源開關(guān)，所述電源開關(guān)與所述供電裝置連接。
[0019]進一步的，所述的線性漸變?yōu)V光片的光譜范圍為900?1700nm。
[0020]傳統(tǒng)設備波段為700nm-1100nm，譜段有限，出現(xiàn)樣品的光譜信息反應的化學基團有限甚至無用的問題，造成模型建立誤差較大或無法建模的問題。通過軟硬件集成，本專利波長范圍900-1700nm，增加了波段，提高了光譜信息反應的化學基團。使得模型更加精確。
[0021]進一步的，所述便攜式近紅外光譜檢測系統(tǒng)還包括微型中央控制器、與所述微型中央控制器無線通信連接的客戶端，所述微型中央控制器安裝在殼體內(nèi)，所述微型中央控制器與所述供電裝置、檢測光源、檢測器和轉(zhuǎn)換器連接，所述微型中央控制器將所述轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的光譜數(shù)據(jù)傳輸至客戶端，并接收所述客戶端傳輸?shù)目刂菩盘柨刂扑鰴z測光源、檢測器和轉(zhuǎn)換器的開啟和關(guān)閉。
[0022]進一步的，所述客戶端包括按順序依次選取的校準模塊、檢測模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊；
[0023]通過選取校準模塊使客戶端發(fā)送控制信號至微型中央控制器，所述微型中央控制器接收轉(zhuǎn)換器輸出的校準光譜數(shù)據(jù)，并將所述校準光譜數(shù)據(jù)輸出至客戶端，所述數(shù)據(jù)顯示模塊用于顯示校準光譜數(shù)據(jù)；
[0024]通過選取檢測模塊使客戶端發(fā)送控制信號至微型中央控制器，所述微型中央控制器接收轉(zhuǎn)換器輸出的檢測光譜數(shù)據(jù)，并將所述檢測光譜數(shù)據(jù)輸出至客戶端，所述數(shù)據(jù)顯示模塊用于顯示檢測光譜數(shù)據(jù)。
[0025]進一步的，所述便攜式近紅外光譜檢測系統(tǒng)還包括云端數(shù)據(jù)庫，所述云端數(shù)據(jù)庫與所述客戶端無線通信連接，所述云端數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲有待檢測樣品的化學計量學模型，所述檢測模塊將所述檢測光譜數(shù)據(jù)輸出至云端數(shù)據(jù)庫，所述云端數(shù)據(jù)庫將接收到的所述檢測光譜數(shù)據(jù)與待檢測樣品的化學計量學模型比對分析得到待測樣品的定性數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)，并將所述定性數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)顯示模塊，所述數(shù)據(jù)顯示模塊用于顯示定性數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)。
[0026]將化學計量學模型放在云端，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)理念，使得檢測精度更高，效果更佳，使用更佳方便。由于近紅外快檢技術(shù)的局限及原理因素，造成每臺設備間的技術(shù)參數(shù)都有一定誤差(如:如果用A設備采集光譜數(shù)據(jù)并建立模型，當B設備使用該模型時會出現(xiàn)一定誤差，造成檢測結(jié)果不準確)，為解決這個問題，本發(fā)明利用自主研究的算法解決了設備間的誤差問題，實現(xiàn)一個模型多臺設備使用0誤差的技術(shù)難題。
[0027]化學計量學已經(jīng)成為近紅外