专利名称：可见光、近红外光光谱分析测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种测量和分析可见光到近红外光全谱段的光谱分析测量仪，具体涉及一种可见光到近红外光全谱380nm 2500nm段光谱范围内在线和现场分析的光谱分析测量仪。
背景技术：
近年来随着光谱分析技术发展，近红外光谱780~2500nm分析测量技 术现在已进入白炙化时期，但是也有些领域仍需要可见光进行样品色度和 光度的分析，因此380nm 2500nm全谱段分析测量仪有着广泛的应用。目 前国外美国ASD公司提供的labspec⑧pro型仪器为代表，其不足之处主要 是测量时受外界光的干扰，而且价格昂贵，中国专利申请号为98124798.9 的"一种在线近红外多成分的测量方法及仪器"的专利公开了采用四波长 双光路八光束的测量方法及系统，其缺点是只有四个波长，不适合光谱的 全波段分析，中国专利申请号03127633.4的"便携式近红外矿物分析仪" 的专利和申请号200420025072.3的"便携式近红外分析仪"的专利公开了 一种小型适合携带的光栅扫描型近红外光谱仪，其存在的问题是测量速度 慢(70秒)和波长范围只在近红外区域，不适合在线快速测量。中国专利 申请号为02125852,X的"在线近红外光谱仪"的专利公开了一种采用线阵 电荷耦合器件作为接受元件实现光谱的快速测量，其优点是仪器具有波长 稳定和速度快的特点，其缺点是测量时会受到外界杂散光干扰，探测器每 个像元小，测得的谱线信噪比不高，同时在近红外谱段的线阵电荷耦合器 件价格相当昂贵。 发明内容本实用新型提供一种降低机械磨损、扫描速度快、性价比高、体积小、 重量轻、适合野外小型并便于携带和现场进行在线测量的可见光、近红外 光谱测量仪。本实用新型是以如下方式实现的；包括光源、沿光路设有的聚透镜、 滤光片、光栅单色仪以及与其光路的输出端上的光纤连接测量组件、测量 组件输出端上两条光纤中的一路光纤连接有耦合测量光(可见光 短波近红 外)光纤连接件、硅光探测器、低噪声前置放大器、信号线插座、连接前 置放大器至信号处理板信号线、信号处理板的输入端，另一路光纤连接有 耦合测量光(近红外)光纤连接件、InGaAs探测器、低噪声前置放大器、 信号线插座、连接前置放大器至信号处理板信号线、信号处理板的输入端， 信号处理板的电路输出端上连接有数据通讯线以及上位测量计算机。所述的光源包括内设有光源灯并设有透光口的光源罩一侧设有内设隔 热圈的仪器壳体，光源罩的侧面上装有的半导体制冷器件外侧连接有罩式 散热片，罩式散热片内侧装有的电机轴上设有风扇。光源灯包括卤钨灯、 荥灯、氖灯、能斯特红外光源、激光中的任何一种光源。所述的光栅单色仪由光路上设有的准直镜、光栅和成像凹面镜所组成, 其分光光路包括水平式成像单色仪或交叉式成像单色仪，水平式成像单色 仪包括左侧的光栅、右侧上部和下部设有的准直凹面镜和成像凹面镜。交 叉式成像单色仪包括左侧的光栅、右侧上部和下部设有的准直凹面镜和成 像凹面镜，所述的光栅单色仪还包括光路上设有的光栅扫描装置。所述的光栅扫描装置包括支架上设有的直流电机和光电编码器、支架 上设有的基底板以及电机轴两段上装有的轴承、轴承之间设有的隔圈和电 机轴上装有的旋转架、旋转架上设有的光栅架和光栅，所述的直流电机带 动光栅扫描机构旋转架，通过编码器反馈记录波长扫描的位置。所述的测量组件包括反射式测量组件、积分球漫反射测量组件或透射测 量组件，反射式测量组件由外架上部设有的样品保护镜、外架内部设有的 左聚焦透镜和右聚焦透镜以及输入端穿透外架底部和两侧的光纤所构成， 积分球漫反射测量组件由积分球上部设有的样品保护镜、积分球底部两侧 设有的左聚焦透镜和右聚焦透镜以及输入端对应样品镜片的光纤所构成， 光纤的输出段连接测量组件，透射测量组件由外围结构架内侧设有的样品 池、右侧设有的反射棱镜、样品池左侧设有的单光纤和双光纤所构成。所述的光源可采用内置的光源，也可采用外置输入光。内置光源是光 源通过透镜聚焦在单色仪入射狭缝口处，经分光后出色的光，经光纤到样 品，样品吸收反射的光又通过光纤耦合到探测器来测量样品的吸收反射光 谱。外置光源输入包括1、光通过光纤耦合到单色仪入射狭缝处，其余相 同内置光源光路；2、被测量光经光纤耦合到单色仪入射狭缝处，经单色仪 分出的光直接耦合到探测器上测量入射光的光谱；3、被测量目标经过望远 或显微系统进入单色仪的狭缝，经单色仪分出的光直接耦合到探测器上测 量入射光的光谱，从而实现遥感或显微测量。所述的谱段包括了可见光到近红外区域，波长为380nm 2500nm，通 过直流电机带动光栅旋转角度增大也可测量到紫外和中热红外区域，不过 不通过光纤耦合到样品，通过单色仪分出的光经过反射部件(积分球、反
射板)耦合到探测器，通过滤光片切换来消除个谱段的二级光谱。所述的信号放大器采用电流放大，采用超低直流偏置运算放大器构成。 所述的信号处理板电路包括线路连接的自适应跟踪滤波电路、同步积 分放大电路、相敏检波电路、高阶巴特奥斯低通滤波电路以及输出端分别 连接同步积分电路和相敏检波电路其输入端的来自斩光装置的参考信号通 道所构成，这样能够使经调制的交流输入信号变成噪声相对非常低的直流 信号，方便了信号的采集，大大提高了系统的测量精度。所述的探测器制冷采用PID控制电路，探测器工作在低于零度的恒定 温度，驱动采用高效大功率的DC-DC降压芯片，降压后输出的电压1.3V， 电流大于3A，效率优于75%。所述的仪器温度控制，采用半导体制冷、热管和风扇散热的方式将仪 器内部热量散出，结构见附图8，采用PID控制电路和PWM驱动方式控制 半导体制冷和风扇散热，具有很高的效率和保持内外温度一致，同时在测 量时通过每次扫描标准样品来消除环境温度的影响。本实用新型具有如下特点；1、 采用了直流电机驱动光栅扫描，解决了传统的因使用丝杆传动或凸 轮传动方式带来的长期磨损导致仪器性能下降和扫描速度慢的问题。2、 采用光电编码器作为位置反馈，使仪器的波长定位精度和重复性大 有提高。3、 采用光纤作为光能的传输和测量部件，仪器有很强的灵活性。4、 仪器体积小、重量轻、不仅适合在线分析，而且适合野外携带现场 使用。5、性价比高。
图1是本实用新型的结构示意图。图2是本实用新型的水平式成像光删单色仪光路图。图3是本实用新型的交叉式成像光删单色仪光路图。图4是本实用新型的光删扫描部分剖面结构示意图。图5是本实用新型的反射式测量组件示意图。图6是本实用新型的积分球漫反射测量组件示意图。图7是本实用新型的透射测量组件示意图。图8是本实用新型的半导体制冷、风扇和仪器壁组合示意图。图9是信号处理电路框图。'在图1至图9中，1、光源2、聚透镜3、斩光装置4、入射狭 缝5、滤光片组6、光栅单色仪7、准直凹面镜 8、光栅9、成像 凹面镜10、成像凹面镜 11、准直凹面镜12、光栅扫描装置13、光 电编码器和直流电机14、支架 15、轴承 16、隔圈 17、轴承18、 基地板19、旋转架、20、光栅架21、出色狭缝22、耦合出射光光 纤连接件23、光纤24、测量组件25、被测样品26、聚焦透镜27、 聚焦透镜28、外架29、积分球30、左聚焦透镜31、右聚焦透镜32、 外围结构件33、单光纤34、双光纤35、样品池36、反射棱镜 37、 耦合测量光光纤连接件38、耦合测量光光纤连接件39、硅光探测器 40、InGaAs探测器41、低噪声前置放大器42、信号线插座 43、连接 前置放大器至信号处理板信号线44、信号处理板电路45、数据通讯线
46、上位测量计算机47、风扇48、散热片49、半导体制冷器件50、 隔热圈51、仪器壳体52、光源罩53、自适应跟踪滤波电路54、同步 积分放大电路55、相敏检波电路56、高阶巴特奥斯低通滤波电路57、 来自斩光装置的参考信号通道。
具体实施方式
本实用新型包括光源l、沿光路设有的聚透镜2、斩光装置3、入射夹 缝4、滤光片5、光栅单色仪6以及与其光路的输出端上的光纤23连接测 量组件24，测量组件24输出端上两条光纤中的一路光纤23连接有耦合测 量光(可见光 短波近红外)光纤连接件37、硅光探测器39、低噪声前置 放大器41、信号线插座42、连接前置放大器至信号处理板信号线43、信号 处理板电路44的输入端，另一路光纤23连接有耦合测量光(近红外)光 纤连接件38、 InGaAs探测器40、低噪声前置放大器41、信号线插座42、 连接前置放大器至信号处理板信号线43、信号处理板电路44的输入端，信 号处理板电路44的电路输出端上连接有数据通讯线45以及上位测量计算 机46，所述的信号处理板电路44由线路连接的自适应跟踪滤波电路53、 同步积分放大电路54、相敏检波电路55、来自斩光装置的参考信号通道57 和高阶巴特奥斯低通滤波电路所构成的锁相放大器组成。在图8中，所述的光源1包括内设有光源灯并设有透光口的光源罩52 一侧设有内设隔热圈50的仪器壳体51，光源罩52的侧面上装有的半导体 制冷器件49外侧连接有罩式散热片48，罩式散热片48内侧装有的电机轴 上设有风扇47。光源灯包括卤钨灯、汞灯、氘灯、能斯特红外光源、激光 中的任何一种光源。 在图l、图2、图3和图4中，所述的光栅单色仪6由光路上设有的准 直镜、光栅和成相凹面镜三镜所组成，其分光光路包括水平式成像单色仪 或交叉式成像单色仪，水平式成像单色仪包括左侧的光栅8、右侧上部和下 部设有的准直凹面镜7和成像凹面镜9。交叉式成像单色仪包括左侧的光栅 8、右侧上部和下部设有的准直凹面镜11和成像凹面镜10,所述的光栅单 色仪6还包括光路上设有的光栅扫描装置12。所述的光栅扫描装置12包括 支架14上设有的直流电机和光电编码器13、支架14上设有的基底板18以 及电机轴两段上装有的轴承15和17、轴承15和17之间设有的隔圈16和 电机轴上装有的旋转架19、旋转架19下部设有的光栅架20和光栅8，所 述的直流电机带动光栅扫描机构旋转架，通过编码器反馈记录波长扫描的 位置。在图5、图6和图7中，所述的测量组件24包括反射式测量组件、积 分球漫反射测量组件和透射测量组件，反射式测量组件由外架28上部设有 的样品镜25、外架28内部设有的左聚焦透镜26和右聚焦透镜27以及输入 端穿透外架28底部和两侧的光纤23所构成，积分球漫反射测量组件由积 分球29上部设有的样品镜25、积分球29底部两侧设有的左聚焦透镜30和 右聚焦透镜31以及输入端对应透镜和对应样品镜片的光纤23所构成，光 纤25的输出段连接测量组件24，透射测量组件由外围结构架32内侧设有 的样品池35右侧设有的反射棱镜36、样品池35左侧设有的单光纤33和双 光纤34所构成。 具体工作过程如下光源采用卣钩灯，卤钩灯辐射的光谱能量包括了 380 2500nm波段的连
续光谱，灯丝通过聚透镜2聚焦成像在入射狭缝4上，在聚透镜2和入射 狭缝4之间放置斩光装置3，斩光装置3采用机械方式，调制电机采用高速 的无刷直流电机，滤光片组5采用多片滤光片来消除二级光谱，光通过滤 光片组5进入光栅单色仪6，经光栅单色仪6把复色光分成单色光，出色狭 逢21出色的光通过耦合出色光光纤连接件22耦合到光纤23，光纤23和测 量组件24相连，将待侧样品的反射光收集到光纤23上，光纤23将待测量 的光耦合到仪器内部的两个探测器硅光探测器39和InGaAs探测器40，两 路探测器通过各自的低噪声前置放大器41将信号放大和前预处理，信号输 入到处理板电路44完成两路信号处理，得到信噪比高的直流信号，信号处 理板上的电路上有一个低功耗的微处理器负责数字信号采集、仪器测控和 通讯功能，最终信号输入到上位测量计算机46，完成谱图采集、显示、处 理等工作。测量过程方式1:测量块状或粉末状固体和液体的反射光谱时，样品 25选用扫描标准板进行测量得到一种反射信号，再将附件图的样品25换成 待测样品测得另一种反射信号，经过软件处理就可得到样品的反射光谱， 然后用光谱处理软件进行样品的定量和定性分析。测量过程方式2:同样测量块状或粉末状固体和液体的反射光谱时，可 将光源1外置，将光源1通过光纤耦合到入射狭缝4，其余如同方式l。测量过程方式3:如大气、地表土壤、植被、矿山等被动遥测远处物体 吸收太阳光照射的反射光谱，测量时将光源1去掉，将聚透镜2换成望远 物镜，将单色仪出射的单射光直接耦合到硅光探测器39和InGaAs探测器 测量40进行测量即可。 测量过程方式4:测量细胞等微小物体的发射光谱，测量时将光源l去 掉，将聚透镜2换成显微物镜，其余如同方式3。
权利要求1、一种可见光、近红外光光谱分析测量仪，包括光源、沿光路设有的聚透镜、斩光装置、滤光片、光栅单色仪，其特征在于光栅单色仪(6)的光路输出端上的光纤(23)连接测量组件(24)、测量组件(24)输出端上两条光纤中的一路光纤(23)连接有耦合测量光光纤连接件(37)、硅光探测器(39)、低噪声前置放大器(41)、信号线插座(42)、连接前置放大器至信号处理板信号线(43)、信号处理板电路(44)的输入端，另一路光纤(23)连接有耦合测量光光纤连接件(38)、InGaAs探测器(40)、低噪声前置放大器(41)、信号线插座(42)、连接前置放大器至信号处理板信号线(43)、信号处理板电路(44)的输入端，信号处理板电路(44)的输出端上连接有数据通讯线(45)以及上位测量计算机(46)。
2、 根据权利要求1所述的一种可见光、近红外光光谱分析测量仪，其 特征在于所述的信号处理板电路(44)由线路连接的自适应跟踪滤波电路(53)、同步积分放大电路(54)、相敏检波电路(55)、高阶巴特奥斯低通 滤波电路(56)以及输出端分别连接同步积分放大电路(54)和相敏检波 电路(55)输入端的来自斩光装置的参考信号通道(57)所构成的锁相放 大器组成。
3、 根据权利要求1所述的一种可见光、近红外光光谱分析测量仪，其 特征在于所述的光栅单色仪(6)由光路上设有的光栅扫描装置(12)，所 述的光栅扫描装置(12)包括支架(14)上设有的直流电机和光电编码器(13)。
4、 根据权利要求1所述的一种可见光、近红外光光谱分析测量仪，其 特征在于所述的光源(1)包括内设有光源灯并设有透光口的光源罩(52) 一侧设有内设隔热圈(50)的仪器壳体(51)，光源罩(52)的侧面上装有 的半导体制冷器件(49)外侧连接有罩式散热片(48)，罩式散热片(48) 内侧装有的电机轴上设有风扇(47)。
专利摘要本实用新型公开了一种可见光、近红外光光谱分析测量仪，包括光源、沿光路设有的聚透镜、斩光装置、滤光片、光栅单色仪，光栅单色仪的光路输出端上的光纤连接测量组件、测量组件输出端上两条光纤中的一路光纤连接有耦合测量光光纤连接件、硅光探测器、低噪声前置放大器、信号线插座、连接前置放大器至信号处理板信号线、信号处理板电路的输入端，另一路光纤连接有耦合测量光光纤连接件、InGaAs探测器、低噪声前置放大器、信号线插座、连接前置放大器至信号处理板信号线、信号处理板的输入端，信号处理板的输出端上连接有数据通讯线以及上位测量计算机。本实用新型具有体积小、重量轻、不仅适合在线分析，而且适合野外携带现场使用等特点。
文档编号G01N21/27GK201045610SQ20072009396
公开日2008年4月9日 申请日期2007年6月18日 优先权日2007年6月18日
发明者金英俊 申请人:金英俊