用于油气在线检测的微型近红外光谱分析系统的制作方法

本发明属于分析仪器技术领域，尤其是涉及一种用于油气在线检测的近红外光谱分析系统。

背景技术：

近红外光谱分析技术能够高效无损地分析含氢基团(C-H，O-H，N-H)分子的倍频与合频吸收信息，现已广泛应用于石油勘探、开采、提炼和成分分析等环节。在石油开采过程中，对井下地层流体成分实时分析和判断能够保证原油的高效开采，而近红外光谱分析法是该领域的常用分析方法。高性能的微型近红外光谱分析系统是制约该项技术的主要瓶颈。目前，用于油气检测分析的近红外光谱分析系统分为两种，滤光片型和傅立叶变换型。

目前胜利油田和渤海区域油井测试应用的近红外光谱分析系统为滤光片型，该类近红外光谱分析系统通过放置不同中心波长的窄带滤光片实现波长筛选，探测器将光信号转换为电信号后，通过后续数据采集与处理得到光谱数据。该类光谱分析系统具有光能利用率大、性能稳定的优点，但由于滤光片数量有限，获得的光谱非连续，仅能够反映简单样品的光谱信息。而原油开采过程中需分析的样品为原油、水基泥浆，属于复杂样品，该类分析系统不能对其做全面分析。

油品成分分析建模主要使用傅里叶变换型近红外光谱分析系统，该类分析系统具有宽光谱范围、高分辨率、大光通量和高信噪比。但其内部的干涉仪存在可动部件，对使用环境要求严格，且体积庞大，通常在实验室等温度、湿度稳定的环境中使用，不适用于在线实时分析。

河南理工大学发明的一种基于透射光栅的MEMS微镜微型光谱仪(专利号CN 105136293 A)采用了凹面反射镜、MEMS扫描镜、透射光栅和聚焦透镜的C-T光学结构，实现了准直、扫描分光和成像功能，可采用单管探测器获取光谱信号，具有高分辨率和成本低廉的优点。该系统存在的明显问题：光学作用面较多，光能损失大，不便于微型化和装调；存在可动部件，系统的稳定性和波长重复性差；探测器无温控制冷模块，无法在高温环境中稳定工作。

江苏惠通集团发明的基于近红外的甲醇汽油快速检测仪，专利号CN 102890067 A，采用扫描反射微镜和闪耀光栅结合实现分光，球面反射镜配合出射狭缝完成单管探测，具有宽光谱范围和低成本的优点。同样地，光学作用面过多造成了较大的光能损失、扫描微镜的转动使系统的重复性和稳定性表现较差；另外，仅有USB一种通讯接口，传输方便快捷但不利于远距离传输。

中国石油天然气集团发明的一种用于油气管线检测的光纤光栅传感测试系统，专利号CN 1527028 A主要用于获取油气管线中的流体温度、压力变化等物理量的变化，从而获得管线输运状况的信息。与本发明中通过主要针对具体油品成分分析存在较大差异。

综上所述，现有的油气在线检测近红外光谱分析系统存在光谱不连续、光谱分辨率低、环境适应性差、体积大等问题。

技术实现要素：

本发明针对现有的问题提出一种用于油气在线检测的微型近红外光谱分析系统，以全息凹面光栅为核心分光元件，结合二级半导体制冷器线阵CCD，高速数据采集与传输系统和两种通讯接口，从根本上解决光谱不连续、光谱分辨率低、环境适应性差、体积大的技术问题。

为了解决以上技术问题，所采用的具体技术方案如下：

用于油气在线检测的微型近红外光谱分析系统，包括：前端信号光获取单元(1)、分光成像光学单元、下位机信号采集与传输单元(6)和上位机光谱处理与显示单元(15)；所述前端信号光获取单元(1)集成了光源、准直镜和样品池；所述分光成像光学单元由入射光纤(2)、凹面光栅(3)、线阵CCD(4)和安装于线阵CCD(4)底部的半导体制冷器TEC(5)构成；所述半导体制冷器TEC(5)工作在恒温模式，保证线阵CCD(4)的工作温度恒定；所述分光成像光学单元通过入射光纤(2)与前端信号光获取单元(1)连接；所述分光成像光学单元与下位机信号采集与传输单元(6)连接；所述下位机信号采集与传输单元通过通讯接口(11)与上位机光谱处理与显示单元连接；

首先，光源发出的光通过准直镜后，平行入射至样品池，透射后光变为携带样品光谱信息的信号光，耦合进入射光纤传输。然后，通过入射光纤将信号光投射到凹面光栅，经过凹面光栅分光成像后再射入线阵CCD完成光电信号的转换。再然后，所述下位机信号采集与传输模块对线阵CCD的输出信号进行采集、放大、滤波、转换处理。最后，处理后的信号经数据线传输至上位机光谱处理与显示单元，完成信号解析、光谱重构和显示。

具体地，所述样品池的光程为3mm。

具体地，所述下位机信号采集与传输单元包括信号前处理单元、模数转换A/D、FPGA和MCU，并依次连接，同时，FPGA的两个输出端还分别通过温控制冷电路和探测器驱动电路连接线阵CCD；最后由通讯接口传输给上位机光谱处理与显示单元(15)。所述温控制冷电路采用PID闭环控制，驱动半导体制冷器TEC工作在恒温模式，温度偏差在±0.1℃内，保证线阵CCD的工作温度恒定；所述探测器驱动电路由FPGA提供驱动时序脉冲，通过门级电路调整脉冲幅度驱动线阵CCD工作。

具体地，信号前处理对探测器进行相关双采样、滤波、放大。所述模数转换A/D采用16位高速图像模拟数字转换芯片。所述FPGA对采集的光谱数据进行双FIFO处理，及时为MCU推送数据和状态包。所述MCU提供通讯协议支持、固化数据读写、配合完成数据采集和系统控制。所述通讯接口包含USB和RS485两种，其中USB完成光谱的高速传输与采集，用于短距离高速传输，RS485完成远距离数据传输。

具体地，所述分光成像光学单元和下位机信号采集与传输单元安装于镂空带底的铝合金腔体中，铝合金腔体通过黑色硬质阳极氧化表面处理工艺。分光成像光学单元通过入射光纤与前端信号光获取单元连接。下位机信号采集与传输单元通过通讯接口与上位机光谱处理与显示单元连接。所述线阵CCD和半导体制冷器TEC安装于镀金基座上，便于导热。

具体地，所述入射光纤选用纤径为50μm的SMA905近红外光纤兼作信号光传输与光阑。所述凹面光栅工作波段设计为1600～1850nm，制作工艺采用全息光学记录。所述线阵CCD采用InGaAs探测器，置于分光成像光学系统像面。

具体地，所述系统分辨率优于5nm，体积为154×66.5×38mm³。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过采用凹面光栅分光方式，构成只有一个光学面、无可动部件的分光成像系统，分析系统能够准确可靠地获取1600～1850nm波段的连续光谱，分辨率高达5nm，为油气在线检测提供了丰富全面的光谱信息。

2、本发明利用带二级半导体制冷器的线阵CCD和闭环温度控制制电路使分析系统能够在55℃高温下稳定工作，70℃高温下稳定工作两小时，探测器最低制冷温度达到-20℃，温控精度优于±0.1℃。

3、本发明信号采集与传输采用数字电路，16位高速图像模拟数字转换芯片和FPGA使光谱数据采集高效快速，分析系统光谱数据采集速率达到10帧/s，信噪比高于1000:1。

附图说明

图1为本发明的的结构框图；

图2为本发明的硬件电路框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，用于油气在线检测的微型近红外光谱分析系统，包括：前端信号光获取单元1、分光成像光学单元、下位机信号采集与传输单元和上位机光谱处理与显示单元。前端信号光获取单元1集成了光源、准直镜和光程为3mm的样品池。分光成像光学单元由入射光纤2，凹面光栅3，线阵CCD4和安装于线阵CCD4底部的半导体制冷器TEC5构成。半导体制冷器TEC5工作在恒温模式，保证线阵CCD4的工作温度恒定。

本发明的系统工作原理如下：首先，光源发出的光通过准直镜后，平行入射至样品池，透射后光变为携带样品光谱信息的信号光，耦合进入射光纤2兼作光传输和光阑，入射光纤2采用纤径为50μm的SMA905近红外光纤。然后，通过入射光纤将信号光投射到凹面光栅，经过工作波段设计为1600～1850nm的凹面光栅3分光成像后的信号光按波长依次排列，并最终成像于线阵CCD 4所在像面，线阵CCD4采用InGaAs探测器。半导体制冷器TEC5紧贴线阵CCD的底部且安装在镀金基座上，便于热量的快速导出。再然后，所述下位机信号采集与传输模块对线阵CCD4的输出信号进行采集、放大、滤波、转换。最后，处理后的信号经数据线传输至上位机光谱处理与显示单元，完成信号解析、光谱重构和显示。

如图2所示，本发明的硬件电路工作原理如下：线阵CCD 4输出的电信号，经信号前处理7进行采样和调理后送给模数转换A/D 8进行模拟信号与数字信号转换，并通过SPI总线传输给数据缓冲FPGA 9模块。FPGA 9以FIFO形式接收模数转换A/D的数字信号，也随时准备以FIFO形式发送数据和状态包给MCU 10。MCU主要负责通讯协议支持和系统控制协助，USB或RS485两种通讯接口完成下位机信号采集与传输单元和上位机光谱处理与显示单元之间的数据传输和状态控制。同时，所述FPGA9的电信号还反馈到温控制冷电路14和探测器驱动电路13。温控制冷电路14采用以ADN8830为核心的半导体制冷控制器，加入PID网络进行闭环控制，使半导体制冷器TEC5工作在恒温模式，温度偏差在±0.1℃内，确保线阵CCD工作在设定的温度值。探测器驱动电路13由FPGA9提供驱动时序脉冲，通过门级电路调整脉冲幅度驱动线阵CCD工作。

具体地，信号前处理7对探测器进行相关双采样、滤波、放大。所述模数转换A/D8采用16位高速图像模拟数字转换芯片。所述FPGA9对采集的光谱数据进行双FIFO处理，及时为MCU10推送数据和状态包。所述MCU10提供通讯协议支持、固化数据读写、配合完成数据采集和系统控制。所述通讯接口11包含USB和RS485两种，其中USB完成光谱的高速传输与采集，用于短距离高速传输，RS485完成远距离数据传输。

具体地，所述分光成像光学单元和下位机信号采集与传输单元安装于镂空带底的铝合金腔体中，铝合金腔体通过黑色硬质阳极氧化表面处理工艺。分光成像光学单元通过入射光纤2与前端信号光获取单元1连接。下位机信号采集与传输单元通过通讯接口11与上位机光谱处理与显示单元连接。所述线阵CCD4和半导体制冷器TEC5安装于镀金基座上，便于导热。

本发明的工作波段为1600～1850nm，分辨率优于5nm，信噪比大于1000:1，体积为154×66.5×38mm3，在55℃下能够稳定工作，功耗为7W，温控偏差在±0.1℃内。