一种光谱协同检测固相物质的系统设备及方法与流程

本发明属于固相物质在线检测技术领域，尤其涉及一种光谱协同检测固相物质的系统设备及方法。

背景技术：

随着越来越多生产加工企业对物联网、云计算以及大数据等技术的利用，使得智能工厂构建形成了一个包含物联网技术、物联网感知技术、数据分析技术、业务使用技术以及云计算技术在内的技术框架，最终实现现代社会要求下的智能生产。

智慧工厂意味着工厂和企业之间有了更多的网络连接，通过互联网实现了资源以及信息的共享，从而有效的提高生产制造各个环节的效率，提升了企业的整体竞争力；此外，计算及智能技术将会被越来越广泛的利用到生产流水线的各个环节，通过人工智能完成对于生产制造的优化、个性化等；最后，通过不断提高的生产技术以及生产特点，促使消费者出现观念的转变，增加消费者对于公司生产商品的购买欲，从本质上改变消费者的消费行为，增加企业的营业额。

具体的，要保证智慧工厂的生产运行，首先要从生产车间做起。生产车间的生产要求要满足上述第一阶段，要有充分实现产品互联以及信息共享模式；其次，要通过人工智能管理系统，对于车间的生产、产品的包装以及质量检测等进行全方位的监督以及改进。通过对生产流水资源的合理分析进行再分配，使得资源能够最大化的利用。最后要将市场大数据进行收集以及规划分析，得到最适合市场需求的商品类型并对其进行增量以及质量改进。

其中，具体到固相物质（成品、半成品）的检测，根据其构成组分的不同，可细化分为针对无机物、有机物（有机化合物）、微生物含量的定性、定量检测。然而发明人在研究过程中发现，现有检测方法大多只能实现针对某一特定组分的检测，例如：针对有机物的检测方法包括有气相、液相色谱法、气质联用法、红外法等；而针对无机物的检测方法则包括有各类化学法、原子吸收法、等离子发射光谱法、荧光光谱法、氢化物发生原子吸收法、荧光法、催化极谱法、选择性离子电极、容量法、电位法、中子活化分析法等。此外，上述检测方法大多均存在有监测周期长、预处理过程复杂、存在二次污染物以及只能在实验室环境中进行等缺陷，不利于提高固相物质的检测效率。

技术实现要素：

本发明提供了一种光谱协同检测固相物质的系统设备及方法，该光谱协同检测固相物质的系统设备结构简单、模块化、信息化集成度较高，可实现原位、快速、全面、连续的定性定量识别检测，并可为大数据、人工智能检测提供了基础技术支持。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种光谱协同检测固相物质的系统设备，包括有：

设置有传送带的传送结构；所述传送带用于放置并输送待检测的固相物质；

光谱协同结构；所述光谱协同结构中包括有高光谱组件、太赫兹时域光谱组件、激光诱导击穿光谱组件；

其中，高光谱组件、太赫兹时域光谱组件、激光诱导击穿光谱组件沿传送带入口侧至传送带出口侧方向顺次安装；高光谱组件中包括有高光谱成像仪、高光谱数据采集解析模块；太赫兹时域光谱组件中包括有光纤耦合太赫兹发射模块、光纤耦合太赫兹接收模块、太赫兹时域光谱数据采集解析模块；激光诱导击穿光谱组件包括有激光诱导击穿光谱发射模块、激光诱导击穿光谱接收模块以及激光诱导击穿光谱数据采集解析模块。

进一步的，所述光谱协同检测固相物质的系统设备中还包括有：数据采集解析总控单元；

数据采集解析总控单元分别与高光谱组件中的高光谱数据采集解析模块、太赫兹时域光谱组件中的太赫兹时域光谱数据采集解析模块、激光诱导击穿光谱组件中的激光诱导击穿光谱数据采集解析模块建立有数据通信互联关系。

进一步的，传送结构中还设置有碾平辊；所述碾平辊用于将传送带上的固相物质碾成等高度的固相样品带。

进一步的，太赫兹时域光谱组件中还包括有太赫兹时域光谱运动控制模块；

太赫兹时域光谱运动控制模块由太赫兹时域光谱滑动杆以及太赫兹时域光谱运动控制器构成；其中，太赫兹时域光谱滑动杆横跨设置在传动带上方，且光纤耦合太赫兹发射模块、光纤耦合太赫兹接收模块均滑动设置在太赫兹时域光谱滑动杆上；而太赫兹时域光谱运动控制器用于控制光纤耦合太赫兹发射模块、光纤耦合太赫兹接收模块在太赫兹时域光谱滑动杆的往复位移运动。

进一步的，太赫兹时域光谱组件中还包括有太赫兹时域光谱组件支架；所述太赫兹时域光谱组件支架用于支撑固定太赫兹时域光谱滑动杆。

进一步的，激光诱导击穿光谱组件中还包括有激光诱导击穿光谱运动控制模块；

激光诱导击穿光谱运动控制模块由激光诱导击穿光谱滑动杆以及激光诱导击穿光谱运动控制器构成；激光诱导击穿光谱滑动杆横跨设置在传动带上方，且激光诱导击穿光谱发射模块、激光诱导击穿光谱接收模块均滑动设置在激光诱导击穿光谱滑动杆上；而激光诱导击穿光谱运动控制器用于控制激光诱导击穿光谱发射模块、激光诱导击穿光谱接收模块在激光诱导击穿光谱滑动杆的往复位移运动。

进一步的，激光诱导击穿光谱组件中还包括有激光诱导击穿光谱组件支架；所述太赫兹时域光谱组件支架用于支撑固定太赫兹时域光谱滑动杆。

一种光谱协同检测固相物质的方法，基于前述任意一项一种光谱协同检测固相物质的系统设备，将高光谱组件解析所得固相物质数据定义为hen、hyn、hwn；其中，hen表示高光谱组件解析所得的第n项无机物的含量，hyn表示高光谱组件解析所得的第n项有机物的含量，hwn表示高光谱组件解析所得的第n项微生物的含量；

将太赫兹时域光谱组件解析所得固相物质数据定义为ten、tyn、twn；其中，ten表示太赫兹时域光谱组件解析所得的第n项无机物的含量，tyn表示太赫兹时域光谱组件解析所得的第n项有机物的含量，twn表示太赫兹时域光谱组件解析所得的第n项微生物的含量；

将激光诱导击穿光谱组件解析所得固相物质数据定义为len、lyn、lwn；其中，len表示激光诱导击穿光谱组件解析所得的第n项无机物的含量，lyn表示激光诱导击穿光谱组件解析所得的第n项有机物的含量，lwn表示激光诱导击穿光谱组件解析所得的第n项微生物的含量；

所述光谱协同检测固相物质的方法的输出规则为：在有机物、微生物的检测过程中，当ten>hen、ten>len或ten>hen、ten<len或ten<hen、ten>len时，输出ten；当ten<hen、ten<len时，相对偏差<50%时输出ten，相对偏差>50%时输出（ten+hen+len）/3；在无机物的检测过程中，输出lwn。

本发明提供了一种光谱协同检测固相物质的系统设备及方法，该光谱协同检测固相物质的系统设备包括有传送结构、光谱协同结构；其中，传动结构进一步包括有传送带以及碾平辊，光谱协同结构进一步包括有高光谱组件、太赫兹时域光谱组件、激光诱导击穿光谱组件。具有上述结构特征的光谱协同检测固相物质的系统设备，其结构简单、模块化、信息化集成度较高，可实现原位、快速、全面、连续的定性定量识别检测，并可为大数据、人工智能检测提供了基础技术支持。

附图说明

图1为本发明光谱协同检测固相物质的系统设备的结构示意图；

图2为本发明太赫兹时域光谱组件的结构示意图；

图3为本发明激光诱导击穿光谱组件的结构示意图；

附图标记：1、高光谱成像仪；2、光纤耦合太赫兹发射模块及光纤耦合太赫兹接收模块；21、光纤耦合太赫兹发射模块；22、光纤耦合太赫兹接收模块；3、激光诱导击穿光谱发射模块及激光诱导击穿光谱接收模块；31、激光诱导击穿光谱发射模块；32、激光诱导击穿光谱接收模块；4、固相物质；5、传送带；6、传送结构的支架；7、太赫兹时域光谱滑动杆；8、碾平辊；9、高光谱数据采集解析模块；10、太赫兹时域光谱数据采集解析模块；11、激光诱导击穿光谱数据采集解析模块；12、数据采集解析总控单元；13、太赫兹时域光谱运动控制器；14、太赫兹时域光谱组件支架；15、激光诱导击穿光谱滑动杆；16、激光诱导击穿光谱运动控制器；17、激光诱导击穿光谱组件支架；a、传送带前进方向。

具体实施方式

本发明提供了一种光谱协同检测固相物质的系统设备及方法，该光谱协同检测固相物质的系统设备结构简单、模块化、信息化集成度较高，可实现原位、快速、全面、连续的定性定量识别检测，并可为大数据、人工智能检测提供了基础技术支持。

实施例一

本发明提供了一种光谱协同检测固相物质的系统设备，如图1所示，该光谱协同检测固相物质的系统设备，包括有传送结构以及光谱协同结构。其中，传送结构中设置有传送带，该传送带用于放置并输送待检测的固相物质；而光谱协同结构中包括有高光谱组件、太赫兹时域光谱组件、激光诱导击穿光谱组件。值得注意的是，高光谱在物质的识别上具有显著优势性；太赫兹时域光谱主要可以完成自然环境下对有机物的检测，特别是在区分大分子基团上具有显著优势；而激光诱导击穿光谱（libs），其对无机物的检测，特别是金属类无机物的检测具有显著优势。

进一步具体的，如图1-图3所示。其中，高光谱组件、太赫兹时域光谱组件、激光诱导击穿光谱组件沿传送带入口侧至传送带出口侧方向顺次安装；高光谱组件中包括有高光谱成像仪、高光谱数据采集解析模块；太赫兹时域光谱组件中包括有光纤耦合太赫兹发射模块、光纤耦合太赫兹接收模块、太赫兹时域光谱数据采集解析模块；激光诱导击穿光谱组件包括有激光诱导击穿光谱发射模块、激光诱导击穿光谱接收模块以及激光诱导击穿光谱数据采集解析模块。

实施例二

实施例二中包含有实施例一的完整内容，具体如下：

本发明提供了一种光谱协同检测固相物质的系统设备，如图1所示，该光谱协同检测固相物质的系统设备，包括有传送结构以及光谱协同结构。其中，传送结构中设置有传送带，该传送带用于放置并输送待检测的固相物质；而光谱协同结构中包括有高光谱组件、太赫兹时域光谱组件、激光诱导击穿光谱组件。如图1-图3所示。其中，高光谱组件、太赫兹时域光谱组件、激光诱导击穿光谱组件沿传送带入口侧至传送带出口侧方向顺次安装；高光谱组件中包括有高光谱成像仪、高光谱数据采集解析模块；太赫兹时域光谱组件中包括有光纤耦合太赫兹发射模块、光纤耦合太赫兹接收模块、太赫兹时域光谱数据采集解析模块；激光诱导击穿光谱组件包括有激光诱导击穿光谱发射模块、激光诱导击穿光谱接收模块以及激光诱导击穿光谱数据采集解析模块。

在实施例一的基础上，实施例二还记载有光谱协同检测固相物质的系统设备中包括的数据采集解析总控单元。具体的，如图1所示，该数据采集解析总控单元分别与高光谱组件中的高光谱数据采集解析模块、太赫兹时域光谱组件中的太赫兹时域光谱数据采集解析模块、激光诱导击穿光谱组件中的激光诱导击穿光谱数据采集解析模块建立有数据通信互联关系。

需要补充的是，本光谱协同检测固相物质的系统设备其工作过程为高光谱组件、太赫兹时域光谱组件、激光诱导击穿光谱组件三部分组件顺次、连续扫描。例如：固相物料的最前端（传送带的前进方向）首先进入高光谱组件的检测区域，高光谱组件开始对其进行检测，采集固相物料的高光谱光谱图，由高光谱数据采集解析模块借助光谱库的谱图进行比对，分析确定固相物料中所含有机物、无机物、微生物的种类及其含量。在t+3s时刻（如3秒钟）该段固相物料离开高光谱组件的检测区域。此时，待检测项目的种类及其含量由高光谱数据采集解析模块发送至数据采集解析总控单元中。在t+3s时刻后对固相物料重复上述内容。

而后，固相物料最前端（传送带的前进运动方向）进入太赫兹时域光谱组件的检测区域，太赫兹时域光谱组件的检测区域呈圆台形状，太赫兹时域光谱组件往复扫描，在3秒钟内完成固相物料太赫兹时域光谱光谱图采集工作，并由太赫兹时域光谱数据采集解析模块借助光谱库的谱图进行比对，分析确定固相物料所含有机物、无机物、微生物的种类及其含量。此时，待检测项目的种类及其含量由太赫兹时域光谱数据采集解析模块发送至数据采集解析总控单元中。并在3秒钟后对固相物料重复上述内容。

最后，对固相物料进行激光诱导击穿光谱组件的检测，此检测过程与前述太赫兹时域光谱组件的检测过程相类似，在此就不做赘述。

实施例三

实施例三中包含有实施例二的完整内容，具体如下：

本发明提供了一种光谱协同检测固相物质的系统设备，如图1所示，该光谱协同检测固相物质的系统设备，包括有传送结构以及光谱协同结构。其中，传送结构中设置有传送带，该传送带用于放置并输送待检测的固相物质；而光谱协同结构中包括有高光谱组件、太赫兹时域光谱组件、激光诱导击穿光谱组件。如图1-图3所示。其中，高光谱组件、太赫兹时域光谱组件、激光诱导击穿光谱组件沿传送带入口侧至传送带出口侧方向顺次安装；高光谱组件中包括有高光谱成像仪、高光谱数据采集解析模块；太赫兹时域光谱组件中包括有光纤耦合太赫兹发射模块、光纤耦合太赫兹接收模块、太赫兹时域光谱数据采集解析模块；激光诱导击穿光谱组件包括有激光诱导击穿光谱发射模块、激光诱导击穿光谱接收模块以及激光诱导击穿光谱数据采集解析模块。

以及光谱协同检测固相物质的系统设备中包括的数据采集解析总控单元。具体的，如图1所示，该数据采集解析总控单元分别与高光谱组件中的高光谱数据采集解析模块、太赫兹时域光谱组件中的太赫兹时域光谱数据采集解析模块、激光诱导击穿光谱组件中的激光诱导击穿光谱数据采集解析模块建立有数据通信互联关系。

在实施例二的基础上，实施例三还记载有碾平辊。其中，碾平辊设置在传送结构中，且位于传送带的上方，用于将传送带上的固相物质碾成等高度的固相样品带。较为优选的，该碾平辊将固相物质碾成高度为1厘米的平整固相样品带，以便于后续高光谱组件、太赫兹时域光谱组件、激光诱导击穿光谱组件的检测。

实施四

实施例四中包含有实施例二的完整内容，具体如下：

本发明提供了一种光谱协同检测固相物质的系统设备，如图1所示，该光谱协同检测固相物质的系统设备，包括有传送结构以及光谱协同结构。其中，传送结构中设置有传送带，该传送带用于放置并输送待检测的固相物质；而光谱协同结构中包括有高光谱组件、太赫兹时域光谱组件、激光诱导击穿光谱组件。如图1-图3所示。其中，高光谱组件、太赫兹时域光谱组件、激光诱导击穿光谱组件沿传送带入口侧至传送带出口侧方向顺次安装；高光谱组件中包括有高光谱成像仪、高光谱数据采集解析模块；太赫兹时域光谱组件中包括有光纤耦合太赫兹发射模块、光纤耦合太赫兹接收模块、太赫兹时域光谱数据采集解析模块；激光诱导击穿光谱组件包括有激光诱导击穿光谱发射模块、激光诱导击穿光谱接收模块以及激光诱导击穿光谱数据采集解析模块。

以及光谱协同检测固相物质的系统设备中包括的数据采集解析总控单元。具体的，如图1所示，该数据采集解析总控单元分别与高光谱组件中的高光谱数据采集解析模块、太赫兹时域光谱组件中的太赫兹时域光谱数据采集解析模块、激光诱导击穿光谱组件中的激光诱导击穿光谱数据采集解析模块建立有数据通信互联关系。

在实施例二的基础上，实施例四还记载有太赫兹时域光谱运动控制模块以及太赫兹时域光谱组件支架。值得注意的是，太赫兹时域光谱运动控制模块用于调整控制光纤耦合太赫兹发射模块、光纤耦合太赫兹接收模块的水平往复运动，以便完成太赫兹时域光谱的扫描动作。其中，太赫兹时域光谱运动控制模块由太赫兹时域光谱滑动杆以及太赫兹时域光谱运动控制器构成；太赫兹时域光谱滑动杆横跨设置在传动带上方，且光纤耦合太赫兹发射模块、光纤耦合太赫兹接收模块均滑动设置在太赫兹时域光谱滑动杆上（安装成型后的光纤耦合太赫兹发射模块垂直于传送带，光纤耦合太赫兹接收模块与传送带呈一定的角度）；而太赫兹时域光谱运动控制器用于控制光纤耦合太赫兹发射模块、光纤耦合太赫兹接收模块在太赫兹时域光谱滑动杆的往复位移运动。而太赫兹时域光谱组件支架则用于支撑固定太赫兹时域光谱滑动杆。

实施五

实施例五中包含有实施例二的完整内容，具体如下：

本发明提供了一种光谱协同检测固相物质的系统设备，如图1所示，该光谱协同检测固相物质的系统设备，包括有传送结构以及光谱协同结构。其中，传送结构中设置有传送带，该传送带用于放置并输送待检测的固相物质；而光谱协同结构中包括有高光谱组件、太赫兹时域光谱组件、激光诱导击穿光谱组件。如图1-图3所示。其中，高光谱组件、太赫兹时域光谱组件、激光诱导击穿光谱组件沿传送带入口侧至传送带出口侧方向顺次安装；高光谱组件中包括有高光谱成像仪、高光谱数据采集解析模块；太赫兹时域光谱组件中包括有光纤耦合太赫兹发射模块、光纤耦合太赫兹接收模块、太赫兹时域光谱数据采集解析模块；激光诱导击穿光谱组件包括有激光诱导击穿光谱发射模块、激光诱导击穿光谱接收模块以及激光诱导击穿光谱数据采集解析模块。

以及光谱协同检测固相物质的系统设备中包括的数据采集解析总控单元。具体的，如图1所示，该数据采集解析总控单元分别与高光谱组件中的高光谱数据采集解析模块、太赫兹时域光谱组件中的太赫兹时域光谱数据采集解析模块、激光诱导击穿光谱组件中的激光诱导击穿光谱数据采集解析模块建立有数据通信互联关系。

在实施例二的基础上，实施例五还记载有激光诱导击穿光谱运动控制模块以及太赫兹时域光谱组件支架。值得注意的是，激光诱导击穿光谱运动控制模块用于调整控制激光诱导击穿光谱发射模块、激光诱导击穿光谱接收模块的水平往复运动，以便完成激光诱导击穿光谱的扫描动作。其中，激光诱导击穿光谱运动控制模块由激光诱导击穿光谱滑动杆以及激光诱导击穿光谱运动控制器构成；激光诱导击穿光谱滑动杆横跨设置在传动带上方，且激光诱导击穿光谱发射模块、激光诱导击穿光谱接收模块均滑动设置在激光诱导击穿光谱滑动杆上（安装成型后的激光诱导击穿光谱发射模块垂直于传送带，激光诱导击穿光谱接收模块与传送带呈一定的角度）；而激光诱导击穿光谱运动控制器用于控制激光诱导击穿光谱发射模块、激光诱导击穿光谱接收模块在激光诱导击穿光谱滑动杆的往复位移运动。而太赫兹时域光谱组件支架用于支撑固定太赫兹时域光谱滑动杆。

实施例六

本发明还提供了一种光谱协同检测固相物质的方法，该检测方法基于前述光谱协同检测固相物质的系统设备运行。具体的，将高光谱组件解析所得固相物质数据定义为hen、hyn、hwn；其中，hen表示高光谱组件解析所得的第n项无机物的含量，hyn表示高光谱组件解析所得的第n项有机物的含量，hwn表示高光谱组件解析所得的第n项微生物的含量；

将太赫兹时域光谱组件解析所得固相物质数据定义为ten、tyn、twn；其中，ten表示太赫兹时域光谱组件解析所得的第n项无机物的含量，tyn表示太赫兹时域光谱组件解析所得的第n项有机物的含量，twn表示太赫兹时域光谱组件解析所得的第n项微生物的含量；

将激光诱导击穿光谱组件解析所得固相物质数据定义为len、lyn、lwn；其中，len表示激光诱导击穿光谱组件解析所得的第n项无机物的含量，lyn表示激光诱导击穿光谱组件解析所得的第n项有机物的含量，lwn表示激光诱导击穿光谱组件解析所得的第n项微生物的含量。

而根据高光谱、太赫兹时域光谱、激光诱导击穿光谱三种检测手段的不同特征，在对固相物质定性识别时，有机物、微生物的种类以太赫兹时域光谱数据为主，结合高光谱的定性识别数据快速识别出样品中所含的有机物、微生物种类；而无机物的种类则以激光诱导击穿光谱数据为主，结合高光谱的定性识别数据快速识别出样品中所含的无机物种类。而具体定量检测过程（有机物、微生物、无机物），光谱协同检测固相物质的方法的输出规则为：在有机物、微生物的检测过程中，当ten>hen、ten>len或ten>hen、ten<len或ten<hen、ten>len时，输出ten；当ten<hen、ten<len时，相对偏差<50%时输出ten，相对偏差>50%时输出（ten+hen+len）/3；在无机物的检测过程中，输出lwn。

需要补充说明的是，在统计三种光谱数据的过程中分别以不同颜色进行区分。当激光诱导击穿光谱出现不连续的数据时，缺失数据的那部分样品的数据用高光谱或太赫兹时域光谱数据替代，以接近激光诱导击穿光谱数据的数据为主，并结合参与上述数据的输出规则。

本发明提供了一种光谱协同检测固相物质的系统设备及方法，该光谱协同检测固相物质的系统设备包括有传送结构、光谱协同结构；其中，传动结构进一步包括有传送带以及碾平辊，光谱协同结构进一步包括有高光谱组件、太赫兹时域光谱组件、激光诱导击穿光谱组件。具有上述结构特征的光谱协同检测固相物质的系统设备，其结构简单、模块化、信息化集成度较高，可实现原位、快速、全面、连续的定性定量识别检测，并可为大数据、人工智能检测提供了基础技术支持。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。