CN102539378A

CN102539378A - 阵列式半导体激光器近红外光谱分析仪

Info

Publication number: CN102539378A
Application number: CN2012100112794A
Authority: CN
Inventors: 陈斌; 陆道礼; 胡静芳; 朱文静; 詹敦平
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种阵列式半导体激光器光谱分析仪，属于近红外无损检测技术领域。该仪器包括光源半导体激光器、积分球、样品杯、微处理器、键盘输入与结果显示装置，计算机数据处理单元；所述的半导体激光器通过光纤与积分球连接，半导体激光器的光通过光纤进入积分球；所述的积分球包括集成于积分球壁上的光入射孔、探测器口和样品杯入口，样品杯由样品杯入口与积分球连接；键盘输入与结果显示装置置于仪器的外壳上，与微处理器相连。计算机数据处理单元通过USB接口与微处理器相连；积分球的外圆周上的探测器口上设探测器，探测器测出的光信号变化通过前置放大电路与微处理器相连。本发明的仪器可以实现对多种不同成分进行快速检测。

Description

阵列式半导体激光器近红外光谱分析仪

技术领域

本发明属于近红外无损检测技术领域，涉及一种新型阵列式半导体激光器近红外光谱分析仪。

背景技术

近红外光谱分析作为一种快速高效的分析方法，可以对包括从气体到透明或混浊的液体、从匀浆到粉末、从固体材料到生物组织等各种样品进行快速、精确的定量或定性分析。近红外光谱分析(NIR)是近十年来发展最为迅速的高新分析技术之一，它样品用量少且不破坏样品，无需对样品进行化学处理，并可在1~2分钟的极短时间内对样品中的多种成分同时进行定量分析，具有成本低，速度快，精度高，无污染，便于实时、在线分析和控制等优点。

近红外检测技术在农业、石化、制药、食品等领域都得到很好应用,并取得极好的社会和经济效益。如农产品中的谷物产品检验、奶制品的成分检测；制药工业中成品的检测以及制备过程中各个阶段半成品的在线监控。在药物检验中，近红外光谱分析技术已是一项大量推广的药物真伪的判别手段。近红外光谱分析技术在中药原材料的品质判别以及制剂中的有效成分分析方面也有应用。我国盛产茶叶，用近红外光谱分析技术快速研究茶叶等级以及茶制品过程的在线检测都已有报道。近年来，近红外光谱分析在石化领域中已得到广泛应用，并逐渐应用到在线过程分析。

传统的近红外光谱分析仪种类很多，可以分为固定波长型和扫描型，固定波长型又分为滤光片型与LED型，滤光片型近红外光谱分析仪采用若干片干涉滤光片对光源发射出的光进行分光，测量时根据需要的波长转动片轮选择合适的一个滤光片光路，仪器体积大不方便携带，这种分析仪的单色光的谱带较宽，波长分辨率差，功耗大，有效光功率小，寿命短。发光二极管（LED）型近红外光谱分析仪是采用LED作为光源，用不同的发光二极管产生不同的波长，该类近红外分析仪的光谱半宽过大达到30nm以上，满足不了对于精确的特定波长的选择要求，此外有些仪器上还是会采用LED加滤光片的方式，同样会出现有效光功率过小的情况，影响测量精度和准确性。扫描型又分为光栅型、傅里叶型、声光可调滤光器型（AOTF型）和多通道型。光栅型近红外分析仪采用的是光栅分光，因此狭缝的限制使其分辨率和灵敏度较低，且对光路要求严格，外界光强会影响测试结果，扫描速度慢。傅里叶型近红外分析仪因带有移动部件，在扫描过程中会发生晃动和偏转，造成干涉信号的不稳定，灵敏度下降。声光可调滤光器型（AOTF型）近红外分析仪使用交变电场控制晶体的排列实现对复合光的分光，分光的谱带较宽，分辨率较低，且自然界的杂光会有影响。多通道型近红外分析仪的原理为:光源发出的光经过样品后聚焦到固定光栅上,经全息光栅色散后的光由多通道检测器同时检测。其缺点是动态范围有限，且对温度敏感。

20世纪70年代初实现了半导体激光器的室温、连续激射后，开创了半导体激光器发展的新时期。目前它已经是光纤通讯、光纤传感、光盘记录存储、光互连、激光打印和印刷、激光分子光谱学以及固体激光器泵浦中不可替代的重要光源，此外，在光学测量、机器人与自动控制、医疗、原子和分子物理的基础研究等方面也有广泛应用。它已经是需要高效单色光源的光电子器件中不可缺少的光学器件。

半导体激光器（LD）的工作原理是，利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。与其他种类的激光器相比，半导体激光器具有十分突出的优点，除了体积小、重量轻、转换效率高、省电等优点外，半导体激光器的激射频率可在较宽的范围内调谐，激射功率和频率可以方便、高效地进行直接调制，且调制范围大。且 LD光谱与LED光谱相比较其半宽小于2nm，边膜抑制比大于30dB，有效光功率高等。

发明内容

为了克服传统的近红外光谱分析仪所存在的局限性，提供了一种阵列式半导体激光器（LD）光谱分析仪。

一种阵列式半导体激光器光谱分析仪，该仪器包括光源半导体激光器、积分球、样品杯、微处理器、键盘输入与结果显示装置，计算机数据处理单元；所述的半导体激光器通过光纤与积分球连接，半导体激光器的光通过光纤进入积分球；所述的积分球包括集成于积分球壁上的光入射孔、探测器口和样品杯入口，样品杯由样品杯入口与积分球连接；键盘输入与结果显示装置置于仪器的外壳上，与微处理器相连。计算机数据处理单元通过USB接口与微处理器相连；积分球的外圆周上的探测器口上设探测器，探测器测出的光信号变化通过前置放大电路与微处理器相连。

其中所述的半导体激光器（LD）为阵列式半导体激光器，首先将不同半导体激光器（LD）阵列式排列，并由光纤将光传出，然后对多束光纤通过耦合器进行外耦合，并由一根光纤输出，通过积分球的光入射孔，对样品池中样品进行照射。可以根据用户的需要选择不同的LD波段进行封装，以满足不同的需求，此外可以在已封装的LD中根据需要选择一个组合进行点亮来测量不同的样品成分。

其中所述的积分球的样品杯入口有用来使样品杯固定的凹槽与定位销；光通过光入射孔进入积分球，样品杯由样品杯入口置入积分球，并旋转样品杯直至定位销进入法兰圈凹槽，将其位置固定。光照射在样品杯上，在积分球内壁和样品表面不断发生反射，样品杯中样品对光进行充分吸收，探测器孔中放入探测器将携带样品信息的光信号转换成电信号并传到微处理器。

其中所述的样品杯采用低羟基石英玻璃制作，形状采用圆柱形，下端加底，并采用法兰圈来固定插入积分球的深度，法兰圈上有凹槽用于检测时使积分球上的定位销置入以便更精确的定位；样品杯由积分球样品室入口垂直放入到积分球内部，实现样品对近红外光的体吸收，根据样品的结构特点对应不同直径的样品室规格和测量模型参数。

采用本发明所提供的近红外光谱分析仪，由于光源由多个半导体激光器阵列式排列，在对光谱进行采集时可选用不同的半导体激光器进行组合点亮，从而可以对多种不同成分进行检测。本发明采用积分球漫反射方式对携带样品信息的光信号进行搜集并传到微处理器进行处理。

附图说明

图1是本发明所提供的阵列式半导体激光器（LD）近红外分析仪的结构图；

图2是本发明所提供的光源与光谱采集单元连接示意图；

图3是本发明所提供的积分球剖面示意图与样品杯结构示意图；

图4是本发明所提供的样品杯结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明所提供的阵列式半导体激光器（LD）近红外光谱分析仪的组成结构示意图，该仪器包括光源半导体激光器10、积分球20、样品杯30、微处理器50、键盘输入与结果显示装置60，计算机数据处理单元70；所述的半导体激光器10通过光纤13与积分球20连接，半导体激光器10的光通过光纤13进入积分球20；所述的积分球20包括集成于积分球壁上的光入射孔21、探测器口25和样品杯入口22，样品杯30由样品杯入口22与积分球20连接；键盘输入与结果显示装置60置于仪器的外壳90上，与微处理器50相连。计算机数据处理单元70通过USB接口71与微处理器50相连；积分球20的外圆周上的探测器口25上设探测器40，探测器测出的光信号变化通过前置放大电路与微处理器相连。

如图2所示，其中所述的半导体激光器（LD）10为阵列式半导体激光器，首先将不同半导体激光器（LD）阵列式排列，并由光纤12将光传出，然后对多束光纤12通过耦合器11进行外耦合，并由一根光纤13输出，通过积分球20的光入射孔21，对样品池30中样品进行照射。可以根据用户的需要选择不同的LD波段进行封装，以满足不同的需求，此外可以在已封装的LD中根据需要选择一个组合进行点亮来测量不同的样品成分。

所述半导体激光器10的输出功率可以根据样品的不同由用户进行预先设定，为了保证样品测试的一致，设定后的输出功率要尽可能的恒定，半导体激光器以电流输入为激励，可以采用电流反馈电路得到稳定的输入电流，通过对电流的控制来得到稳定的光功率。

如图3所示所述的积分球，包括集成于积分球壁上的光入射孔21、样品杯入口22和探测器口25组成，样品杯入口22有用来使样品杯固定的凹槽23与定位销24；光通过光入射孔21进入积分球20，样品杯30由样品杯入口22置入积分球20，并旋转样品杯30直至定位销24进入法兰圈31凹槽32，将其位置固定。光照射在样品杯30上，在积分球20内壁和样品表面不断发生反射，样品杯30中样品对光进行充分吸收，探测器孔25中放入探测器40将携带样品信息的光信号转换成电信号并传到微处理器50。

如图4所示，所述的样品杯30采用低羟基石英玻璃制作，形状采用圆柱形，下端加底，并采用法兰圈31来固定插入积分球的深度，法兰圈31上有凹槽32用于检测时使积分球20上的定位销24置入以便更精确的定位；样品杯30由积分球样品室入口22垂直放入到积分球20内部，实现样品对近红外光的体吸收，根据样品的结构特点对应不同直径的样品室规格和测量模型参数。

所述的探测器40采用的半导体铟稼砷探测器，用于接收均分布于积分球内壁的所测物质的漫透射光谱信号，并把这些携带有样品信息的近红外光信号转变为电信号。

所述的微处理器50对接收到的电信号进行处理，包括半导体激光器（LD）控制模块、A/D转换模块、运算模块和存储器模块。

其中所述的半导体激光器（LD）控制模块用于控制阵列式半导体激光器10，其中包括对所需LD的选择，对选择的LD的点亮顺序及点亮时间的控制以及对LD输入电流稳定性的反馈控制。

所述的A/D转换模块用于将探测器40输出的模拟信号转换为数字信号，以便于对数据进行分析、处理、运算。所属的A/D转换模块可以采用A/D转换器，其构成和连接为本领域人员所公知。

所述的存储器模块存储数据处理程序和存储执行该程序时所产生的数据，所以所述的存储器包括存储器处理程序和存储执行该程序时所产生的数据的区域。

所述的运算模块可以根据预先测定的样品建立样品模型，并根据该样品模型对要测定的样品进行预测。

所述的键盘输入与结果显示模块60，键盘输入用于对检测的模式进行选择，对光功率进行调节，数据处理模式选择。显示器用于对处理结果的显示。

所述的计算机数据处理单元70，用于对数据的处理，并建立模型，通过USB接口71，将建立的模型传到微处理器50的相应存储器中，便于以后对其直接调用。

所述的半导体激光器（LD）近红外光谱分析仪还包括外壳90、电源插头85、开关80、USB接口71，用于控制整个仪器，如图1所示。

样本的测试操作如下：

1. 插上电源85，打开电源开关80，对装置各附件的参数进行设置。如设置光源强度、选取所需的测量波长的组合和轮流点亮时间间隔等。

2. 将待测样品装入样品杯30，样品量为没过法兰圈31，由样品杯入口22置入积分球20内。半导体激光器10发出的光照射到待测样品表面，并在积分球20内不断发生反射，样品杯中样品对光进行充分吸收，随后探测器接收携带有样品信息的光并将其转换成电信号，并传到微处理器50中，经A/D转换装置将模拟信号转换成数字信号，并选取已经建立的模型对测试量进行计算，将计算得到的该物质的某项品质指标值通过键盘输入与结果显示装置显示出来。

3. 将测试后的样品取出，清扫样品杯，做下一次测试准备。

下面通过实例对本发明做具体说明。

本发明可以测量多种物质的成分含量，在此只举一个用于茶叶水分含量检测的实施实例，其他样品的检测可参照该实施实例的检测方法。

首先将水分的特征波长及参考波长的半导体激光器10进行阵列式封装，并将输出的光纤由耦合器11进行外耦合，最后由一根光纤输出（或从已封装的阵列式半导体激光器中选取所需的波长组合点亮）连接到光入射口21将光输入积分球内。

取不同水分的茶叶若干份（100份左右），一部分作为校正集（80份左右），其余部分作为预测集（20份左右）。按照现行茶叶质量检查的国家标准和行业标准GB8304-87测定所有样品的含水量作为实测值；用半导体激光器（LD）近红外光谱分析仪对其进行光谱采集，把检测器得到的吸收光谱信号值保存在微处理器50中。然后通过USB通信接口71将数据导入到计算机数据处理单元70中，建立光谱信号值与茶叶含水量之间的关联模型。将得到的模型参数通过USB通信接口71写入到光谱仪的微处理器50相应存储区中。

接下来就可以对未知水分含量的茶叶进行快速测定。插上电源线85，打开电源开关80，通过键盘输入与显示模块60选择检测模式为茶叶水分检测；用待测茶叶将样品杯30装至没过法兰圈，加盖，由样品杯入口22置入旋转至定位销24置于法兰圈凹槽32内，开始检测；按照事先设定的程序，开始轮流点亮入射光源中被选中的光源组合，光源发出的进入积分球20，在其内壁和样品表面不断发生反射，样品杯30中样品对光进行充分吸收，漫反射出来的光被检测器40接收；检测器将携带样品信息的近红外光信号转变为电信号，再通过A/D转变为数字信号输入微处理器50中；微处理器接受此光谱信号值并把光谱信号值代入模型计算，在键盘输入与结果显示模块60上即可显示该茶叶含水量，至此茶叶含水量检测结束。

上述近红外检测方法可以实现仪器的建模，模型建立后，实现品质指标的快速检测和显示。

该实例仅仅是本发明的一个实施实例。显然，本发明不仅限于此，还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims

1.一种阵列式半导体激光器光谱分析仪，其特征在于包括光源半导体激光器、积分球、样品杯、微处理器、键盘输入与结果显示装置，计算机数据处理单元；所述的半导体激光器通过光纤与积分球连接，半导体激光器的光通过光纤进入积分球；所述的积分球包括集成于积分球壁上的光入射孔、探测器口和样品杯入口，样品杯由样品杯入口与积分球连接；键盘输入与结果显示装置置于仪器的外壳上，与微处理器相连。

2.计算机数据处理单元通过USB接口与微处理器相连；积分球的外圆周上的探测器口上设探测器，探测器测出的光信号变化通过前置放大电路与微处理器相连。

3.根据权利要求1所述的一种阵列式半导体激光器光谱分析仪，其特征在于其中所述的半导体激光器为阵列式半导体激光器，首先将不同半导体激光器阵列式排列，并由光纤将光传出，然后对多束光纤通过耦合器进行外耦合，并由一根光纤输出，通过积分球的光入射孔，对样品池中样品进行照射；根据用户的需要选择不同的LD波段进行封装，以满足不同的需求，或者在已封装的LD中根据需要选择一个组合进行点亮来测量不同的样品成分。

4.根据权利要求1所述的一种阵列式半导体激光器光谱分析仪，其特征在于其中所述的积分球的样品杯入口有用来使样品杯固定的凹槽与定位销；光通过光入射孔进入积分球，样品杯由样品杯入口置入积分球，并旋转样品杯直至定位销进入法兰圈凹槽，将其位置固定；光照射在样品杯上，在积分球内壁和样品表面不断发生反射，样品杯中样品对光进行充分吸收，探测器孔中放入探测器将携带样品信息的光信号转换成电信号并传到微处理器。

5.根据权利要求1所述的一种阵列式半导体激光器光谱分析仪，其特征在于其中所述的样品杯采用低羟基石英玻璃制作，形状采用圆柱形，下端加底，并采用法兰圈来固定插入积分球的深度，法兰圈上有凹槽用于检测时使积分球上的定位销置入以便更精确的定位；样品杯由积分球样品室入口垂直放入到积分球内部，实现样品对近红外光的体吸收，根据样品的结构特点对应不同直径的样品室规格和测量模型参数。