CN1948951A - 近红外光谱测量液体物质成分含量的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种近红外光谱测量液体物质成分含量的装置，由光源、分光系统、漫散射光收集系统、样品池、参考样品池、透反射样品池、光电传感器、参考光电传感器、放大器、A/D转换器、分束镜、标准白板、温度传感器系统、控制模块、光谱数据寄存器、定标参数寄存器、计算模块、结果输出模块固定在恒温箱内构成；由于本发明采用近红外双光束光谱检测技术，提高了检测精度，保证样品在整个光谱区的信息量丰富，可同时获取样品的多种成分及含量，同时装置更适合于现场实时检测，体积小，操作维护简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量技术，特别是一种使用近红外光谱分析技术来获取液体物质(含有机组分)的透射、透反射、散射光谱及物质成份含量的装置，确切地是近红外光谱测量液体物质成份含量的装置。
背景技术
在测量啤酒的酒精度和原麦汁浓度时，首先将啤酒或麦芽汁除气，密度的检测是采用U型的中空振动管来测量的。酒精含量是用催化传感器检测达到动态平衡的啤酒样品中酒精蒸汽的浓度。测量时间长。例如，在《分析化学》，2004，(32)，1070-1073上发表的题目为“啤酒主要成分的近红外光谱法测定”文章公开的测定装置包括：光源，干涉仪，样品，光电传感器，放大器，A/D转换器，计算机，其光源在干涉仪的前面；在干涉仪的后面和光电传感器的前面安置样品；样品的接受面与干涉仪的出射面相对，样品的出射面和光电传感器的接收面相对；光电传感器的接受面与样品的出射面相对；放大器连接在光电传感器与A/D转换器之间；A/D转换器连接在放大器与计算机之间。其光源采用卤钨灯，干涉仪采用德国专利技术，波长范围为4000～15000cm-1。用其检测了酒精度、原麦汁浓度以及总酸含量等3种主要成分，取得了令人非常满意的结果。但存在以下缺陷：1、仪器价格昂贵；2、体积庞大；3、干涉仪系统精密、现场测量可靠性减弱；4、单光束检测等问题。
发明内容
本发明的目的是要提供一种测量时间短、操作简单、检测精度较高、可靠性高的近红外光谱测量液体物质成份含量的装置，首先采集液体物质的近红外透射、透反射及散射光谱，将近红外光谱与液体物质相应成份含量联系起来，建立数学模型，确保测量结果的准确性。
本发明的近红外光谱测量液体物质成份含量的装置由光源、分光系统、漫散射光收集系统、样品池、参考样品池、透反射样品池、光电传感器、参考光电传感器、放大器、A/D转换器、分束镜、标准白板、温度传感器系统、控制模块、光谱数据寄存器、定标参数寄存器、计算模块、结果输出模块固定在恒温箱内构成；其中
分光系统安置在光源和分束镜之间，参考样品池放置在分束镜与参考光电传感器之间，样品池放置在分束镜与漫散射光收集系统之间，光电传感器位于漫散射光收集系统的侧壁；透射时，标准白板放置在漫散射光收集系统与透反射样品池之间；透反射时，透反射样品池放置在在漫散射光收集系统与标准白板之间；
放大器的输入端分别与光电传感器、参考光电传感器的输出端相连接，放大器的输出端与A/D转换器的输入端相连；A/D转换器的输出端、温度传感器系统的输出端分别与控制模块的I/O口相连；光源、分光系统、样品池、参考样品池、透反射样品池、光谱数据寄存器、定标参数寄存器、计算模块和结果输出模块分别与控制模块的其他I/O口连接。
为了提高测量精度，分束镜的入射面与分光系统的出射面相对放置，又与参考样品池的接受面相对放置，参考样品池的出射面与参考光电传感器的接受面相对放置，参考样品池的入射面和出射面夹角为0°；分束镜的出射面与样品池的接受面相对放置，样品池的出射面与漫散射光收集系统相对放置，样品池的入射面和出射面夹角为0°；透射时，漫散射光收集系统的出射面与标准白板的入射面相对紧邻放置，标准白板的接受面与样品池的出射面夹角为0°；标准白板的出射面与透反射样品池的入射面相对放置，透反射样品池的入射面和出射面夹角为0°，光电传感器的接受面与样品池的出射面的夹角优选90°-135°；透反射时，漫散射光收集系统的出射面与透反射样品池的入射面相对紧邻放置，标准白板的入射面与透反射样品池的出射面相对紧邻放置，标准白板的接受面、样品池的入射/出射面以及透反射样品池的入射/出射面之间夹角均为0°，光电传感器的接受面与透反射样品池的入射面的夹角优选90°。
光谱数据寄存器和定标参数寄存器用于光谱数据和定标参数的存储，计算模块用于建立定标模型和计算样品的成份含量。
结果输出模块用于成份含量结果的显示及打印。光源、分光系统、漫散射光收集系统、样品池、参考样品池、透反射样品池、光电传感器、参考光电传感器、放大器、A/D转换器、分束镜、标准白板、温度传感器系统、控制模块、按照顺序被固定于恒温箱内，恒温箱保证系统恒温在40±1℃的范围。
本发明装置的工作过程如下：
透射模式时，光源发出的光照射到分光系统，从分光系统出射的光被分束镜分成两束，一束光照射到样品池上，从样品池出射的光进入漫散射光收集系统，经过漫散射光收集系统并照射到标准白板的接收面，样品的透射散射光被漫散射光收集系统收集后并由光电传感器检测光信号；另一束光照射参考样品池，经过参考样品池后直接被参考光电传感器接收。光电传感器和参考光电传感器将光信号转变成电信号，电信号被放大器放大，再经过A/D转换器转变成数字信号传给控制模块，控制模块将这些信号存入光谱数据寄存器。控制模块将光谱数据寄存器中的光谱数据和定标参数寄存器中的定标参数送入计算模块，计算模块计算后，数据结果送回控制模块，控制模块将数据结果送入结果输出模块显示打印。光源和分光系统由控制模块控制，监控光源发光是否正常，保证光源发光强度恒定，控制分光系统实现分光操作；样品池、参考样品池、透反射样品池由控制模块控制，控制样品、参比物、空白物、标准物进样、冲洗；光源、分光系统、漫散射光收集系统、样品池、参考样品池、透反射样品池、光电传感器、参考光电传感器、放大器、A/D转换器、分束镜、标准白板、温度传感器系统、控制模块、按照上述顺序被固定于恒温箱内；控制模块读取温度传感器系统的温度控制恒温箱，从仪器开始运转时起恒温箱保证系统恒温在40±1℃的范围。
透反射模式时，光源发出的光照射到分光系统，从分光系统出射的光被分束镜分成两束，一束光照射到样品池上，从样品池出射的光进入漫散射光收集系统，经过漫散射光收集系统并照射到透反射样品池的接受面，光束经过透反射样品池到达标准白板的接收面。样品的透反射及散射光被漫散射光收集系统收集后并由光电传感器检测光信号；另一束光照射参考样品池，经过参考样品池后直接被参考光电传感器接收。光电传感器和参考光电传感器将光信号转变成电信号，电信号被放大器放大，再经过A/D转换器转变成数字信号传给控制模块，控制模块将这些信号存入光谱数据寄存器。控制模块将光谱数据寄存器中的光谱数据和定标参数寄存器中的定标参数送入计算模块，计算模块计算后，数据结果送回控制模块，控制模块将数据结果送入结果输出模块显示打印。光源和分光系统由控制模块控制，监控光源发光是否正常，保证光源发光强度恒定，控制分光系统实现分光操作；样品池、参考样品池、透反射样品池由控制模块控制，控制样品、参比物、空白物、标准物进样、冲洗；光源、分光系统、漫散射光收集系统、样品池、参考样品池、透反射样品池、光电传感器、参考光电传感器、放大器、A/D转换器、分束镜、标准白板、温度传感器系统、控制模块、按照上述顺序被固定于恒温箱内；控制模块读取温度传感器系统的温度控制恒温箱，从仪器开始运转时起恒温箱保证系统恒温在40±1℃范围。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明装置的结构能使分束镜和参考光电传感器获得的参考光为样品漫散射光提供了实时参比信号，提高了检测精度。分光系统保证样品在整个光谱区的信息量丰富，因此可同时获取样品的多种成份及含量。
(2)漫散射光收集系统采用积分球结构保证尽可能多地接收到样品的透射、透反射和漫散射光，同时解决了样品颗粒分子大、分布不均匀造成的样品光谱重复性差、测量结果不准的问题。
附图说明
图1是本发明装置在透射时的结构框图。
具体实施方式
装置构成：装置的使用温度范围是4～60℃，0-80％RH。
如图1所示，光源1采用卤钨灯；分光系统2采用声光滤波器、光栅、滤光片结构；分束镜3采用1mm厚SiO2玻璃，双面镀增透膜，透过滤98％；样品池4、参考样品池5和透反射样品池8是1mm厚SiO2玻璃构成的长方体结构，宽20mm，高50mm，液体在样品池内的厚度是1、2、5和10mm四种规格，电机控制进样和冲洗样品池、参考样品池和透反射样品池的过程；液体物质样品(含有机组分)如啤酒白酒等酒类、糖浆蔗汁清汁等糖汁类、牛奶酸奶等乳汁类、色拉油花生油等油类、果汁汽水茶等饮料、酱油醋等调味品类等、水、有机试剂等；漫散射光收集系统6采用积分球结构，积分球内径尺寸是30、50、70、100、120mm等五种规格，内壁涂漫反射率99.9％的BaSO4、MgO、陶瓷白板等光谱涂料或采用镀金漫反射膜层；标准白板7由漫反射率99.9％的BaSO4、MgO、陶瓷白板等光谱涂料构成，或者接受面采用漫反射率99.9％的镀金漫反射膜层；光电传感器9和参考光电传感器10可分别选择硅探测器、铟镓砷探测器或硫化铅探测器，波长范围为780nm～3200nm等间隔或不等间隔。放大器11可分别采用OPA11、OP27、OP37、PQA103、INA118、INA114等型号的器件；A/D转换器12可分别采用ADS1211、ADS7807、AD7701、AD7731、AD7710、AD7670、AD7705、AD7730、AD7716等型号的器件；温度传感器13采用镍铬镍铝、镍铬镍硅或热电耦传感器；控制模块14可分别采用89C51、89C196、DSP、TMS320、S3C2410aARM9、Intel Pentium II、Intel PentiumIII、Intel PentiumIV等CPU控制模块；光谱数据寄存器15、定标参数寄存器16可分别采用DS1230、62256等RAM；计算模块17可分别采用89C51、80487、80587等协处理器；结果输出模块18包括液晶显示器(或CRT显示器)、激光打印机(或喷墨打印机、针式打印机)；恒温箱19包括恒温电阻丝、加热片、帕尔贴、铝制箱体及散热片等。
光电传感器9的接受面与样品池4的出射面的夹角a可分别选择为90°、120°、135°；温度传感器13将被测箱体的温度T传给控制模块14，T的范围为4～60℃；光电传感器9测量样品在各个波长下的电信号，经放大器、A/D转换器后变为数字信号VSi，并送入控制模块14。参考光电传感器10测量参考光各个波长的电信号，经放大器、A/D转换器后变为数字信号VRi，并送入控制模块14。控制模块14将VSi、VRi送入计算模块17，计算模块17由下式计算样品在各个波长点的光谱吸收值：
Ai＝LOG10(VRi/VSi)
其中，i为波长范围780～3200nm范围内等间隔或不等间隔的波长点。A780～A3200的集合称为被测样品在780～3200nm波长范围的吸收光谱Ai。分别测定同类多种已知成份及含量C1～k样品的吸收光谱Ai。应用数学、统计科学和化学计量学技术，控制模块14将Ai存入光谱数据寄存器15中，将Ai调入计算模块17运算并建立样品的成份及含量C1～k与吸收光谱Ai间的定标模型f1～k:C1～k＝f1～k(A780～3200)，k是样品的成份数(K＝1、2、3……)。控制模块14将定标模型f1～k存入定标参数寄存器16中。测量未知样品时，首先将仪器和样品放好，然后测量样品的吸收光谱Ai，最后控制模块14将定标模型f1～k从定标参数寄存器16调入计算模块17中、计算模块17将吸收光谱Ai代入定标模型f1～k中，计算出该样品的成份及含量C1～k，如啤酒的酒精度(0.5～40％)、原麦汁浓度(0.5～40％)、总酸(0.5～40％)、真浓(0.5～40％)；酱油的氨基酸态氮(0.2～40％)、总氮(0.2～40％)、可溶性无盐固形物(0.2～40％)；食品的蛋白质(0.5-50％)、脂肪(0.5-50％)、糖度(0.5-50％)、水份(0.5-50％)、色值(0-100)、灰分(0.2～40％)、乳糖(0.2～40％)、酪蛋白(0.2～40％)、酸度(0.2～40％)、总蛋白(0.2～40％)等。控制模块14将计算出的成份及含量C1～k在结果输出模块18中显示打印。
Claims (4)
1、一种近红外光谱测量液体物质成份含量的装置，其特征在于由光源、分光系统、漫散射光收集系统、样品池、参考样品池、透反射样品池、光电传感器、参考光电传感器、放大器、A/D转换器、分束镜、标准白板、温度传感器系统、控制模块、光谱数据寄存器、定标参数寄存器、计算模块、结果输出模块固定在恒温箱内构成；其中
分光系统安置在光源和分束镜之间，参考样品池放置在分束镜与参考光电传感器之间，样品池放置在分束镜与漫散射光收集系统之间，光电传感器位于漫散射光收集系统的侧壁；透射时，标准白板放置在漫散射光收集系统与透反射样品池之间；透反射时，透反射样品池放置在漫散射光收集系统与标准白板之间；
放大器的输入端分别与光电传感器、参考光电传感器的输出端相连接，放大器的输出端与A/D转换器的输入端相连；A/D转换器的输出端、温度传感器系统的输出端分别与控制模块的I/O口相连；光源、分光系统、样品池、参考样品池、透反射样品池、光谱数据寄存器、定标参数寄存器、计算模块和结果输出模块分别与控制模块的其他I/O口连接。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于分束镜的入射面与分光系统的出射面相对放置，又与参考样品池的接受面相对放置，参考样品池的出射面与参考光电传感器的接受面相对放置，参考样品池的入射面和出射面夹角为0°；分束镜的出射面与样品池的接受面相对放置，样品池的出射面与漫散射光收集系统的接受面相对放置，样品池的入射面和出射面夹角为0°；透射时，漫散射光收集系统的出射面与标准白板的入射面相对紧邻放置，标准白板的接受面与样品池的出射面夹角为0°；标准白板的出射面与透反射样品池的入射面相对放置，透反射样品池的入射面和出射面夹角为0°；透反射时，漫散射光收集系统的出射面与透反射样品池的入射面相对紧邻放置，标准白板的入射面与透反射样品池的出射面相对紧邻放置，标准白板的接受面、样品池的入射/出射面以及透反射样品池的入射/出射面之间夹角均为0°。
3、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于透射时，光电传感器的接受面与样品池的出射面的夹角为90°-135°。
4、根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于透反射时，光电传感器的接受面与透反射样品池的入射面的夹角为90°。
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