便攜式近紅外光譜分析儀.ppt

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吉林大學(xué),野外現(xiàn)場(chǎng)礦物近紅外光譜分析儀的基本原理,1、基本知識(shí)介紹2、紅外原理3、近紅外技術(shù)的應(yīng)用4、紅外儀器的分類5、我們的儀器設(shè)計(jì)方案,目錄,1基本知識(shí)10-1010-810-610-410-2102104106108101010-310-1110102103,宇宙線,光波,X射線,微波,短波,長(zhǎng)波,,,,,,,,,紫外線,真空紫外線,軟X射線,可見(jiàn)光,近紅外線,中紅外線,遠(yuǎn)紅外線,紅外分析原理,有機(jī)物以及部分無(wú)機(jī)物分子中化學(xué)鍵結(jié)合的各種基團(tuán)（C=C，N=C，O=C，O=H，N=H）的運(yùn)動(dòng)（伸縮、振動(dòng)、彎曲等）都有它固定的振動(dòng)頻率。當(dāng)分子受到紅外線照射時(shí)，被激發(fā)產(chǎn)生共振，同時(shí)光的能量一部分被吸收，測(cè)量其吸收光，可得到極為復(fù)雜的圖譜，這種圖譜表示被測(cè)物質(zhì)的特征[4]。不同物質(zhì)在近紅外區(qū)域有豐富的吸收光譜，每種成分都有特定的吸收特征，這就為近紅外光譜定量分析提供了基礎(chǔ)。,紅外分析特點(diǎn)：,1.適合分析含C-H，O-H，N-H等基團(tuán)化合物;2.不同的基團(tuán)和同一基團(tuán)在不同化學(xué)環(huán)境中的吸收波長(zhǎng)有明顯差別；3.可使用較長(zhǎng)的光程（約780nm-2526nm）；4.吸收系數(shù)小,樣品不經(jīng)稀釋就可直接測(cè)量；5.痕量污染對(duì)測(cè)量的干擾不大；6.近紅外各譜帶寬和交疊多;7.無(wú)近紅外光譜吸收的物質(zhì)也能夠通過(guò)它對(duì)共存的本體物質(zhì)影響引起的光譜變化，間接地反映它存在的信息；8可測(cè)量形式如漫反射、透射和反射各種各樣的物態(tài)樣品的光譜。,同一官能團(tuán)在不同物質(zhì)里吸收位置不同（地開(kāi)石，明礬石，葉蠟石，高嶺石）,紅外分析方式,近紅外可分析的樣品狀態(tài),塊狀、氣體、粉末、液體，且無(wú)需預(yù)處理，不損壞樣品,應(yīng)用范圍,石油成分鑒定,紡織工業(yè)中區(qū)分纖維類型,食品工業(yè)中糖份脂肪成分檢測(cè),用于糧食、飼料、肉類、奶制品、水果、蔬菜的成分測(cè)定和紡織工業(yè)及制藥業(yè)中，且不破壞樣品,1.光譜儀;2.定量定性軟件;3.應(yīng)用模型三部分;,近紅外分析技術(shù)三要素,紅外光譜儀類型,濾光片型，精度低，成本低,傅立葉變換型,DA7000型和美國(guó)NEOTEC生產(chǎn)的6250型。瑞典FOSSTECATOR公司的Infratec5000型、6500型等，精度高、成本貴，體積大,,,光柵掃描型,體積小，價(jià)格適中，精度能滿足要求,AOFT聲光調(diào)制近紅外型,1、多元線性回歸（MLR）2、逐步回歸（SMR）3、主成分分析（PCA）4、主成分回歸（PCR）5、偏最小二乘法（PLS）6、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）7、拓?fù)洌═oplogical）,流行軟件算法,我們開(kāi)發(fā)的儀器便攜式近紅外光譜分析儀,測(cè)量類型：漫反射技術(shù),儀器類型：?jiǎn)喂饴饭鈻艗呙栊?漫反射原理圖,漫反射原理,1.體積??；2.重量輕；3.功耗??；4.抗干擾性好。,便攜式光譜分析儀器的特點(diǎn),自然界中的一切物體，只要溫度高于絕對(duì)溫度(-273℃)就存在分子和原子無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，其表面就不斷地輻射紅外線。所以近紅外光譜儀器面臨很大的環(huán)境噪聲的干擾。鑒于它有以上的特點(diǎn)，所以在開(kāi)發(fā)中有以下問(wèn)題要重點(diǎn)解決。1、避開(kāi)雜散光的干擾；2、系統(tǒng)的信噪比要高；3、必須使用短焦距的光學(xué)器件以減小體積；4、系統(tǒng)必須有較強(qiáng)的抗干擾能力；5、由于是野外儀器，故功耗要低。,存在的問(wèn)題,1、傅立葉干涉型的光譜儀精度高，重復(fù)性好，但其造價(jià)高，且其核心器件傅立葉干涉儀大且重，無(wú)法做成便攜式；2、濾光片型不能進(jìn)行全譜測(cè)量，精度不夠,采用光柵掃描型的原因,1、多光路的儀器信號(hào)強(qiáng)，易于提高信噪比，重復(fù)性易于得到保證，但光學(xué)元件過(guò)多，光程長(zhǎng)，體積難以做??；2、單光路儀器可以做小，且通過(guò)電路的加強(qiáng)和光路的改進(jìn)，可以使信噪比達(dá)到要求，由于測(cè)量時(shí)間短，重復(fù)性能得到保證；,光柵掃描型光譜儀分為：?jiǎn)喂饴泛投喙饴?1、利用直流電機(jī)對(duì)光源的光進(jìn)行切光，使其變?yōu)轭l域的光，從而避開(kāi)自然光的干擾。并可避免信號(hào)處理上的一大難題——對(duì)微弱直流信號(hào)放大;2、由于體積限制不能使用長(zhǎng)焦距光學(xué)元件，限制了光能的利用率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)把原來(lái)的一個(gè)透鏡改為兩個(gè)面積較大的透鏡，從而使光的利用率提高了2倍;,解決方案,3、通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)測(cè)的光纖取樣法由于缺少耦合探頭使得反射光損失太大，從而采用積分球作為探頭，并確定了用法，使得光信號(hào)得到了最大利用，提高了信噪比，同時(shí)可降低光源的功率。4、通過(guò)改變傳感器偏壓和偏置電阻降低了前端的電路噪聲，通過(guò)調(diào)節(jié)切光頻率，改善了傳感器信能且避開(kāi)了工頻干擾。并通過(guò)合理的設(shè)計(jì)前放和窄帶率波電路進(jìn)一步提高了信噪比，使得信噪比勉強(qiáng)滿足要求。,5、在可承受的噪聲條件下，盡量提高放大倍數(shù)，從而可減小光源的功率，降低整機(jī)功率；6、為了增強(qiáng)抗干擾能力，加了對(duì)電機(jī)的檢測(cè)部件，在通訊模塊中，也充分利用MAX221的特點(diǎn)加了冗余措施；7、考慮到是野外儀器，故功耗和電源管理是一大難點(diǎn)，后面將會(huì)講到為了節(jié)省電源而作的設(shè)計(jì)。,1、無(wú)移動(dòng)部件型(CCD)2、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)型(制冷PbS、InGeAs、Ge、InAs、InSb等為傳感器),單光路光柵掃描型的分類：,單光路的非掃描型儀器圖,單光路光柵掃描型便攜式近紅外光譜儀,光源,,統(tǒng)系樣取,光學(xué)系統(tǒng),放大系統(tǒng),A/D模塊,單片機(jī),主機(jī),掃描驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,,,圖框體總統(tǒng)系,,切光器,,切光器,透鏡,光柵及反射鏡,光源,積分球,,,,,圖框路光,凹面鏡,,,傳感器,前放,可編程放大,鎖相放大器,A/D模塊,機(jī)片單,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,塊模訊通,,,,,,,,,,,電路框圖,1、以AD630為核心設(shè)計(jì)鎖相放大器通過(guò)切光和窄帶放大的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的檢測(cè)，但由于是相對(duì)測(cè)量，對(duì)信噪比要求極高，需要進(jìn)一步提高，故只能采用鎖相放大。將通過(guò)切光器產(chǎn)生所需的參考信號(hào)，利用比較器和延時(shí)器或觸發(fā)器進(jìn)行整形并移相。,采用的具體技術(shù),利用積分球使光變得均勻，提高利用率,1、通過(guò)光路的該進(jìn)和放大倍數(shù)的提高，降低了光源的功率；2、對(duì)光源進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，不用的時(shí)候馬上關(guān)閉電源；3、通訊模塊中，特地選用了MAX公司的片子MAX221,此芯片內(nèi)帶電源管理功能，不通訊時(shí)就可立刻停止供電；4、在電機(jī)監(jiān)測(cè)部件中，利用單片機(jī)的I/O口進(jìn)行檢測(cè)，只有當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才啟動(dòng)檢測(cè)部分，否則關(guān)閉電機(jī)監(jiān)測(cè)部件。,省電措施,操作軟件設(shè)計(jì),底層：?jiǎn)纹尿?qū)動(dòng)程序，負(fù)責(zé)電路功能的實(shí)施，進(jìn)行各種控制,上層：界面程序，進(jìn)行儀器參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理，和譜圖生成、打印。,,232串口通訊,樣機(jī)模型,操作界面,目前測(cè)試效果,參考文獻(xiàn),1.StarkE,LuchterKandMargoshesM.Appl.Spectrose.Rev.,1986,22(4):3522.OsborneBGandFearnT.NearInfraredSpectroscopyinFoodAnalysis.NewYork:Joh,19863.WileyandSonsInc.,WheelerOH.Chem.Educ.,1960,37:2344．4.曾慶勇,微弱信號(hào)檢測(cè),浙江大學(xué)出版社1986．5.陸婉珍，袁洪福，徐光通，強(qiáng)冬梅，現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù),中國(guó)石化出版社,2000.6.《光譜儀器原理》李全臣，蔣月娟北京理工大學(xué)出版社,,謝謝各位光臨,