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专利名称：基于微机电技术的农产品品质近红外光谱分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于近红外无损检测技术领域，涉及一种新型微机电技术(MEMS)的农产品品质近红外光谱分析仪。
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，并可在广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(A0TF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(A0TF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。基于微机电系统MEMS技术的农产品品质近红外光谱分析仪由于米用MEMS动态扫描微镜技术和单元InGaAs探测器技术，克服现有近红外光谱仪采用滤光片型、光栅扫描型、傅立叶变换型、阵列检测型和声光调谐型等分光技术时的体积庞大、光学结构复杂、成本高的缺点，实现了光谱仪的微型化；国外小型近红外光谱仪售价在40万元左右，中档产品在150万元左右，本研发的基于微机电系统MEMS技术的农产品品质近红外光谱分析仪实现了国产化，具有很高的性能价格比和良好的竞争力，其价格只有进口仪器的六分之一。小型产品定价在5万元左右，中档产品在15万元左右。
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，提供了一种基于微机电系统MEMS技术的农产品品质近红外光谱分析仪。基于微机电系统MEMS技术的农产品品质近红外光谱分析仪,该仪器包括微机电系统的分光器件、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；所述的微机电系统分光器件通过光纤与积分球连接，光源发出的近红外光与待测物料相互作用后在积分球内壁经过多次反射后通过光纤进入微机电系统近红外光谱分析仪；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；进入微机电系统分光器件的光经过微机系统电控制的微镜分光后由近红外光电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。其中所述的微机电系统分光器件，其包括光纤连接器、光纤准直器、扫描反射微镜、闪耀光栅、聚焦反射镜、狭缝和探测器；待测光信号由光纤连接器接入光路，光纤准直器位于光纤连接器的后部，光信号经由光纤连接器和光纤准直器后，形成准直光入射到扫描反射微镜上，扫描反射微镜反射光信号至闪耀光栅，闪耀光栅将入射复色光分解成不同波长的单色光，单色光入射到聚焦镜反射镜上，由聚焦镜反射镜会聚并反射通过狭缝至探测器上，探测器放置于聚焦反射镜的会聚方向，探测器测量接收的单色光的强度；扫描反射微镜的镜面作周期性摆动，使得入射复色光在闪耀光栅上的入射角度和出射单色光的空间位置呈周期性变化，经过聚焦镜反射镜会聚后，通过狭缝依次进入探测器中，实现全光谱的扫描。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。光照射在样品杯的底部，经物料吸收后的漫反射光在积分球内壁不断发生反射，经积分球内表面多次反射后的光进入到微机电系统的光谱仪内进行分光，同时经微机电系统中的近红外探测器将光信号转变成电信号传到微处理器。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样品杯与积分球接触，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置到积分球上，实现样品对近红外光的表面吸收，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。采用本实用新型所提供的基于微机电系统MEMS技术的农产品品质近红外光谱分析仪，由于采用了先进的微机电系统进行分光，不但实现了近红外光谱仪器的小型化和微型化，为研发后续的手提式农产品品质近红外快速检测仪器创造了基本条件外，还因为检测的是物料连续近红外漫反射光谱，从而可以非常方便地对衡量农产品品质的多种成分含量指标进行检测。本实用新型采用积分球漫反射方式对携带样品信息的光信号进行收集并传到微处理器进行处理。

图1是本实用新型所提供的微机电系统(MEMS)近红外分析仪的结构图；图2是本实用新型所提供的微机电系统(MEMS)近红外分析仪的分光结构图；图3是本实用新型所提供的积分球剖面示意图与样品杯结构示意图；图4是本实用新型所提供的样品杯结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。图1是本实用新型所提供的微机电系统(MEMS)近红外光谱分析仪的组成结构示意图，该仪器包括微机电系统分光器件14、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 ;所述的微机电系统分光器件14通过光纤13与积分球20连接,微机电系统分光器件14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。图2是本实用新型所提供的基于微机电系统MEMS (Micro-Electro-MechanicalSystems)技术的农产品品质近红外光谱分析仪的微机电系统分光器件14的光路图，如图2所示，其包括光纤连接器1、光纤准直器2、扫描反射微镜3、闪耀光栅4、聚焦反射镜5、狭缝6和探测器7 ;待测光信号由光纤连接器I接入光路，光纤准直器2位于光纤连接器I的后部，光信号经由光纤连接器I和光纤准直器2后,形成准直光入射到扫描反射微镜3上,扫描反射微镜3反射光信号至闪耀光栅4，闪耀光栅4将入射复色光分解成不同波长的单色光，单色光入射到聚焦镜反射镜5上，由聚焦镜反射镜5会聚并反射通过狭缝6至探测器7上，探测器7放置于聚焦反射镜5的会聚方向，探测器5测量接收的单色光的强度；扫描反射微镜3的镜面作周期性摆动，使得入射复色光在闪耀光栅4上的入射角度和出射单色光的空间位置呈周期性变化，经过聚焦镜反射镜5会聚后，通过狭缝依次进入探测器7中，实现全光谱的扫描。如图3所示所述的积分球，包括集成于积分球底座26的入光孔10、样品杯入口 22和连接MEMS光谱仪光纤的接口 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 ;光通过入光孔10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中的物料上后，物料吸收后的漫反射近红外光在在积分球20内壁不断发生反射使得积分球20内表面的光强度达到一致，连接MEMS光谱仪光纤的25中放入光谱仪的入射光纤13携带样品信息的光信号输入到微机电系统分光器件14进行分光，由光谱仪中的探测器7将单色光强度变化的信号转换成电信号并传到微处理器50。[0020]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。所述的光导纤维13，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送入微机电系统分光器件14中转变为电信号。所述的微处理器50对接收到的电信号进行处理，其中包括微机电系统(MEMS)控制模块、A/D转换模块、运算模块、存储器模块和显示模块。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在微处理器50中的显示模块中显示，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。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。所述的微机电系统(MEMS)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、暗电流检测、本底检测等。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。光源发出的光经过入射光孔10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，随后光导纤维40将携带有样品信息的光输入到微机电系统(MEMS)的近红外光谱仪器中转换成电信号，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。下面通过实例对本实用新型做具体说明。本实用新型可以测量多种物质的成分含量，在此只举一个用于芝麻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。取不同水分的芝麻若干份(100份左右)，一部分作为校正集(70份左右)，其余部分作为预测集(30份左右)。按照现行芝麻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；用微机电系统(MEMS)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中，建立光谱信号值与芝麻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芝麻进行快速测定。插上电源线85，打开电源开关80，通过键盘输入与显示模块选择检测模式为芝麻水分检测；用待测芝麻将样品杯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，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，漫反射出来的光由光导纤维40收集并输入到微机电系统(MEMS)的近红外光谱仪中；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上即可显示该芝麻含水量，至此芝麻含水量检测结束。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。该实例仅仅是本实用新型的一个实施实例。显然，本实用新型不仅限于此，还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。
权利要求1.基于微机电技术的农产品品质近红外光谱分析仪，其特征在于包括微机电系统的分光器件、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；所述的微机电系统分光器件通过光纤与积分球连接，光源发出的近红外光与待测物料相互作用后在积分球内壁经过多次反射后通过光纤进入微机电系统近红外光谱分析仪；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；进入微机电系统分光器件的光经过微机系统电控制的微镜分光后由近红外光电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。
2.根据权利要求1所述的基于微机电技术的农产品品质近红外光谱分析仪，其特征在于其中所述的微机电系统分光器件，包括光纤连接器、光纤准直器、扫描反射微镜、闪耀光栅、聚焦反射镜、狭缝和探测器；待测光信号由光纤连接器接入光路，光纤准直器位于光纤连接器的后部，光信号经由光纤连接器和光纤准直器后，形成准直光入射到扫描反射微镜上，扫描反射微镜反射光信号至闪耀光栅，闪耀光栅将入射复色光分解成不同波长的单色光，单色光入射到聚焦镜反射镜上，由聚焦镜反射镜会聚并反射通过狭缝至探测器上，探测器放置于聚焦反射镜的会聚方向，探测器测量接收的单色光的强度；扫描反射微镜的镜面作周期性摆动，使得入射复色光在闪耀光栅上的入射角度和出射单色光的空间位置呈周期性变化，经过聚焦镜反射镜会聚后，通过狭缝依次进入探测器中，实现全光谱的扫描。
3.根据权利要求1所述的基于微机电技术的农产品品质近红外光谱分析仪，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，光照射在样品杯的底部，经物料吸收后的漫反射光在积分球内壁不断发生反射，经积分球内表面多次反射后的光进入到微机电系统的光谱仪内进行分光，同时经微机电系统中的近红外探测器将光信号转变成电信号传到微处理器。
4.根据权利要求1所述的基于微机电技术的农产品品质近红外光谱分析仪，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样品杯与积分球接触，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置到积分球上，实现样品对近红外光的表面吸收，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。
专利摘要本实用新型基于微机电技术的农产品品质近红外光谱分析仪，属于近红外无损检测技术领域。该仪器包括微机电系统的分光器件、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。采用了先进的微机电系统进行分光，不但实现了近红外光谱仪器的小型化和微型化，为研发后续的手提式农产品品质近红外快速检测仪器创造了基本条件外，还因为检测的是物料连续近红外漫反射光谱，从而可以非常方便地对衡量农产品品质的多种成分含量指标进行检测。本实用新型采用积分球漫反射方式对携带样品信息的光信号进行收集并传到微处理器进行处理。
文档编号G01N21/01GK202886274SQ20122046638
公开日2013年4月17日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者龙涛, 刘正东, 陈斌 申请人:江苏惠通集团有限责任公司