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吉林大學(xué),野外現(xiàn)場礦物近紅外光譜分析儀的基本原理,1、基本知識介紹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)計方案,目錄,1基本知識10-1010-810-610-410-2102104106108101010-310-1110102103,宇宙線,光波,X射線,微波,短波,長波,,,,,,,,,紫外線,真空紫外線,軟X射線,可見光,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）的運動（伸縮、振動、彎曲等）都有它固定的振動頻率。當(dāng)分子受到紅外線照射時，被激發(fā)產(chǎn)生共振，同時光的能量一部分被吸收，測量其吸收光，可得到極為復(fù)雜的圖譜，這種圖譜表示被測物質(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：,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)境中的吸收波長有明顯差別；3.可使用較長的光程（約780nm-2526nm）；4.吸收系數(shù)小,樣品不經(jīng)稀釋就可直接測量；5.痕量污染對測量的干擾不大；6.近紅外各譜帶寬和交疊多;7.無近紅外光譜吸收的物質(zhì)也能夠通過它對共存的本體物質(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,用于糧食、飼料、肉類、奶制品、水果、蔬菜的成分測定和紡織工業(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,我們開發(fā)的儀器便攜式近紅外光譜分析儀,測量類型：漫反射技術(shù),儀器類型：單光路光柵掃描型,漫反射原理圖,漫反射原理,1.體積?。?.重量輕；3.功耗小；4.抗干擾性好。,便攜式光譜分析儀器的特點,自然界中的一切物體，只要溫度高于絕對溫度(-273℃)就存在分子和原子無規(guī)則的運動，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，所以在開發(fā)中有以下問題要重點解決。1、避開雜散光的干擾；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。,存在的問題,1、傅立葉干涉型的光譜儀精度高，重復(fù)性好，但其造價高，且其核心器件傅立葉干涉儀大且重，無法做成便攜式；2、濾光片型不能進(jìn)行全譜測量，精度不夠,采用光柵掃描型的原因,1、多光路的儀器信號強(qiáng)，易于提高信噪比，重復(fù)性易于得到保證，但光學(xué)元件過多，光程長，體積難以做?。?、單光路儀器可以做小，且通過電路的加強(qiáng)和光路的改進(jìn)，可以使信噪比達(dá)到要求，由于測量時間短，重復(fù)性能得到保證；,光柵掃描型光譜儀分為：單光路和多光路,1、利用直流電機(jī)對光源的光進(jìn)行切光，使其變?yōu)轭l域的光，從而避開自然光的干擾。并可避免信號處理上的一大難題——對微弱直流信號放大;2、由于體積限制不能使用長焦距光學(xué)元件，限制了光能的利用率。通過實驗把原來的一個透鏡改為兩個面積較大的透鏡，從而使光的利用率提高了2倍;,解決方案,3、通過對比試驗測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，使得光信號得到了最大利用，提高了信噪比，同時可降低光源的功率。4、通過改變傳感器偏壓和偏置電阻降低了前端的電路噪聲，通過調(diào)節(jié)切光頻率，改善了傳感器信能且避開了工頻干擾。并通過合理的設(shè)計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，加了對電機(jī)的檢測部件，在通訊模塊中，也充分利用MAX221的特點加了冗余措施；7、考慮到是野外儀器，故功耗和電源管理是一大難點，后面將會講到為了節(jié)省電源而作的設(shè)計。,1、無移動部件型(CCD)2、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動型(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)動模塊,塊模訊通,,,,,,,,,,,電路框圖,1、以AD630為核心設(shè)計鎖相放大器通過切光和窄帶放大的技術(shù)實現(xiàn)了信號的檢測，但由于是相對測量，對信噪比要求極高，需要進(jìn)一步提高，故只能采用鎖相放大。將通過切光器產(chǎn)生所需的參考信號，利用比較器和延時器或觸發(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、對光源進(jìn)行實時控制，不用的時候馬上關(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，不通訊時就可立刻停止供電；4、在電機(jī)監(jiān)測部件中，利用單片機(jī)的I/O口進(jìn)行檢測，只有當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時才啟動檢測部分，否則關(guān)閉電機(jī)監(jiān)測部件。,省電措施,操作軟件設(shè)計,底層：單片寄驅(qū)動程序，負(fù)責(zé)電路功能的實施，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,微弱信號檢測,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,