基于ccd的便攜式近紅外光譜儀器總體設(shè)計(jì)

1、基于基于CCD的便攜式近紅外光譜儀器總體設(shè)計(jì)的便攜式近紅外光譜儀器總體設(shè)計(jì)摘要摘要現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)是90年代以來發(fā)展最快、最引人注目的光譜分析技術(shù)，被譽(yù)為分析巨人。由于近紅外光譜技術(shù)具有分析速度快、成本低、無損無污染等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。近紅外光譜分析技術(shù)是利用反映原子和分子特征的發(fā)射與吸收光譜進(jìn)行物質(zhì)的化學(xué)組成及含量分析的物理方法。主要用于有機(jī)物質(zhì)定性和定量分析的一種分析技術(shù)，特別是對(duì)于豐富的含氫基團(tuán)（CH、OH、SH、NH等）

2、有明顯的光譜信息。近紅外光譜分析技術(shù)綜合了光譜學(xué)、化學(xué)計(jì)量學(xué)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用和基礎(chǔ)測(cè)試技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)了近紅外光譜儀的光、機(jī)、電、算一體化設(shè)計(jì)。電荷耦合器件簡(jiǎn)稱CCD，它的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)。CCD是一種光電轉(zhuǎn)換器件。它以電荷包的形式儲(chǔ)存和傳送信息，主要由光敏單元，輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等部份組成。CCD工作過程包括電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和讀出四個(gè)環(huán)節(jié)。本文主要從工作原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)（

3、包括確定儀器的工作原理、標(biāo)準(zhǔn)量的選擇、信號(hào)轉(zhuǎn)換與傳輸原理方式的選擇）、儀器的主要結(jié)構(gòu)方案、主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)、系統(tǒng)簡(jiǎn)圖、總體布局和總體精度分配來講述了基于CCD的近紅外光譜儀器的總體設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：近紅外、CCD、總體設(shè)計(jì)1.工作原理的選擇工作原理的選擇近紅外光譜儀器提供準(zhǔn)確反映被測(cè)樣品物質(zhì)成分及含量的吸收光譜。其基本組成結(jié)構(gòu)包括：光源系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、控制及數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)。NIRS儀器，按應(yīng)用場(chǎng)合，分為實(shí)驗(yàn)室儀器、現(xiàn)場(chǎng)儀

4、器和在線儀器等；按測(cè)樣方式分有透射、漫反射、光纖測(cè)量等三種儀器。按分光方式分為：（1）濾光片型：第一臺(tái)近紅外光譜儀的分光系統(tǒng)（20世紀(jì)50年代后期）是濾光片分光系統(tǒng)。此類儀器只能在單一或少數(shù)幾個(gè)波長(zhǎng)下測(cè)定（非連續(xù)波長(zhǎng)），靈活性差，而且波長(zhǎng)穩(wěn)定性、重現(xiàn)性差，如樣品的基體發(fā)生變化，往往會(huì)引起較大的測(cè)量誤差?！盀V光片”被稱為第一代分光技術(shù)。（2）光柵型：20世紀(jì)70年代中期至80年代，光柵掃描分光系統(tǒng)開始應(yīng)用，但存在掃描速度慢、波長(zhǎng)重現(xiàn)性差、

5、內(nèi)部移動(dòng)部件多的不足。此類儀器最大的弱點(diǎn)是光柵或反光鏡的機(jī)械軸長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用易磨損，影響波長(zhǎng)的精度和重現(xiàn)性，不適合作為過程分析儀器使用。“光柵”被稱為第二代分光技術(shù)。（3）傅立葉變換型：20世紀(jì)80年代中后期至90年代中前期，應(yīng)用“傅立圖1基于CCD的近紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖光源作為工具照射被研究的物質(zhì)，它向儀器提供能量，含有信號(hào)的光的能量通過傳感器轉(zhuǎn)換成含有信號(hào)的電能，使得儀器能夠?qū)悠愤M(jìn)行定性定量分析。因此對(duì)光源的基本要求是在我們所測(cè)

6、量的光譜區(qū)域內(nèi)即短波近紅外區(qū)域能夠發(fā)射足夠強(qiáng)度的光輻射，并具有良好的穩(wěn)定性。一般來說，光源的亮度不成問題，要獲得穩(wěn)定的光譜主要是解決光源的穩(wěn)定性，而這主要通過高性能的光源能量監(jiān)控和可靠電路系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。測(cè)樣器件是指承載樣品或與樣品作用的器件。由于近紅外光及樣品近紅外光譜的特點(diǎn)，測(cè)樣器件隨測(cè)樣方法的不同而有較大的差異。就實(shí)驗(yàn)室常規(guī)分析而言，液體樣品可采用玻璃或石英樣品池；固體可采用積分球或特定的漫反射載樣器件；在定位或在線分析中經(jīng)常采用光纖

7、測(cè)樣器件。根據(jù)本儀器的特點(diǎn)提出了采用光纖取樣和樣品池漫透射取樣兩種方法。分光系統(tǒng)的作用是將入射的復(fù)合光分解為光譜。它是近紅外光譜儀器的核心部件。根據(jù)分光原理的不同，現(xiàn)在近紅外光譜儀器的分光器件主要有濾光片、光柵、干涉儀、聲光調(diào)制濾光器等4種類型。根據(jù)要求，決定采用由光柵，凹面鏡和平面鏡組成的分光系統(tǒng)，北京光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的WDG10型光柵單色儀。測(cè)控系統(tǒng)包括傳感器、控制、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理分析模塊，是儀器的重要組成部分。它的作用是將光譜能

8、量接收，并檢測(cè)光譜的強(qiáng)度、波長(zhǎng)位置，并且能成為光譜圖。這也是本論文涉及到的主要部分，即圖32中圈起來的部分。主要包括傳感器、電路部分和測(cè)控軟件部分。4主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)（1）儀器的波長(zhǎng)測(cè)量范圍：700nm～1000nm；（2）儀器的雜散光：0.5%；（3）儀器的波長(zhǎng)準(zhǔn)確度：0.5nm；（4）儀器的分辨率小于10nm；（5）儀器的測(cè)量時(shí)間5s；（6）儀器的數(shù)據(jù)分辨率達(dá)到0.5nm以下；（7）波長(zhǎng)間隔可實(shí)現(xiàn)多檔選擇。5.總