基于ccd的便攜式近紅外光譜儀器總體設計

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

2、有明顯的光譜信息。近紅外光譜分析技術綜合了光譜學、化學計量學、計算機應用和基礎測試技術等多學科知識，從而實現(xiàn)了近紅外光譜儀的光、機、電、算一體化設計。電荷耦合器件簡稱CCD，它的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。CCD是一種光電轉換器件。它以電荷包的形式儲存和傳送信息，主要由光敏單元，輸入結構和輸出結構等部份組成。CCD工作過程包括電荷的產(chǎn)生、存儲、轉移和讀出四個環(huán)節(jié)。本文主要從工作原理和系統(tǒng)設計（

3、包括確定儀器的工作原理、標準量的選擇、信號轉換與傳輸原理方式的選擇）、儀器的主要結構方案、主要參數(shù)和技術指標、系統(tǒng)簡圖、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計。關鍵詞關鍵詞：近紅外、CCD、總體設計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確反映被測樣品物質成分及含量的吸收光譜。其基本組成結構包括：光源系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、控制及數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)。NIRS儀器，按應用場合，分為實驗室儀器、現(xiàn)場儀

4、器和在線儀器等；按測樣方式分有透射、漫反射、光纖測量等三種儀器。按分光方式分為：（1）濾光片型：第一臺近紅外光譜儀的分光系統(tǒng)（20世紀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)幾個波長下測定（非連續(xù)波長），靈活性差，而且波長穩(wěn)定性、重現(xiàn)性差，如樣品的基體發(fā)生變化，往往會引起較大的測量誤差?！盀V光片”被稱為第一代分光技術。（2）光柵型：20世紀70年代中期至80年代，光柵掃描分光系統(tǒng)開始應用，但存在掃描速度慢、波長重現(xiàn)性差、

5、內(nèi)部移動部件多的不足。此類儀器最大的弱點是光柵或反光鏡的機械軸長時間連續(xù)使用易磨損，影響波長的精度和重現(xiàn)性，不適合作為過程分析儀器使用?！肮鈻拧北环Q為第二代分光技術。（3）傅立葉變換型：20世紀80年代中后期至90年代中前期，應用“傅立圖1基于CCD的近紅外光譜儀的結構簡圖光源作為工具照射被研究的物質，它向儀器提供能量，含有信號的光的能量通過傳感器轉換成含有信號的電能，使得儀器能夠對樣品進行定性定量分析。因此對光源的基本要求是在我們所測

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)來實現(xiàn)。測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，測樣器件隨測樣方法的不同而有較大的差異。就實驗室常規(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、測樣器件。根據(jù)本儀器的特點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)，北京光學儀器廠生產(chǎn)的WDG10型光柵單色儀。測控系統(tǒng)包括傳感器、控制、信號處理、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，并檢測光譜的強度、波長位置，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、電路部分和測控軟件部分。4主要參數(shù)和技術指標主要參數(shù)和技術指標（1）儀器的波長測量范圍：700nm～1000nm；（2）儀器的雜散光：0.5%；（3）儀器的波長準確度：0.5nm；（4）儀器的分辨率小于10nm；（5）儀器的測量時間5s；（6）儀器的數(shù)據(jù)分辨率達到0.5nm以下；（7）波長間隔可實現(xiàn)多檔選擇。5.總