CN103760116B

CN103760116B - 无可动部件在线连续测量式近红外水分仪

Info

Publication number: CN103760116B
Application number: CN201410038253.8A
Authority: CN
Inventors: 李新光; 宋端阳; 刘雨楠
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2034-01-27
Also published as: CN103760116A

Abstract

无可动部件在线连续测量式近红外水分仪，属于水分检测领域，是涉及一种采用近红外光谱法测定物质水分含量的仪器。本发明结构简单、紧凑，功耗低、测量精度高、稳定性好。本发明包括光路机构、检测硬件电路及计算机，光路机构由LED光源、光电探测器、反射镜及聚光镜组成；光电探测器设置在反射镜的上方；聚光镜设置在光电探测器的上方；LED光源设置在反射镜的侧方；LED光源由测量光源、第一参比光源及第二参比光源组成；检测硬件电路由第一信号发生器、第二信号发生器、第三信号发生器、第一移相电路、第二移相电路、第三移相电路、第一正交锁相放大电路、第二正交锁相放大电路、第三正交锁相放大电路及前置放大电路组成。

Description

无可动部件在线连续测量式近红外水分仪

技术领域

本发明属于水分检测领域，是涉及一种采用近红外光谱法测定物质水分含量的仪器，特别是涉及无可动部件在线连续测量式近红外水分仪，应用于冶金、食品、制药、化工及环保等行业中的物质含水率的在线测定。

背景技术

近红外水分测量为一种对物料非接触式的检测方法，具有响应速度快、精度高、可连续在线测量的特点。传统的近红外水分仪通常采用红外卤素灯泡做光源，采用窄带通滤光片对光源进行色散，将多个滤光片安装在旋转的切光盘上。一个滤光片对应一个波长，通常采用三个（一个测量，两个参比）波长进行测量。由于切光盘是旋转的，仪器中可动部件多，稳定性差；光线通过旋转的滤光片分时照在被测物料上，测量光是断续的；光源为红外灯泡，产生的光谱范围较宽，但有用波长光强占比较小，灯泡发热量大，且仪器功耗较大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种无可动部件在线连续测量式近红外水分仪，该近红外水分仪结构简单、紧凑，功耗低、测量精度高、稳定性好。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种无可动部件在线连续测量式近红外水分仪，包括光路机构、检测硬件电路及计算机，光路机构由LED光源、光电探测器、反射镜及聚光镜组成；所述光电探测器设置在反射镜的上方，聚光镜设置在光电探测器的上方；所述LED光源设置在反射镜的侧方，LED光源由测量光源、第一参比光源及第二参比光源组成；所述检测硬件电路由第一信号发生器、第二信号发生器、第三信号发生器、第一移相电路、第二移相电路、第三移相电路、第一正交锁相放大电路、第二正交锁相放大电路、第三正交锁相放大电路及前置放大电路组成。

所述光电探测器设置在聚光镜的焦点处。

所述光电探测器、反射镜均固定在基板上。

所述测量光源的波段为1.94μm，第一参比光源的波段为1.82μm，第二参比光源的波段为2.15μm。

所述测量光源与第一信号发生器的输入端相连，第一信号发生器的输出端与第一移相电路的输入端相连，第一移相电路的输出端与第一正交锁相放大电路的第一输入端相连，第一正交锁相放大电路的输出端与计算机的第一路A/D转换器输入端相连；所述第一参比光源与第二信号发生器的输入端相连，第二信号发生器的输出端与第二移相电路的输入端相连，第二移相电路的输出端与第二正交锁相放大电路的第一输入端相连，第二正交锁相放大电路的输出端与计算机的第二路A/D转换器输入端相连；所述第二参比光源与第三信号发生器的输入端相连，第三信号发生器的输出端与第三移相电路的输入端相连，第三移相电路的输出端与第三正交锁相放大电路的第一输入端相连，第三正交锁相放大电路的输出端与计算机的第三路A/D转换器输入端相连；所述光电探测器与前置放大电路的输入端相连，前置放大电路的输出端分别与第一正交锁相放大电路的第二输入端、第二正交锁相放大电路的第二输入端、第三正交锁相放大电路的第二输入端相连。

本发明的有益效果：

本发明的无可动部件在线连续测量式近红外水分仪，结构简单、紧凑，功耗低、测量精度高、稳定性好；其具体有益效果如下：

1、本发明的光源由传统仪器使用的红外灯泡改为红外LED光源，缩小了仪器体积；LED光源直接产生水分检测所需的测量光源、第一参比光源及第二参比光源，无需调制盘，电机等可动部件。

2、本发明由传统仪器的切光盘调制（有可动部件）分时测量改为对不同波长的LED进行不同频率的电调制（无可动部件）的连续测量，LED光源不间断地照射在被测物料上，实现非接触在线连续测量，降低了仪器的维护量、简化了仪器结构并延长了仪器的使用寿命；

3、本发明采用第一、第二、第三正交锁相放大电路放大并解调被测信号和参考信号，提高了仪器的灵敏度。

附图说明

图1为本发明的无可动部件在线连续测量式近红外水分仪的结构示意图；

图2为本发明的第一移向电路、第二移向电路或第三移向电路的电路原理图；

图3为本发明的前置放大电路的电路原理图；

图中，1—聚光镜，2—光电探测器，3—反射镜，4—基板，5—第一参比光源，6—测量光源，7—第二参比光源，8—被测物料，9—第二信号发生器，10—第一信号发生器，11—第三信号发生器，12—第二移向电路，13—第一移向电路，14—第三移向电路，15—第二正交锁相放大电路，16—第一正交锁相放大电路，17—第三正交锁相放大电路，18—前置放大电路，19—计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～3所示，一种无可动部件在线连续测量式近红外水分仪，包括光路机构、检测硬件电路及计算机19，光路机构由LED光源、光电探测器2、反射镜3及聚光镜1组成；所述光电探测器2设置在反射镜3的正上方；聚光镜1设置在光电探测器2的正上方；所述LED光源设置在反射镜3的右侧，LED光源由测量光源5、第一参比光源6及第二参比光源7组成；所述检测硬件电路由第一信号发生器9、第二信号发生器10、第三信号发生器11、第一移相电路12、第二移相电路13、第三移相电路14、第一正交锁相放大电路15、第二正交锁相放大电路16、第三正交锁相放大电路17及前置放大电路18组成。

所述光电探测器2设置在聚光镜1的焦点处。

所述光电探测器2、反射镜3均固定在基板4上。

所述测量光源6的波段为1.94μm，第一参比光源5的波段为1.82μm，第二参比光源7的波段为2.15μm。

所述测量光源6与第一信号发生器10的输入端相连，第一信号发生器10的输出端与第一移相电路13的输入端相连，第一移相电路13的输出端与第一正交锁相放大电路16的第一输入端相连，第一正交锁相放大电路16的输出端与计算机19的第一路A/D转换器输入端相连；所述第一参比光源5与第二信号发生器9的输入端相连，第二信号发生器9的输出端与第二移相电路12的输入端相连，第二移相电路12的输出端与第二正交锁相放大电路15的第一输入端相连，第二正交锁相放大电路15的输出端与计算机19的第二路A/D转换器输入端相连；所述第二参比光源7与第三信号发生器11的输入端相连，第三信号发生器11的输出端与第三移相电路14的输入端相连，第三移相电路14的输出端与第三正交锁相放大电路17的第一输入端相连，第三正交锁相放大电路17的输出端与计算机19的第三路A/D转换器输入端相连；所述光电探测器2与前置放大电路18的输入端相连，前置放大电路18的输出端分别与第一正交锁相放大电路16的第二输入端、第二正交锁相放大电路15的第二输入端、第三正交锁相放大电路17的第二输入端相连。

所述第一移相电路13、第二移相电路12及第三移相电路14均由运算放大器U1，电阻R1，电阻R2，电阻R3及电容C1组成；运算放大器U1的反相输入端与电阻R2的一端相连，运算放大器U1的同相输入端与电阻R3的一端相连接，电阻R2的另一端与电阻R3的另一端相连，并作为所在移相电路的输入端；电阻R1的一端与运算放大器U1的反相输入端相连，电阻R1的另一端与运算放大器U1的输出端相连，并作为所在移相电路的输出端；电容C1的一端同运算放大器U1的同相输入端相连接，电容C1的另一端接地。

所述前置放大电路18由运算放大器U2，电阻R4及电容C2组成；电阻R4的一端同运算放大器U2反相输入端相连，并作为前置放大电路18的输入端；电阻R4的另一端同运算放大器U2的输出端相连，并作为前置放大电路18的输出端；电容C2同电阻R4并联，运算放大器U2的同相输入端接地。

所述第一信号发生器10、第二信号发生器9及第三信号发生器11的芯片型号均为X2206(可替换)；所述第一正交锁相放大电路16、第二正交锁相放大电路15及第三正交锁相放大电路17的模拟乘法器的型号均为AD534（可替换），所述光电探测器2的型号为PD24-05-TEC-PR（可替换），所述第一参比光源5的型号为LED17-PR（可替换），所述测量光源6的型号为LED19-PR（可替换），所述第二参比光源7的型号为LED22-PR（可替换）。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

如图1～3所示，本发明的无可动部件在线连续测量式近红外水分仪，可测量运动中的被测物料8水分。在首次测量之前，采用烘干法对被测物料8含水量和本发明水分仪的测量值进行标定。将标定后的本发明水分仪安装在被测物料8的正上方，且本发明水分仪的反射镜3与被测物料8的垂直距离为200±50mm，由测量光源6、第一参比光源5、第二参比光源7发出的红外光照射到被测物料8上，经被测物料8漫散射后由聚光镜1收集，聚光镜1将收集到的散射光汇聚到光电探测器2上，光电探测器输出信号经前置放大电路18放大后，分别进入第一、第二、第三正交锁相放大电路得到三种频率检测信号，此三种频率检测信号分别同由第一、第二、第三信号发生器产生的三种不同频率参考信号相乘，解调出与LED光源发出的三种红外波长所对应的直流测量信号，通过计算机19对直流测量信号进行处理即可求得被测物料8的水分含量。

Claims

1.一种无可动部件在线连续测量式近红外水分仪，其特征在于包括光路机构、检测硬件电路及计算机，光路机构由LED光源、光电探测器、反射镜及聚光镜组成；所述光电探测器设置在反射镜的上方，聚光镜设置在光电探测器的上方；所述LED光源设置在反射镜的侧方，LED光源由测量光源、第一参比光源及第二参比光源组成；所述检测硬件电路由第一信号发生器、第二信号发生器、第三信号发生器、第一移相电路、第二移相电路、第三移相电路、第一正交锁相放大电路、第二正交锁相放大电路、第三正交锁相放大电路及前置放大电路组成；所述测量光源与第一信号发生器的输入端相连，第一信号发生器的输出端与第一移相电路的输入端相连，第一移相电路的输出端与第一正交锁相放大电路的第一输入端相连，第一正交锁相放大电路的输出端与计算机的第一路A/D转换器输入端相连；所述第一参比光源与第二信号发生器的输入端相连，第二信号发生器的输出端与第二移相电路的输入端相连，第二移相电路的输出端与第二正交锁相放大电路的第一输入端相连，第二正交锁相放大电路的输出端与计算机的第二路A/D转换器输入端相连；所述第二参比光源与第三信号发生器的输入端相连，第三信号发生器的输出端与第三移相电路的输入端相连，第三移相电路的输出端与第三正交锁相放大电路的第一输入端相连，第三正交锁相放大电路的输出端与计算机的第三路A/D转换器输入端相连；所述光电探测器与前置放大电路的输入端相连，前置放大电路的输出端分别与第一正交锁相放大电路的第二输入端、第二正交锁相放大电路的第二输入端、第三正交锁相放大电路的第二输入端相连。

2.根据权利要求1所述的无可动部件在线连续测量式近红外水分仪，其特征在于所述光电探测器设置在聚光镜的焦点处。

3.根据权利要求1所述的无可动部件在线连续测量式近红外水分仪，其特征在于所述光电探测器、反射镜均固定在基板上。

4.根据权利要求1所述的无可动部件在线连续测量式近红外水分仪，其特征在于所述测量光源的波段为1.94μm，第一参比光源的波段为1.82μm，第二参比光源的波段为2.15μm。