CN107941746A - 一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头 - Google Patents
一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头，包括光源探针、检测探针、固定装置，其中光源探针、检测探针平行设置在固定装置上，光源探针上设置的出射窗正对着检测探针上设置的入射窗；光源探针内安装有出射光线发出装置，检测探针内安装有检测装置，出射光线发出装置将出射光传导至出射窗进入到固体颗粒物，出射光经过固体颗粒物形成的透射光经入射窗进入即得到入射光线，入射光线被检测装置接收，检测装置将接收到入射光线的光信号转换为电信号传输出去。本发明对比现有的透射、漫反射检测方式，这种透射式探头省去了样品池，不需要取样、装样等操作过程，使用更加方便，检测效率更高。
Description
技术领域
本发明涉及近红外光谱分析领域，特别涉及一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头。
背景技术
对粮食、油料作物种子、饲料颗粒等固体颗粒物的某几种成份信息进行快速检测有重要意义。比如，获取粮食等农作物部分成份的含量信息在粮食的收获、收购、储运、加工等阶段有重要意义，收购商可以根据小麦蛋白质含量信息按质论价，面粉生产商可以根据小麦的蛋白质含量信息调整生产。
近红外光谱分析技术利用近红外光对物质成分进行检测，使用这一技术对粮食等固体颗粒物进行检测不需要试剂、不损坏样品、速度快，精度也较高。这一技术从上世纪60、70年代开始在欧美等发达国家得到大量应用，国外很多粮食加工厂、饲料加工厂、药厂等有近红外光谱分析仪，近几十年国内也开始使用这一技术。很多国家，如美国、加拿大、中国等已将一些近红外检测粮食成分的方法定为标准方法(如AACC Method 39-25)。
目前使用近红外分析技术检测粮食等固体颗粒物主要使用透射方法和漫反射方法，具。对于很多固体颗粒物样品，透射方式效果更好，应用较多，一般用于台式仪器(USpatent 5241178、FOSS，Infratec TM 1241)。目前使用透射方法检测固体颗粒物，需要将样品置于样品池中，需要取样、装样等操作过程。粮食的很多检测需求属于现场分析，如交易现场、仓库等，繁琐的操作更适合实验室而不是现场分析应用。近红外光谱分析的很多现场分析应用如水果收获时成熟度检测、化工原料的仓库管理，已经开始大量使用手持式近红外光谱分析仪，如Felix Instruments Inc.的F-750，国内也有这类探头或仪器的专利(CN101799401A、CN103822900A、CN104034674A)，这些设备不需要装样操作，可以对水果或固体粉末进行直接检测，但这些设备并不能用于检测粮食等固体颗粒物，目前仍然缺乏不需要装样操作、能够直接对粮食进行检测的光谱分析仪，特别是手持式仪器。要解决近红外光谱分析难于用于粮食现场分析的问题，必须寻找新的检测方式，替代现有的装样检测方式。粮食油料作物种子等大固体颗粒物样品有一定流动性，检测时可以当成流体，可以设计特殊的探头，***样品中采用透射方式进行检测，但是目前近红外光谱分析仪器中缺乏可以将仪器或探头直接***粮食等固体颗粒物中进行检测的透射式检测装置。目前近红外分析领域有多种用于液体检测的透射式探头，如US patent 5418615的设计。但是粮食等固体颗粒物的颗粒较大，需要较大光程使透射光更加均匀，目前的透射式探头将光路布置在一个探针内，光程太小，甚至没有一些粮食的直径大，仅适合检测液体，并不适合用于粮食等固体颗粒物样品检测。单纯增加单个探针的体积以增加光程会造成探头体积过大。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头，能够对粮食、油料作物种子、饲料颗粒等固体颗粒物进行无损检测，属于近红外光谱分析仪的附件，适合与便携式及台式近红外分析仪配合使用。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头，包括光源探针、检测探针、固定装置，其中光源探针、检测探针平行设置在固定装置上，光源探针上设置的出射窗正对着检测探针上设置的入射窗；光源探针内安装有出射光线发出装置，检测探针内安装有检测装置，出射光线发出装置将出射光传导至出射窗进入到固体颗粒物，出射光经过固体颗粒物形成的透射光经入射窗进入即得到入射光线，入射光线被检测装置接收，检测装置将接收到入射光线的光信号转换为电信号传输出去。检测装置将光信号转换为电信号传输到探头外的采集、处理、显示***，进行进一步的处理。
所述检测装置包括分光元件、阵列探测器，入射窗、分光元件、阵列探测器依次排列；入射光线经过分光元件分光后到达阵列探测器，阵列探测器将入射光线的光信号转换为电信号传输出去。
所述分光元件光纤阵列板、滤光片阵列，入射窗、光纤阵列板、滤光片阵列、阵列探测器依次排列。
所述光纤阵列板为M个平行排列的短光纤，用于限制进入滤光片阵列的入射光线的角度，其中M≥1；所述滤光片阵列为N个窄带滤光片或者线性渐变滤光片组成的阵列，其中N≥1。
所述滤光片阵列为一维滤光片阵列，所述阵列探测器为线阵列探测器，或者所述滤光片阵列为二维滤光片阵列，所述阵列探测器为面阵列探测器。
所述出射光线发出装置包括第一光源、出射光纤束、第一反射镜，其中出射光纤束将第一光源的光传导至第一反射镜，经第一反射镜改变方向后经过出射窗进入到固体颗粒物中。
所述第二反射镜为平面反射镜或者长边镀有反射膜的实体直角棱镜。
所述长边镀有反射膜的实体直角棱镜与出射窗分体设置，或者与出射窗合并为一个实体棱镜。
所述出射光线发出装置包括第二光源，第二光源置于光源探针中且正对着出射窗，第二光源发出的光直接经过出射窗进入到固体颗粒物中。
所述出射光线发出装置采用在600～1100nm波段有连续分布的宽光谱光源，所述宽光谱光源包括卤钨灯光源、宽光谱LED。
所述光源探针、检测探针之间的间距为1cm～5cm。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明将探头设计成两个探针，两个探针内分别放置发光装置与接收光的装置，增加两个探针之间的距离从而加大光程，使固体颗粒物也能像液体一样通过***式探头进行检测。
使用近红外光谱分析测试样品部分成份的信息可以不使用连续光谱检测，而使用数个分立波长的光谱信号检测。滤光片型仪器就使用多个分立滤光片分光，得到几个分立波长的光谱信息。目前有使用旋转滤光片盘的仪器如美国专利US5241178，这属于前分光方式。也有文献提出使用滤光片阵列或线性渐变滤光片分光、阵列探测器检测，属于后分光方式，专利CN 103364360B的设计便使用类似结构通过反射的方式测试土壤内的水分。通过滤光片阵列与阵列探测器紧密结合可以简化仪器结构，缩小光学***体积。但是CN103364360B的设计用于检测漫反射光，另外仪器采用光纤传导光，分光及检测部分仍然置于探头之外，体积较大。本发明将滤光片阵列与阵列探测器结合并置于探针中，同时将光源置于探针中，这样光源与分光、探测部分都置于探针中，可以制作能***固体颗粒物样品的透射式检测探头，减少中间光传导的损失，目前还没有类似的设计。
2、本发明用于检测粮食等固体颗粒物成份信息，利用了粮食等固体颗粒物样品的流动性，直接***样品中使用。目前采用透射进行检测的近红外光谱仪器，需要使用样品池，需要取样、装样等流程。使用本发明，可以实现使用透射方法对粮食等固体颗粒物进行近红外检测，不需要取样、装样等流程。这种探头适合应用于便携式仪器，也可以用于台式仪器，这一探头可以提高在很多现场分析场合的检测效率。
附图说明
图1为本发明所述一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头的结构示意图。
图2为图1所示双探针透射式探头的一维滤光片阵列排布示意图。
图3为图1所示双探针透射式探头的二维滤光片阵列排布示意图。
其中，附图标记含义如下：
1-光源探针、2-检测探针、3-固定装置、4-出射窗、5-入射窗、6-光纤阵列板、7-滤光片阵列、8-阵列探测器、9-第一导线、10-第二光源、11-第二导线、12-滤光片。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1、2，一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头，包括光源探针、检测探针、固定装置，其中光源探针、检测探针平行设置在固定装置上，光源探针上设置的出射窗正对着检测探针上设置的入射窗；光源探针内安装有出射光线发出装置，检测探针内安装有检测装置，出射光线发出装置将出射光传导至出射窗进入到固体颗粒物，出射光经过固体颗粒物形成的透射光经入射窗进入即得到入射光线，入射光线被检测装置接收，检测装置将接收到入射光线的光信号转换为电信号通过第一导线传输出去。
用两个可以***样品的探针，采用透射方式对粮食等固体颗粒物进行检测。光源与接收透射光的探测部分分别置于两个细筒状探针中，两个探针分别为光源探针和检测探针。检测探针内接收光的探测部分面对光源放置。检测时将两个探针同时***检测样品中，光源发出的光，部分经过透射过程透过样品，被检测探针中的检测装置探测到，探测器接收的是经过样品的透射光。
两个探针之间有一定的间距，间距在1cm～5cm之间，这个距离大于待测固体颗粒物的直径，一般是待测固体颗粒物直径的几倍，根据样品透过率的不同而使用不同的距离。连接两个探针的固定装置可以是能够手动进行距离调节的装置，检测不同样品时设置为不同的距离。
如图1，一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头，主要有两个细圆筒状探针(光源探针、检测探针)组成。光源探针内有第二光源，第二光源与第二导线连接，检测探针内设置有检测装置。两个探针之间有连接两个探针的固定装置，连接两个探针的固定装置可以为不可以调整的固定结构，两个探针的距离无法改变，或者为可以手动调整的结构，两个探针的距离可以手动调整。
光源探针、检测探针的外壳由保护筒、出射窗、入射窗组成。出射窗正对入射窗，这样光源探针的光从出射窗进入固体颗粒物样品中，经过透射到达入射窗。
光源探针内有第二光源，第二光源可以为卤钨灯光源、宽光谱LED等在600～1100nm波段有连续分布的光源。
检测探针内的检测装置，由光纤阵列板、滤光片阵列、整列探测器组成。光纤阵列板用于限制滤光片阵列入射光的角度。光纤阵列板为大量平行排列的短光纤。光纤只允许较小入射角的光通过，可以防止大角度的光线照射到滤光片阵列上。
滤光片阵列为多个窄带滤光片组成的阵列，具体波长的确定需要根据不同的粮食等固体颗粒物样品，由近红外光谱分析方法优选出来。滤光片阵列中滤光的排列有多种形式。图2中滤光片阵列为一维的，图3中滤光片阵列为二维的，但是滤光片的数量和排布方式不限于图2、3列出的两种结构。滤光片阵列也可以是线性渐变滤光片。
阵列探测器可以为线阵列探测器，配合一维滤光片阵列使用，或者为面阵列探测器，配合二维滤光片阵列使用。阵列探测器的所需的电源、时序信号以及探测器输出信号由导线连接到探头外的控制、采集等电路部分。阵列探测器为线阵列探测器或面阵列探测器，阵列探测器的不同区域接收不同滤光片分光后得到的单色光，从而得到各个分立波长光谱强度的信息。
使用探头检测粮食等固体颗粒物时，将光源探针和检测探针***固体颗粒物样品中，出射窗、入射窗需浸没在固体颗粒物样品中。第二光源发出的光经出射窗进入固体颗粒物样品中，经过固体颗粒物样品的透射光进入入射窗，由光纤阵列板将大角度的入射光阻挡住，小角度的入射光照射到滤光片阵列上，经分光后被阵列探测器接收，阵列探测器将光信号转换为电信号传输到探头外的采集、处理、显示***。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头，其特征在于：包括光源探针、检测探针、固定装置，其中光源探针、检测探针平行设置在固定装置上，光源探针上设置的出射窗正对着检测探针上设置的入射窗；光源探针内安装有出射光线发出装置，检测探针内安装有检测装置，出射光线发出装置将出射光传导至出射窗进入到固体颗粒物，出射光经过固体颗粒物形成的透射光经入射窗进入即得到入射光线，入射光线被检测装置接收，检测装置将接收到入射光线的光信号转换为电信号传输出去。
2.根据权利要求1所述一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头，其特征在于：所述检测装置包括分光元件、阵列探测器，入射窗、分光元件、阵列探测器依次排列；入射光线经过分光元件分光后到达阵列探测器，阵列探测器将入射光线的光信号转换为电信号传输出去。
3.根据权利要求2所述一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头，其特征在于：所述分光元件光纤阵列板、滤光片阵列，入射窗、光纤阵列板、滤光片阵列、阵列探测器依次排列。
4.根据权利要求3所述一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头，其特征在于：所述光纤阵列板为M个平行排列的短光纤，用于限制进入滤光片阵列的入射光线的角度，其中M≥1；所述滤光片阵列为N个窄带滤光片或者线性渐变滤光片组成的阵列，其中N≥1。
5.根据权利要求3所述一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头，其特征在于：所述滤光片阵列为一维滤光片阵列，所述阵列探测器为线阵列探测器，或者所述滤光片阵列为二维滤光片阵列，所述阵列探测器为面阵列探测器。
6.根据权利要求1所述一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头，其特征在于：所述出射光线发出装置包括第一光源、出射光纤束、第一反射镜，其中出射光纤束将第一光源的光传导至第一反射镜，经第一反射镜改变方向后经过出射窗进入到固体颗粒物中。
7.根据权利要求6所述一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头，其特征在于：所述第二反射镜为平面反射镜或者长边镀有反射膜的实体直角棱镜。
8.根据权利要求7所述一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头，其特征在于：所述长边镀有反射膜的实体直角棱镜与出射窗分体设置，或者与出射窗合并为一个实体棱镜。
9.根据权利要求1所述一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头，其特征在于：所述出射光线发出装置包括第二光源，第二光源置于光源探针中且正对着出射窗，第二光源发出的光直接经过出射窗进入到固体颗粒物中。
10.根据权利要求1所述一种用于固体颗粒物光谱无损检测的双探针透射式探头，其特征在于：所述出射光线发出装置采用在600～1100nm波段有连续分布的宽光谱光源，所述宽光谱光源包括卤钨灯光源、宽光谱LED；所述光源探针、检测探针之间的间距为1cm～5cm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20180420 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |