CN112903588A - 基于自校准的近红外光谱仪、校准方法和使用方法 - Google Patents

基于自校准的近红外光谱仪、校准方法和使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及近红外光谱技术领域，本发明基于自校准的近红外光谱仪、校准方法和使用方法通过根据光波长和校准光谱传感器内部温度与环境温度的差计算出的校准光谱传感器的控制电压值对测试光谱传感器的控制电压进行校准和补偿，解决了近红外光谱仪在进行光谱检测时，受温度影响导致检测精度不高的问题，本发明适用于近红外光谱仪。

Description

基于自校准的近红外光谱仪、校准方法和使用方法
技术领域
本发明涉及近红外光谱技术领域，特别涉及基于自校准的近红外光谱仪、校准方法和使用方法。
背景技术
近年来，随着近红外光谱技术的飞速发展，无损检测理念已经开始慢慢渗透人们的生活，在无损检测方面，近红外技术因具有易操作、安全高效等优点而受到大众的青睐，市面上出现了各种各样的近红外光谱仪，但他们都存在一个普遍的缺点，那便是：在进行光谱检测时，受温度影响较为严重，导致检测精度不高。
发明内容
本发明所解决的技术问题：提供一种基于自校准的近红外光谱仪、校准方法和使用方法解决近红外光谱仪在进行光谱检测时，受温度影响导致检测精度不高的问题。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案：基于自校准的近红外光谱仪包括控制芯片、电源模块、测试光谱传感器和红外温度传感器；所述控制芯片分别与电源模块、测试光谱传感器和红外温度传感器相连；
所述控制芯片用于通过控制测试光谱传感器的电压实现对测试光谱传感器发出的光波长控制，根据测试光谱传感器内部温度和红外温度传感器采集到的环境温度的差值和当前发出的红外光波长计算出控制电压，并根据计算出的控制电压对实际控制电压进行校准和补偿；
所述电源模块用于供电；
所述测试光谱传感器用于发射测试红外光和采集被测物反射的测试近红外光数据，以及将内部温度数据传给控制芯片；
所述红外温度传感器用于测试环境温度。
进一步的，该近红外光谱仪还包括存储单元，所述存储单元与控制柜芯片相连，用于存储数据。
进一步的，该近红外光谱仪还包括校准光谱传感器，所述校准光谱传感器与控制芯片相连，发射测试红外光和采集被测物反射的测试近红外光数据，以及将内部温度数据传给控制芯片。
进一步的，该近红外光谱仪还包括隔光板和无线通信模块；所述隔光板用于在物理上将校准光谱传感器和测试光谱传感器隔绝；所述无线通信模块与控制芯片相连，实现远程控制近红外光谱仪和上传数据，所述远程控制包括设置检测光波段和歩距。
进一步的，该近红外光谱仪还包括显示屏、按键和USB模块，所述显示屏与控制芯片相连，用于显示检测过程中的数据和检测结果，所述按键与控制芯片相连，所述按键包括近红外开关机按键，所述USB模块与控制芯片相连，用于充电和调试。
进一步的，测试光谱传感器和校准光谱传感器均包括多个光谱传感器，所述多个光谱传感器并联。
进一步的，该近红外光谱仪还包括外置光源，所述外置光源与控制芯片相连，用于消除杂光干涉。
近红外光谱仪自校准方法，包括以下步骤：
S001、近红外光谱仪开机，控制芯片读取存储单元中的数据，所述数据包括预设电压差V；
S002、设置近红外光谱仪歩距和检测光波段；
S003、控制芯片根据设置的检测光波段和歩距，计算出检测光谱传感器依次发出的红外光的波长，根据红外光的波长计算控制测试光谱传感器的控制电压V1，控制测试光谱传感器依次发射相应波长的红外光；
S004、在每次发射红外光时，红外光谱传感器将内部温度T1传给控制芯片，控制芯片通过红外温度传感器获得环境温度T2，控制芯片通过T1与T2的差和当前发射红外光的波长，计算出理论控制电压V2；
S005、控制芯片判断电压V1与V2的差和预设电压差V的大小关系：
当电压V1与V2的差大于预设电压差V时，控制芯片对V1进行补偿，补偿后的控制电压值与V2相同；存储当前波长和补偿后的控制电压值；
当电压V1与V2的差不大于预设电压差V时，存储当前波长和控制电压V1；
S006、依次计算并保存设置的检测光波段和歩距中所含波长对应的控制电压V1；
S007、校准完成。
近红外光谱仪的使用方法，包括以下步骤：
S011、近红外光谱仪开机；
S012、设置近红外光谱仪歩距和检测光波段；
S013、控制芯片根据设置的检测光波段和歩距，计算出检测光谱传感器依次发出的红外光的波长，通过控制检测光谱传感器的电压，控制检测光谱传感器依次发射相应波长的红外光，所述电压通过在存储单元中查找存储的相应波长对应的控制电压来获取；
S014、检测光谱传感器获取被测物反射的相应波长的红外光的光强数据。
近红外光谱仪在测试过程中进行实时校准的方法，包括以下步骤：
S021、近红外光谱仪开机；
S022、设置近红外光谱仪歩距和检测光波段；
S023、控制芯片根据设置的歩距和检测光波段，计算出检测光谱传感器和校准光谱传感器分别依次发出的红外光的波长；根据红外光的波长计算控制校准光谱传感器的控制电压，控制校准光谱传感器依次发射相应波长的红外光；
S024、在校准光谱传感器每次发射红外光时，控制芯片获取当前校准光谱传感器内部温度T3和当前红外温度传感器采集的环境温度T4，控制芯片根据T3与T4的差和当前检测光谱传感器要发出的红外光的波长计算得到理论控制电压V4；
S025、控制芯片依次通过控制检测光谱传感器的电压为理论控制电压V4，使其发出相应波长的红外光；
S026、检测光谱传感器获取被测物反射的相应波长的红外光的光强数据。
本发明的有益效果：本发明基于自校准的近红外光谱仪及其自检和使用的方法通过根据光波长和校准光谱传感器内部温度与环境温度的差计算出的校准光谱传感器的控制电压值对测试光谱传感器的控制电压进行校准和补偿，解决了近红外光谱仪在进行光谱检测时，受温度影响导致检测精度不高的问题。
附图说明
附图1是本发明基于自校准的近红外光谱仪的结构示意图。
附图2是本发明基于自校准的近红外光谱仪的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明基于自校准的近红外光谱仪，如附图1所示，包括控制芯片、电源模块、测试光谱传感器和红外温度传感器；所述控制芯片分别与电源模块、测试光谱传感器和红外温度传感器相连；
所述控制芯片用于通过控制测试光谱传感器的电压实现对测试光谱传感器发出的光波长控制，根据测试光谱传感器内部温度和红外温度传感器采集到的环境温度的差值和当前发出的红外光波长计算出控制电压，并根据计算出的控制电压对实际控制电压进行校准和补偿；
所述电源模块用于供电；
所述测试光谱传感器用于发射测试红外光和采集被测物反射的测试近红外光数据，以及将内部温度数据传给控制芯片；
所述红外温度传感器用于测试环境温度。
进一步的，该近红外光谱仪还包括存储单元，所述存储单元与控制柜芯片相连，用于存储数据。
进一步的，该近红外光谱仪还包括校准光谱传感器，所述校准光谱传感器与控制芯片相连，发射测试红外光和采集被测物反射的测试近红外光数据，以及将内部温度数据传给控制芯片。
进一步的，该近红外光谱仪还包括隔光板和无线通信模块；所述隔光板用于在物理上将校准光谱传感器和测试光谱传感器隔绝，目的是解决校准光谱传感器和测试光谱传感器发出的红外光相互干扰；所述无线通信模块与控制芯片相连，实现远程控制近红外光谱仪和上传数据，所述远程控制包括设置检测光波段和歩距。
进一步的，该近红外光谱仪还包括显示屏、按键和USB模块，所述显示屏与控制芯片相连，用于显示检测过程中的数据和检测结果，所述按键与控制芯片相连，所述按键包括近红外开关机按键，所述USB模块与控制芯片相连，用于充电和调试。
进一步的，测试光谱传感器和校准光谱传感器均包括多个光谱传感器，所述多个光谱传感器并联。
进一步的，该近红外光谱仪还包括外置光源，所述外置光源与控制芯片相连，用于消除杂光干涉，提高近红外光谱仪的检测精度。
近红外光谱仪自校准方法，包括以下步骤：
S001、近红外光谱仪开机，控制芯片读取存储单元中的数据，所述数据包括预设电压差V；
S002、设置近红外光谱仪歩距和检测光波段；
S003、控制芯片根据设置的检测光波段和歩距，计算出检测光谱传感器依次发出的红外光的波长，根据红外光的波长计算控制测试光谱传感器的控制电压V1，控制测试光谱传感器依次发射相应波长的红外光；
S004、在每次发射红外光时，红外光谱传感器将内部温度T1传给控制芯片，控制芯片通过红外温度传感器获得环境温度T2，控制芯片通过T1与T2的差和当前发射红外光的波长，计算出理论控制电压V2；
S005、控制芯片判断电压V1与V2的差和预设电压差V的大小关系：
当电压V1与V2的差大于预设电压差V时，控制芯片对V1进行补偿，补偿后的控制电压值与V2相同；存储当前波长和补偿后的控制电压值；
当电压V1与V2的差不大于预设电压差V时，存储当前波长和控制电压V1；
S006、依次计算并保存设置的检测光波段和歩距中所含波长对应的控制电压V1；
S007、校准完成。
近红外光谱仪的使用方法，包括以下步骤：
S011、近红外光谱仪开机；
S012、设置近红外光谱仪歩距和检测光波段；
S013、控制芯片根据设置的检测光波段和歩距，计算出检测光谱传感器依次发出的红外光的波长，通过控制检测光谱传感器的电压，控制检测光谱传感器依次发射相应波长的红外光，所述电压通过在存储单元中查找存储的相应波长对应的控制电压来获取；
S014、检测光谱传感器获取被测物反射的相应波长的红外光的光强数据。
近红外光谱仪在测试过程中进行实时校准的方法，包括以下步骤：
S021、近红外光谱仪开机；
S022、设置近红外光谱仪歩距和检测光波段；
S023、控制芯片根据设置的歩距和检测光波段，计算出检测光谱传感器和校准光谱传感器分别依次发出的红外光的波长；根据红外光的波长计算控制校准光谱传感器的控制电压，控制校准光谱传感器依次发射相应波长的红外光；
S024、在校准光谱传感器每次发射红外光时，控制芯片获取当前校准光谱传感器内部温度T3和当前红外温度传感器采集的环境温度T4，控制芯片根据T3与T4的差和当前检测光谱传感器要发出的红外光的波长计算得到理论控制电压V4；
S025、控制芯片依次通过控制检测光谱传感器的电压为理论控制电压V4，使其发出相应波长的红外光；
S026、检测光谱传感器获取被测物反射的相应波长的红外光的光强数据。
本发明的一个实施例如下：
基于自校准的近红外光谱仪，如附图2所示，包括ARM Corter-M4、电源、存储单元、外置光源、NB-IOT模块、蓝牙模块、测试光谱传感器阵列、校准光谱传感器阵列、显示屏、USB、红外温度传感器和按键；ARM Corter-M4分别与电源、外置光源、NB-IOT模块、蓝牙模块、测试光谱传感器阵列、校准光谱传感器阵列、显示屏、USB、红外温度传感器和按键相连。
具体的，外置光源采用具有高稳定性的LED灯；测试光谱传感器阵列由3个相同型号的光谱传感器并联组成；校准光谱传感器阵列与测试光谱传感器阵列完全一样；显示屏采用E-INK电子墨水屏，具有低功耗、低成本、显示数据掉电不丢失等优点。
基于自校准的近红外光谱仪具有2种工作模式，第一种：先校准，再检测；第二种：在检测过程中实时校准。
对于第一种工作模式，校准过程包括以下步骤：
S001、近红外光谱仪开机，控制芯片读取存储单元中的数据，所述数据包括预设电压差V；具体的，通过按键控制近红外光谱仪开机，预设电压差V为0.3mV。
S002、设置近红外光谱仪歩距和检测光波段；在本实施例中，可以通过按键、NB-IOT模块或蓝牙模块来设置歩距和检测光波段，比如，歩距设为10nm，检测光波段设为1400-1700nm。
S003、控制芯片根据设置的检测光波段和歩距，计算出检测光谱传感器阵列依次发出的红外光的波长，根据红外光的波长计算控制校准光谱传感器阵列的控制电压V1，控制校准光谱传感器阵列依次发射相应波长的红外光；因校准光谱传感器阵列和测试光谱传感器阵列完全一样，所以此步骤中的校准光谱传感器阵列可以替换成检测光谱传感器阵列；具体的，以歩距10nm、检测光波段1400-1700nm为例，校准光谱传感器阵列依次发出的红外光波长分别为1400nm，1410nm，1420nm，…，1690nm，1700nm；控制校准光谱传感器阵列的电压V1的值由以下公式计算：
λ＝a0+a1V+a2V2+a3V3+a4V4+a5V5+a6V6+a7V7
其中，a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7分别光谱传感的电压与波长转换系数，λ表示波长，V表示电压，即所述的控制电压V1。
S004、在每次发射红外光时，校准光谱传感器阵列将内部温度T1传给控制芯片，控制芯片通过红外温度传感器获得环境温度T2，控制芯片通过T1与T2的差和当前发射红外光的波长，计算出理论控制电压V2；具体的，V2的计算公式是：
V2＝a0λ5+b0λ4+c0λ3+d0λ2+e0λ+f0+(a1λ5+b1λ4+c1λ3+d1λ2+e1λ+f1)ΔT+(a2λ5+b2λ4+c2λ3+d2λ2+e2λ+f2)ΔT2
其中，V表示电压，即理论控制电压V2，ΔT为T1与T2的差，
an，bn，cn，dn，en，fn，(n为0,1,2)为常数，由以下公式计算获得：
a0＝-C5*a
b0＝-C4*(5aK+3ag+b)
c0＝C3*(12agK+4bK-10aK3-3ag2-2bg-c)
d0＝C2*(18agK2+6bK2-9ag2K-6bgK-3cK+ag3+bg2+cg-10aK2)
e0＝CK*(12agK2+4bK2-9ag2K-6bgK-3cK+2ag3+2bg2+2cg-5aK3)
f0＝K2*(-aK3+3agK2+bK2-3ag2K-2bgK-cK+ag3+bg2+cg)
a1＝-C5*p
b1＝-C4*(5pK+3pg+q)
c1＝C3*(12pgK+4qK-10pK3-3qg2-2qg-r)
d1＝C2*(18pgK2+6qK2-9pg2K-6qgK-3rK+pg3+qg2+rg-10pK2)
e1＝CK*(12pgK2+4qK2-9pg2K-6qgK-3rK+2pg3+2qg2+2rg-5pK3+2s)
f1＝K2*(-pK3+3pgK2+bK2-3pg2K-2qgK-rK+pg3+qg2+rg+s)
a2＝-C5*t
b2＝-C4*(5tK+3tg+u)
c2＝C3*(12tgK+4uK-10tK3-3tg2-2ug-w)
d2＝C2*(18tgK2+6uK2-9tg2K-6ugK-3vK+tg3+ug2+vg-10tK2)
e2＝CK*(12tgK2+4uK2-9tg2K-6ugK-3vK+2tg3+2ug2+2vg-5tK3)
f2＝K2*(-tK3+3tgK2+uK2-3tg2K-2ugK-vK+tg3+ug2+wg)
其中，
Figure BDA0002978845010000071
K＝1.716*(1-C)，a，b，c，g，p，q，r，s，t，u，v，w为光谱传感器特有的波长转电压计算常数。
S005、控制芯片判断电压V1与V2的差和预设电压差V的大小关系：
当电压V1与V2的差大于预设电压差V时，控制芯片对V1进行补偿，补偿后的控制电压值与V2相同；存储当前波长和补偿后的控制电压值；
当电压V1与V2的差不大于预设电压差V时，存储当前波长和控制电压V1；
具体的，当波长为1400nm时，如果控制电压V1与V2的差ΔT大于预设电压0.3mV，则对控制电压进行补偿，使得补偿后的电压值与理论控制电压V2相同，存储当前波长和补偿后的控制电压值，如果控制电压V1与V2的差ΔT不大于预设电压0.3mV，存储当前波长和控制电压V1。
S006、依次计算并保存设置的检测光波段和歩距中所含波长对应的控制电压V1；具体的，获得1400nm及其对应的控制电压，1410nm及其对应的控制电压，…，1700nm及其对应的控制电压。
S007、校准完成。
检测过程包括以下步骤：
S011、近红外光谱仪开机；具体的，通过按键控制近红外光谱仪开机。
S012、设置近红外光谱仪歩距和检测光波段；可以通过按键、NB-IOT模块或蓝牙模块来设置歩距和检测光波段，具体的，设置的歩距和检测光波段所对应的光波长是经过校准过程校准的波长。
S013、控制芯片根据设置的检测光波段和歩距，计算出检测光谱传感器阵列依次发出的红外光的波长，通过控制检测光谱传感器阵列的电压，控制检测光谱传感器阵列依次发射相应波长的红外光，所述电压通过在存储单元中查找存储的相应波长对应的控制电压来获取；具体的，通过波长在存储单元中找到当前波长校准后的控制电压，依此电压依次对检测光谱传感器阵列进行控制。
S014、检测光谱传感器阵列获取被测物反射的相应波长的红外光的光强数据。
对于第二种：在检测过程中实时校准，包括以下步骤：
S021、近红外光谱仪开机，控制芯片读取存储单元中的数据，所述数据包括预设电压差V3；具体的，通过按键控制近红外光谱仪开机，预设电压差V为0.3mV。
S022、设置近红外光谱仪歩距和检测光波段；在本实施例中，可以通过按键、NB-IOT模块或蓝牙模块来设置歩距和检测光波段。
S023、控制芯片根据设置的歩距和检测光波段，计算出检测光谱传感器阵列和校准光谱传感器阵列分别依次发出的红外光的波长；根据红外光的波长计算控制校准光谱传感器阵列的控制电压，控制校准光谱传感器阵列依次发射相应波长的红外光；具体的，以歩距10nm、检测光波段1400-1700nm为例，校准光谱传感器阵列依次发出的红外光波长分别为1400nm，1410nm，1420nm，…，1690nm，1700nm。
S024、在校准光谱传感器阵列每次发射红外光时，控制芯片获取当前校准光谱传感器阵列内部温度T3和当前红外温度传感器采集的环境温度T4，控制芯片根据T3与T4的差和当前检测光谱传感器阵列要发出的红外光的波长计算得到理论控制电压V4；具体的，理论控制电压V4的计算过程与第一种校准过程中计算理论控制电压V2相同。
S025、控制芯片依次通过控制检测光谱传感器阵列的电压为理论控制电压V4，使其发出相应波长的红外光；
S026、检测光谱传感器阵列获取被测物反射的相应波长的红外光的光强数据。

Claims (10)

1.基于自校准的近红外光谱仪，其特征在于，包括控制芯片、电源模块、测试光谱传感器和红外温度传感器；所述控制芯片分别与电源模块、测试光谱传感器和红外温度传感器相连；
所述控制芯片用于通过控制测试光谱传感器的电压实现对测试光谱传感器发出的光波长控制，根据测试光谱传感器内部温度和红外温度传感器采集到的环境温度的差值和当前发出的红外光波长计算出控制电压，并根据计算出的控制电压对实际控制电压进行校准和补偿；
所述电源模块用于供电；
所述测试光谱传感器用于发射测试红外光和采集被测物反射的测试近红外光数据，以及内部温度数据传给控制芯片；
所述红外温度传感器用于测试环境温度。
2.根据权利要求1所述的基于自校准的近红外光谱仪，其特征在于，还包括存储单元，所述存储单元与控制芯片相连，用于存储数据。
3.根据权利要求1所述的基于自校准的近红外光谱仪，其特征在于，还包括校准光谱传感器，所述校准光谱传感器与控制芯片相连，发射测试红外光和采集被测物反射的测试近红外光数据，以及将内部温度数据传给控制芯片。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于自校准的近红外光谱仪，其特征在于，还包括隔光板和无线通信模块；所述隔光板用于在物理上将校准光谱传感器和测试光谱传感器隔绝；所述无线通信模块与控制芯片相连，实现远程控制近红外光谱仪和上传数据，所述远程控制包括设置检测光波段和歩距。
5.根据权利要求1-3任一项所述的基于自校准的近红外光谱仪，其特征在于，还包括显示屏、按键和USB模块，所述显示屏与控制芯片相连，用于显示检测过程中的数据和检测结果，所述按键与控制芯片相连，所述按键包括近红外开关机按键，所述USB模块与控制芯片相连，用于充电和调试。
6.根据权利要求3所述的基于自校准的近红外光谱仪，其特征在于，所述测试光谱传感器和所述校准光谱传感器均包括多个光谱传感器，所述多个光谱传感器并联。
7.根据权利要求1-3任一项所述的基于自校准的近红外光谱仪，其特征在于，还包括外置光源，所述外置光源与控制芯片相连，用于消除杂光干涉。
8.近红外光谱仪自校准方法，应用于权利要求2所述的基于自校准的近红外光谱仪，其特征在于，包括以下步骤：
S001、近红外光谱仪开机，控制芯片读取存储单元中的数据，所述数据包括预设电压差V；
S002、设置近红外光谱仪歩距和检测光波段；
S003、控制芯片根据设置的检测光波段和歩距，计算出检测光谱传感器依次发出的红外光的波长，根据红外光的波长计算控制测试光谱传感器的控制电压V1，控制测试光谱传感器依次发射相应波长的红外光；
S004、在每次发射红外光时，红外光谱传感器将内部温度T1传给控制芯片，控制芯片通过红外温度传感器获得环境温度T2，控制芯片通过T1与T2的差和当前发射红外光的波长，计算出理论控制电压V2；
S005、控制芯片判断电压V1与V2的差和预设电压差V的大小关系：
当电压V1与V2的差大于预设电压差V时，控制芯片对V1进行补偿，补偿后的控制电压值与V2相同；存储当前波长和补偿后的控制电压值；
当电压V1与V2的差不大于预设电压差V时，存储当前波长和控制电压V1；
S006、依次计算并保存设置的检测光波段和歩距中所含波长对应的控制电压V1；
S007、校准完成。
9.近红外光谱仪的使用方法，应用于权利要求2所述的基于自校准的近红外光谱仪，其特征在于，包括以下步骤：
S011、近红外光谱仪开机；
S012、设置近红外光谱仪歩距和检测光波段；
S013、控制芯片根据设置的检测光波段和歩距，计算出检测光谱传感器依次发出的红外光的波长，通过控制检测光谱传感器的电压，控制检测光谱传感器依次发射相应波长的红外光，所述电压通过在存储单元中查找存储的相应波长对应的控制电压来获取；
S014、检测光谱传感器获取被测物反射的相应波长的红外光的光强数据。
10.近红外光谱仪在测试过程中进行实时校准的方法，应用于权利要求3所述的基于自校准的近红外光谱仪，其特征在于，包括以下步骤：
S021、近红外光谱仪开机；
S022、设置近红外光谱仪歩距和检测光波段；
S023、控制芯片根据设置的歩距和检测光波段，计算出检测光谱传感器和校准光谱传感器分别依次发出的红外光的波长；根据红外光的波长计算控制校准光谱传感器的控制电压，控制校准光谱传感器依次发射相应波长的红外光；
S024、在校准光谱传感器每次发射红外光时，控制芯片获取当前校准光谱传感器内部温度T3和当前红外温度传感器采集的环境温度T4，控制芯片根据T3与T4的差和当前检测光谱传感器要发出的红外光的波长计算得到理论控制电压V4；
S025、控制芯片依次通过控制检测光谱传感器的电压为理论控制电压V4，使其发出相应波长的红外光；
S026、检测光谱传感器获取被测物反射的相应波长的红外光的光强数据。
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