FR2907552A1 - Spectromephotometric analysis system for e.g. sorting fruits in agri-food industry, has computer comprising data analysis program and analysis system that includes detectors, where detectors are moved with respect to fixed dispersive system - Google Patents
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Abstract
Description
1 L'invention est du domaine des systèmes d'analyse spectrophotométriqueThe invention is in the field of spectrophotometric analysis systems
permettant d'analyser des objets gazeux , liquides ou solides, immobiles ou en mouvement à l'aide de rayons ultraviolets, visibles ou infrarouges. to analyze gaseous, liquid or solid objects, immobile or in motion using ultraviolet, visible or infrared rays.
Il existe de nombreux systèmes d'analyse basés sur la spectrophotométrie utilisant un faisceau de lumière constitué de rayons ultraviolets ,visibles ou infrarouges dont le principe général est le suivant :un faisceau de lumière incident passe à travers l'objet à analyser ou est réfléchi par l'objet ,la comparaison du faisceau incident et du faisceau réfléchi ou transmis renseigne quant aux constituants de l'objet Les systèmes de spectrophotométrie utilisent des éléments dispersifs capable de décomposer le faisceau en ses différentes longueurs d'onde . Ces éléments dispersifs peuvent être de type prisme ou réseau de diffraction ou l'association d'un ou plusieurs de ces deux éléments . There are many analysis systems based on spectrophotometry using a light beam consisting of ultraviolet, visible or infrared rays whose general principle is as follows: an incident beam of light passes through the object to be analyzed or is reflected by the object, the comparison of the incident beam and the reflected or transmitted beam informs about the constituents of the object The spectrophotometry systems use dispersive elements capable of breaking down the beam at its different wavelengths. These dispersive elements may be of the prism or diffraction grating type or the combination of one or more of these two elements.
Avant le dispositif dispersif le faisceau lumineux a traversé une fente d'entrée destinée à assurer une cohérence spatiale au faisceau . La largeur de la fente d'entrée influence la résolution du spectrophotomètre .Plus la fente est petite meilleure est la résolution du spectrophotomètre . Before the dispersive device, the light beam has passed through an entrance slot intended to ensure spatial coherence to the beam. The width of the entrance slit influences the resolution of the spectrophotometer. The smaller the slit the better the resolution of the spectrophotometer.
Le faisceau lumineux décomposé suivant ses longueurs d'ondes par le ou les éléments dispersifs est analysé par un ou une pluralité de détecteurs photoélectriques ou pyroelectriques . Ces détecteurs peuvent etre des photodiodes en silicium , ou en matiere resultant d'une combinaison d'atomes d'indium, de gallium et d'arsenic (dénommées ci après InGaAs) . The light beam decomposed along its wavelengths by the dispersive element (s) is analyzed by one or a plurality of photoelectric or pyroelectric detectors. These detectors may be silicon photodiodes, or material resulting from a combination of indium, gallium and arsenic atoms (hereinafter referred to as InGaAs).
Les dits détecteurs InGaAs sont particulièrement aptes à détecter des longueurs d'onde dans la gamme spectrale 900 nm à 2500 nm. Il existe actuellement 2 conceptions de systèmes spectrophotométriques suivant la nature unique ou multiple des détecteurs : lere conception : Lorsque le détecteur est unique le système dispersif est mis en rotation. L'utilisation de miroirs tournant est parfois judicieuse. Les différentes longueurs d'onde vont passer successivement devant le mono détecteur permettant ainsi la constitution d'un spectrogramme . Une fente de sortie est placée avant le mono détecteur pour ne laisser passer qu'une longueur 35 d'onde bien précise . Ces dispositifs sont dit de type monochromateur. Un asservissement , en général électronique , permet de sélectionner la longueur d'onde arrivant sur le détecteur en fonction d"une consigne préenregistrée . The InGaAs detectors are particularly suitable for detecting wavelengths in the spectral range 900 nm to 2500 nm. There are currently 2 designs of spectrophotometric systems depending on the unique or multiple nature of the detectors: 1st design: When the detector is unique the dispersive system is rotated. The use of rotating mirrors is sometimes wise. The different wavelengths will pass successively in front of the mono detector thus allowing the constitution of a spectrogram. An exit slot is placed before the mono detector to pass only a very precise wavelength. These devices are called monochromator type. A servocontrol, generally electronic, makes it possible to select the wavelength arriving on the detector according to a prerecorded setpoint.
2907552 2 La mise en rotation des dispositifs optiques destinés à assurer le balayage des longueurs d'onde devant le monodétecteur est délicate car ces dispositifs optiques constitués de miroirs , de prismes ou de reseaux de diffraction sont en général lourds , fragiles et de géométrie non symétrique provoquant des balourds difficiles à maîtriser lors de rotation rapide .2907552 2 The rotation of the optical devices for wavelength scanning in front of the monodetector is tricky because these optical devices consisting of mirrors, prisms or diffraction gratings are generally heavy, fragile and unsymmetrical geometry causing imbalances difficult to control during rapid rotation.
5 Un déplacement du système d'analyse n'est pas recommandé et limite son utilisation aux laboratoires. 2eme conception : L' autre solution consiste à utiliser une barrette ou une matrice de détecteurs .On trouve maintenant des barrettes linéaires comprenant 256, 512 ou 1024 photodiodes en indium-gallium-arsenic 10 (InGaAs) . Les signaux issus des photodiodes constituant les barrettes linéaires sont recueillis par un arrangement électronique de manière sequentielle . Lorsque seule une partie d'un spectrogramme est intéressante, le système électronique reçoit aussi 15 les signaux des photodiodes correspondant à la zone du spectrogramme non intéressante ce qui signifie une perte de temps dans le traitement des données Ces barrettes sont particulièrement onéreuses dans le cas des photodiodes InGaAs et ne rendent pas le dispositif accessible aux petites structures artisanales et aux petites et moyennes entreprises . L'objectif de la présente invention est d'apporter une conception alternative à ces 2 conceptions et consiste en l'utilisation d'une ou d'une pluralité de détecteurs qui sont rendus mobiles par rapport au système dispersif . Description de l'invention La description de l'invention et les dessins qui suivent permettront de mieux comprendre les buts et les avantages de l'invention .Il est clair que cette description et les dessins qui suivent ont valeur 30 d'exemples et n'ont pas de caractère limitatif. La figure 1 schématise le système d'analyse spectrophotométrique à détecteur mobile selon l'invention La figure 2 schématise le système dispersif suivi du système d'analyse du faisceau dispersé comprenant un chariot mobile , vue de dessus ,guidé par 2 axes et actionné par une vis sans fm solidaire d'un mécanisme d'engrenages actionné par un moteur rotatif. La figure 3 schématise le tracé d'un spectrogramme issu du système d'analyse spectrophotométrique 20 25 2907552 3 La figure 4 schématise lun dispositif d'analyse en longueur d'onde avec 2 détecteurs de nature différente La figure 5 schématise un dispositif d'analyse en longueur d'onde avec 2 détecteurs de nature identique 5 La figure 6 schématise un dispositif d'analyse en longueur d'onde muni d'un capteur de température infrarouge fixe La figure 7 schématise un dispositif d'analyse en longueur d'onde muni d'un capteur de température infrarouge fixé sur le chariot mobile La figure 8 schématise un mécanisme de déplacement du chariot mobile constitué d'un bras mobile 10 autour d'un axe et actionné par un ensemble bobines et aimants La figure 9 schématise un mécanisme de déplacement du chariot mobile constitué d'un bras mobile autour d'un axe et actionné par un couple de bobines disposées de part et d'autre du bras 15 Le système d'analyse spectrophotométrique suivant la présente invention est constitué : 20 - d'un système optique (1) qui amène un faisceau de lumière à analyser (2) comprenant des rayons lumineux de longueur d'onde située dans l'ultraviolet , le visible ou l'infrarouge sur un système dispersif (3) Le système d'amenée du faisceau est constitué ,par exemple, d'une fibre optique (4 ) suivi d'une fente d'entrée de quelques dizaines de micromètres à quelques centaines de micromètres de 25 large(5) et d'une lentille (6) rendant les rayons lumineux parallèles entre eux. - d'un système dispersi f (3 )de type prisme en verre à fort indice de réfraction n ou de type réseau de diffraction 30 -d'un système d'analyse en longueur d'onde et en intensité du faisceau dispersé (9) constitué d'un ou plusieurs détecteurs (10) photoélectriques ou pyroelectriques fixés de manière permanente sur un chariot (11) mobile par rapport au système dispersif (3) et reliés de manière filaire (12 ) ou par liaison sans fil à une carte cle traitement électronique (13) située à proximité et qui peut éventuellement être intégrée dans l'ordinateur lié au système d'analyse spectrophotométrique. 35 - d'un système de pilotage (14) du déplacement du chariot (11) constitué d'un programme de pilotage , d'une ou plusieurs cartes électroniques , d'un ou plusieurs capteurs permettant de renseigner sur la position du chariot (11) 2907552 4 - de capteurs optionnels pouvant affiner l'analyse de l'objet, par exemple un capteur de température infrarouge (15) et un capteur d'humidité (22) 5 - d'un ordinateur (16) muni d'un programme d'analyse des données issues de la carte de traitement électronique (13) et des capteurs optionnels et pouvant fournir à l'utilisateur les résultats de l'analyse de manière immédiate sous forme de graphique sur un écran , sous forme papier sur une imprimante ou de manière différée ou bien pouvant initier une commande sur un autre système, par exemple envoyer l'objet dans ,une direction prédéterminée en fonction des résultats de l'analyse .5 A displacement of the analysis system is not recommended and limits its use to the laboratories. 2nd design: The other solution is to use a bar or a matrix of detectors. Linear arrays comprising 256, 512 or 1024 indium-gallium-arsenic photodiodes (InGaAs) are now found. The signals from the photodiodes constituting the linear arrays are collected by an electronic arrangement sequentially. When only a part of a spectrogram is interesting, the electronic system also receives the signals of the photodiodes corresponding to the zone of the non-interesting spectrogram, which means a waste of time in the data processing. These arrays are particularly expensive in the case of InGaAs photodiodes and do not make the device accessible to small craft organizations and small and medium enterprises. The object of the present invention is to provide an alternative design to these two designs and consists of the use of one or a plurality of detectors which are made mobile with respect to the dispersive system. DESCRIPTION OF THE INVENTION The description of the invention and the drawings which follow will make it possible to better understand the aims and advantages of the invention. It is clear that this description and the drawings which follow are examples and do not have no limiting character. FIG. 1 schematizes the spectrophotometric analysis system with mobile detector according to the invention. FIG. 2 schematizes the dispersive system followed by the dispersed beam analysis system comprising a mobile carriage, seen from above, guided by 2 axes and actuated by a threadless screw secured to a gear mechanism actuated by a rotary motor. FIG. 3 schematizes the plot of a spectrogram from the spectrophotometric analysis system. FIG. 4 schematizes a wavelength analysis device with two detectors of a different nature. FIG. 5 schematizes an analysis device. Wavelength with 2 detectors of identical nature FIG. 6 schematizes a wavelength analysis device provided with a fixed infrared temperature sensor FIG. 7 schematizes a wavelength analysis device provided with of an infrared temperature sensor fixed on the movable carriage FIG. 8 schematizes a mechanism for moving the movable carriage constituted by a movable arm 10 about an axis and actuated by a coil and magnet assembly. FIG. 9 schematizes a mechanism for moving the mobile carriage consisting of an arm movable about an axis and actuated by a pair of coils disposed on either side of the arm 15 The spectrophotometric analysis system known According to the present invention there is provided: - an optical system (1) which brings a beam of light to be analyzed (2) comprising light rays of wavelength located in the ultraviolet, the visible or the infrared on a dispersive system (3) The beam delivery system consists, for example, of an optical fiber (4) followed by an input slot of a few tens of microns to a few hundred micrometers wide (5). ) and a lens (6) making the light rays parallel to each other. a glass-prism dispersive system (3) having a high refractive index n or a diffraction grating type of a wavelength analysis system and a scattered beam intensity system (9) consisting of one or more photoelectric or pyroelectric detectors (10) permanently attached to a carriage (11) movable with respect to the dispersive system (3) and wiredly connected (12) or wirelessly to a processing card electronics (13) located nearby and which may possibly be integrated in the computer linked to the spectrophotometric analysis system. A control system (14) for moving the carriage (11) consisting of a control program, one or more electronic boards, one or more sensors making it possible to provide information on the position of the truck (11); ) 2907552 4 - optional sensors that can refine the analysis of the object, for example an infrared temperature sensor (15) and a humidity sensor (22) 5 - a computer (16) equipped with a program for analyzing the data from the electronic processing card (13) and the optional sensors and able to provide the user with the results of the analysis immediately in the form of a graph on a screen, in paper form on a printer or in a deferred manner or may initiate a command on another system, for example send the object in a predetermined direction according to the results of the analysis.
10 II est décrit ci après à titre d'exemple une conception et un fonctionnement d'un système d'analyse spectrophotométrique selon l'invention : Une lumière (23) comprenant des rayons lumineux de longueur d'onde située dans l'ultraviolet , le 15 visible ou l'infrarouge éclaire un objet à analyser (26). La lumière réfléchie ou transmise par l'objet ( 26) gazeux., liquide ou solide pénètre dans une fibre optique (4 ) par l'intermédiaire d'un dispositif optique (1) pouvant être constitué d'une association de lentilles collimatrices ou d'une sphère d'intégration .The following is an example of a design and operation of a spectrophotometric analysis system according to the invention: A light (23) comprising light rays of wavelength located in the ultraviolet, the 15 visible or infrared illuminates an object to be analyzed (26). The light reflected or transmitted by the gaseous, liquid or solid object (26) enters an optical fiber (4) via an optical device (1) which may consist of a combination of collimating lenses or a sphere of integration.
20 La lumière sortant par l'autre extrémité de la fibre optique passe éventuellement à travers une fente d'entrée (5 ) et arrive sur une des faces d'un système dispersif (3) , de type prisme équilatéral en verre ou en matériau synthétique transparent aux longueurs d'onde utilisées et à fort indice de réfraction n , typiquement supérieur à 1,7.The light exiting through the other end of the optical fiber passes through an inlet slit (5) and arrives on one of the faces of a dispersive system (3) of the equilateral glass or synthetic material type. transparent at the wavelengths used and high refractive index n, typically greater than 1.7.
25 L'utilisation d'une fente n'est pas nécessaire lorsque le diamètre de la fibre optique utilisée est du même ordre de grandeur que la largeur de fente nécessaire pour atteindre la résolution en longueur d'onde voulue .Par exemple, une fibre optique de diamètre 200 microns permet d'atteindre une résolution en longueur d'onde de l'ordre de 10 nm ce qui est suffisant pour certaines applications d'analyse.The use of a slot is not necessary when the diameter of the optical fiber used is of the same order of magnitude as the slit width required to achieve the desired wavelength resolution. For example, an optical fiber diameter of 200 microns makes it possible to reach a wavelength resolution of the order of 10 nm, which is sufficient for certain analysis applications.
30 Une alternative à l'utilisation d'une fibre optique consiste à collecter la lumière issu de l'objet en analyse par un système de lentilles , et de faire passer le faisceau à analyser directement à travers la fente .An alternative to using an optical fiber is to collect the light from the object under analysis by a lens system, and to pass the beam to be analyzed directly through the slot.
35 Le faisceau lumineux , décomposé en rayons de différentes longueurs d'onde , ressort par une autre face du prisme sous forme de rayons inclinés par rapport au plan (29) de la face de sortie du prisme suivant un angle cp d'autant plus grand que la longueur d'onde du rayon est grande (fig.2) .The light beam, decomposed into rays of different wavelengths, emerges from another face of the prism in the form of rays inclined relative to the plane (29) of the exit face of the prism at an angle cp all the greater that the wavelength of the radius is large (fig.2).
2907552 5 Les rayons ultraviolets {27) de longueur d'onde inférieure à 400nm sont moins déviés que les rayons infrarouges (28) de longueur d'onde supérieure à 900 nm. On aura éventuellement pris soin de cacher la 3eme face du prisme (31) par une plaque (30) opaque 5 aux rayons lumineux ou par une couche (29) de matière opaque aux rayons lumineux pour éviter des réflexions parasites qui pourraient fausser l'analyse . Une lentille éventuelle (32) concentre les différentes longueurs d'onde sur le parcours du ou des détecteurs photoelectriques (10).Ultraviolet rays (27) with a wavelength of less than 400 nm are less deviated than infrared rays (28) with a wavelength greater than 900 nm. It will eventually be taken care to hide the third face of the prism (31) by a plate (30) opaque to the light rays or a layer (29) of material opaque to light rays to avoid parasitic reflections that could distort the analysis . An optional lens (32) concentrates the different wavelengths on the path of the one or more photoelectric detectors (10).
10 Un dispositif mécanique , schématisé fig.2, constitué, par exemple ,d'un moteur (19 ) rotatif , par exemple de type à courant continu ou pas à pas , d'un mécanisme à engrenages (20) destiné à transmettre une rotation à une vis (24)de type sans fin et d'un système de guidage (25,26) du chariot (11) fait décrire au dit chariot (11) un parcours prédéterminé qui peut être de l'ordre de 15 quelques millimètres à une vitesse prédéterminée et sur une distance prédéterminée . Un tel dispositif mécanique est utilisé ,par exemple ,pour déplacer le bloc optique des lecteurs de disques optiques de type cdroin ou cd . Le chariot (11) peut consister en une plaque de matériaux rigide muni d'un trou fileté dans lequel se positionne la vis sans fin (24 ) pour assurer le déplacement et de 2 trous dans lesquels coulissent 20 2 axes fixes (25,26 ) assurant le guidage du chariot (11). Un moteur électrique d'entraînement (19)muni d'un mécanisme à engrenages (20) assure la rotation de la vis sans fin . Une vitesse de moteur constante permettra un déplacement du chariot mobile (11) à vitesse constante .A mechanical device, shown schematically in FIG. 2, consisting, for example, of a rotary motor (19), for example of the DC or step-by-step type, of a gear mechanism (20) intended to transmit a rotation. a screw (24) of endless type and a guide system (25,26) of the carriage (11) has described to said carriage (11) a predetermined path that can be of the order of a few millimeters to a predetermined speed and a predetermined distance. Such a mechanical device is used, for example, to move the optical block cdroin or cd type optical disk drives. The carriage (11) can consist of a rigid material plate provided with a threaded hole in which the worm (24) is positioned to provide the displacement and 2 holes in which slide 2 fixed axes (25,26) guiding the carriage (11). An electric drive motor (19) with a gear mechanism (20) rotates the worm. A constant motor speed will allow the moving carriage (11) to move at a constant speed.
25 Le système mécanique vis sans fin et engrenages peut être remplacé par un système de bielle et vilebrequin . Ce système bielle et vilebrequin , à vitesse moteur constante , donnera une vitesse de déplacement variant de manière sinusoïdale. L'intérêt réside dans le fait que le chariot peut effectuer des aller retour constant sans changement de sens de rotation du moteur .The mechanical worm and gear system can be replaced by a crankshaft and crankshaft system. This crankshaft and crankshaft system, at constant engine speed, will give a sinusoidally varying speed of displacement. The interest lies in the fact that the carriage can make constant return rounds without changing the direction of rotation of the motor.
30 Le déplacement du chariot (11) est tel que le ou les détecteurs photoelectriques (10) peuvent balayer tout ou partie de la gamme spectrale du faisceau dispersé par le système dispersif (3) . Le déplacement du dit chariot (11) est commandé de manière prédéterminé par un programme de pilotage lié au système d'analyse spectrophotométrique . La commande du déplacement du chariot peut avantageusement être optimisée par l'utilisation de capteurs de déplacement à contact ou sans contact .The movement of the carriage (11) is such that the one or more photoelectric sensors (10) can scan all or part of the spectral range of the dispersed beam by the dispersive system (3). The displacement of said carriage (11) is controlled in a predetermined manner by a driving program related to the spectrophotometric analysis system. The control of the movement of the carriage can advantageously be optimized by the use of contact or non-contact displacement sensors.
35 2907552 6 A chaque position x du chariot (11) correspond à une longueur d'onde notée Mx) La correspondance longueur d'onde et position du dit chariot (11) dépend à la fois du système dispersif (3) et de la position relative du dit chariot (Il) .Elle a été déterminée par des calculs ou des essais de manière préalable et a été stockée dans une mémoire liée au système d'analyse sous 5 forme de données ou d'équation . La connaissance de la loi de déplacement du dit chariot (11) en fonction du temps notée x(t), x etant la position du parallèlement à son axe de déplacement (24 ) et t le temps , permet d'associer à chaque instant t du déplacement du dit chariot (11) , une longueur d'onde précise k(x) et 10 l'amplitude 1(?) de l'intensité lumineuse de cette longueur d'onde mesurée par le ou les détecteurs recevant à l'instant t la longueur d'onde ?. , La loi de déplacement x(t) du chariot (11) a été déterminée par des calculs ou des essais de maniére préalable et a été stockée dans une mémoire liée au système d'analyse sous forme de données ou 15 d'équation , Une autre solution pour connaître la loi x(t) consiste à mesurer la position du chariot (11) à chaque instant t . Ceci peut etre réalisé au moyen d'un capteur de déplacement de type codeur optique ou magnétique ou par tout autre moyen . L'utilisation d'un moteur pas à pas est une autre façon de connaître la position x du chariot (Il) à 20 chaque instant t. La position du dit chariot (Il) est alors accessible en comptant le nombre de pas moteur réalisés pour déplacer le dit chariot (11) et en appliquant un coefficient de proportion. La position du chariot (Il) peut être rentrée sous forme de consigne dans le programme de pilotage du dit chariot (Il) .At each position x of the carriage (11) corresponds to a wavelength denoted Mx) The wavelength correspondence and position of said carriage (11) depends both on the dispersive system (3) and on the position relative of said carriage (II) .It has been determined by prior calculations or tests and has been stored in a memory related to the analysis system in the form of data or equation. The knowledge of the displacement law of said carriage (11) as a function of time noted x (t), x being the position of the parallel to its axis of displacement (24) and t the time, allows to associate at each instant t the displacement of said carriage (11), a precise wavelength k (x) and the amplitude 1 (?) of the light intensity of this wavelength measured by the detector (s) receiving at the instant t the wavelength? The displacement law x (t) of the carriage (11) was determined by prior calculations or tests and was stored in a memory related to the analysis system as a data or equation. Another solution to know the law x (t) is to measure the position of the carriage (11) at each instant t. This can be achieved by means of an optical or magnetic encoder type displacement sensor or by any other means. The use of a stepping motor is another way of knowing the x position of the carriage (II) at each instant t. The position of said carriage (II) is then accessible by counting the number of engine pitches made to move said carriage (11) and applying a coefficient of proportion. The position of the carriage (II) can be entered as a setpoint in the control program of said carriage (II).
25 La vitesse de balayage du ou des détecteurs (10)et par conséquent la vitesse du chariot (11) est calculée de manière à rendre le rapport signal sur bruit des détecteurs optimum . Un faible signal lumineux transmis ou réfléchi par l'objet en analyse nécessitera une vitesse de balayage des 30 détecteurs lente de manière à intégrer le signal issu du ou des détecteurs sur une plus grande durée . La vitesse pourra etre variable au cours d'un même balayage pour apporter plus de précision sur certaines partie du spectrogramme , L'interet de piloter un tel chariot (11) est que l'on peut choisir d'analyser tout ou partie d'un 35 spectrogramme de manière predeterminée. La réalisation d'une spectrogramme I = fa), représenté schématiquement fig.2 , est rendu possible par la connaissance à la fois de la loi x(t) et de la loi Mx) ainsi que par la connaissance de 2907552 7 l'amplitude de l'intensité I (?.) du rayonnement correspondant à chaque longueur d'onde À. mesurée par le ou les détecteurs 10) et amplifiée et numérisée par la carte de traitement électronique (13) Une solution alternative au mécanisme assurant le déplacement du chariot ,schématisé FIG.8, 5 consiste à fixer le chariot (11) sur un bras (43) mobile en rotation autour d'un axe (42) fixe par rapport au système dispersif (3) ou dont le ou les parties guidantes sont fixes par rapport au système dispersif et positionné de telle manière que la rotation du bras autour de cet axe permettra au détecteur (10) de couvrir l' étendue des rayons dispersés (9) nécessaire à l'analyse en cours . Le déplacement du bras (43) peut être assuré par un ensemble de bobines et d'aimants (41) placés 10 judicieusement dans son environnement et piloté par un système électronique (46) .Ce dispositif se rencontre dans les disques durs d'ordinateur et assure le mouvement du bras sur lequel se trouve la tête de lecture . Une autre alternative, schématisée FIG.9 , pour assurer le déplacement du bras (43) consiste à fixer 15 2 bobines (44) de part et d'autre du bras (43) , à réaliser le bras ou une partie du bras en matériaux ferromagnétique doux et à faire passer un courant dans les bobines (44) de manière à attirer le bras (43) à la position voulue grâce: à un champ magnétique B . Un système électronique (47) de pilotage de ces bobines est similaire à celui utilisé dans la commande des moteurs pas à pas .The scanning speed of the detector (s) (10) and consequently the speed of the carriage (11) is calculated so as to render the signal-to-noise ratio of the optimum detectors. A weak light signal transmitted or reflected by the object under analysis will require a slow detector scanning speed so as to integrate the signal from the detector (s) over a longer period of time. The speed can be variable during the same scan to provide more precision on some parts of the spectrogram, The interest to drive such a carriage (11) is that one can choose to analyze all or part of a Spectrogram in a predetermined manner. The realization of a spectrogram I = fa), shown schematically in FIG. 2, is made possible by the knowledge of both the law x (t) and the law Mx) as well as by the knowledge of the amplitude the intensity I (.) of the radiation corresponding to each wavelength λ. measured by the detector (s) 10) and amplified and digitized by the electronic processing card (13) An alternative solution to the mechanism for moving the carriage, shown schematically in FIG.8, 5 is to fix the carriage (11) on an arm ( 43) movable in rotation about an axis (42) fixed relative to the dispersive system (3) or whose guide portion or portions are fixed relative to the dispersive system and positioned so that the rotation of the arm around this axis The detector (10) will enable the detector (10) to cover the extent of the scattered rays (9) required for the current analysis. The movement of the arm (43) can be provided by a set of coils and magnets (41) judiciously placed in its environment and controlled by an electronic system (46). This device is found in computer hard disks and ensures the movement of the arm on which the reading head is located. Another alternative, schematized FIG.9, to ensure the displacement of the arm (43) is to fix 15 2 coils (44) on either side of the arm (43), to make the arm or part of the arm of materials ferromagnetic and passing a current in the coils (44) so as to attract the arm (43) to the desired position through: a magnetic field B. An electronic system (47) for controlling these coils is similar to that used in the control of the stepper motors.
20 Une autre alternative consiste à rendre le bras (43) solidaire de l'axe (42) de manière fixe et d'assurer la rotation de l'axe (43) grâce à un moteur rotatif monté directement sur l'axe (42) ou à un moteur dont la rotation est transmise à l'axe (42) par un système mécanique à engrenages .Another alternative is to make the arm (43) firmly fixed to the axle (42) and to rotate the axle (43) by means of a rotary motor mounted directly on the axle (42). or a motor whose rotation is transmitted to the axis (42) by a mechanical gear system.
25 Lorsque le faisceau lumineux d'analyse (2) est constitué d'une pluralité de longueurs d'onde situé dans des domaines spectraux non couverts entièrement par un détecteur (10) on aura intérêt à fixer sur le chariot (11) des détecteurs de caractéristiques permettant de couvrir la partie manquante de la bande spectrale du faisceau lumineux dispersé.When the analysis light beam (2) consists of a plurality of wavelengths located in spectral domains not entirely covered by a detector (10), it will be advantageous to fix on the carriage (11) detectors of characteristics to cover the missing part of the spectral band of the scattered light beam.
30 Par exemple, suivant fig.4 ., un faisceau lumineux (2) issu d'une lampe halogène ou tungstène (23), riche en lumière visible mais aussi en rayonnement infrarouge sera analysé par au moins un détecteur en silicium (37) pour les longueurs d'onde visible et très proche infrarouge (39) , c'est-à-dire la gamme spectrale 400 à 900 nm environ , et par au moins un détecteur en indium gallium arsenic (38) pour la gamme spectrale 900 à 2500 nm environ (40) .For example, according to fig.4., A light beam (2) issuing from a halogen or tungsten lamp (23), rich in visible light but also in infrared radiation, will be analyzed by at least one silicon detector (37) for the visible and very near infrared wavelengths (39), that is to say the spectral range 400 to about 900 nm, and by at least one indium gallium arsenic detector (38) for the spectral range 900 to 2500 about (40).
35 Les 2 détecteurs (37,38) sont montés de manière fixe sur le chariot (11) et décalés l'un par rapport à l'autre d'une distance prédéterminée d .I1 pourra être judicieux d'utiliser un même boîtier pour monter les 2 détecteurs (37,38) sous forme de puce électronique sur un même substrat. 2907552 s Une alternative, schématisée fig.5, dans le choix et l'arrangement des détecteurs (10) sur le chariot (Il) va permettre d'augmenter le rapport signal sur bruit du système d'analyse en longueur d'onde et simplifier le traitement informatique ultérieur . Cette alternative consiste à positionner 2 détecteurs (33,34) de même nature et de même caractéristiques à une distance prédéterminée d l'un de l'autre sur le chariot (11) de manière telle que chacun des détecteurs reçoive les mêmes signaux lumineux avec un décalage en temps qui dépend de d et de la vitesse v du chariot (11) . Les signaux Sdl(t) issus du lei détecteur (33) et Sd2(t) issu du 2eme détecteur (34) sont ensuite envoyés sur la carte électronique de traitement dans laquelle est réalisée de manière électronique la différence Sd2(t)-Sd1(t), notée D(t) .The two detectors (37,38) are fixedly mounted on the carriage (11) and offset relative to each other by a predetermined distance. It may be advisable to use the same housing to mount the two detectors (37,38) in the form of an electronic chip on the same substrate. 2907552 s An alternative, shown in fig.5, in the choice and the arrangement of the detectors (10) on the carriage (II) will make it possible to increase the signal-to-noise ratio of the wavelength analysis system and simplify subsequent computer processing. This alternative consists in positioning 2 detectors (33,34) of the same nature and of the same characteristics at a predetermined distance from one another on the carriage (11) in such a way that each of the detectors receives the same light signals with a shift in time which depends on d and the speed v of the carriage (11). The signals Sdl (t) coming from the detector (33) and Sd2 (t) coming from the second detector (34) are then sent on the electronic processing card in which the difference Sd2 (t) -Sd1 ( t), denoted D (t).
15 Sd2(t) est égal à Sd I (t-F-d/v) D'où D(t) est égal à Scll(t+d/v)-Shc(t) Si d/v est petit c'est-à-dire si les détecteurs sont suffisamment rapprochés et la vitesse v suffisamment grande on peut considérer que Shc(t+d1v)-Sd1(t) est égal à la valeur de la pente du spectrogramme I=f(À) au point a(t) multiplié par v/d et multiplié par un coefficient de 20 proportionnalité k dépendant de la dispersion et de la géométrie du système . Connaissant v , d, et k on en déduit la pente du spectrogramme en tout point Mt) . L'intérêt d'un tel arrangement: est de fournir directement un signal électrique représentatif de la pente en tout point du spectrogramme en longueur d'onde Sd1(a.) sans avoir à effectuer des calculs La connaissance la la pente en tout point du spectrogramme d'un objet peut permettre de mieux identifier cet objet . L'autre intérêt réside dans le fait que la réalisation de la différence des 2 signaux Sdl et Sd2 permet 30 d'éliminer les signaux parasites présents sur les 2 détecteurs de manière concomitante. La valeur électrique D(t) proportionnelle à la pente de spectrogramme au point A(t) sera donc plus précise que la valeur de la pente calculée à partir du spectrogramme Shc(a.) . Cette façon de procéder s'apparente à une méthode de mesure différentielle.Sd2 (t) is equal to Sd I (tFd / v) Hence D (t) is equal to Scll (t + d / v) -Shc (t) If d / v is small ie if the detectors are sufficiently close together and the velocity v sufficiently large, we can consider that Shc (t + d1v) -Sd1 (t) is equal to the value of the slope of the spectrogram I = f (A) at point a (t) multiplied by v / d and multiplied by a coefficient of proportionality k depending on the dispersion and the geometry of the system. Knowing v, d, and k we deduce the slope of the spectrogram at any point Mt). The advantage of such an arrangement is to directly supply an electrical signal representative of the slope at any point of the wavelength spectrogram Sd1 (a.) Without having to perform calculations. The knowledge of the slope at any point of the Spectrogram of an object can better identify this object. The other advantage lies in the fact that the realization of the difference of the two signals Sdl and Sd2 makes it possible to eliminate the parasitic signals present on the two detectors concomitantly. The electrical value D (t) proportional to the spectrogram slope at the point A (t) will therefore be more accurate than the value of the slope calculated from the spectrogram Shc (a.). This approach is similar to a differential measurement method.
35 Une autre alternative schématisée fig.4 consiste à utiliser une méthode de mesure différentielle c'est-à-dire que l'on positionne de manière fixe sur le chariot (11) 2 détecteurs (10) de même nature et de même caractéristique de telle manière que l'un pointe sa surface sensible vers les 5 10 25 2907552 9 rayons dispersés et l'autre pointe sa surface sensible vers une surface qui ne reçoit pas les rayons dispersés. Les signaux de 2 détecteurs seront soustraits l'un de l'autre . L'intérêt d'une mesure différentielle est bien connu de l'homme de l'art et permet de réduire 5 l'influence des signaux parasites environnants . La température de l'objet en analyse pouvant influer sur le résultat de l'analyse par spectrophotometrie, le système d'analyse spectrophotométrique peut être muni avantageusement d'un dispositif (15) de mesure de la température de l'objet soit de la surface de l'objet , dans ce 10 dernier cas le dispositif de mesure de la température (15) pointera vers l'objet (26) en analyse. Il existe maintenant de nombreux détecteurs infrarouges pouvant assurer cette mesure de température de surface . La mesure de la température de surface de l'objet (26) , sans contact avec l'objet , par infrarouge , est particulièrement judicieuse lors d'une analyse d'une production en flux continu dans laquelle 15 les objets à analyser sont en mouvement quasi constant . Une solution ,schématisée fig.7 , alternative à l'utilisation de capteur de température infrarouge pointant sur l'objet en analyse, consiste à rajouter un détecteur apte à capter le rayonnement infrarouge de longueur d'onde compris entre 6 à 9 micron sur le trajet du rayonnement issu du système dispersif (3) .Ce détecteur infrarouge, disponible commercialement , pourra être fixe par 20 rapport au système dispersif et sera donc capable de mesurer ,à la demande, la température de l'objet en analyse ou sera monté sur le chariot (Il) .Dans ce dernier cas il devra attendre que le déplacement du dit chariot (1.1) lui permette de capter la gamme de longueur d'onde 6 à 9 microns pour fournir une mesure . Le détecteur de température infrarouge subira un traitement électronique connu de l'homme de 25 l'art et fournira à des instants prédéterminés la valeur de la température de surface de l'objet (26) au programme d'analyse multi variables lié au système d'analyse spectrophotométrique. De même , le taux d'humidité de l'environnement d'analyse ou de l'objet en analyse peut influer sur le résultat de l'analyse .I1 pourra être judicieux d'ajouter au système d'analyse 30 spectrophotométrique un capteur d'humidité (22) pour affiner l'analyse . Si on veut connaître le taux d'humidité à l'intérieur de l'objet en analyse , par exemple un foie gras , on aura intérêt à utiliser un capteur d'humidité capable de mesurer sans contact et en profondeur le taux d'humidité . De tels capteurs existent et utilisent par exemple un ou plusieurs faisceaux de rayons micro-ondes .Another alternative shown diagrammatically in FIG. 4 is to use a differential measuring method that is to say that two detectors (10) of the same nature and of the same characteristic are positioned in a fixed manner on the carriage (11). in such a way that one points its sensitive surface towards the scattered rays and the other points its sensitive surface towards a surface which does not receive the scattered rays. The signals from 2 detectors will be subtracted from each other. The interest of a differential measurement is well known to those skilled in the art and makes it possible to reduce the influence of surrounding parasitic signals. As the temperature of the object under analysis may influence the result of the spectrophotometric analysis, the spectrophotometric analysis system may advantageously be provided with a device (15) for measuring the temperature of the object or of the surface of the object, in this latter case the temperature measuring device (15) will point to the object (26) in analysis. There are now many infrared detectors that can provide this measurement of surface temperature. The measurement of the surface temperature of the object (26), without contact with the object, by infrared, is particularly judicious during an analysis of a continuous flow production in which the objects to be analyzed are in motion almost constant. A solution, schematically fig.7, alternative to the use of infrared temperature sensor pointing to the object under analysis, is to add a detector capable of capturing the infrared radiation wavelength of between 6 to 9 micron on the The infrared detector, commercially available, may be fixed relative to the dispersive system and will therefore be able to measure, on demand, the temperature of the object under analysis or will be mounted on the carriage (II) .In the latter case it will have to wait until the displacement of said carriage (1.1) allows it to capture the range of wavelength 6 to 9 microns to provide a measurement. The infrared temperature detector will undergo electronic processing known to those skilled in the art and will provide at predetermined times the value of the surface temperature of the object (26) to the multi-variable analysis program related to the control system. spectrophotometric analysis. Likewise, the humidity level of the analysis environment or the object under analysis may influence the result of the analysis. It may be judicious to add to the spectrophotometric analysis system a sensor of humidity (22) to refine the analysis. If we want to know the moisture content inside the object in analysis, for example a foie gras, it will be advantageous to use a humidity sensor capable of measuring contactlessly and in depth the moisture content. Such sensors exist and use for example one or more beams of microwave radiation.
35 Il peut être avantageux d'utiliser la carte électronique de traitement des signaux issus des détecteurs pour traiter les signaux issus des capteurs de température ou d'humidité.It may be advantageous to use the circuit board for processing the signals from the detectors to process the signals from the temperature or humidity sensors.
2907552 10 La mesure du taux d'humidité de l'objet (26) ou de l'environnement est envoyée au programme d'analyse multi variables lié au système d'analyse spectrophotométrique Un programme d'analyse multi variables lié au système d'analyse spectrophotométrique ,par 5 exemple de manière non limitative , de même type que ceux utilisés en chimiométrie, recueille les données issues du la carte d,e traitement électronique ainsi que les données fournies par les capteurs de type température ou hygrométrie et présente à l'utilisateur les résultats de l'analyse de l'objet (26) de manière immédiate sous forme de graphique , de valeurs numérique ou de texte sur un écran , une imprimante ou de manière différée ou initie une commande sur un autre système en 10 fonction d'une consigne préétablie , par exemple envoyer l'objet dans une direction prédéterminée en fonction des résultats de l'analyse . Le programme d'analyse multi variables exploite , par exemple , des spectrogrammes de référence ,dits de calibration , qui sont comparés aux spectrogrammes des objets en analyse grâce à 15 l'utilisation de méthodes d'analyses discriminantes de type analyse en composants principaux, ou régressions linéaires ou d'autres méthodes de traitement du signal , utilisés en chimiométrie . On utilisera avantageusement le système selon la présente invention dans les équipements de tri ou de contrôle en ligne , par exemple dans l'industrie agroalimentaire pour trier les fruits selon leur 20 degré de maturité , leur couleur ,leur taux de sucre déterminé par l'analyse dans le proche infrarouge , ou pour trier les foies gras suivant leur taux de fonte ou par exemple pour trier des déchets ménagers pendant le recyclage , d'autres utilisations sont bien sur possible .The measurement of the moisture content of the object (26) or of the environment is sent to the multi-variable analysis program linked to the spectrophotometric analysis system A multi-variable analysis program linked to the analysis system Spectrophotometric, for example in a non-limiting manner, of the same type as those used in chemometrics, collects the data from the electronic treatment card as well as the data provided by the sensors of the temperature or humidity type and presented to the user. the results of object analysis (26) immediately as a graph, numerical values or text on a screen, a printer or in a deferred manner or initiates a command on another system as a function of a pre-set instruction, for example sending the object in a predetermined direction according to the results of the analysis. The multi-variable analysis program uses, for example, reference spectrograms, called calibration spectra, which are compared to the spectrograms of the objects in analysis by the use of discriminant analysis methods of the principal component analysis type, or linear regressions or other signal processing methods used in chemometrics. The system according to the present invention is advantageously used in on-line sorting or control equipment, for example in the food industry for sorting fruits according to their degree of ripeness, their color, their sugar level determined by the analysis. in the near infrared, or to sort foie gras according to their melting rate or for example to sort household waste during recycling, other uses are of course possible.
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|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20120629 |