便携式近红外光谱分析仪的研制及应用

　　0　引　言

　　快速无损测定现场样品在实际应用中具有十分重要的意义。传统的野外和现场工作人员用化学方法检测样品时,需采样到实验室检测,整个过程从采样到测量,工作量较大,例如采样过程需要包装、记录、运输,测量前还需破坏性预处理等。这样的分析过程效率低、周期长、易出错,而且每种参数的测量都要进行不同的实验,应用起来极不方便,难以实现现场、快速、准确、无损化。

　　计算机技术、数字化光谱仪器以及化学计量学方法的有机结合,在解决光谱信息提取和消除背景干扰方面取得了良好的效果,推动了近红外光谱技术的飞跃发展[1—6]。近红外光谱技术主要具有以下优点: (1)可以同时测定多种组分;(2)分析速度快;(3)实现无损和无污染性测试、费用低;(4)适应性广,几乎适合各类样品分析;(5)可使用光纤实现远程分析检测。该技术在许多领域获得了广泛应用,已成功应用于农业、畜牧业、林业、生物、医学、石油化工和工业流程检测等方面,对推进生产和科研领域的技术进步发挥了巨大作用[7—10]。然而普通近红外光谱分析仪体积大并且笨重,已制约了近红外现场应用技术的进一步发展。现场工作者急需一种可以方便携带的近红外光谱分析仪器。

　　我国便携式近红外光谱仪主要依赖进口,进口产品高昂的价格和脱节的售后技术服务阻碍了该技术在我国的普及,严重影响了我国应用技术水平的进步。此外,近红外光谱分析技术能否有效工作,很大程度上依赖于校正模型,国外仪器的校正模型不仅价格昂贵,而且不适合国内的样品。因此,研制出具有完全自主知识产权,性能与国外知名仪器相媲美的便携式近红外光谱分析仪,对提升国产科学仪器的国际竞争力具有十分重要的意义。本文主要介绍了所研制的便携式近红外光谱分析仪的总体设计及主要结构,并对其进行应用测试。

　　1　便携式近红外光谱分析仪

　　便携式近红外光谱分析仪主要由硬件系统和软件系统构成。硬件系统保证了仪器性能的稳定,软件系统保证了预测样本的准确性。

　　1.1　硬件系统

　　图1和图2分别为便携式近红外光谱分析仪的样机与结构示意图。该分析仪硬件系统由分析仪主机和测样附件构成。

　　分析仪主机主要包括光谱仪、自动校验模块、数据处理模块、接口电路、HMI模块、内部光源和Li-ion电池组。从光源发出的光与待测样品作用后,被出射光纤收集,传输到主机内的自动校验模块,再进入光谱仪获得光谱信号,数据处理后得到性质结果。

　　自动校验模块用于校验仪器性能,主要有以下功能:(1)检验光谱仪工作是否正常; (2)测量暗电流;(3)检验和校正吸光度和波长偏差。该模块通过对光谱信号漂移和偏差的检验和校正,确保仪器性能不受环境温度变化,不受电子元件、光源和其它光学元件的劣化情况的影响。