单积分球测量牛奶光学参数

　　1　引　　言

　　在牛奶的收购和生产管理过程中,需要正确,快速地检测牛奶中主要成分的含量,这不仅可以为牛奶品质分析和生产过程质量控制提供参考依据,而且对于动物的优良培育以及病情的诊断也可以提供科学的指导。为此,基于近红外光谱检测技术我们开发了光纤式乳品成分快速分析仪。

　　仪器中采用光纤出射及光纤接收的方式。在出射光纤位置固定的情况下,接收光纤总能有一个合适的位置,使得牛奶中某一成分的浓度改变时接收光纤接收到的光强变化最大,即在此处仪器灵敏度最高。这个位置是与牛奶本身的光学特性直接相关的。因此,要确定接收光纤的最佳位置,就必须先测出牛奶的如下光学参数[1],包括:

　　吸收系数μa:指介质中单位程长上一个光子被吸收的几率,单位mm-1。

　　散射系数μs:指介质中单位程长上一个光子被散射的几率,单位mm-1。

　　散射各向异性因子g:用以简单,直观地表示介质中光分布的非均匀或前向散射的大小。这些光学参数反映了光在介质中的宏观传播特性。

　　2　牛奶光学参数测量装置及测量原理

　　2.1　测量装置

　　采用单积分球测量牛奶的光学参数,测量装置如图1所示。

　　利用单积分球(LabSphere AS-01163-160)测量介质的光学参数和双积分球相比具有很多优点,首先避免了两个积分球之间的影响,其次,采用比较法测量,就可以不必知道很难测量的积分球内壁的反射率了。

　　但是,双积分球可以同时测量漫反射率和漫透射率,而单积分球只能分别测量,这样光源的波动就会对测量精度造成影响。为了消除这种影响,采用了双光路,通过参考光路来校正测量光路的波动。同时为了尽量消除外界自然光的影响,将入射光斩波进行调制。

　　2.2　测量原理

　　采用比较法测量[2]。图2(a)(b)(c)所示分别为测量漫反射率Rd,漫透射率Td和准直透射率Tc。对同一个样品,得到一组(Rd,Td,Tc),然后利用逆倍增法(IAD)[3]就可反求出样品的光学参数(μa,μs,g)。测量不同物理量时样品与参考物的位置如图2所示。

　　2.2.1　漫反射率Rd的测量

　　如图2(a)所示,光照射到样品上发生漫反射,光在积分球内充分均匀后由出口出射并由检测器(日本滨松光电倍增管(PMT))接收,能量为Irs;交换样品与标准反射板(Spectralon, LabSphere SRS-98-010)的位置,测得的能量为Irr,则有Rds=(Irs/Irr)Rdr。

　　2.2.2　漫透射率Td的测量

　　如图2(b)所示,光透过样品进入积分球,在积分球内充分均匀后由出口出射并由检测器接收,能量为Its;交换样品与标准物的位置,测得的测量为Itr,则有Tds=(Its/Itr)Tdr。