专用微型近红外光谱仪系统设计与实验研究

摘要

微型近红外光谱仪可定性定量检测固、液、气态物质的组分与含量，具有非接触、无需样品前处理、高效便捷检测等特点，被广泛用于生产流程质量监控和流通领域品质检验。针对石油油藏井下流体识别的需求，开展专用微型近红外光谱仪的设计与实验研究，具有重要的科学意义和明确的需求背景。根据油藏井下高温复杂工作环境流体识别的迫切需求，开展一种基于平场全息凹面光栅的专用微型近红外光谱仪关键技术研究；研究专用微型近红外光谱仪系统结构与工作原理，完成分光成像系统与整体系统结构的优化设计、相关性能测试与实验等关键技术研究，成功研制出适用于井下高温复杂工作环境流体识别的专用微型近红外光谱仪，经测试，波长范围1590.0~1873.5nm，分辨率优于5nm，工作温度为20~70℃。
　　本研究主要内容包括：①研究分析微型近红外光谱仪的国内外研究现状和发展趋势，基于油藏井下复杂工作环境流体识别的要求，确定专用微型近红外光谱仪研制的总体方案；②研究微型近红外光谱仪的结构与工作原理，提出基于平场全息凹面光栅的专用微型近红外光谱仪结构，研究平场全息凹面光栅的相关设计理论与方法，研究色散理论和像差理论与校正方法，采用 ZEMAX软件进行光线追迹和分光成像系统设计，完成分光成像系统的主要结构参数的优化设计；研究系统杂散光的来源和处理方法；③从空间布局、元器件结构和可装调性三方面深入研究系统一体化集成技术，完成专用微型近红外光谱仪一体化结构设计与加工装调；④研究专用微型近红外光谱仪标定与关键性能指标测试方法，搭建测试平台，完成工作波长范围、光谱分辨率、波长准确性、温度特性、信噪比等主要性能指标测试。研制的专用微型近红外光谱仪工作波长范围1590.0~1873.5nm，光谱分辨率＜5nm，波长准确性±1.1.nm，波长重复性100％，信噪比＞1000:1。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容与目标

1.4 小结

2 专用微型近红外光谱仪系统设计与分析

2.1 专用微型近红外光谱仪结构与工作原理

2.2 专用微型近红外光谱仪光路系统设计与分析

2.3 系统像差与杂散光分析

2.4 小结

3 专用微型近红外光谱仪结构设计与装调

3.1 系统一体化集成设计思路

3.2 专用微型近红外光谱仪系统结构设计

3.3 专用微型近红外光谱仪系统装调

3.4 小结

4 专用微型近红外光谱仪测试分析与应用实验

4.1 专用微型近红外光谱仪系统标定

4.2 主要性能参数测试与分析

4.3 应用验证实验

4.4 小结

5 总结与展望

5.1 论文工作总结

5.2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利