光栅型高速扫描近红外光谱仪的研发

摘要

近红外光谱分析技术是一种具有无损检测样品、不使用化学试剂、对环境无污染、效率高、速度快、分析成本低、适用于原位检测和在线分析等优势的先进技术，在医疗制药、农林石化等众多领域得到了广泛应用。和国外的较成熟近红外仪器市场相比，国内近红外光谱仪发展较晚，且大部分造价较高，在仪器扫描速度、稳定性、分辨率等发面还存在诸多不足，所以研制具有良好扫描精度与速度的高速扫描近红外光谱仪具有重要的实用意义与价值。 本文结合目前光栅扫描型近红外光谱仪的优点与不足，采用齿轮传动机构，通过步进电机驱动齿轮带动光栅转动，电细分与机械细分相结合，有效提高了光谱波长扫描的速度与控制精度。搭建了分光系统、设计了近红外光谱仪的硬件电路系统及下位机与上位机的软件系统，并进行了软硬件调试；最后，对近红外光谱仪性能参数进行了相关的试验测试。主要研究内容如下： 1. 研究近红外光谱技术的分析原理，漫反射方法进行测量分析的理论基础和色散原理，为波长扫描机构的设计提供理论依据；确定了近红外光谱仪的整体系统方案，由分光系统、信号处理系统、STM32 控制系统和上位机系统 4 个部分组成。 2. 设计了仪器的光路结构、完成了核心光学元件的参数设计，对光栅传动机构的扫描波长与步进电机转角的关系进行了理论计算。设计步进电机驱动扇形齿轮带动光栅转动的传动机构，实现了波长的快速、高精度扫描。设计近红外光谱仪的硬件电路系统，完成了光电转换模块、A/D转换模块、传感器制冷控制模块、电机驱动电路以及通讯接口电路设计。 3. 设计了近红外光谱仪的软件系统，包括基于 STM32 单片机的控制系统、PC 端软件设计和 Android 端软件设计。实现了两种测控方案，分别开发了通过USB与仪器通讯，基于PC的应用软件，以及通过WIFI和仪器通讯，在移动设备上基于安卓系统的应用软件。并针对不同应用场景开发了软件功能：PC 端软件基于 C#语言开发，实现了参数设置、仪器控制、样品数据保存和谱图显示等功能，同时配置了平滑处理、基线校正与寻峰等数据预处理方法；在Android平台上开发的应用程序，实现了近红外光谱仪的无线通讯、扫描控制、数据采集与实时显示，以及数据保存等功能。 4. 采用正弦曲线拟合方式进行波长定标，拟合函数与标定数据契合度较好。进行了近红外光谱仪样机的性能测试，对仪器的吸光度的重复性以及仪器的扫描速度、分辨率、波长准确性等指标进行了详细的评定与分析。样机波长范围为900 nm~2500 nm，分辨率小于10 nm，吸光度重复性在1 nm以内，波长准确性误差为±0.4 nm，吸光度重复性小于1 nm。对标准白板进行100%T测量，标准偏差均小于0.0005 AU。波长波动小于± 0.8%，系统稳定性较高。样机进行一次全光谱扫描时间小8 s，平均波长扫描速度大于180 nm/s。使用样机进行面粉中蛋白质含量的定量测试试验，结果表明模型稳定可靠，样机有较高的应用价值。

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