微型近红外光谱传感器的应用开发研究

摘要

近红外光谱分析技术是20世纪90年代以来发展最快、最引人注目的高新绿色分析技术之一，已被广泛应用于农业、食品、化工、石化、制药、烟草等领域。随着该检测方法的发展及其应用领域的扩展，人们对近红外光谱仪便携性的要求提高，微型近红外光谱仪以其体积小、重量轻等特点成为研究的热点之一。
　　本文是在MicroNIR-1700微型近红外光谱仪的基础上展开研究工作的。首先对仪器的基本性能进行了评估，验证了其作为近红外光谱检测系统核心硬件的可行性;确定了微型近红外光谱仪应用系统软件的整体构架;采用Delphi7.0开发平台实现了系统的软件设计;对研发的系统进行了实用化的验证试验。主要的研究内容如下:
　　1.从光谱仪输出信号、仪器稳定性、吸光度重复性和基线稳定性等4个方面对MicroNIR-1700近红外光谱仪的性能进行了评估，分析了积分时间对前三者的影响和不同测量对象对仪器稳定性的影响。根据性能评估结果提出了适用于本系统的光谱扫描参数优化方法，即对于MicroNIR-1700近红外光谱仪16bit的ADC，在满足信号水平在20000～40000Counts和样品测量时限（1～2s以内）的情况下，积分时间越大越好，扫描次数=(样品测量时限×1000-100)/积分时间。
　　2.根据近红外光谱分析检测流程和近红外建模流程，设计了微型近红外光谱仪应用系统的整体构架，采用Delphi7.0平台对应用系统的软件进行开发。针对不同的用户，设计并开发了基于实验室版和用户版的微型近红外光谱仪应用系统。其中实验室版本主要用于开发人员进行近红外光谱应用研究，用户版本采用递进式结构，方便用户快速检测和分析样品，体现出近红外光谱快速高效的特点。
　　3.采用Windows XP系统的笔记本电脑作为系统控制端，凭借Delphi7.0强大的组件功能和支持Acess2003数据库功能，开发了良好的人机界面，实现了光谱仪的硬件控制，样品光谱和成分实时检测、系统登录、用户管理、光谱数据库管理和建立近红外定标模型等功能。
　　4.对系统的实用性进行了研究，以地产水蜜桃为检测对象，可溶性固形物含量为具体的检测指标，对70个样品进行了系统实用化的验证试验。对其中的52个样品分别采用主成分回归(PCR)和偏最小二乘回归(PLS)两种方法建立了校正模型，用剩余18个样品对模型进行了预测，其中采用PLS回归方法所建模型的效果更好，其预测相关系数达0.9174，均方根误差为0.9672;强制剔除4个粗大误差的样品后重新建模，模型的性能有所提高，其中采用PCA回归所建模型的效果更好，其预测相关系数达0.9491，均方根误差为0.6967;在相同条件下，和实验室已有NIR256-2.2T2近红外光谱仪检测结果进行相比，本系统体现出更好的预测能力和稳定性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 红外光谱分析技术介绍

1．1．1 近红外光谱分析技术发展概述

1．1．2 近红外光谱分析技术的特点

1．2 微型近红外光谱仪的类型

1．2．1 基于光栅分光式的光谱仪

1．2．2 傅里叶变换式微型光谱仪

1．2．3 基于MEMS技术的光谱仪

1．2．4 基于AOTF的光谱仪

1．2．5 基于线性滤光片的光谱仪

1．3 近红外光谱分析技术的应用领域

1．4 化学计量学软件

1．5 课题研究意义和主要内容

1．5．1 研究意义

1．5．2 研究的主要内容

第二章 光谱扫描参数设计及光谱仪性能分析

2．1 MicroNIR-1700近红外光谱仪简介

2．2 光谱扫描参数的设定

2．3 光谱仪性能分析

2．3．1 光谱仪的输出信号

2．3．2 仪器的稳定性

2．3．3 吸光度重现性

2．3．4 光谱仪的基线漂移

2．4 本章小结

第三章 系统整体方案设计

3．1 近红外光谱分析的技术流程

3．2 开发平台的选择

3．2．1 Delphi简介

3．2．2 Delphi7．0与Access2003的连接

3．3 微型近红外光谱仪应用系统架构

3．3．1 实验室版本的开发

3．3．2 用户版本的开发

3．4 本章小结

第四章 系统功能的实现

4．1 光谱仪硬件控制模块

4．1．1 光谱仪驱动函数简介

4．1．2 MicroNIR-1700近红外光谱仪的初始化

4．1．3 光源的控制

4．1．4 光谱扫描参数设置

4．1．5 样品的光谱采集

4．1．6 样品光谱数据的图文输出

4．2 样品数据库查询和用户管理模块实现

4．2．1 系统登录界面

4．2．2 管理员权限模块

4．2．3 用户个人信息查询和修改

4．2．4 样品数据库查询和管理

4．3 近红外建模模块

4．3．1 样品编辑

4．3．2 样品集划分

4．3．3 光谱数据预处理

4．3．4 建立校正模型

4．3．5 预测验证集

4．4 本章小结

第五章 微型近红外光谱系统应用研究

5．1 试验原理

5．1．1 可溶性固形物含量的近红外光谱分析的基本机理

5．1．2 漫反射分析定量原理

5．2 试验过程

5．2．1 样品的收集

5．2．2 光谱采集平台搭建

5．2．3 光谱采集

5．3 可溶性固形物含量的测量

5．3．1 测量方法选择

5．3．2 测量过程

5．3．3 测量结果

5．4 试验结果及分析

5．4．1 光谱数据的预处理

5．4．2 水蜜桃的样品集的划分

5．4．3 水蜜桃校正模型的建立

5．5 不同仪器的对比分析

5．5．1 不同仪器检测结果对比

5．5．2 对比结果分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

课题来源与硕士学位期间发表的学术论文