多波长多光源漫反射式比色装置及反射率测定方法

摘要

本发明涉及多波长多光源漫反射式比色装置及反射率测定方法。该装置光路结构、光电检测电路、壳体，光电检测电路包括微控制器单元、数据采集单元、恒流控制单、显示单元、输入单元，其包括基座平台、活动连接于平台的中盖和顶盖，基座平台上设有检测窗口，检测窗口由相应的光通道对应有不同波长的单色光源，检测窗口的下方设有光电传感器；中盖上设有与检测窗口对应的条形狭缝；顶盖内侧设有可嵌合于狭缝中的凸台，该凸台底面上匹配地设置有可更换反射板。本发明光路结构简单，无复杂的透镜结构，成本低，易于安装；光路结构整体光路屏蔽好，干扰小，测试误差小装置整体结构简单，体积小，重量轻，便于携带，使用方便，适用于现场快速测定。

说明书

技术领域

本发明涉及光电检测领域，具体涉及一种多波长多光源漫反射式比色装置及反射率测定方法。

背景技术

目前国内外用于作物营养诊断的技术主要有多种：外观诊断、叶色卡诊断、叶绿素诊断仪诊断、冠层色彩诊断、遥感诊断、化学诊断等。前两种都是定性诊断，叶绿素诊断仪则是通过两种波长下叶片透光度的比较来得到一个相对值(SPAD)，并不能测定叶绿素的真实含量，且测值变异度非常大，要数十次的测量才能有指导意义，且有些作物的测值与作物硝酸盐含量不相关；遥感技术与冠层彩色诊断技术受土壤背景、阳光角度、空气折射率、风速、冠层结构影响较大，目前尚处研究阶段；化学诊断法是较为成熟的方法，目前有实验室分析法、田间现场试纸速测法两类，前者周期长、成本高，后者则有目视定性、和仪器定量两种方法。目前国内使用的进口反射式硝酸盐测试仪即属于后者。

漫反射比色是漫反射光谱分析技术与光电比色技术的结合。它可以采用发光二极管或滤光片，也可以采用光栅分光技术取得单色光；用于可见光或近红外的漫反射比色；可以实现非破坏性检验，提高检验效率。当前使用较广泛的是用于试纸的定量化检测，兼具试纸检测的便捷快速和比色仪定量测定的优势。目前国内外见到的主要是是德国Merck公司的RQflex反射仪。它是一个双波长二光路的可见光反射式比色仪。从国内使用情况反映出其测试精度约达10％左右，其试纸由merck公司专供，其它试纸不被接受。其结构不能排除试纸和环境变化带来的误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种检测精度高、重现性好且便于携带的多波长多光源漫反射式比色装置，还给出应用该装置进行反射率测定的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

设计一种多波长多光源漫反射式比色装置，包括光路结构、光电检测电路、壳体，其特征在于，所述光路结构包括由不透光材料制成的基座平台、中盖和顶盖，所述中盖和顶盖的一端活动连接在基座平台上，在所述基座平台上至少设置有检测窗口，检测窗口由相应的光通道对应至少两个不同波长的单色光源，且在检测窗口的下方设置有光电传感器，在所述中盖上开设有对应所述检测窗口的条形狭缝，在所述顶盖的内侧设置有可嵌合于所述狭缝中的条形凸台，该凸台底面上匹配地设置有可更换反射板；所述光电检测电路包括微控制器单元、数据采集单元、恒流控制单、显示单元、输入单元，所述数据采集单元接收来自光路结构中光电传感器产生的模拟信号并进行A/D转换后传递给微控制器单元进行处理，所述恒流控制单元根据微控制器单元发出的信号为所述光路结构中的单色光源恒流供电，所述显示单元、输入单元均由微控制器单元控制，完成相应的信息显示与信息输入任务。

单色光源可采用LED冷光源，常用的波长有940nm、550nm、660nm，可根据待测物成分任意选择等。

所述条形狭缝的宽度与通用试纸的宽度相近；所述光电传感器为RGB230、opt101、spd34s、TLS245中任意一种。

所述光源的入射光线与可更换反射板呈45～60°角设置，以保证漫反射的检测灵敏度。

所述光电检测电路中还包括串口通讯电路，以实现微控制器单元与外置设备的串口通讯。

所述光电检测电路中还包括蜂鸣器电路，由微控制器单元控制完成按键反馈响应与提示及电路告警、设置时间提示的任务。

所述光电检测电路中还包括时钟电路，由微控制器单元控制完成测试日期、时间实时记录任务。

所述反射式作物营养诊断装置设有内置电源。

所述光电检测电路中还包括电源控制电路，其根据微控制器单元的指令完成内置电源与外接电源的切换、充电检测、稳压控制。可使用双电源控制，交流适配器外接电源和内置锂电电源，可实现在线充电。

所述微控制器单元为MSP430F2XX系列、51系列单片机、AVR单片机、PIC单片机中的任意一种。

一种用上述多波长多光源漫反射式比色装置的进行比色测定的方法，其特征在于，以近红外波长为参照波长，以单个或两个可见光波长为测定波长照射待测样品，光电传感器采集样品漫反射的光波信号并转换为电流或电压信号后，经数据采集单元传递到微控制器单元，将待测样品的漫反射光强转换为电流强度，根据下列公式计算相对漫反射率：

₁＝(A₁/B₁)/(C₁/D₁)，K₂＝(A₂/B₂)/(C₂/D₂)，K₃＝(A₃/B₃)/(C₃/D₃)

式中：K：相对漫反射率

A、C：某下标试纸和反射板在工作光波长的漫反射电流

B、D：某下标试纸和反射板在参照波长的漫反射电流

下标1、2、3：空白、待测、标准试纸的代号。

再用相对漫反射率与比色计算出待测物质浓度。

本发明具有积极有益的效果：

1.本发明采用可见或近红外三种波长光源，三波长双光路设计，实现漫反射率的定量检测，增加一个参照波长以最大限度地减少测试误差；采用近光源空间定向反射屏蔽技术而不是用积分球技术提高测试精度。并同时预留有双波长比色法或三波长比色的光源和光路通道，以用于减少某些检测项目遇到的非测定成分的干扰；本装置使测试的重现性有明显提高；给各种试纸快速检测方法由定性或半定量变成为定量检测提供了技术手段；解决了目视比色在可见光区两端的视觉迟钝问题，大大提高试纸检测的精度；该装置还可用来测定固体和粉末状材料的特定成分。

2.本方法提出的相对反射率计算方法可使测定误差小于5％(见实例2)提高了反射仪法的测试精度约一倍。

3.光路结构简单，使用方便，不需要安装复杂的透镜结构，成本低，易于安装。光路结构整体光路屏蔽好，干扰小。

4.可更换反射板设计，减小使用中污染带来的测试误差。

5.本多波长多光源漫反射式比色装置结构简单，体积小，重量轻，便于携带，特别适用于现场快速测定使用。

6.本多波长多光源漫反射式比色装置可集(拓展)植株营养、叶绿素、有毒有害物质测量于一体。

附图说明

图1为一种多波长多光源漫反射式比色装置的内部结构示意图；

图2为一种光路结构的立体结构示意图之一；

图3为一种光路结构的立体结构示意图之二；

图4为图1中光路结构的仰视图；

图5为图1中光路结构的侧视图；

图6为图1中光路结构的前视图；

图7为一种多波长多光源漫反射式比色装置的电路原理图；

图8为一种多波长多光源漫反射式比色装置的微控制器电路图；

图9为一种多波长多光源漫反射式比色装置的光源控制电路；

图10为一种多波长多光源漫反射式比色装置的传感器及数据采集电路；

图11为一种多波长多光源漫反射式比色装置的蜂鸣器电路图；

图12为一种多波长多光源漫反射式比色装置的恒流光源电路图；

图13为一种多波长多光源漫反射式比色装置的时钟电路；

图14为一种多波长多光源漫反射式比色装置的电源管理电路；

图15为本发明方法与国标法亚硝酸测值的对比图。

图中，1为顶盖，2为中盖，3为条形狭缝，4为基座平台，5为可更换反射板，6为条形凸台，7为检测窗口，8为检测窗口，9、10为单色发光二极管，11、12为光电传感器，13、14、15、16为单色发光二极管，17为光路结构，18为传感器与光源电路板，19为通讯串口，20为适配器输入，21为电源开关，22为主控电路板，23为锂电池，24为壳体。

具体实施方式

实施例1一种多波长多光源漫反射式比色装置，参见图1～14，包括光路结构17、光电检测电路、壳体24，所述光路结构包括由不透光材料制成的基座平台4、和顶盖1，所述中盖2和顶盖1的一端均活动连接在基座平台4上，在所述基座平台4上设置有两个检测窗口7、8，每个检测窗口由相应的光通道对应三个不同波长(940nm、550nm、660nm)的单色光源(发光二极管)，且在两个检测窗口7、8的下方分别设置有对应的光电传感器11、12；在所述中盖2上开设有对应所述检测窗口7、8的条形狭缝3；在所述顶盖1的内侧设置有可嵌合于所述狭缝3中的条形凸台6，该凸台6底面上匹配地设置有可更换反射板5；所述光源(发光二极管)的入射光线与可更换反射板5呈45°角设置，以保证漫反射的检测灵敏度；所述光电检测电路包括MSP430微控制器、数据采集单元、恒流控制单、显示单元、输入单元、串口通讯电路、蜂鸣器电路、时钟电路、电源控制电路，所述数据采集单元接收来自光路结构中光电传感器产生的模拟信号并进行A/D转换后传递给微控制器单元进行处理(参见图10)，所述恒流控制单元根据微控制器单元发出的信号为所述光路结构中的单色光源恒流供电(参见图9、图12)，所述显示单元、输入单元均由微控制器单元控制，完成相应的信息显示与信息输入任务；所述串口通讯电路由U5组成，将微控制器U4的通讯电平转换为标准的232接口，以实现微控制器单元与外置设备的串口通讯，或联接打印机；所述蜂鸣器电路由MOS管Q15与Q20实现对蜂鸣器BZ的控制，由微控制器单元控制完成按键反馈响应与提示及电路告警、设置时间提示的任务(参见图11)；所述专用时钟电路U6与外部晶振器件组成，由微控制器单元控制完成测试日期、时间实时记录任务(参见图13)；所述反射式作物营养诊断装置设有内置电源23，有完善的电源管理，可实现充电、放电、过流、过压保护；所述电源控制电路提供3路稳压电源，U15与周边器件组成3V稳压输出，U12与周边器件组成4.7V稳压输出，提供锂电池的电源管理，U11与L2、D10组成电源变换，向恒流光源单元提供电源(参见图14)。其根据微控制器单元的指令完成内置电源与外接电源的切换、充电检测、稳压控制。可使用双电源控制，交流适配器外接电源和内置锂电电源，可实现在线充电。

实施例2多波长多光源漫反射式比色装置(反射仪法)快速测定肉类制品中亚硝酸盐含量

(1)试验方法：称取研碎的肉类制品样品2.0g于100ml容量瓶中，用蒸馏水定容至刻度，摇匀后放置20分钟，用定量滤纸过滤到小反应瓶中，即为待测液。

将亚硝酸盐试纸条测试端蘸取待测液3秒钟后迅速取出，同时按下多波长多光源漫反射式比色装置上的60秒计时器，当剩余时间为10秒时开始发出长鸣提示，将试纸条插入多波长多光源漫反射式比色装置的比色窗口，倒计时结束后，按下确定键比色，液晶显示器显示比色结果，即待测液中亚硝酸的浓度C，单位mg.L^-1。肉类制品中的亚硝酸盐含量为：C×50；单位mg.kg^-1。

(2)工作直线：配制不同浓度的亚硝酸钠标准溶液分别为0、1.0、5.0、10.0、20.0、30.0、40.0mg.L^-1，按照1.3试验方法进行测试。以亚硝酸钠标准溶液的浓度为横坐标，以反射仪亚硝酸盐浓度测值为纵坐标，建立工作直线，亚硝酸钠浓度在1.0～40.0mg.L^-1范围内线性回归方程为：y＝1.0116x+0.6751；相关系数为0.999。

(3)样品回收率试验

按照试验条件对样品进行回收率试验，结果见表1。

表1  回收率试验(n＝3)

(4)反射仪法与国标法对比

采用GB/T 2009.33-2003食品中亚硝酸盐的测定中的盐酸萘乙二胺法-亚硝酸盐测定和反射仪法对肉类制品中亚硝酸盐测值进行对比，测试数据见表2。

表2  反射仪法与国标法亚硝酸盐法测值(n＝3)

通过反射仪法与国标法亚硝酸测值的对比试验，结果表明：本反射仪法与国标法检测肉类制品中的亚硝酸盐的测值有很好的线性相关性，线性关系为：y＝1.2608x-1.7459，R²＝0.9944；

因反射仪体积小，重量轻，便于携带，操作简便，检测时间较常规缩短1小时以上而比较适合田间地头和基层工作使用。检测试纸条结合反射仪来检测物质的含量，量化了直接用试纸条来检测的结果，能更好地为各监管部门提供服务。