發(fā)布時間：2020-04-27 07:03

【摘要】：近紅外光譜分析技術(shù)是一種具有無損檢測樣品、不使用化學(xué)試劑、對環(huán)境無污染、效率高、速度快、分析成本低、適用于原位檢測和在線分析等優(yōu)勢的先進(jìn)技術(shù),在醫(yī)療制藥、農(nóng)林石化等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。和國外的較成熟近紅外儀器市場相比,國內(nèi)近紅外光譜儀發(fā)展較晚,且大部分造價較高,在儀器掃描速度、穩(wěn)定性、分辨率等發(fā)面還存在諸多不足,所以研制具有良好掃描精度與速度的高速掃描近紅外光譜儀具有重要的實用意義與價值。本文結(jié)合目前光柵掃描型近紅外光譜儀的優(yōu)點與不足,采用齒輪傳動機(jī)構(gòu),通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動齒輪帶動光柵轉(zhuǎn)動,電細(xì)分與機(jī)械細(xì)分相結(jié)合,有效提高了光譜波長掃描的速度與控制精度。搭建了分光系統(tǒng)、設(shè)計了近紅外光譜儀的硬件電路系統(tǒng)及下位機(jī)與上位機(jī)的軟件系統(tǒng),并進(jìn)行了軟硬件調(diào)試;最后,對近紅外光譜儀性能參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)的試驗測試。主要研究內(nèi)容如下:1.研究近紅外光譜技術(shù)的分析原理,漫反射方法進(jìn)行測量分析的理論基礎(chǔ)和色散原理,為波長掃描機(jī)構(gòu)的設(shè)計提供理論依據(jù);確定了近紅外光譜儀的整體系統(tǒng)方案,由分光系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、STM32控制系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)4個部分組成。2.設(shè)計了儀器的光路結(jié)構(gòu)、完成了核心光學(xué)元件的參數(shù)設(shè)計,對光柵傳動機(jī)構(gòu)的掃描波長與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角的關(guān)系進(jìn)行了理論計算。設(shè)計步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動扇形齒輪帶動光柵轉(zhuǎn)動的傳動機(jī)構(gòu),實現(xiàn)了波長的快速、高精度掃描。設(shè)計近紅外光譜儀的硬件電路系統(tǒng),完成了光電轉(zhuǎn)換模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、傳感器制冷控制模塊、電機(jī)驅(qū)動電路以及通訊接口電路設(shè)計。3.設(shè)計了近紅外光譜儀的軟件系統(tǒng),包括基于STM32單片機(jī)的控制系統(tǒng)、PC端軟件設(shè)計和Android端軟件設(shè)計。實現(xiàn)了兩種測控方案,分別開發(fā)了通過USB與儀器通訊,基于PC的應(yīng)用軟件,以及通過WIFI和儀器通訊,在移動設(shè)備上基于安卓系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。并針對不同應(yīng)用場景開發(fā)了軟件功能:PC端軟件基于C#語言開發(fā),實現(xiàn)了參數(shù)設(shè)置、儀器控制、樣品數(shù)據(jù)保存和譜圖顯示等功能,同時配置了平滑處理、基線校正與尋峰等數(shù)據(jù)預(yù)處理方法;在Android平臺上開發(fā)的應(yīng)用程序,實現(xiàn)了近紅外光譜儀的無線通訊、掃描控制、數(shù)據(jù)采集與實時顯示,以及數(shù)據(jù)保存等功能。4.采用正弦曲線擬合方式進(jìn)行波長定標(biāo),擬合函數(shù)與標(biāo)定數(shù)據(jù)契合度較好。進(jìn)行了近紅外光譜儀樣機(jī)的性能測試,對儀器的吸光度的重復(fù)性以及儀器的掃描速度、分辨率、波長準(zhǔn)確性等指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的評定與分析。樣機(jī)波長范圍為900nm~2500 nm,分辨率小于10 nm,吸光度重復(fù)性在1 nm以內(nèi),波長準(zhǔn)確性誤差為±0.4 nm,吸光度重復(fù)性小于1 nm。對標(biāo)準(zhǔn)白板進(jìn)行100%T測量,標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.0005 AU。波長波動小于±0.8%,系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。樣機(jī)進(jìn)行一次全光譜掃描時間小8 s,平均波長掃描速度大于180 nm/s。使用樣機(jī)進(jìn)行面粉中蛋白質(zhì)含量的定量測試試驗,結(jié)果表明模型穩(wěn)定可靠,樣機(jī)有較高的應(yīng)用價值。
【圖文】：

江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文換型近紅外光譜儀心是邁克爾遜干涉儀，其基本結(jié)構(gòu)如圖 1.5行光，以 45 度角入射到分束器 G1，一半光 M2，檢測器檢測射入樣品池的兩束光再反程差變化。根據(jù)干涉圖與光譜圖之間的相應(yīng)變換來測定和研究光譜[19]。傅里葉變換光譜良好的信噪比特性和分辨率。但采用動鏡形環(huán)境的變化而降低。

圖 1.6 AOTF 結(jié)構(gòu)簡圖Fig 1.6 diagram of AOTF structure調(diào)濾光器型研究與應(yīng)用較早的是 Brimrose 公司，其開路集中在槍式探頭上，并配有顯示屏和電池，具有較 的精度達(dá)到±0.5 nm，，具有較好的穩(wěn)定性。于 MEMS(micro electro mechanical system)技術(shù)技術(shù)的儀器的關(guān)鍵元件通過集成實現(xiàn)的微型化。依據(jù)分為以下類型[21]：MEMS 技術(shù)的法布里珀羅型(FPI)近紅外光譜儀羅濾波器分光原理圖如圖 1.7 所示。光源發(fā)出的光通鏡 P1 和 P2 組成 FPI 濾波器，在動鏡之間發(fā)生多光束差變化。因此通過控制動鏡間的距離 d，可實現(xiàn)波長具有波長分辨率高，重量輕、便于攜帶等優(yōu)勢。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH744.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2642002