發(fā)布時間：2020-04-27 07:03

【摘要】：近紅外光譜分析技術是一種具有無損檢測樣品、不使用化學試劑、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)勢的先進技術,在醫(yī)療制藥、農林石化等眾多領域得到了廣泛應用。和國外的較成熟近紅外儀器市場相比,國內近紅外光譜儀發(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,采用齒輪傳動機構,通過步進電機驅動齒輪帶動光柵轉動,電細分與機械細分相結合,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)、設計了近紅外光譜儀的硬件電路系統(tǒng)及下位機與上位機的軟件系統(tǒng),并進行了軟硬件調試;最后,對近紅外光譜儀性能參數(shù)進行了相關的試驗測試。主要研究內容如下:1.研究近紅外光譜技術的分析原理,漫反射方法進行測量分析的理論基礎和色散原理,為波長掃描機構的設計提供理論依據(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)和上位機系統(tǒng)4個部分組成。2.設計了儀器的光路結構、完成了核心光學元件的參數(shù)設計,對光柵傳動機構的掃描波長與步進電機轉角的關系進行了理論計算。設計步進電機驅動扇形齒輪帶動光柵轉動的傳動機構,實現(xiàn)了波長的快速、高精度掃描。設計近紅外光譜儀的硬件電路系統(tǒng),完成了光電轉換模塊、A/D轉換模塊、傳感器制冷控制模塊、電機驅動電路以及通訊接口電路設計。3.設計了近紅外光譜儀的軟件系統(tǒng),包括基于STM32單片機的控制系統(tǒng)、PC端軟件設計和Android端軟件設計。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的應用軟件,以及通過WIFI和儀器通訊,在移動設備上基于安卓系統(tǒng)的應用軟件。并針對不同應用場景開發(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)預處理方法;在Android平臺上開發(fā)的應用程序,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行波長定標,擬合函數(shù)與標定數(shù)據(jù)契合度較好。進行了近紅外光譜儀樣機的性能測試,對儀器的吸光度的重復性以及儀器的掃描速度、分辨率、波長準確性等指標進行了詳細的評定與分析。樣機波長范圍為900nm~2500 nm,分辨率小于10 nm,吸光度重復性在1 nm以內,波長準確性誤差為±0.4 nm,吸光度重復性小于1 nm。對標準白板進行100%T測量,標準偏差均小于0.0005 AU。波長波動小于±0.8%,系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。樣機進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。使用樣機進行面粉中蛋白質含量的定量測試試驗,結果表明模型穩(wěn)定可靠,樣機有較高的應用價值。
【圖文】：

江蘇大學碩士學位論文換型近紅外光譜儀心是邁克爾遜干涉儀，其基本結構如圖 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 結構簡圖Fig 1.6 diagram of AOTF structure調濾光器型研究與應用較早的是 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 的精度達到±0.5 nm，，具有較好的穩(wěn)定性。于 MEMS(micro electro mechanical system)技術技術的儀器的關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。
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH744.1

【參考文獻】

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1 任小強;陳金鷹;李文彬;胡波;;網絡通信之Java Socket多線程通信[J];信息通信;2015年06期

2 胡愛琴;袁洪福;宋春風;李效玉;;近紅外離散波長光譜基線漂移校正方法研究[J];光譜學與光譜分析;2014年10期

3 于新洋;盧啟鵬;高洪智;彭忠琦;;便攜式近紅外光譜儀器現(xiàn)狀及展望[J];光譜學與光譜分析;2013年11期

4 陳勇;王坤;劉煥淋;陳麗娟;楊雪;;三點尋峰算法處理光纖布拉格光柵傳感信號[J];光學精密工程;2013年11期

5 李洋;殷云鵬;趙勇;;基于Android的網絡數(shù)據(jù)存儲與訪問[J];中國科技信息;2013年08期

6 陳健;凌振寶;陳鵬飛;王智宏;;近紅外光譜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制[J];電子測量與儀器學報;2012年01期

7 潘國鋒;;基于K-S算法的水質硝酸鹽含量光譜檢測方法研究[J];光譜實驗室;2011年05期

8 董長哲;王宇;李明;丁曉燕;;InGaAs探測器熱電制冷方法研究[J];航天返回與遙感;2011年04期

9 蔣雪萍;;近紅外光譜分析儀校準方法的探討[J];化學分析計量;2011年01期

10 張琳;周金池;;近紅外光譜儀主要性能指標及研究進展[J];分析儀器;2010年05期

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1 羅彪;面向近紅外微型光譜儀的MOEMS掃描光柵微鏡關鍵技術研究[D];重慶大學;2012年

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2 張娜;Android系統(tǒng)架構研究與應用[D];西安科技大學;2013年

3 楊兆祥;寬帶聲光可調諧濾波器的設計及應用[D];天津大學;2009年

本文編號：2642002