非接触在线红外水分仪产品资料

非接触在线红外水分测定仪
一、产品特点
在线水分检测仪指的是在传送带上的物料不断运动，通过近红外光线照射，非接触的测量物料的水分。

其特点在于：24小时不间断连续测量，非接触，距离被测物表面15～40厘米，水分测量范围0～100%，水分分辨率0.01%，可输出4～20mA电流信号，可配备RS485模块。

在线红外水分测定仪的参数：
●测量系统：4波长8光束的近红外光线反射原理
●测量范围：水分0～100% （根据产品而定）
●测量分辨率：0.01%（根据产品而定）
●测量面积：直径60mm（探头距离物料300mm时）
●测量距离：150～400mm
●测量速度：最快0.2秒
●标定调校：快速标定；预标定，勿须日常再标定。

●滤波：线性的或者指数的（1～99秒）阻尼
●模拟输出：4（0）～20mA电流信号（用于接PLC或者DCS系
统）
●通讯输出：可选RS485模块连接电脑，符合MODBUS协议
重量：18kg（公斤）
●电源要求：220V
二、工作原理
分子结构，像水中的氢-氧键会吸收特定波长的近红外线（特定测量波段1940nm），在特定波长下，所反射回去的近红外线能量和物料中水分子吸收的近红外线能量成反比，根据能量的损失量就能计算出被测物料的含水率。

水分子不是静止的：当遇到特定的能量带时，它们会振动。

水分子中束缚两个氢原子与氧原子的键会伸展、收缩、
或以其它形态扭曲。

需要外来的能量引起这些振动。

需要的能量遍及整个电磁光谱的特定波段。

在整个光谱的不同部位，有一些吸收波段十分强烈，有一些十分微弱。

在光谱的近红外部位，该等波段对于水分子特别强烈，同时仪器在发射、过滤和接收能量方面更容易实现。

红外在线水分测定仪把多个波长的近红外线光束聚集到被测物表面上，其表面反射的近红外线的光束被一个高级红外光学探测系统接收和处理。

这种高级红外光学探测系统能快速处理数据。

一个内嵌式的超性能微型数字信号处理芯片用来处理、储藏和显示所需要的数据。

其精确度和稳定性非常出众。

在线红外水分测定仪利用的现象是：许多的物质在特定波长下吸收红外能量，而不吸收在其它波长下的红外能量。

当测量受测物质的水含量时，最少选择两种波长。

一种是为参照波长，不会被受测物质或水强烈吸收。

另一种是为测量波长，它不会被受测物质强烈吸收，但会被水强烈吸收。

在线红外水分测量仪使用装嵌在转轮上的精密红外滤光片。

这种安装允许参照光和测量光的脉冲交替地通过滤光片。

被保留的光束会被聚焦在受测试的样品上。

首先是参照光被投影在样品上，然后是测量光被投影在样品上。

这两个具有时序的光能脉冲会被反射回到一个探测器上，依次转换成两个电信号。

参考通道表示预计的反射能量的多少。

测量通道有一部分被水分子所吸收，因此其能量将出现衰减。

这两个信号结合形成一个比率。

这比率与一些从不同含水程度样品中获得的其它比率的差，是与两者含水量的差成正比例。

两种通道的信号强度结合成以下的方程式：
R/MxM1/R1=比率，
其中
R代表产品光束的参照通道
M代表产品光束的测量通道
M1代表补偿光束的测量通道
R1代表补偿光束的参照通道
如果有漂移状况出现，诸如测量波长的光的强度改变，M和M1值会同时相称地受影响，对于比率来说，漂移的结果被抵消，保持了测量结果的稳定性和一致性。

三、产品总体设计
设计采用波长固定、使用寿命较长的LD 作为单色光源、积分球作为载样器件，从而构成整台检测仪无任何移动部件的近红外水分仪，系统方案框图( 见图1）。

仪器的设计思路是LD 经过驱动后发出稳定的单色光，直接照射到样品上，经过物料的漫反射光信号由积分球收集并照射到InGaAs 光电探测器转换成电信号( 见图2），由后继放大电路检测出信号并放大，使用USB 接口的A/D 采集卡将此放大信号送往上层测控软件进行分析并显示。

仪器设计主要包括：（1）仪器整体光路设计；（2）微弱信号探测电路设计；（3）近红外水分仪的测控软件开发。

水分仪硬件部分设计分为光学系统和电路系统，其中电路部分主要包括探测器后继电路和信号采集系统。

1、光学系统
光学系统的关键部件积分球设计要满足以下2个条件：在积分球内表面的覆膜必须要能很好地散射并有高反射率；积分球出入口面积不超过内表面面积的5%[4]。

本设计的积分球内表面镀金，保证对近红外
光有99% 以上的反射率。

积分球共4 个开口，分别用于光源2 只、探测和物料口各1 只，光源口与探测口直径相同为Φ5，物料口为Φ10，积分球直径设计为Φ50。

仪器采用单个的探测器，样品表面贴近积分球内表面，LD 所产生的光直接照射到样品，保证样品能第一次对光足够吸收；探测器的斜角与LD 的斜角错开，防止样品一次反射光直接进入探测器。

光源选取1310nm、1490nm 波长的LD，其中1490nm 是水的吸收峰，1310nm 作为参比波长。

为防止使用时间长引起温度升高，光源采用轮工作方法( 根据需要，这里选择两路光源驱动电路)。

利用单片机内部的定时中断使得LD 轮流点亮，点亮时间可手动或软件设定，使用锁存器对输出进行锁存，以此避免脉冲干扰及数据丢失。

2、检测电路
探测器检测电路主要由光电二极管、前置放大电路和滤波电路组成。

前置放大电路（见图3）将光电二极管得到的微弱电流信号进行放大，然后通过滤波电路后输出。

3、软件设计（略）
4、水分检测试验
对奶粉样品的水分进行标定测量，在所选的波长下，建立光谱数据与实际物料水分之间的校正模型，以验证仪器测量水分的准确性和实用性。

奶粉水分测试试验，将从市面上购买的学奶粉，配置成不同水分的样品11 个，水分含量从
2%~7%，分别进行漫反射光强度和实际含水率的检测，水分按GB /T
8304 -2002 中规定的方法测量。

数据的处理在本课题组研制的软件NIRSA2.2 系统中完成。

根据试验的实际情况，选用多元线性回归以及多项式回归2 种算法建立相对漫反射光强度与含水率之间的定标模型。

多元线性回归模型方程为：
Y = 0.2050 − 0.041X1-0.1383X2
多项式回归模型方程为2
1 2 2 Y = 0.2609 − 0.0381X − 0.2831X + 0.0875X
其中，Y 为预测奶粉水分含量，X1 为1310nm 波长
下系统输出，X2 为1490nm 波长下系统输出。

两组模型下实测值与定标值相关图。