便携式近红外光谱分析仪
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野外现场矿物近红外光谱 分析仪的基本原理
吉林大学
2002/10
a
1
目录
1、基本知识介绍
2、红外原理
3、近红外技术的应用
4、红外仪器的分类
5、我们的仪器设计方案
a
2
1 基本知识
10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 102 104 106 108
宇 线宙
射
线
波光 波微 波短 波
X X
软
用积分球作为探头，并确定了用法，使得
光信号得到了最大利用，提高了信噪比，
同时可降低光源的功率。
4、通过改变传感器偏压和偏置电阻降低 了前端的电路噪声，通过调节切光频率， 改善了传感器信能且避开了工频干扰。并 通过合理的设计前放和窄带率波电路进一 步提高了信噪比，使得信噪比勉强满足要 求。
a
24
•5、在可承受的噪声条件下，尽量提高放
1、避开杂散光的干扰；
2、系统的信噪比要高；
3、必须使用短焦距的光学器件以
减小体积；
4、系统必须有较强的抗干扰能力；
5、由于是野外仪器，故功耗要低。
a
20
采用光栅扫描型的原因
1、傅立叶干涉型的光谱仪精 度高，重复性好，但其造价高， 且其核心器件傅立叶干涉仪大 且重，无法做成便携式；
2、滤光片型不能进行全谱测 量，精度不够
2.Osborne B G and Fearn T.Near Infrared Spectroscopy in Food Analysis. New York: Joh, 1986
3.Wiley and Sons Inc., Wheeler O c. , 1960, 37: 2344．
移相。
a
31
利用积分球使光变得均匀，提高利用率
a
32
a
33
省电措施
1、通过光路的该进和放大倍数的提高， 降低了光源的功率； 2、对光源进行实时控制，不用的时候 马上关闭电源； 3、通讯模块中，特地选用了MAX公司 的片子MAX221,此芯片内带电源管理功 能，不通讯时就可立刻停止供电； 4、在电机监测部件中，利用单片机的 I/O口进行检测，只有当电机转动时才启 动检测部分，否则关a 闭电机监测部件。34
漫反射原理图
a
18
便携式光谱分析仪器的特点
1.体积小；
2.重量轻；
3.功耗小；
4.抗干扰性好。
a
19
存在的问题
自然界中的一切物体，只要温度高于绝对温度(-273℃)就存在分 子和原子无规则的运动，其表面就不断地辐射红外线。所以近 红外光谱仪器面临很大的环境噪声的干扰。鉴于它有以上的特 点，所以在开发中有以下问题要重点解决。
a
11
红外光谱仪类型
滤光片型，精度低，成本低
a
12
傅立叶变换型
DA7000型和美国NEOTEC生产的6250 型。瑞典FOSS TECATOR公司的 Infratec 5000型、6500型等 ，精度高、 成本贵，体积大
a
13
光栅扫描型
体积小，价格适中，精度能
满足要求
a
14
AOFT声光调制 近红外型
使其变为 频域的光，从而避开自然光的
干扰。并可避免信号处理上的一大难
题——对微弱直流信号放大;
2、由于体积限制不能使用长焦距光学
元件，限制了光能的利用率。通过实验
把原来的一个透镜改为两个面积较大的
透镜，从而使光的利用率提高了2倍;
a
23
•3、通过对比试验测的光纤取样法由于缺
少耦合探头使得反射光损失太大，从而采
真
线射 外空
10线-3 紫
紫 线外
光
可 见
线
近 红 外
10-1
1
a
中 红 线外 线
10 102
3
红外分析原理
有机物以及部分无机物分子中化学键结合的各种基团（C=C，
N=C，O=C，O=H，N=H）的运动（伸缩、振动、弯曲等）
都有它固定的振动频率。当分子受到红外线照射时，被激发
产生共振，同时光的能量一部分被吸收，测量其吸收光，可
InGeAs 、Ge、InAs、InSb等为传感 器)
a
26
单光路的非扫描型仪器图
a
27
单光路光栅扫描型便携式近红外光谱仪
A/D
取样系统
切 光 器
光
光源
学
系
统
放 大 系 统
统扫 描 驱 动 系
块 模
机单 片
系统总体框图
a
主 机
28
光
透
凹 镜
镜面 源
切
光 器
光
栅 及 反
积 分 球
射
镜
光路框图
a
29
6.近红外各谱带宽和交叠多;
7.无近红外光谱吸收的物质也能够通过它对共 存的本体物质影响引起的光谱变化，间接地 反映它存在的信息；
8可测量形式如漫反射、透射和反射各种各样 的物态样品的光谱 。
a
5
同一官能团在不同物质里吸收位置不同（地开石，明矾石，叶
蜡石， 高岭石）
a
6
红外分析方式
a
7
近红外可分析的样品状态
操作软件设计
底层：单片寄驱动程序，负责
电路功能的实施，进行各种控制
232串口通讯
பைடு நூலகம்
上层：界面程序，进行仪器参
数设置、数据管理、数据处理，
和谱图生成、打印a 。
35
样机模型
a
36
操作界面
a
37
目前测试效果
a
38
参考文献
1.Stark E, Luchter K and Margoshes M. Appl. Spectrose. Rev., 1986, 22(4): 352
a
21
光栅扫描型光谱仪分为： 单光路和多光路
1、多光路的仪器信号强，易于提
高信噪比，重复性易于得到保证，
但光学元件过多，光程长，体积难
以做小；
2、单光路仪器可以做小，且通过电
路的加强和光路的改进，可以使信
噪比达到要求，由于测量时间短，
重复性能得到保证；
a
22
解决方案
1、利用直流电机对光源的光进行切光，
a
15
流行软件算法
1、多元线性回归（MLR）
2、逐步回归（SMR）
3、主成分分析（PCA）
4、主成分回归（PCR）
5、偏最小二乘法（PLS）
6、人工神经网络（ANN）
7、拓扑（Toplogical）
a
16
我们开发的仪器
便携式近红外光谱分析仪
测量类型：漫反射技术
仪器类型： 单光路光栅扫描型
a
17
漫反射原理
得到极为复杂的图谱，这种图谱表示被测物质的特征[4]。不同
物质在近红外区域有丰富的吸收光谱，每种成分都有特定的
吸收特征，这就为近红外光谱定量分析提供了基础。
a
4
红外分析特点：
1.适合分析含C-H，O-H，N-H等基团化合物; 2.不同的基团和同一基团在不同化学环境中的 吸收波长有明显差别； 3.可使用较长的光程（约780nm-2526nm）； 4.吸收系数小 ,样品不经稀释就可直接测量； 5. 痕量污染对测量的干扰不大；
传
前
感
器
放
电 机 驱 动 模 块
可
A/D
编
锁
程
相
模
放
放
大 器大
块
单片机 通讯模块
电路框图
a
30
采用的具体技术
1、以AD630为核心设计锁相 放大器
通过切光和窄带放大的技术实现了信号的 检测，但由于是 相对测量，对信噪比要求 极高，需要进一步提高，故只能采用锁相 放大。将通过切光器产生所需的参考信号， 利用比较器和延时器或触发器进行整形并
4.曾庆勇, 微弱信号检测, 浙江大学出版社 1986．
5.陆婉珍，袁洪福，徐光通，强冬梅，现代近 红外光谱分析技术, 中国石化出版社, 2000.
6.《光谱仪器原理》 李全臣，蒋月娟 北京理
工大学出版社
a
39
a
40
块状、气体、粉末、液体，
且无需预处理，不损坏样品
a
8
应用范围
a
9
石油成分鉴定
纺织工业中区 分纤维类型
食品工业中糖份 脂肪成分检测
用于粮食、饲料、肉类、奶制品、水果、蔬菜的 成分测定和纺织工业及制药业a 中，且不破坏样品 10
近红外分析技术三要素
1.光谱仪;
2.定量定性软件;
3.应用模型三部分;
大倍数，从而可减小光源的功率，降低整
机功率；
•6、为了增强抗干扰能力，加了对电机的
检测 部件，在通讯模块中，也充分利用
MAX221的特点加了冗余措施；
•7、考虑到是野外仪器，故功耗和电源管
理是一大难点，后面将会讲到为了节省电
源而作的设计。
a
25
单光路光栅扫描型的分类：
1、无移动部件型(CCD)
2、步进电机驱动型(制冷PbS、
吉林大学
2002/10
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目录
1、基本知识介绍
2、红外原理
3、近红外技术的应用
4、红外仪器的分类
5、我们的仪器设计方案
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2
1 基本知识
10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 102 104 106 108
宇 线宙
射
线
波光 波微 波短 波
X X
软
用积分球作为探头，并确定了用法，使得
光信号得到了最大利用，提高了信噪比，
同时可降低光源的功率。
4、通过改变传感器偏压和偏置电阻降低 了前端的电路噪声，通过调节切光频率， 改善了传感器信能且避开了工频干扰。并 通过合理的设计前放和窄带率波电路进一 步提高了信噪比，使得信噪比勉强满足要 求。
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24
•5、在可承受的噪声条件下，尽量提高放
1、避开杂散光的干扰；
2、系统的信噪比要高；
3、必须使用短焦距的光学器件以
减小体积；
4、系统必须有较强的抗干扰能力；
5、由于是野外仪器，故功耗要低。
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采用光栅扫描型的原因
1、傅立叶干涉型的光谱仪精 度高，重复性好，但其造价高， 且其核心器件傅立叶干涉仪大 且重，无法做成便携式；
2、滤光片型不能进行全谱测 量，精度不够
2.Osborne B G and Fearn T.Near Infrared Spectroscopy in Food Analysis. New York: Joh, 1986
3.Wiley and Sons Inc., Wheeler O c. , 1960, 37: 2344．
移相。
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31
利用积分球使光变得均匀，提高利用率
a
32
a
33
省电措施
1、通过光路的该进和放大倍数的提高， 降低了光源的功率； 2、对光源进行实时控制，不用的时候 马上关闭电源； 3、通讯模块中，特地选用了MAX公司 的片子MAX221,此芯片内带电源管理功 能，不通讯时就可立刻停止供电； 4、在电机监测部件中，利用单片机的 I/O口进行检测，只有当电机转动时才启 动检测部分，否则关a 闭电机监测部件。34
漫反射原理图
a
18
便携式光谱分析仪器的特点
1.体积小；
2.重量轻；
3.功耗小；
4.抗干扰性好。
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19
存在的问题
自然界中的一切物体，只要温度高于绝对温度(-273℃)就存在分 子和原子无规则的运动，其表面就不断地辐射红外线。所以近 红外光谱仪器面临很大的环境噪声的干扰。鉴于它有以上的特 点，所以在开发中有以下问题要重点解决。
a
11
红外光谱仪类型
滤光片型，精度低，成本低
a
12
傅立叶变换型
DA7000型和美国NEOTEC生产的6250 型。瑞典FOSS TECATOR公司的 Infratec 5000型、6500型等 ，精度高、 成本贵，体积大
a
13
光栅扫描型
体积小，价格适中，精度能
满足要求
a
14
AOFT声光调制 近红外型
使其变为 频域的光，从而避开自然光的
干扰。并可避免信号处理上的一大难
题——对微弱直流信号放大;
2、由于体积限制不能使用长焦距光学
元件，限制了光能的利用率。通过实验
把原来的一个透镜改为两个面积较大的
透镜，从而使光的利用率提高了2倍;
a
23
•3、通过对比试验测的光纤取样法由于缺
少耦合探头使得反射光损失太大，从而采
真
线射 外空
10线-3 紫
紫 线外
光
可 见
线
近 红 外
10-1
1
a
中 红 线外 线
10 102
3
红外分析原理
有机物以及部分无机物分子中化学键结合的各种基团（C=C，
N=C，O=C，O=H，N=H）的运动（伸缩、振动、弯曲等）
都有它固定的振动频率。当分子受到红外线照射时，被激发
产生共振，同时光的能量一部分被吸收，测量其吸收光，可
InGeAs 、Ge、InAs、InSb等为传感 器)
a
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单光路的非扫描型仪器图
a
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单光路光栅扫描型便携式近红外光谱仪
A/D
取样系统
切 光 器
光
光源
学
系
统
放 大 系 统
统扫 描 驱 动 系
块 模
机单 片
系统总体框图
a
主 机
28
光
透
凹 镜
镜面 源
切
光 器
光
栅 及 反
积 分 球
射
镜
光路框图
a
29
6.近红外各谱带宽和交叠多;
7.无近红外光谱吸收的物质也能够通过它对共 存的本体物质影响引起的光谱变化，间接地 反映它存在的信息；
8可测量形式如漫反射、透射和反射各种各样 的物态样品的光谱 。
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同一官能团在不同物质里吸收位置不同（地开石，明矾石，叶
蜡石， 高岭石）
a
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红外分析方式
a
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近红外可分析的样品状态
操作软件设计
底层：单片寄驱动程序，负责
电路功能的实施，进行各种控制
232串口通讯
பைடு நூலகம்
上层：界面程序，进行仪器参
数设置、数据管理、数据处理，
和谱图生成、打印a 。
35
样机模型
a
36
操作界面
a
37
目前测试效果
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38
参考文献
1.Stark E, Luchter K and Margoshes M. Appl. Spectrose. Rev., 1986, 22(4): 352
a
21
光栅扫描型光谱仪分为： 单光路和多光路
1、多光路的仪器信号强，易于提
高信噪比，重复性易于得到保证，
但光学元件过多，光程长，体积难
以做小；
2、单光路仪器可以做小，且通过电
路的加强和光路的改进，可以使信
噪比达到要求，由于测量时间短，
重复性能得到保证；
a
22
解决方案
1、利用直流电机对光源的光进行切光，
a
15
流行软件算法
1、多元线性回归（MLR）
2、逐步回归（SMR）
3、主成分分析（PCA）
4、主成分回归（PCR）
5、偏最小二乘法（PLS）
6、人工神经网络（ANN）
7、拓扑（Toplogical）
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我们开发的仪器
便携式近红外光谱分析仪
测量类型：漫反射技术
仪器类型： 单光路光栅扫描型
a
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漫反射原理
得到极为复杂的图谱，这种图谱表示被测物质的特征[4]。不同
物质在近红外区域有丰富的吸收光谱，每种成分都有特定的
吸收特征，这就为近红外光谱定量分析提供了基础。
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红外分析特点：
1.适合分析含C-H，O-H，N-H等基团化合物; 2.不同的基团和同一基团在不同化学环境中的 吸收波长有明显差别； 3.可使用较长的光程（约780nm-2526nm）； 4.吸收系数小 ,样品不经稀释就可直接测量； 5. 痕量污染对测量的干扰不大；
传
前
感
器
放
电 机 驱 动 模 块
可
A/D
编
锁
程
相
模
放
放
大 器大
块
单片机 通讯模块
电路框图
a
30
采用的具体技术
1、以AD630为核心设计锁相 放大器
通过切光和窄带放大的技术实现了信号的 检测，但由于是 相对测量，对信噪比要求 极高，需要进一步提高，故只能采用锁相 放大。将通过切光器产生所需的参考信号， 利用比较器和延时器或触发器进行整形并
4.曾庆勇, 微弱信号检测, 浙江大学出版社 1986．
5.陆婉珍，袁洪福，徐光通，强冬梅，现代近 红外光谱分析技术, 中国石化出版社, 2000.
6.《光谱仪器原理》 李全臣，蒋月娟 北京理
工大学出版社
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块状、气体、粉末、液体，
且无需预处理，不损坏样品
a
8
应用范围
a
9
石油成分鉴定
纺织工业中区 分纤维类型
食品工业中糖份 脂肪成分检测
用于粮食、饲料、肉类、奶制品、水果、蔬菜的 成分测定和纺织工业及制药业a 中，且不破坏样品 10
近红外分析技术三要素
1.光谱仪;
2.定量定性软件;
3.应用模型三部分;
大倍数，从而可减小光源的功率，降低整
机功率；
•6、为了增强抗干扰能力，加了对电机的
检测 部件，在通讯模块中，也充分利用
MAX221的特点加了冗余措施；
•7、考虑到是野外仪器，故功耗和电源管
理是一大难点，后面将会讲到为了节省电
源而作的设计。
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25
单光路光栅扫描型的分类：
1、无移动部件型(CCD)
2、步进电机驱动型(制冷PbS、