| （滤光片式近红外光谱仪的光路机械系统的设计 84页 38310字 包括开题报告 文献综述 任务书 外文翻译 程序 电路图 答辩记录等） 摘要：近红外光谱仪广泛应用于农产品、食品质量的检测，以及药品中各种化学成分的测定和真伪药的检测，具有良好的市场应用前景。 本文设计了一台用滤光片来分光的近红外光谱仪，其结构由光源、分光系统、样品池和检测器组成。其原理是：光源出射的近红外光谱，经准直镜后平行入射到滤光片上，透射得到特定波长的光斑经扩束后照射到样品上，得到待测样品的吸收光谱，经透镜聚焦后被检测器接收。这台光谱仪采用卤钨灯作为光源，卤钨灯体积小，光源支架设计比较小巧，易于安装，并设计了冷风扇用以对光源制冷，同时采用凹面镜聚光，提高了光源的利用率。分光系统是将滤光片安装在固定转盘上，用电机带动转盘旋转，使光源发出的光可以透过不同的滤光片来检测样品。样品池内部空间设计地比较狭长，避免样品堆积在样品池底部，接收不到光照。检测器支架采用套筒结构，将硅光电池密封安装在套筒内，减少外界光的干扰，使检测结果更加准确。 本文首先介绍了近红外光谱仪的研究目的和意义，以及国内外的最新发展；接着介绍了近红外光谱仪的类型，性能指标和基本结构；最后详细介绍了我对光源、分光系统、样品池和检测器支架的整体设计。 关键词：滤光片；近红外；光谱仪；机械系统 中图分类号：TH744 Design of the Optical Mechanical System of an NIR Spectrometer with Filter Abstract: NIR spectrometer is widely used in testing the quality of the products in agriculture and food industry, as well as the components and authenticity of various chemical drugs, so it has a good application foreground in the market. In this article, we design an NIR spectrometer with filters. Its construction includes light source, splitting system, sample pool and detector. Its principle is: the NIR spectrum which comes out from the light source, turns into a parallel light after the collimating mirror and incidents on the filter, then the light from the sample contains the sample spectrum information, at last received by the detector. We use halogen lamp as the light source, it has a small bulk, so the bracket is designed to be compact and easy to install, simultaneous we design a fan beside it to chill it. At the same time, a concave mirror is used to increase the efficiency for the light source. The splitting system adopts the filters which are installed at a fixed wheel which is drove by a motor, so we can detect the samples by the light coming through different filters. The internal space of the sample pool is designed to be narrow and long to avoid the accumulation of samples at the bottom of the pool which will cut the illumination. The bracket of the detectors adopts the construction of a sleeve，that we put the silicon PV in the sleeve, to reduce the outside interference from stray light, so that we could get more accurate results. In this article, we firstly introduced the purpose and significance of the research on the NIR spectrometer as well as the latest developments domestic and abroad; then we introduce the types, performance and basic structure of NIR spectrometer. Finally, we refer to the design of the light source, splitting system, sample pool and detector in detail. Keywords: Filters; NIR; Spectrometer; mechanical system Classification:TH744 目 次 摘要 Ⅰ 目次 Ⅲ 第一章 引言 1 1.1 近红外光谱仪研究的目的和意义 1 1.2 国内外的最新发展 2 1.3 设计内容 3 第二章 近红外光谱技术原理 4 2.1 近红外光谱概念 4 2.2 近红外光谱仪的主要类型 5 2.3 近红外光谱仪器的主要性能指标 6 2.4 近红外光谱仪的基本构成 8 2.4.1 光源 8 2.4.2 分光系统 10 2.4.3 样品池 11 2.4.4 检测器 12 2.4.5 计算机 14 第三章 滤光片式近红外光谱仪的光路设计 15 3.1 滤光片型光谱仪的类型 15 3.2 滤光片式近红外光谱仪的光路设计 16 第四章 滤光片式近红外光谱仪的具体设计 19 4.1 滤光片式近红外光谱仪的整体设计 19 4.2 光源系统的设计 19 4.3 分光系统的设计 20 4.4 样品池的设计 21 4.5 检测器支架的设计 21 第五章 总结 22 参考文献 23 附录A 滤光片式近红外光谱仪的整机结构图及实物图 24 作者简历 25 学位论文数据集 26 第一章 引言 1.1 近红外光谱仪研究的目的和意义 光谱技术和光谱仪器事业因全球科技经济社会发展的需要，在上世纪四五十年代跳出了科学实验范畴，成为广泛应用的分析检测手段以后得到了快速发展。不但成为现代科技必不可少的精密检测分析手段，为现代天文学、航空航天、分子生物学、现代医学、环境和生态等等新科技的建立和发展提供了基础。而且为现代大工业、现代农业、现代文化事业的大发展，如石油化工、合成纤维、高效肥料和农药、彩色电影和电视也做出了不可低估的贡献[1]。 在上世纪八十年代以后，随着现代科技、经济、社会军事事业的快速发展，光谱仪器事业包括科研技术研发和生产以及推广应用有了更加显著的发展。改革开放以来，我国光谱仪器事业也同时不断发展。 在新世纪来临后，全球范围各领域提出了持续发展必需的更高更新的要求、更高分辨率、更高灵敏度、更快分析速度、更少试样量、更小仪器体积、更牢固、无故障结构、遥感遥测。与此同时，现代科技的新发展成果如：新探测原理、新数学手段、新计算机软硬件、新器件、新工艺，也为新颖光谱仪器事业的持续发展提供了理论和物质基础。因此，在世纪交替阶段，光谱仪器事业获得了前一百年未曾有过的突破性发展[2]。 进入新世纪，短短几年在科技国际化、经济全球化、社会和军事发展跨国界化的新发展形势下，为了在科技发展领先、经济发展超前、社会和军事发展、反恐和民族自卫、人民健康安全、全球环境和生态保护，以及全球能源资源的争夺和替代等等全球性质大课题方面，得以持续快速发展。光谱仪器事业的持续发展又成为各国争相竞争的前沿。我国也在新形势下随着国力的增强更加重视和推动光谱仪器事业的持续发展。 21 世纪是众所共识的信息时代，信息科技的内涵包括：信息的获取、处理、传输、控制和应用。信息的获取是基础，是源头；信息的应用是目的，没有基础，获取不到必需的、足够精确的、宏观或微观的分析、检测信息。后续的信息处理、传输、控制和应用就无从谈起。而新世纪需求更多、更广泛、更精确的分析检测信息，必然会要求推动信息获取源头科技事业的更深入发展。作为最重要的信息源头科技，光谱仪器事业的更深入发展就成为最必需必要的重点。 光谱分析检测技术和光谱仪器因其特有的高灵敏度、高分辨率、高速度、无损伤、无污染、抗干扰、可遥测等优点必然成为多种理化、生物、环境、大工业生产、科技、农业、健康、卫生、医疗保健等等领域最优选的信息源头科技。可以提供符合更新、更高要求的宏观或微观信息[3]。因此，光谱仪器事业科技生产应用必将面临新世纪持续发展的强大压力，而且会在新世纪取得更快速全面的新发展这是不言自明的。 1.2 国内外的最新发展 2 0 世纪末，已经发展和开始成熟的数字化、智能化、网络化光谱分析检测技术和光谱仪器，目前已成为光谱技术和光谱仪器持续发展的主要方向，以光学原理为基础，以精密机械为构架，以模拟电子信号处理为显示的传统光- 机- 电一体化光谱仪器，已经退缩为现代光谱仪器中的二等地位。而数字化、智能化、网络化等部分已成为仪器的核心组成。 近期国内外新颖光谱仪器新产品层出不穷，其主要变化或进展大部分都体现在核心数字化组成方面，光-机-电基本组成没有实质性的变化。可以预计，虽然光-机=电基本组成也会随着全球高科技发展而不断更新，例如：2004 年德国Zeiss 公司推出了应用连续光源交叉色散系统的contrAA 连续光源原子吸收分光光度计。 由于数字化软硬件构成的核心组成不断吸收最新高科技发展成果而不断更新，使光谱仪器发生出人意料的革命性的变化，将是今后若干年光谱仪器事业持续发展的主流方向。例如，在数字化高科技基础上，将光谱分析技术与光学成像技术巧妙结合发展出光谱成像技术，将光谱技术进化到既能完成定性定量分析又可进行定位分析的新科技。所谓化学成像，满足新世纪提出的看到人脑组织中化学生化成分分布图之类的新要求。 现代科技在高集成器件技术，如芯片技术传感器微型器件硅工艺方面的成果日新月异，其功能、性能常有惊人的进展，而现代信息理论数学处理方法，计算软件系统也在不断发展，这些成果都会很快被吸收入新颖光谱仪器事业的持续发展进程中。例如，传统的一维信息获取、处理思维，正在被多维信息获取和处理思维所取代。这必然将目前一台仪器只能针对一个检测目标获取单一分析检测信息的光谱仪器，进化到借助复合多维多功能传感器和多维信息实时处理运算手段，从而同时给出实时多维信息的的全新面貌。也就是说一台光谱仪器不单可以给出检测试样的光谱曲线从而获得试样成分信息，而是可同时给出试样成分及其变化以及诸如化学结构、物理形态、活性状态等等相关信息及其变化等等。发展多维信息化光谱仪器就可避免瞎子摸象式只能给出象是弯曲的管状物，只摸到象鼻或象是圆柱状的只摸到象腿的单维信息造成的片面或错误理解或判断。不但可给出象的整体描述，而且可以给出例如象皮粗糙程度，象体重量，象走动速度，象体不同部位温度分布等等多维信息。 中科院长春光机所开发出基于固定滤光片的粮食专用型NIR 分析仪。郑建荣等人研制了滤光片反射式NIR 测试装置,对流化床喷雾制粒生产过程中颗粒含水量进行了实时监测试验。谢晓明提出了一种用于中途油气层探测的基于滤光片的NIR实时测量系统。上海棱光技术有限公司研制出了光栅扫描式NIR 农产品品质分析仪。国土资源部现代地球物理开放实验室研制出了光栅扫描式便携NIR 矿物分析系统。江绍基研制了光栅扫描式光学膜厚NIR 监控仪。天津大学基于AO TF 技术开发出了NIR 乳品成分快速分析仪。毕卫红提出了一种新型的基于AOTF 的便携式NIR 光谱测量仪。中国农业大学研制出以L ED 为光源的便携式NIR 整粒小麦成分测量仪和NIR 玉米品质分析仪。北京第二光学仪器厂研制出WQF -400N 型傅立叶变换型NIR 光谱仪和辛烷值测定仪。石油化工科学研究院开发出了用于实验室和工业在线分析基于固定光路和CCD 阵列检测器的近红外光谱仪。浙江大学基于同一技术路线,也研制出了汽油辛烷值NIR 在线分析仪[4]。上述这些仪器硬件研发成果有些已被产业化,转化为商品仪器仪器,其中有些产品的关键性能指标已达到国际同类商品的水平,并已在石化和农业等行业的科研和生产中得到应用,发挥着积极的作用。 目前近红外光谱分析在很多领域中都有应用，这主要是由于它具有以下特点：1、速度快、数据产出多。2、采用计算机的辅助后得到的定性及定量结果都能满足一般的要求。3 、操作技术要求低。4 、样品用量少且不破坏样品、不污染环境。 传统光谱仪器不但是大型精密贵重仪器，而且对工作环境条件温度、湿度、振动、电磁干扰要求严酷，必须要由专业分析人员侍侯。为适应全球发展，形势上20世纪后期已有强烈的光谱仪器小型化、便携式、现场化的需求，并已出现了光谱仪器小型化的潮流，研发小型化光谱仪器成为各国科技产业部门的关注重点。在国家十五科技攻关项目工作中，北京普析通用仪器公司，天津大学合作已开发出便携式紫外可见分光光度计，现已成为热销的产品。 至于现代军事科技发展迫切需求的战场，现场快速放射生物化学武器侦查的便携式光谱仪，今后若干年会成为全球各国的研发重点。可以预计由于世纪全球多领域的新发展，对小型化光谱仪器的研发生产应用需求会更加迫切，一定会成为今后相当长时期内备受关注的方向。 1.3设计内容 一.功能设计:设计出一台滤光片式近红外光谱仪，使它能够检测各类固体样品的品质。 二.系统的总体设计：光谱仪分光源、分光系统、样品池和检测系统。光源的选取、安装的部位，以及光源支架的结构设计；分光系统的选取，如滤光片式、棱镜式、光栅式等，以及其安装的部位；样品池的选取及安装，样品池有固体样品池、液体样品池和气体样品池，根据不同的要求选取不同的方式。检测器要根据不同的光谱范围选取不同的检测器。 三.结构图的绘制：用AutoCAD绘图软件绘制出各个零件的工程图以及整个光谱仪的组装图。 |
滤光片式近红外光谱仪的光路机械系统的设计
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