T/CIS 17006-2022《傅立叶变换近红外光谱仪通用技术规范》主要技术指标解析

2022年12月1日中国仪器仪表学会正式发布了团体标准T/CIS 17006-2022《傅立叶变换近红外光谱仪通用技术规范》,这是国内首个专门面向近红外光谱仪的标准。为了方便广大用户更好地理解和贯彻执行新标准,本文对该标准中涉及到的技术指标进行了详细解读。

面向油品参数快速计量的高精度傅里叶近红外光谱仪

针对油品现场检测中实时性和准确度的需要,研制了一种面向油品参数快速计量的高精度傅里叶近红外光谱仪。该光谱仪采用相干长度扩增方法,可快速定位有效信号;通过驱动采集控制系统对傅里叶近红外检测光路进行100 nm等间隔的干涉调制,最终由傅里叶逆变换解析出的吸收光谱分辨力可达3.25 cm^(-1)。用该光谱仪对汽油样品进行质量检测的结果表明:该光谱仪可在短时间内对汽油中5种物质含量进行快速计量,其最大体积误差不超过0.7%,可以满足油品参数现场计量的需求,对市场中成品油质量的监管具有重要意义。

基于双光栅和柱透镜的高分辨率近红外微型光谱仪

因为便携、低成本、集成化等优势,微型光谱仪已经成为光谱仪技术发展的重要趋势,其中工作波段在近红外的微型光谱仪,在光纤传感和解调、光纤通信等领域有着非常广泛的应用。但目前的近红外微型光谱仪普遍存在分辨率低、成本高、体积大不便于携带等问题,为此,提出了一种独特的基于双光栅和柱透镜的微型光谱仪结构,开展了理论和实验研究。相对于传统的微型光谱仪结构,新的设计主要有三个特征:使用光纤代替入射狭缝,以减少光能损失;采用双光栅将光束进行二次衍射;使用柱透镜以改变线阵CCD阵列表面的成像尺寸。首先,利用Zemax软件进行了光学设计和仿真分析,光谱范围为1525~1570 nm,光学系统结构在66 mm×40 mm×24 mm的体积范围内,光谱分辨率理论上达到0.2 nm,比未加柱透镜的结构提升了2.5倍。然后,根据理论分析,选购了合适的光电器件进行了系统封装,与匹配的电路模块结合,实现了微型光谱仪的光谱检测功能。光谱仪的光学系统安装在66 mm×40 mm×30 mm的体积范围内,实际测量的光谱分辨率为0.215 nm,与理论结果较为吻合。进一步地,搭建了一套基于该微型光谱仪的光纤光栅温度传感测量系统,该微型光谱仪作为信号解调仪,选择了四个中心波长分别为1534、1538、1542和1545 nm的光纤光栅作为传感器,温度在0~50℃范围内以1℃为间隔连续变化,最终实现了温度实时测量和信号解调,系统温度灵敏度分别达到9.58、9.68、9.69和9.6 pm·℃^(-1),验证了该微型光谱仪的高分辨率和高可靠性。研制的微型光谱仪的子组件可以固定在外壳上,系统内部无可移动元器件,体积小、分辨率高、稳定性好,可应用于其他诸如物质浓度分析、传感信号测量等需要高分辨光谱分析的场合。

一种近红外光纤布里渊光谱仪分辨率增强方法

对于研制的基于光纤受激布里渊效应的精密光谱分析仪,受激布里渊增益谱宽的存在限制了可用的最佳光谱分辨率,并造成受激布里渊增益系数与功率存在关联性。这些都会影响近红外光纤布里渊光谱仪的性能。针对上述问题,提出了一种光谱分辨率增强方法。采用两级受激布里渊过程级联,并结合待测光和泵浦光的功率调控,使得受激布里渊过程处于小信号、线性高增益区。结果表明,该方法能够实现约1.4倍的光谱分辨率增强效果,突破了原理理论限制,提升了近红外光纤布里渊光谱仪的性能。

近红外光谱仪的研制

采用电荷耦合器件(CCD)为检测器研制了近红外光谱仪,该仪器具有结构简单,无可移动光学部件,性能稳定和扫描速度快的特点,主要技术性能指标如重复性,分辨率,波长准确性和噪音都可以满足常规分析的要求。并配有基于化学计量学的分析软件。已在多家炼油厂中应用,其分析结果符合标准分析方法的要求。

傅里叶变换近红外光谱仪扫描条件对数学模型预测精度的影响

以小麦粉状样品为例 ,研究了傅里叶变换近红外光谱仪在不同分辨率 ,不同的激光频率下扫描样品对近红外光谱用于分析小麦样品蛋白质含量的影响。结果表明 :以 4 ,8,16cm- 1 的分辨率扫描样品或当激光频率改变幅度在 1cm- 1 以内时对小麦蛋白模型的影响不显著 。

便携式近红外光谱仪器现状及展望

近红外光谱分析技术具有速度快、操作简单等优点,在农业、制药等行业得到了大量应用,其中一些应用需要将仪器携带到分散的分析现场使用,为满足这一需求,很多体积小、便于移动的便携式近红外光谱仪被研制出来。这些仪器的种类较为繁多,采用了很多不同的基本原理,使用了不同的光路结构。文章综述了国内外便携式近红外光谱仪的技术现状,根据光路结构的不同将仪器分成滤光片型、光栅型、傅里叶变换型、声光可调滤波器型以及使用微机电系统(MEMS)的新型光谱仪等类型,重点介绍各类仪器的原理和主要部分的结构,同时简要介绍不同类型仪器的特点,并列举典型产品。也对测量附件、操作、显示等外围部分的设计作简要介绍,这些附件针对便携应用采取了特殊的设计。通过介绍,为新型便携式近红外光谱仪的研制提供借鉴。最后,对便携式近红外光谱仪器的现状作总结,并对未来国内外技术的发展进行展望。

便携式近红外光谱仪研究进展

综述了不同分光类型的便携式近红外仪器的原理及其优缺点,以及近红外光谱分析方法,列举了国内外部分便携式近红外仪器在农业工程方面的应用现状。在“互联网+”的大趋势下,结合中国现阶段的发展状况及实际生产生活的需要,预测了便携式红外光谱仪的未来发展方向。

CCD近红外光谱仪在柴油生产控制分析中的应用

介绍了电荷耦合器件（ Ｃ Ｃ Ｄ）近红外光谱仪在柴油生产控制分析中的应用，通过对直馏柴油、加氢精制柴油及成品柴油十六烷值、密度、凝点、闪点及馏程等质量指标的测定及与标准测定方法的对比，验证了近红外光谱测定柴油性质的可靠性。试验证明，近红外方法具有分析速度快、重现性好、分析成本低等特点。

微型MOEMS阿达玛变换近红外光谱仪

提出一种运用微光机电系统（micro-opto-electro-mechanical systems,MOEMS）闪耀光栅,动态产生阿达玛变换模版的微型近红外光谱仪。它具有体积小、价格低、扫描速度快等突出优点。分析了这种新型近红外光谱仪的结构和工作原理,通过对MOEMS闪耀光栅编程,动态生成了63阶阿达玛模版。实验得到的光谱波形与岛津光谱仪测量结果吻合。检测波长范围为900-1 500 nm,分辨率为19 nm,单次扫描时间2.4s,信噪比为44.67∶1,光路尺寸为70 mm×130 mm,总体重量〈1 kg,符合实时、便携的要求。

近红外光谱仪数据采集系统的研制

根据阵列检测型近红外光谱仪对采集卡动态范围和信噪比的要求,设计和实现了以USB2.0为通信协议的16位数据采集系统。系统采用Δ-∑模数转换器ADS1610,将CCD信号数字化。应用可编程逻辑技术,实现了TCD1304检测器的驱动和积分时间的256挡选择。系统的有效分辨率为15位,信噪比为58 dB,缓存容量为4K×16 bit,CCD积分时间30 ms^0.5 s可编程控制。研制的采集系统与分光系统结合,具有很好的市场价值和应用前景。

便携式中波近红外光谱仪在线无损检测生鲜猪肉胆固醇

应用便携式近红外光谱仪采集320份生鲜猪肉在近红外光谱中波区的光谱信息,采用不同优化方法建立猪肉胆固醇预测模型,并对异常样品的剔除及组合预处理方法对模型性能的改善进行了分析。研究表明:通过对异常值的二次剔除,并使用SG一阶导数(savitzky-golay first derivative,SG 1st D)、SG平滑(savitzky-golay smoothing,SGS)和正交信号校正(OSC)的组合预处理方法,可获得最佳生鲜猪肉胆固醇预测模型,其参数如下:校正集相关系数(Rc)=0.9137,校正标准差(standard error of calibration,SEC)=2.5607,验证集相关系数(Rp)=0.656 7,预测标准差(standard error of prediction,SEP)=4.985 5,主因子数(principal factor,PF)=4,范围误差比(ratio of performance to standard deviation,RPD)=2.5032,相对预测标准差(relative standard error of prediction,RSEP)=8.625 4%,SEP/SEC=1.946 8,说明模型在近红外光谱中波区对猪肉胆固醇的分辨能力和预测准确度较好,通过向校正集中补充代表性样品可使模型稳健性进一步改善。对检验集样品预测值(prediction value,PV)与参比值(reference value,RV)的t检验显示二者之间无显著性差异(p>0.05),检验集样品总体预测准确率为62.5%,其中50~70mg·(100g)-1区段的局部预测准确率达到91.7%,可以用于生鲜猪肉胆固醇浓度的在线快速初步定量分析。该研究将便携式近红外光谱用于在近红外中波区对生鲜猪肉及肉制品中胆固醇浓度的分析和检测,通过进一步的研究和改进,可将其应用于产品的原料分级、品质和过程控制及市售产品的抽检等。

基于MEMS微镜的长波近红外光谱仪的设计与实现

为适应光谱仪微型化、集成化的发展趋势,详细分析了MEMS微镜应用于微型长波近红外光谱仪的方法和涉及的主要问题,例如分光系统的设计、MEMS微镜的选择、探测器与前置放大电路的设计等。并将50Hz谐振频率、峰峰驱动电压为10V的MEMS微镜、高灵敏度的InGaAs单元探测器,结合立特罗式分光光路,设计和实现了900~2 055nm波段的微型长波近红外光谱仪样机,其中1 000~1 965nm谱段的光谱分辨率介于9.4~16nm之间。采用MEMS扫描微镜技术后,一方面简化了光谱仪中的复杂机械结构,使尺寸可以更小;另一方面实现了单探测器的长波近红外光谱仪,与阵列长波近红外探测器光谱仪相比,成本有所降低。作为应用实例,此样机成功对纯水以及乙醇-水溶液的长波近红外光谱进行了测量,实现了乙醇-水溶液的浓度预测分析,其中本样机测量的纯水长波近红外光谱与文献相符。

数字微镜近红外光谱仪光学系统设计与实验(英文)

针对传统光谱仪体积大、成本高、检测速度慢、需样品前处理等不足,提出了利用数字微镜面阵(DMD)实现光谱谱面分割分时选通的近红外光谱仪光学系统.首先,对比传统光路介绍单探测器微型光谱仪系统测量原理;然后结合DMD特性提出光路方案,根据几何光学原理进行初步光学元件选型和光路结构设计,利用ZEMAX光学软件对光路进行仿真,确定结构参数;最后,搭建实验平台,进行光路测试.实验结果表明:该系统光路尺寸为70mm×130mm,测量波段为(900～1 500nm),分辨率可达19nm;在能量损失较小的情况下,减小狭缝尺寸可提高光学分辨率,狭缝的极限尺寸为200μm;减小狭缝子午面高度可减小谱面内弯曲现象.本系统基本满足近红外分光,实现单点探测器光谱测量的要求.

近红外光谱仪国内外现状与展望

介绍了国内外近红外光谱仪的现状,包括生产厂家、仪器类型、主要技术指标和仪器性能以及测量附件等。讨论了近红外光谱仪今后的发展趋势,特别是我国近红外光谱仪的发展方向。

近红外光谱仪与凯氏定氮法测定油菜蛋白质含量的比较

应用近红外光谱仪和凯氏定氮法测定油菜籽中蛋白质含量作比较分析。结果表明 :相同样品用两种分析方法测试结果基本吻合 ,其偏差和相对标准偏差均小于 2 % ,说明近红外光谱仪所建模型稳定性较好 ,分析结果准确、可靠 。

普鲁克分析用于近红外光谱仪的分析模型传递

使用普鲁克分析（Ｐｒｏｃｒｕｓｔｅｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ，ＰＡ）统计学方法解决多元校正中的模型传递问题，并研究了 ＰＡ算法中主因子数及标样数对传递结果的影响。在５台国产ＣＣＤ近红外光谱仪上进行了试验，初步获得了令人满意结果。

便携式近红外光谱仪快速无损鉴别霍山石斛枫斗和河南石斛枫斗

采用便携式近红外光谱仪采集231个霍山石斛枫斗和河南石斛枫斗样品的近红外光谱,采用一阶导数(1st D)、标准正态变量变换(SNV)、均值中心化(MNCN)、多元散射校正(MSC)、矢量归一化(N)等方法及其组合的9种方法预处理原始光谱,应用偏最小二乘判别分析(PLS-DA)建立快速无损鉴别霍山石斛枫斗和河南石斛枫斗的数据模型,比较不同光谱预处理方法对PLS-DA建立模型的准确率影响,以预测模型的正确率、敏感性、特异性为指标,评价模型的优劣。结果表明:1st D+SNV+MNCN预处理方法的效果最好,模型的准确率最高,在潜在变量是12的情况下,校正集、交互验证集、预测集的准确率都为100%;模型的敏感性、特异性都为100%。

可见近红外波段无人机载成像光谱仪设计

为了满足地物成像光谱分析的需要,设计了同轴安装、体积小、重量轻的适用于无人机载的棱镜-光栅-棱镜型可见近红外成像光谱仪.通过角放大率选择、光焦度分配、相对孔径计算设计了视场较大的前置物镜;通过光栅方程求解、体相位全息光栅布拉格条件约束、棱镜折射定律设计了光谱系统的初始结构;通过工作光谱上下限出射角与探测器光谱维宽度的关系确定了成像物镜的焦距;通过出射光角度明确了出射光谱的非线性.设计的无人机载成像光谱仪工作光谱范围为400~1 000nm,视场角为40°,全工作波段在空间截止频率20.8lp/mm处的传递函数值均大于0.67,光谱分辨率小于3nm.装调了无人机载成像光谱仪对室外绿化树木进行光谱推扫成像实验,实现了树叶的多光谱成像.该成像光谱仪能够有效实现光谱成像,性能良好.

基于Android微型近红外光谱仪实时检测云系统的实现

目的基于Android开源平台对MicroNIR 1700微型近红外光谱仪开发微型近红外光谱仪实时检测云系统。方法使用USB Host模式开发Android app应用程序,实现微型近红外光谱仪的控制、光谱采集、样品指标检测、短信通知等功能;采用SHH开源架构搭建web云服务平台,依据光谱分析仪器需求实现了数据监听、数据库存储以及检测信息地图标注等后台服务功能,Android设备通过移动网络与web云服务连接,实现数据的传递与共享。结果使用者仅需通过app程序下载相对应的模型文件并连接微型近红外光谱仪即可实现样品指标的现场检测,并结合网络云服务实现了样品指标检测结果、模型信息、测量时间、终端定位等关键数据的智能云端化监测管理功能。结论该系统运行稳定,为微型近红外光谱仪的网络化、智能化发展提供了一种方向。