一種基于半導(dǎo)體激光器的檢測(cè)器及其參數(shù)調(diào)整方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光譜檢測(cè)領(lǐng)域，尤其是一種基于半導(dǎo)體激光器的檢測(cè)器及其參數(shù)調(diào)整 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近紅外光譜分析技術(shù)是一種典型的高效分析技術(shù)，這種光譜分析技術(shù)是20世紀(jì) 80年代初發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)的測(cè)試技術(shù)，它是現(xiàn)代電子技術(shù)、光譜分析技 術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和化學(xué)計(jì)量技術(shù)的集合體。
[0003] 傳統(tǒng)的近紅外光譜分析儀由光源、樣品池、分光器、檢測(cè)器及計(jì)算機(jī)這5部分組 成，并可分為兩大類：固定波長(zhǎng)型和掃描型。
[0004] 固定波長(zhǎng)型又分為濾光片型與LED型，濾光片型近紅外光譜分析儀采用若干片干 涉濾光片對(duì)光源發(fā)射出的光進(jìn)行分光，測(cè)量時(shí)根據(jù)需要的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)片輪選擇一個(gè)合適的濾 光片光路，儀器體積大且不方便攜帶，這種分析儀的單色光的譜帶較寬，波長(zhǎng)分辨率差，功 耗大，有效光功率小，壽命短。LED(即發(fā)光二極管）型近紅外光譜分析儀采用LED作為光源， 通過(guò)不同的發(fā)光二極管產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的光，該類近紅外分析儀的光譜半寬過(guò)大，達(dá)到30nm 以上，滿足不了精確地選擇特定波長(zhǎng)的要求；此外，有些儀器上還會(huì)采用LED加濾光片的方 式，同樣會(huì)出現(xiàn)有效光功率過(guò)小的情況，影響了測(cè)量精度和準(zhǔn)確性。
[0005] 掃描型又分為光柵型、傅里葉型、聲光可調(diào)濾光器型（A0TF型）和多通道型。光柵 型近紅外分析儀采用了光柵進(jìn)行分光，因狹縫的限制而導(dǎo)致其分辨率和靈敏度均較低，且 其對(duì)光路要求嚴(yán)格，外界光強(qiáng)會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，掃描速度較慢。傅里葉型近紅外分析儀因帶 有移動(dòng)部件，在掃描過(guò)程中會(huì)發(fā)生晃動(dòng)和偏轉(zhuǎn)，造成干涉信號(hào)的不穩(wěn)定，降低了其靈敏度。 聲光可調(diào)濾光器型（A0TF型）近紅外分析儀通過(guò)交變電場(chǎng)控制晶體的排列來(lái)對(duì)復(fù)合光進(jìn)行 分光，分光的譜帶較寬，分辨率較低，且自然界的雜光會(huì)影響分析的結(jié)果。多通道型近紅外 分析儀光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)樣品后聚焦到固定光柵上，經(jīng)全息光柵色散后的光由多通道檢測(cè) 器同時(shí)檢測(cè)，其缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍有限，且對(duì)溫度敏感。
[0006] 終上所述，傳統(tǒng)的近紅外光譜分析儀由于光源及分光系統(tǒng)的復(fù)雜性，一般體積都 比較大且價(jià)格比較昂貴，而且為了完成測(cè)量其必須為儀器配置一臺(tái)專用的計(jì)算機(jī)并在計(jì) 算機(jī)上安裝該儀器獨(dú)有的分析模型才能工作，不夠方便且過(guò)分依賴于計(jì)算機(jī)自身的處理速 度，在分析模型復(fù)雜時(shí)分析效率較低。此外，目前業(yè)內(nèi)也缺乏近紅外光譜分析儀的參數(shù)調(diào)整 方法，無(wú)法保證近紅外光譜分析儀以最優(yōu)的狀態(tài)進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集以及分析，不夠穩(wěn)定可 與巨〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是：提供一種體積小、價(jià)格低廉、方便且效 率高的智能云檢測(cè)器。
[0008]本發(fā)明的另一目的是：提供一種穩(wěn)定可靠的，智能云檢測(cè)器的參數(shù)調(diào)整方法。
[0009] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是： 一種基于半導(dǎo)體激光器的檢測(cè)器，包括： 樣品模塊，用于裝載樣品； 采集模塊，用于在嵌入式操作系統(tǒng)的控制作用下通過(guò)基于半導(dǎo)體激光器的采集光路采 集樣品的光譜數(shù)據(jù)； 業(yè)務(wù)模塊，用于根據(jù)采集的光譜數(shù)據(jù)采用嵌入式操作系統(tǒng)、云計(jì)算技術(shù)以及大數(shù)據(jù)處 理技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以得到樣品的吸光度及成分指標(biāo)數(shù)據(jù)； 所述采集模塊的輸出端與業(yè)務(wù)模塊的輸入端連接。
[0010] 進(jìn)一步，所述采集模塊包括： 第一微處理器，用于通過(guò)嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制； 半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路，用于驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器； 半導(dǎo)體激光器，用于發(fā)出激光； 檢測(cè)器，用于將樣品反射的激光轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)； 光譜數(shù)據(jù)采集電路，用于將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并上傳給業(yè)務(wù)模塊； 所述第一微處理器的輸出端通過(guò)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)而與半導(dǎo)體激光器的輸入 端連接，所述檢測(cè)器的輸出端通過(guò)光譜數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)而與業(yè)務(wù)模塊的輸入端連接。
[0011] 進(jìn)一步，所述半導(dǎo)體激光器在以檢測(cè)器為中心的圓周上均勻分布。
[0012] 進(jìn)一步，所述光譜數(shù)據(jù)采集電路包括： 檢測(cè)信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)放大電路，用于對(duì)模擬電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和信號(hào)放大，得 到放大后的模擬電信號(hào)； 信號(hào)采集電路，用于將放大后的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)上傳給業(yè) 務(wù)豐吳塊； 所述檢測(cè)器信號(hào)調(diào)理電路的輸入端與檢測(cè)器的輸出端連接，所述檢測(cè)器信號(hào)調(diào)理電路 的輸出端通過(guò)信號(hào)放大電路進(jìn)而與信號(hào)采集電路的輸入端連接，所述信號(hào)采集電路的輸出 端與業(yè)務(wù)模塊的輸入端連接。
[0013] 進(jìn)一步，所述業(yè)務(wù)模塊包括： 第二微處理器，用于根據(jù)接收的數(shù)字信號(hào)采用嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的分析與 計(jì)算，并與云服務(wù)器和大數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以得到樣品的吸光度及成分指標(biāo)數(shù) 據(jù)； 云服務(wù)器，用于與第二微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以通過(guò)云計(jì)算技術(shù)配合第二微處理器 來(lái)完成光譜數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算； 大數(shù)據(jù)處理單元，用于與第二微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以通過(guò)大數(shù)據(jù)處理技術(shù)配合第 二微處理器來(lái)完成光譜數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算； 顯示單元，用于顯示樣品的吸光度及成分指標(biāo)數(shù)據(jù)； 所述第二微處理器分別與云服務(wù)器以及大數(shù)據(jù)處理單元連接，所述第二微處理器的輸 出端與顯示單元的輸入端連接。
[0014] 進(jìn)一步，所述第一微處理器和第二微處理器均采用STM32芯片。
[0015] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的另一技術(shù)方案是： 一種基于半導(dǎo)體激光器的檢測(cè)器的參數(shù)調(diào)整方法，包括： A、 對(duì)半導(dǎo)體激光器光路的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以得到使半導(dǎo)體激光器光路達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)時(shí) 對(duì)應(yīng)的最優(yōu)參數(shù)，所述半導(dǎo)體激光器光路的參數(shù)包括但不限于半導(dǎo)體激光器與檢測(cè)器的水 平距離、檢測(cè)器與樣品的豎直距離以及半導(dǎo)體激光器與水平面間的夾角； B、 對(duì)智能云檢測(cè)器進(jìn)行整機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化，以得到優(yōu)化后的參數(shù)，所述優(yōu)化后的參數(shù)包括 但不限于優(yōu)化后的吸光度、優(yōu)化后的半導(dǎo)體激光器工作電流及優(yōu)化后的半導(dǎo)體激光器工作 溫度。
[0016] 進(jìn)一步，所述步驟A，其包括： A1、根據(jù)半導(dǎo)體激光器的電路及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，確定半導(dǎo)體激光器與檢測(cè)器的最優(yōu)水 平距離D; A2、根據(jù)半導(dǎo)體激光器的光斑大小要求以及檢測(cè)器所檢測(cè)到的反射光電流大小要求， 確定檢測(cè)器與樣品的最優(yōu)豎直距離K; A3、根據(jù)半導(dǎo)體激光器與檢測(cè)器的最優(yōu)水平距離D以及檢測(cè)器與樣品的最優(yōu)豎直距離K計(jì)算半導(dǎo)體激光器與水平面間的最優(yōu)夾角《，所述半導(dǎo)體激光器與水平面間的最優(yōu)夾角 :變的計(jì)算公式為：
[0017] 進(jìn)一步，在圓周上均勻分布的半導(dǎo)體激光器數(shù)量為12個(gè)時(shí)，其所確定的最優(yōu)水平 距離D為10mm，所確定的最優(yōu)豎直距離K滿足：36mm<K< 44mm，所計(jì)算出的最優(yōu)夾角___
滿足
[001?」 近 少，xc少3來(lái)d，穴me: B1、對(duì)智能云檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)器選擇使用優(yōu)化、信號(hào)放大電路優(yōu)化及信號(hào)采集電路優(yōu) 化，以得到優(yōu)化后的檢測(cè)器吸光度； B2、對(duì)半導(dǎo)體激光器的工作電流以及工作溫度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，以使半導(dǎo)體激光器得輸 出波長(zhǎng)以及輸出功率保持穩(wěn)定。
[0019] 本發(fā)明一種基于半導(dǎo)體激光器的檢測(cè)器的有益效果是：采集模塊通過(guò)基于半導(dǎo)體 激光器的采集光路采集樣品的光譜數(shù)據(jù)，通過(guò)半導(dǎo)體激光器將光源與分光器合二為一，減 小了近紅外光譜分析儀的整體體積且節(jié)省了成本，與傳統(tǒng)的近紅外光譜分析儀相比，體積 更小且價(jià)格更低廉；業(yè)務(wù)模塊綜合了嵌入式操作系統(tǒng)、云計(jì)算技術(shù)以及大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，無(wú) 需再在計(jì)算機(jī)上安裝該儀器獨(dú)有的分析模型才能工作，更加方便，且采用云計(jì)算技術(shù)以及 大數(shù)據(jù)處理技術(shù)減少了對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴，提升了分析的速度及效率。進(jìn)一步，半導(dǎo)體激光器 在以檢測(cè)器為中心的圓周上均勻分布，以滿足不同波長(zhǎng)光的采集要求及進(jìn)一步降低近紅外 光譜分析儀的體積。
[0020] 本發(fā)明一種基于半導(dǎo)體激光器的檢測(cè)器的參數(shù)調(diào)整方法的有益效果是：增設(shè)了對(duì) 半導(dǎo)體激光器光路的參數(shù)