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。     

稻谷新陈度近红外快速无损检测的研究

利用近红外技术结合化学计量学的方法建立了稻谷新陈度近红外光谱定量模型。对90个稻谷样本,通过近红外光谱仪扫描获得了从950～1 650nm的光谱信息。运用UNSCRAMBLER9.7软件进行计算,选择全谱区,结合偏最小二乘法(PLS)算法,得到光谱最佳预处理方法为一阶导加Savizky-Golay平滑,最佳主成分数为7。进行内部交叉验证,决定系数r2为0.967 9,预测误差为54.51,且预测结果与真实值通过t检验,说明模型是可行的。为稻谷新陈度的快速无损检测提供了一种新的方法。     

近红外微型光谱仪光学系统设计与模拟

基于光谱仪基本工作原理和光学设计理论,以系统微型化、且能满足一定光谱范围和分辨率要求为具体设计目标,提出了基于平面衍射光栅分光的交叉式C-T结构的近红外微型光谱仪光学系统结构方案.采用ZEMAX软件对近红外微型光谱仪的分光系统、成像系统进行了优化设计与模拟分析.最终设计与模拟分析结果表明,该光学系统光谱范围为900～1 700 nm,分辨率＜10 nm,谱面展宽为12.74 mm,F数为8.128 388,系统体积为51.26 mm×41.81mm×22 mm.     

近红外透射光谱应用于黄酒酒龄的定性分析

应用近红外光谱透射技术,结合化学计量学方法,开展了黄酒酒龄定性鉴别的研究,并对不同光谱预处理方法(未处理、平滑、二阶微分)对酒龄鉴别结果的影响进行了对比分析.试验采用傅里叶变换近红外光谱仪,以86瓶绍兴黄酒为标准样品,并结合不同光谱预处理方法及判别分析法,建立了黄酒酒龄定性鉴别模型.光谱平滑处理对酒龄鉴别结果影响不显著,而微分光谱分析结果最差,近红外原始光谱结合判别分析法的分析结果最优,其校正集正确分类的百分比达98.1%,预测集达90.6%.研究表明,近红外光谱透射技术结合原始光谱及判别分析法可作为一种可靠、准确、快速的检测方法用于黄酒酒龄定性鉴别分析.     

一种基于MEMS光栅光调制器的近红外光谱探测系统

基于微机电系统技术的近红外光谱探测系统已成为了近红外光谱仪研究的一个新方向。文章提出了一种基于光栅光调制器的新型近红外光谱探测系统。该系统采用微加工技术制造的光栅光调制器阵列与单点近红外探测器相结合使用的方法进行光谱探测。设计了该光谱探测系统的光学结构,论述了系统光谱探测原理,并使用经表面微加工工艺得到的光栅光调制器器件进行了系统分辨本领、波长准确性、系统稳定性、器件响应频率等特征参数测试实验。结果表明,该探测系统在1 320到1 400 nm波长范围内,分辨本领小于10 nm,波长准确性小于1 nm,系统稳定性小于0.5%,光栅光调制器的响应频率为5kHz。实验结果证明了该近红外光谱探测系统的可行性,为研制基于微机电系统光栅光调制器的微型化近红外光谱仪提供了理论基础及实验指导。     

可见/近红外光谱的油茶籽油三元体系掺假检测模型优化

采用可见/近红外光谱技术结合化学计量学方法对油茶籽油三元体系掺假进行定量检测研究。将菜籽油和花生油按不同比例掺入纯油茶籽油中,获得掺假样本。采集纯油茶籽油及掺假样本在350~1 800nm范围内的可见/近红外光谱数据,随机分为校正集和预测集,并从不同建模波段、预处理方法及建模方法角度对掺假预测模型进行优化。研究结果表明,菜籽油、花生油和总掺伪量的最优建模波段及预处理方法分别为750~1 770,900~1 770,870~1 770nm和多元散射校正(MSC)、标准归一化处理(SNV)和二阶微分,而最优的建模方法均为最小二乘支持向量机(LSSVM)。对于最优掺假模型,菜籽油、花生油和总掺伪量的预测集相关系数(Rp)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.963,0.982,0.993和2.1%,1.5%,1.8%。由此可见,可见/近红外光谱技术结合化学计量学方法可以用于油茶籽油的三元体系掺假定量检测。     

微型近红外光纤光谱仪用于奶粉中蛋白质脂肪的定量检测研究

提出利用微型近红外光谱仪、结合Y型光纤探头,在900～1 700nm范围内对奶粉中蛋白质、脂肪含量进行快速、无损检测的漫反射光谱检测方法。基于Unscrambler 9.7化学计量学软件,选择合适的光谱波段,通过PLS算法分别建立了蛋白质、脂肪的校正模型,得到蛋白质、脂肪校正模型的决定系数R2分别为0.987和0.986,均方根误差RMSC分别为0.385和0.419。利用所建模型对预测样本数据集进行预测验证,得到蛋白质的标准差SEPProtein=0.768、脂肪的标准差SEPFat=1.109,表明所建模型具有较高的预测能力,已基本达到实用化要求。     

基于微型光谱仪的多参数水质检测微系统设计与实验

针对水资源环境监测与保护的需求,提出了基于微型光谱仪连续光谱分析的多参数水质检测微系统,系统主要由MOEMS微型光谱仪、流路系统、多功能微小型样品反应检测室和嵌入式测控系统组成,具有自动进样和试剂、样品反应体系的自动恒温、搅拌、光谱检测和数据处理等功能。论文介绍了系统各主要部分的功能与结构,研制出了原理样机,经实验测试验证,研制的多参数水质检测仪能够快速实现多个水质参数的准确检测,满足水质多参数在线监测的应用技术要求,同时具有很大的功能扩展性。     

基于MEMS微镜的傅里叶变换光谱仪原理与分析

提出了一种新型的基于可编程MEMS(micro-electro-mechanical systems)微镜的微型傅里叶变换红外光谱仪.该光谱仪采用可编程MEMS微镜和倾斜反射镜替代了传统傅里叶变换光谱仪的动镜系统.理论分析了该光谱仪的工作原理,并进行了计算机仿真,验证了该方法的可行性.结果表明,该光谱系统能够准确地还原光谱信息,其光谱分辨率在近红外区域小于5 nm,波长准确性约1nm,系统理论上的信号采集周期约50 ms.适合于利用阿达玛变换提高信噪比,可应用于微量物质检测.     

基于近红外光谱的鲜味物质与鲜味强度检测

对近红外光谱(NIRS)分析技术结合化学计量学方法定量检测混合溶液中鲜味物质浓度及其鲜味强度的可行性进行探讨。以谷氨酸钠与肌苷酸二钠所构成的鲜味物质混合溶液为研究对象,获取不同鲜味强度的样本并采集其近红外光谱数据。基于偏最小二乘回归法结合竞争性自适应移动窗口区间组合(CMIC)新算法,以及多种常用变量优化算法分别建立混合溶液中鲜味物质浓度和混合溶液鲜味强度的检测模型。实验结果表明,最优的混合溶液中鲜味物质浓度和混合溶液鲜味强度检测模型均是基于CMIC算法建立的简化模型,预测决定系数分别为0.8886、0.9182和0.8097。因此,NIRS分析技术结合化学计量学方法可应用于定量检测混合溶液中鲜味物质浓度及其鲜味强度。     

先进焦平面与光谱成像技术现状

深入分析先进的焦平面技术和光谱成像技术的发展趋势,为探测器及光谱成像仪的研究提供参考。对光谱成像技术的现状和发展趋势、焦平面技术、先进焦平面技术对光谱成像系统技术的推动作用三个方面进行详细的分析总结,认为焦平面技术向着高性能、大规模面阵规格、高灵敏度、宽谱响应的方向发展;并推动光谱成像系统向着高分辨率、宽幅、多波段、更短重访周期和简化系统方向发展。成像光谱仪的发展趋势和需求指明焦平面技术的发展方向,同时焦平面技术的发展也会引领成像光谱仪系统进步和革新。     

基于平面螺旋电感的微型ICP激发源

随着微电子机械系统(MEMS)技术的发展,基于MEMS的光谱仪分光系统和光电检测系统研究报道日益增多,但是微型激发源的研究报道相对较少。文章介绍了一种基于表面微机械加工技术的微型电感耦合等离子体(ICP)激发源,其RF功耗在数瓦以下、氩气消耗量远低于常规ICP激发源。阐述了这种激发源的结构、加工工艺流程及性能指标。同时还介绍了作者设计制作的基于PCB工艺的微型ICP激发源,采用了平面螺旋电感线圈和平面梳状交指电容,在100 Pa氩气气压下用13.56 MHz,3.5 W射频功率激励点燃了等离子体火炬,给出了装置的外观微型ICP火炬的照片。最后展望了该微型的ICP激发源在光谱仪中的应用前景。     

实时单发测量的汤姆逊离子谱仪

介绍一种使用闪烁体耦合电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)的方式对离子进行记录的汤姆逊能谱仪,可实现对离子能谱的实时单发测量。同时,该谱仪利用倾斜电极板对离子进行偏转,可减少由于离子打在电极板上产生的电磁噪声,能够提高实验结果的信噪比。该谱仪在北京大学4.5 MV静电加速器和2×6MV串列加速器上进行了标定实验,测量了闪烁体将离子转化成光子后的探测效率,实验结果也验证了该谱仪的可行性和稳定性。该汤姆逊谱仪将用于北京大学激光加速器CLAPA对离子束流的测量研究。     

基于遗传算法的近红外光谱定性分析特征波长提取方法研究

近红外光谱分析技术虽在多领域获得广泛应用,但应用时仍以实验室仪器为主,目前光谱仪存在体积大、功耗高、价格贵等问题,有能力购买与使用此类仪器的主要是高校、科研院所、大型企业等,常用的基于傅里叶变换或光栅原理的光谱仪价格通常高达几十万元,超出中小企业、普通百姓的经济承受能力,因此近红外光谱仪的进一步推广应用仍有难度。降低仪器造价并实现微型化,是推广近红外光谱技术应用的一个重要方向,近红外光谱仪小型化的努力方向有CT正交型光栅技术以及微机电系统技术,但这两种技术方案对光谱仪体积缩小幅度有限,仍存在价格高、内部有移动部件等问题,难以做到真正微型化。据光谱仪的工作原理可知,其价格高低及微型化难度与仪器所能检测波段以及分辨率密切相关,以线性渐变滤光片与InGaAs探测器为例,分辨率越高,检测的波长点越多,其价格越高,制造难度越大。针对某一特定的定性分析任务,若能从大量波长点中挑选出少量特征波长点,并利用挑选得到的少量特征波长点完成对被测样本的定性分析任务,则可降低仪器制造成本,并降低光谱仪微型化难度,从而有利于近红外光谱分析技术的推广与应用。以玉米单倍体和多倍体籽粒作为研究对象,针对两类籽粒分类任务,分多天以漫透射方式采集被研究对象的近红外光谱,按时间顺序将所采数据分为5个数据集,对第1个数据集使用遗传算法提取出10个特征波长点,再将提取得到10个特征波长点,用于剩余4个数据集的单倍体、二倍体鉴别,以检验方法的有效性。实验结果表明使用10个特征波长点能够获得与全光谱基本一致的鉴别效果,说明使用少量特征波长点上的吸光度值也能够有效鉴别单倍体,可为其他领域某特定任务开发低成本便携式微型近红外光谱仪提供借鉴。     

成像光谱仪一体化设计

随着超光谱成像技术的发展,超光谱成像光谱仪的要求也随之提高,小型化、高光谱分辨率和高空间分辨率成为发展趋势,这就要求设计者在进行仪器设计的过程中不断完善和优化设计。提出了成像光谱仪一体化设计的方法,即不单纯地进行光谱仪分光系统的设计,而是将光谱仪分光系统置于整体结构中进行整体系统设计和优化,从而实现超光谱成像光谱仪的最佳设计结果,并以近年来应用较为广泛的凸面光栅成像光谱仪为例,较为详细地阐述了成像光谱仪一体化设计方法在系统研制过程中的应用,并通过对该凸面光栅成像光谱仪的测试验证了该方法的正确性。     

一种高信噪比的双光束激光光声光谱仪原理及应用

作为一种新兴的检测手段 ,激光光声光谱技术与其他检测技术相比具有很多优点。本文设计的光声光谱仪用激光做光源 ,有两个光声池 ,分别用来放置参考样品和待测样品 ,输出结果为二者光声信号的比值。利用这一比值 ,可以由参考样品的性能参数方便地求出待测样品的相关性能参数。该光声光谱仪有效地减小了本底吸收噪声的影响 ,提高了信噪比 ,扩大了固体光声理论的应用范围。本文还阐述了该光声光谱仪在定性定量分析中的一些应用     

核磁共振谱仪数字接收机的原理与实现

核磁共振波谱仪射频系统数字化是现代核磁谱仪的发展方向,用数字检波技术代替模拟正交检波是数字接收机的一项新技术.本文在分析模拟正交检波原理与不足的基础上,介绍了数字正交检波、过采样和采用中频直接采样的原理,及在400MHz核磁谱仪上的实现方案.     

基于安卓的便携式无线多道能谱测量系统

为了满足实时现场测量和能谱监测的需求,设计了一种便携式无线多道数据采集系统。系统可以完成小剂量能谱测量和多道分析,并采用WIFI通信的方式,结合Android操作系统平台实现对能谱测量数据的记录和处理。介绍了系统的设计方案,包括测量原理、硬件设计和软件设计。具体阐述了各个硬件单元的原理、功能和设计要点。最后进行了能谱测试和同类仪器比对实验,根据测量结果分析了该能谱测量系统的性能。系统样机的采集道数为64k,能量分辨率为3.81%。     

基于Dyson同心系统的光线折叠式成像光谱仪优化设计

基于Dyson同心光学系统的凹面光栅成像光谱仪具有像差小、孔径高、结构简单紧凑的优点,同心结构要求光谱仪子系统的物面和像面必须重合为一个平面,且物点和像点之间距离非常小。现有的焦平面探测技术和装配技术难以满足理论设计要求。为了解决实际中物点和探测器的安置问题,对传统Dyson同心光谱仪光学系统进行了改进设计,通过在成像光束中引入离轴反射镜实现像面位置的转移。结果表明:改进后的光学系统由于成像光束发生折叠,物面和像面成功分离,且改进后系统的全波段像差得到更合理的分配。