雙光程和多位置調製光源測量複雜溶液成分含量的方法與流程

2023-06-16 22:25:21 3

本發明涉及光譜複雜溶液濃度分析化學計量領域，尤其涉及一種雙光程和多位置調製光源測量複雜溶液成分含量的方法。

背景技術：

現有技術中，較為成熟的技術是通過化學檢驗來檢測包裝袋中複雜溶液成分的含量，具有準確性高的突出優點，但化學檢驗的方式無法滿足快速、非接觸、以及無汙染的需求，光譜測量由於其非接觸、無汙染的特性也有可能實現袋裝複雜溶液成分的含量檢測。

在光譜檢測中，根據朗伯-比爾定律：分別測量各個波長的入射光強i0和出射光強i，通過公式(1)計算各個波長的吸光度a。∈為物質在某一波長下吸光係數，c為物質的濃度，b為光程長度。

實際上，由於種種原因未能測量入射光強i0，例如：入射光強i0太強而難以測量，但如果在入射光強i0基本穩定不變的情況下，只測量出射光強i也可以得到不錯的結果。然而光譜檢測受到光譜背景噪聲的影響、光源變化的影響以及測量容器的影響難以達到測量需要的精度。

光源的影響主要表現為光譜分布和光強的變化。導致光源變化的原因有很多，如光源電壓變化、燈絲老化，環境溫度變化等。在光譜分析中，鮮有文獻介紹光源對測量精度的影響，以及減小光源強度變化對測量精度影響的方法。在早前的研究中，用定標的方式來消除一些幹擾，如用水來定標，但是由於光強過強，實際中難以操作。也有很多學者利用中性衰減片或光纖分光方式測量入射光強i0。以中性衰減片為例(下面的討論除非特別說明，均在某個波長上討論)，測量通過中性衰減片的出射光強in，則光源的光強i0n可以用吸光度a和出射光強in來表示：

然後將被測樣品替換中性衰減片，測出樣品的出射光強is，

注意到所以

式(4)的最終結果中沒有(也即)出現，說明光源的強度(及其光譜)不會影響對樣品的測量，只要所有的測量都採用同一中性衰減片校準，即保持lgin+an為恆定常數。

但不同場合很難找到完全一樣的中性衰減片，且很難保證樣品與中性衰減片的位置一致。並且由於複雜溶液的散射性，導致得到的光譜具有非線性，以及無法完全消除光譜背景噪聲的影響，針對這一問題，本專利提出了一種雙光程和多位置調製光源測量複雜溶液成分含量的方法。

技術實現要素：

本發明提供了一種雙光程和多位置調製光源測量複雜溶液成分含量的方法，本發明不僅消除了光譜背景噪聲、光源變化和包裝袋帶來的影響，而且極大抑制了複雜溶液散射帶來的影響，提高了複雜溶液成分含量分析的精度；解決了包裝袋內複雜溶液成分的無損檢測問題，高效、簡便、無汙染，詳見下文描述：

一種雙光程和多位置調製光源測量複雜溶液成分含量的方法，所述方法用於測量包裝袋內的複雜溶液成分含量，所述方法包括以下步驟：

光源的出光光口、與光譜接收裝置的入射狹縫緊貼包裝袋，調製裝置調製光源使其發出方波光信號，光源對複雜溶液樣品進行透射，光譜接收裝置採集透射光譜；

位移平臺控制光源移動至不同位置，在每一個位置上改變光程透射複雜溶液，由光譜接收裝置採集透射光譜，並將其變換到頻域構造頻域內透射光譜，每個位置處的兩個頻域內透射光譜的比值求對數即為該位置處的複雜溶液吸收光譜，將多個位置處的吸收光譜歸一化處理，與已有化學分析的結果對比，建立數學模型；

採集未知包裝袋內複雜溶液在多個位置處的兩個光程下的透射光譜，變換至頻域內構造頻域內透射光譜，計算吸收光譜後將多個位置的吸收光譜歸一化帶入數學模型進行計算，得到複雜溶液所測目標成分的含量；

所述方法構造頻域內透射光譜消除光譜背景噪聲影響，利用雙光程測量消除光源變化和包裝袋帶來的影響，利用多位置測量得到的透射光譜增加複雜溶液所有成分的信息量，抑制複雜溶液散射帶來的影響，提高複雜溶液成分含量分析的精度；解決包裝袋內複雜溶液成分的無損檢測問題。

所述構造頻域內透射光譜的步驟具體為：

調製裝置將光源調製成方波光信號，對複雜溶液進行透射，由光譜接收裝置採集透射光譜，將透射光譜的每個波長的時間序列變換到頻域，以各個波長的基波分量構造頻域內透射光譜。

其中，位移平臺控制光源移動至不同位置，在每一個位置上改變光程透射複雜溶液，由光譜接收裝置採集透射光譜的步驟具體為：

在位置a處，位移平臺控制光源分別在兩個光程下即：位置a和位置a』對複雜溶液樣品進行透射，由光譜接收裝置採集透射光譜；

位移平臺控制光源移動至位置b，分別在兩個光程下即：位置b和位置b』對複雜溶液樣品進行透射，由光譜接收裝置採集透射光譜；

位移平臺控制光源一直移動至位置n，分別在兩個光程下即：位置n和位置n』對複雜溶液樣品進行透射，由光譜接收裝置採集透射光譜；

或，

光源對包裝袋內的複雜溶液進行透射，光譜接收裝置在位置a處，位移平臺控制光譜接收裝置分別在兩個光程下即：位置a和位置a』處採集透射光譜；

位移平臺控制光譜接收裝置移動至位置b，分別在兩個光程下即：位置b和位置b』處採集透射光譜；

位移平臺控制光譜接收裝置一直移動至位置n，分別在兩個光程下即：位置n和位置n』處採集透射光譜。

所述方法還包括：

在光源處設置一光纖，作為入射光纖，且保證入射光纖與光譜接收裝置的入射狹縫緊貼包裝袋；

或，

在光譜接收裝置處設置一光纖，作為出射光纖，且保證出射光纖與光源出光光口緊貼包裝袋；

或，

在光源與光譜接收裝置處分別設置入射光纖與出射光纖，且保證入射光纖與出射光纖緊貼包裝袋。

其中，入射光纖在位置a處，光源通過入射光纖分別兩個光程下即：位置a和位置a』處對複雜溶液樣品進行透射，由光譜接收裝置採集透射光譜；

位移平臺控制入射光纖移動到位置b處，光源通過入射光纖分別在該位置處兩個光程下即：位置b和位置b』處對複雜溶液樣品進行透射，由光譜接收裝置採集透射光譜；

控制入射光纖一直移動到位置n處，光源通過入射光纖分別在該位置處兩個光程下即：位置n和位置n』處對複雜溶液樣品進行透射，由光譜接收裝置採集透射光譜。

其中，出射光纖在位置a處，由光譜接收裝置通過出射光纖在該位置處兩個光程下即：位置a和位置a』處採集透射光譜；

位移平臺控制出射光纖移動到位置b處，光譜接收裝置通過出射光纖在該位置處兩個光程下即：位置b和位置b』處採集透射光譜；

控制出射光纖一直移動到位置n處，光譜接收裝置通過出射光纖在該位置處兩個光程下即：位置n和位置n』處採集透射光譜。

進一步地，所述光源為超連續寬譜雷射，該超連續寬譜雷射覆蓋可見光波段、或近紅外光波段、或兩者的組合，可直接發光或經入射光纖傳導。

進一步地，所述位移平臺為步進電機；所述光譜接收裝置為光譜儀；所述調製裝置為斬波器。

進一步地，所述光源為氙燈寬譜光源或溴鎢燈寬譜光源，該氙燈寬譜光源或溴鎢燈寬譜光源覆蓋可見光波段、或近紅外光波段、或兩者的組合，可直接發光或經入射光纖傳導。

進一步地，所述數學模型利用主成分分析、人工神經網絡、偏最小二乘回歸、支持向量機、信號分析或統計方法建立。

本發明提供的技術方案的有益效果是：

1、本發明通過控制位移平臺改變位置和光程，在不同位置處的雙光程下採集同一調製光源下的袋裝複雜溶液透射光譜，並將其變換至頻域構造頻域內透射光譜，從而消除了透射光譜背景噪聲的影響；

2、本發明利用雙光程測量消除了光源變化和包裝袋帶來的影響，並且由於複雜溶液的散射性，導致透射光譜向多個方向散射，而多位置測量得到的透射光譜增加了複雜溶液所有成分的信息量，從而極大抑制了複雜溶液散射帶來的影響；

3、本發明提高了複雜溶液成分含量分析的精度；解決了包裝袋內複雜溶液成分的無損檢測問題，高效、簡便、無汙染。

附圖說明

圖1為雙光程和多位置調製光源測量複雜溶液成分含量的方法原理圖；

圖2為雙光程透射光譜原理圖；

圖3為實施例1中雙光程和多位置調製光源測量複雜溶液成分含量的方法示意圖；

圖4為實施例2中雙光程和多位置調製光源測量複雜溶液成分含量的方法另一示意圖；

圖5為實施例3中雙光程和多位置調製光源測量複雜溶液成分含量的方法另一示意圖；

圖6為實施例4中雙光程和多位置調製光源測量複雜溶液成分含量的方法另一示意圖；

圖7為實施例5中雙光程和多位置調製光源測量複雜溶液成分含量的方法另一示意圖；

圖8為實施例6中雙光程和多位置調製光源測量複雜溶液成分含量的方法另一示意圖。

附圖中，各標號所代表的部件列表如下：

1：第一光程；2：第二光程；

3：光源；4：入射光纖；

5：包裝袋；6：位移平臺；

7：光譜接收裝置；8：出射光纖；

9：調製裝置；

a、b…n；a』、b』…n』：均為緊貼包裝袋的位置。

上述位置根據實際應用中的情況進行設定，需保證a與a』；b與b』…n與n』位置同軸。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步地詳細描述。

將調製裝置放置於光源光路之中時，光會周期性的通過和遮擋。此時光源發出的光被調製成具有一定頻率的方波光信號。透射複雜溶液得到的透射光譜中每個波長的頻率與光源發出的方波光頻率一致，以透射光譜某一波長λ為例，圖1為λ波長的波形與光譜接收裝置積分時間對應的積分值示意圖，b為背景噪聲，t為光譜接收裝置的積分時間，且t1＝t2＝…＝ti＝t；t1區間內積分時間對應的是背景噪聲，此時光譜接收裝置接收到的光強幅值是背景噪聲的積分值，數值最小記為imin；ti區間內積分時間對應的是λ波長的光強和背景噪聲，此時光譜接收裝置接收到的光強幅值是λ波長的光強和背景噪聲的積分值，數值最大記為imax，t1與ti之間其他的積分時間一部分對應背景噪聲，另一部分對應λ波長的光強和背景噪聲，因此所得到的積分值在(imin，imax)區間內變動。由此，在t1～ti內可以得到一組值域為(imin，imax)積分值序列，由此可見，該波長的積分值在(imin，imax)區間內變動而形成周期性信號，其他波長的積分值與此類似，且為嚴格同周期和同步的周期性信號。通過對各個波長的積分值的時間序列進行傅立葉變換，以所有波長積分值的頻域基波分量構成的頻域內透射光譜，可以消除光譜背景噪聲，大幅度提高信噪比。

雙光程透射光譜法是根據朗伯-比爾定律，如圖2所示，分別設定第一光程1和第二光程2。推導過程如下：

其中，a1是第一光程1的吸光度，a2是第二光程2的吸光度。io是第一光程1的入射光的光強，同時也是第二光程2的入射光的光強，i1是第一光程1的出射光強，i2是第二光程2的出射光強，b1是第一光程1的光程長，b2是第二光程2的光程長，△b為兩光程長的差，∈吸光係數為，c所測物質濃度。

由式(7)可以看出，雙光程光譜法的吸光度與光程差仍然成線性關係，符合朗伯-比爾定律，且與入射光光強io無關。因此，雙光程法在理論上是不受光源影響的，同時扣除了包裝袋本身的影響。

本發明利用構造頻域內透射光譜消除了光譜的背景噪聲；利用雙光程測量消除了光源變化和包裝袋帶來的影響；利用多位置測量得到的透射光譜增加了複雜溶液所有成分的信息量，極大抑制了複雜溶液散射帶來的影響。提高了複雜溶液成分含量分析的精度。解決了包裝袋內複雜溶液成分的無損檢測問題，高效、簡便、無汙染。

實施例1

本發明實施例提供的雙光程和多位置調製光源測量複雜溶液成分含量的方法，所使用到的器件如圖3所示，包括：光源3、包裝袋5、位移平臺6、光譜接收裝置7以及調製裝置9。

其中，保證光源3的出光光口與光譜接收裝置7的入射狹縫緊貼包裝袋5，調製裝置9調製光源3使其發出方波光信號，光源3在位置a處的兩個光程下即：位置a(對應第一光程1)和位置a』(對應第二光程2)對包裝袋5內的複雜溶液樣品進行透射，由光譜接收裝置7採集透射光譜；隨後通過位移平臺6控制光源3移動至位置b，在位置b處的兩個光程下即：位置b(對應第一光程1)和位置b』(對應第二光程2)對包裝袋5內的複雜溶液樣品進行透射，由光譜接收裝置7採集透射光譜；通過位移平臺6控制光源3一直移動至位置n，在位置n處的兩個光程下即：位置n(對應第一光程1)和位置n』(對應第二光程2)對包裝袋5內的複雜溶液樣品進行透射，由光譜接收裝置7採集透射光譜。

將每個位置處採集的兩個光程下的透射光譜每個波長的時間序列變換到頻域，以各個波長的基波分量構造頻域內透射光譜，每個位置處的兩個頻域內透射光譜比值求對數即為該位置處複雜溶液的吸收光譜，將a、b…n多個位置的吸收光譜進行歸一化處理，歸一化方法為：

ag＝a/max(a)(8)

公式(8)中，ag為歸一化吸光度，max(a)為不同波長上的吸光度最大值，a為吸光度。與已有化學分析的結果對比，利用主成分分析(pca,principalcomponentanalysis)或人工神經網絡(ann,artificialneuralnetwork)或偏最小二乘回歸(plsr,particleleastsquarescalibrationanalysis)或支持向量機(svm,supportvectormachines)信號分析或統計等方法均可建立數學模型。

本發明實施例對具體建立數學模型的步驟不做贅述，為本領域技術人員所公知。

採集未知包裝袋內複雜溶液a、b...n多個位置下的雙光程透射光譜，將其變換至頻域構造頻域內透射光譜，每個位置處的兩個頻域內透射光譜比值求對數得到吸收光譜，將多個位置的吸收光譜進行歸一化帶入上述建立好的數學模型，得到複雜溶液所測目標成分的含量。