[发明专利]一种外球式漫反射光谱测量装置

说明书

本发明揭示了一种外球式漫反射光谱测量装置，其包括可发出近红外光的光源、将所述光源发出的一部分光传送到样品表面的第一光学系统、将所述光源发出的一部分光传送至一参考通道系统中且收集来自样品表面的漫反射光线并传送至一信号通道系统中的第二光学系统、按照时域顺序接收所述参考通道系统和所述信号通道系统传输过来的光信号的积分球、与所述积分球输出端通过第三光纤连接的光谱分析仪，以及配合该装置最佳使用效果、达到最佳信噪比和最快测量效率而优选计算最佳工作距离的一套方法。本发明便于携带，大大减少了全光谱采集和数据分析所需的时间，且提高了信号光的质量，提高了测量精准度和测量结果的可靠性。

【技术领域】

本发明属于光谱信息测量技术领域，特别是涉及一种外球式漫反射光谱测量装置。

【背景技术】

分子具有一定的离散能级，在近红外光谱中，分子吸收光子能量，从而诱导基态向第二激发态的跃迁，这种转变称为泛频。近红外光谱是基于分子振动模式，近红外辐射通常可以穿透相当厚度的样品，因此近红外光谱技术，如漫反射近红外光谱，可以成为非常有用的探测工具。此外，近红外光谱通常无需样品制备，可用于材料表征和分子分析应用，如制药、医学诊断、神经病学、神经成像、新生儿研究、泌尿学、食品和农药质量控制等。

近红外光谱是材料中各种化学成分吸收特性的叠加体现。不同的化学键在不同的波长上吸收，化学组分之间的相互作用、多次散射以及粒子大小、形状和取向的差异在原始光谱数据中产生了多个吸收带。

根据美国材料与试验协会(ASTM E1790-2016)，实际定义适用于短波近红外区域，约为780nm至1100nm；长波近红外区域，约为1100nm至2500nm。这些近红外吸收带与碳氢键(C-H)、氢氧键(O-H)以及氮氢键(N-H)等官能团有关，它们在中红外波段具有较高的频率，因此在近红外波段可以发现第一、第二甚至第三泛频。较弱的吸收意味着有用的信号需要较长的光程，因此通常可以在短波近红外区域发现的第三泛频及以上的泛频就不那么实用了。相反，长波近红外区域信息量大，光谱重叠少，因此对近红外光谱分析更为有用。

水、蛋白质、脂肪和碳水化合物等成分的浓度原则上可使用经典吸收光谱法测定。然而，由物理性质引起的光谱变化使化学信息变得模糊。这使得近红外光谱法成为一种二级方法，需要根据更精确的参考方法(如经典湿化学方法)进行校准。一旦校准到位，近红外光谱可以作为一种非常简单和快速的方式来预测成分信息。

随着专门的近红外光谱仪和用于处理光谱数据的数学模型的发展，可以同时获得多种成分信息。然而，近红外光谱在定性分析中的应用还比较新，相关技术也在不断发展。专业化的近红外仪器正在从实验室固定状态向在线生产状态、移动状态发展。面对粉尘、高温高湿、振动等复杂环境，对现有技术提出了新的挑战。

通过比较未知材料与已知参考材料的近红外吸收光谱，可以进行近红外光谱分析。因此，获得高质量的近红外光谱是仪器制造商的重要目标之一。更具体地说，高质量的近红外光谱具有高信噪比、高分辨率和光谱重复性。

近红外光谱仪器通常包括两个主要功能模块：发光和收集模块和光测量模块。信号光是进入样品内部并返回携带成分信息的光的一部分。不携带成分信息的光的一部分，例如镜面反射和杂散光会给系统带来噪声和误差。当然，噪声还包括系统噪声，例如暗电流噪声等。良好的信噪比主要取决于设计良好的光学系统，即发光和收集模块。光谱分辨率取决于光测量模块。对于基于光栅的模块，狭缝尺寸和探测器阵列中探测器的数量共同决定光谱分辨率。对于基于傅里叶变换(FT)的模块，反射镜的移动距离决定了分辨率。光谱重复性通过多次扫描光谱峰值的标准误差来反映。它是系统稳定性的关键指标，在模型传递中起着重要作用。

从光源发射到样品表面并提供镜面反射和漫反射的光。镜面反射是指样品表面的反射，入射角等于反射角。它不会传输到样品中进行相互作用；因此，最好将其排除在信号光束的光路之外。扩散反射是光与样品反应体积内各种化学和物理因素相互作用的结果，是测量的主要组成部分。