AOTF型便携式近红外光谱武器设计报告

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1、AOTF型便携式近红外光谱武器设计报告0、引言近红外光是介于可见光（VIS）和中红外光（MIR）之间的电磁波，按ASTM（美国试验和材料检测协会）定义是指波长在780～2526nm范围内的电磁波，习惯上又将近红外区划分为近红外短波（780~1100nm）和近红外长波（1100~2526nm）两个区域。近红外光谱仪（NearInfrared，NIR）是介于可见光（Vis）和中红外（MIR）之间的电磁辐射波，美国材料检测协会（ASTM）将近红外光谱区定义为780-2526nm的区域，是人们在吸收光谱中

2、发现的第一个非可见光区。近红外光谱区与有机分子中含氢基团（OH、NH、CH）振动的合频和各级倍频的吸收区一致，通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息，而且利用近红外光谱技术分析样品具有方便、快速、高效、准确和成本较低，不破坏样品，不消耗化学试剂，不污染环境等优点，因此该技术受到越来越多人的青睐。由于近红外光谱仪能够广泛应用在食品，药物，勘探等领域，能够快速、便捷定量检测相关物质中的成分，存在很大的市场潜力，因此开发一种便携式的近红外光谱分析武器是很有必要的。光谱分析作为

3、物质分析的一种重要方法，它是基于测量辐射的波长和强度，并且可以进行定性定量分析。现在常用的有原子发射光谱分析、原子吸收光谱分析、紫外吸收光谱分析、红外吸收光谱分析等。在这些分析中，近红外光谱分析这几年发展迅速，在分析化学领域被誉为分析“巨人”，已经成为被国外认为20世纪末仅次于计算机普及的一次重要革命。90年代末，来自航天技术的“声光可调滤光器”(缩写为AOTF)技术的问世，被认为是“90年代近红外光谱仪器最突出的进展”，AOTF是利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的光电器件，与通常的单色器相比

4、，采用声光调制即通过超声射频的变化实现光谱扫描。光学系统无移动性部件，波长切换快、重现性好，程序化的波长控制使得这种仪器的应用具有更大的灵活性，尤其是外部防尘和内置的温、湿度集成控制装置，大大提高了仪器的环境适应性，加之全固态集成设计产生优异的避震性能，使其近年来在工业在线和现场(室外)分析中得到越来越广泛的应用。国外的生产厂家包括美国热电尼高力仪器公司、美国福斯公司、俄罗斯刘梅克斯公司、美国Brimrose公司、瑞典Petern公司等。目前国产近红外光谱仪器直接用于市场的有：北京石油化工研究院、

5、南京地质矿产研究所、上海分析仪器厂等。由于从事宝玉石鉴定，其色度、透明度、光泽度以及完好性一般用肉眼加放大镜就可直观地判别，但人们最关心的还是宝玉石的内在品质——矿物的归属，内质是鉴定的根本所在。对于高价值的宝玉石品种，尤其是制成品，常规鉴定方法难于满足，并且对鉴定者本身的技能也有很高的专业要求。本课题利用近红外光谱技术对宝石的品种进行无损伤鉴别研究，从检测的原理、仪器结构以及软硬件设计人手，通过测试实验与实测图谱比对分析，测出矿物所属(属于哪类宝石)。国内目前对红外光谱仪器的研究机构相对比较少，

6、尤其以AOTF作为分光系统的红外光谱仪器，目前国内还没有成熟的产品问世。由于便携式近红外光谱仪的关键技术被德国等国家掌握，我国使用的类似系统主要依赖进口，成本昂贵，每台需要20万元左右。因此研制基于AO，rF便携式近红外光谱测量仪，对地质勘测、药品检验、考古鉴别等效率的提高都具有重要的意义，不仅可为国家节省大量外汇，而且对提升国产科学仪器的国际竞争力具有不可估量的作用，可带来巨大的经济和社会效益。1、基于AOTF的便携式近红外光谱测量仪的设计参考国外的仪器，确定所研制仪器的主要技术参数为：仪器工作

7、波长：1300-2500nm/700-1100nm；分辨率：7-10nm/1nm采样间距：2或4nm；信噪比：大于1000：1；全谱测量时间：20-60s；体积：小于30*25*15重量：小于4kg。仪器主要包括光学、机械和电子学系统，其中分光系统采用AOTF分光器件。测量仪的系统结构如图1所示。光源室的光经过光调制系统进入分光单色器，单色器发出的单色光进入测量组件，由探测器接收。探测器将探测到的光信号转成电信号，经前置放大器将弱电信号放大。放大后的信号经信号提取供嵌入式测控系统采集处理。最后将数

8、据导入计算机分析软件，由分析软件将物质含量分析结果通过光谱曲线图方式表现出来。1．1仪器的分光系统设计为了满足仪器的使用要求，分光系统同时采用AOTF和光栅扫描两套系统。光栅扫描的光学设计原理如图2所示。通过采用两种分光机构，增加仪器的可靠性，工作方式更灵活，更能适应不同的检测环境和不同的样品。1．2仪器的机械系统设计在光谱仪器中，其机械机构不仅起着联接和支承各零、部件相互位置的作用，而且还要保证仪器的工作精度。在设计时要考虑刚性、热变形、精度、抗振性以及结构工艺性等问题。因此，系