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东北大学硕士学位论文摘要 反射式近红外水分检测应用研究 摘要 反射式近红外水分检测是水分测量中很重要的一种方法。 本文详细的分析了双光路近红外水分检测的原理。针对前人的反射式水分检测光学 探头的测量光路的理论雏形，进行了几何光学的追迹。提出本系统光学探头的设计模型， 并对该光学探头进行了几何光学的追迹。根据传感器设计布局的理论，对提出了双光路 水分检测仪使用凹丽镜和光纤的两种设计方案。 使用光学自动设计软件z e m a x 对本系统设计的传感器和前人的光学探头的雏形进 行了像差和成像质量的分析与对比。并且对所设计的光学系统的结构、光学元件的参数 等进行了优化，校正了光系统的像差。对传感器系统的机械加工容限、光学元器件的疵 病容限进行了仿真与分析，最终得出了系统的加工容限。 完成了系统的机械部分的设计工作。本系统的机械结构很复杂，机械设计的工作量 也很大。设计机加图4 9 张。其中：a 1 图1 张，a 2 图2 张，a 3 图6 张。 本文还设计实现了以高性能单片机为核心的检测数据处理系统。检测数据处理系统 具体包括检测控制硬件电路板和检测控制软件，p c 通讯监控、物料水分分布图样软件。 通过对传感器系统中探测器的变化实验和送入单片机刖d 采样之前的波形图变化等试 验，验证了本系统设计的正确性。论文还对检测系统的标定方法和系统误差作了初步的 探讨。 关键词：近红外光谱分析；光反射法；水分测量 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a p p l i e dr e s e a r c ho n a n e a ri n f r a r e d r e f l e c t a n c em o i s t u r ec o n t e n t a n a l y s i s a b s t r a c t t h em e t h o do fn e a ri n f r a r e dr e f l e c t a n c ei so n eo fm o s ti m p o r t a n tm e t h o d t h et h e s i s a n a l y z e dt h em e 椰e m e n tp r i n c i p l eo fn i rm o i s t u r em e t e rw i t l lt w ow a v e t h et h e s i s a n a l y z e dt h el i g h tw a yo fp r e v i o u so p t i c a ls y s t e mw i t hg e o m e t r i co p t i c a lt h e o r y d e s i g n e dt h e an e w o p t i c a ls y s t e ma n da n a l y z e dt h el i g h tw a yo f t h es y s t e mw i t hg e o m e t r i co p t i c a lt h e o r y ， d e s i g n e dt w op l a no ft h es t r u c t u r eo ft h en e ws e n s o r o d ep l a ni su s e dc o n c a v em i r r o r , t h e o t h e ri su s e do p t i cf i b e r t h et h e s i su s e dz e m a xt od e s i g na n da n a l y z et h ec u r r e n to p t i c a l s y s t e m ；a n a l y z e da n dc o m p a r e dt h ea b e r r a t i o no f t h et w os y s t e m ；o p t i m i z e da l lo p t i c a ld e s i g n w i t ha l t e r i n gp a r a m e t e r so f t h es y s t e ma n de m e n d a t e dt h ea b e r r a t i o n t h et o l e r a n c ea n a l y s i si s u s e dt od e t e r m i n ea r a n g eo f a c c e p t a b l ev a l u e sf o re a c hs y s t e mp a r a m e t e ro f t h eo p t i cd e s i g n t h et h e s i sd e s i g n e dt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h es e n s o r t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ei s v e r yc o m p l i c a t e d t h ct h e s i sd e s i g n e d4 9p i e c e so fd r a w i n g i n c l u d i n go n ep i e c eo fd r a w i n g o fa 1 ，t w op i e c e so fd r a w i n go fa 2 ，s i xp i e c e so fd r a w i n go fa 3 t h et h e s i sc o m p l e t e dt h e d e s i g no f t h es e n s o r t h et h e s i sd e s i g n e dt h eh a r d w a r em e a s u r e sc i r c u i t ，m e , a r ea n dc o n t r o ls o f t w a r e ，p c c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l ss o f t w a r ea n dt h ei n t e r f a c eo fm o i s t u r ed i s t r i b u t i o n n l et h e s i s p r o v e dt h es e n s o ri sc o r r e c tb yt h ee x p e r i m e n to fp b sd e t e c t o ra n da n a l y s i so ft h es i g n a lo f t h es y s t e m k e yw o r d s ：n e a ri n f r a r e ds p e c t r u ma n a l y s i s ；n e a r i n f r a r e dr e f l e c t a n c e ；m o i s t u r e m e a s a r e m e n t 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水分检测意义 水分广泛存在于自然界的物质中，它是物质的重要特性，是许多物质的重要成分。 土壤、砂、粮食、速溶固体饮料等等，都需要保持一定的水分，才能保证具有良好的性能 和质量。粮食的含水量过高将霉烂变质，含水量过低，会使味道变坏，且颗粒易粉碎。木 材、茶叶、药物、食品等加工工业生产过程中，要求水分含量保持在一定的范围。砂、 土、陶瓷等原材料的含水量影响成型的粘结性、收缩性。建筑材料含水量的高低直接影 响房屋的保温性能，并且潮湿对建筑物结构和设备造成的损伤现象在一些南方沿海城市 非常普遍，是影响建筑物寿命的_ 主要原因。总之，随着科学研究的发展和生产技术的进 步，水分的定量分析已成为各类物质理化分析的基本项目之一。 1 2 水分检测原理综述 测量物质的水分常用的方法按测量原理有：重量法、卡尔费休法、露点、库仑、 电导法、电容法、中予法、红外法、微波等。对于实现水分的在线测量，可以采用电导 法、电容法、中子法、红外法、微波等。具体的测量方法与优缺点如下 1 】： ( 1 ) 卡尔费休法 卡尔费休法分为：重量法和容量法两种。 重量法作为经典的测量方法，其基本原理是：当样气流过干燥剂( 五氧化二磷) 时， 样气中所含的水分被干燥剂吸收，精确地称量出干燥剂吸湿前后的重量，即可计算出样 气中的水分含量。 卡尔费休试剂由碘、二氧化硫、有机碱及溶剂等组成，溶剂一般为醇类。只要卡 尔费休滴定仪的滴定杯中有游离水存在，就可发生如下反应，如式l 所示： h 2 0 十1 2 + s 0 2 十r o h 十3 r n = ( r n h ) s 0 4 r 十2 ( r n h ) i ( 1 1 ) 其中：r n 指有机碱，如吡啶、咪唑等 r o h 指醇类 一旦所有的水都与碘进行了反应，则滴定终止。从而测定被测物中含水量的多少。 卡尔费休法的优点很多：可以快速进行水分测定、测量过程准确、便于实现自动 化、且非常适合于微量水测定、日本于1 9 7 9 年将该法定为标准方法。但也有很多缺点： 卡尔费休试剂挥发性极强，对人体的危害很大；卡尔费休试剂对新鲜度要求很高、 一1 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 电极表面污染直接影响测量精度、环境湿度是导致卡尔费休法滴定出现误差的最常见 的因素之一；温度对卡尔费、休滴定速度有明显的影响；需要对卡尔费休试剂每天进 行标定口3 1 。 ( 2 ) 露点法 冷凝露点法也是一种经典的绝对测量方法。其测量原理是：当气体流经露点室中的 镜面时，用等压冷却的方法使气体中的水蒸气冷却至凝聚相出现，或通过控制冷面的温 度，使气体中的水蒸汽与水的平展表面呈热力学平衡状态，准确测出此时的温度，即为 该气体的露点温度。露点温度是一种常用的湿度表示方法。 冷凝露点的优点在于：具有较高的测量范围，通常范围在1 0 0 。c 1 0 0 c 之间；测量 精度非常高；操作简单。其缺点在于：仪器结构复杂、维护难度大、价格高、响应速度 慢、镜面易受到污染和腐蚀，造成镜面提前结露产生误差使敏度下降、冷却、测量系统 测量前吸附水分，影响测量准确度、不能区别镜面形成的是露还是霜。 ( 3 ) 库仑法 库仑法又称电解法，是湿度测量中使用最广泛的方法之一。其工作原理是：当样气 以一定的流速流过电解池时，所含的水分被电极间的吸湿剂吸收，同时被电解，电解电 流的大小正比于水分的含量。只要准确地测量出电流，就会知道气体中的水分含量。 其优点在于：准确度较高、稳定性好、结构简单易于维护。缺点在于：测量范围窄、 不适用于碱性组分的气体湿度测量。 ( 4 ) 电导式水分检测 这种方法通过测量被测物的电阻和导电性能，从而可以确定漏水源。被检物越潮湿， 电阻值越小。 电阻式水分检测法优点：对于石膏、木材、保温材料等非常灵敏；可以现场定量检 测被检物表面层附近的潮湿程度。缺点在于：被检物表面会留下探针针孔；不能对导电 材料进行检测；被检材料的密度变化、周围环境温度、手握电极所施的压力、电极和被 检物的接触面积等( 都) 将会对检测结果造成一定的误差影响；被检物表面粗糙度、表 面污物、盐分也是影响仪表的检测结果的重要原因 4 - 5 1 。 ( 5 ) 电容式水分检测 根据平行板电容的表达式c ：厂( q ) ：孚：兰唾曼可以对两极板间的介质进行检测。 “ 通过检测占，的变化，间接检测到影响的湿度。 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 电容式检测法的优点在于：是一种无损检测；检测起来简单、快捷，易于掌握。电 容式测量方法的缺点：每次检测前需对仪表进行标定，而且要注意检测不同材料时仪表 的标度不同；表面覆盖层厚度以及材料种类( 会) 影响检测的准确度；表面粗糙度影响 检测结果的准确度和可靠性：检测结果的准确度将受到测试环境温度和被检材料密度分 布不均匀程度、盐分等因素的影响：材质中所含的金属会引起错误读数；被测物体表面 附近的水也会影响读数。 ( 6 ) 中子水分测量： 中子水分测量原理是利用放射源的核子放射线的穿透性和被测物体对放射线的屏蔽 吸收特性。从而检测被检物中氢原子的含量，并推断出其中水分的含量和湿度的分布。 常见中子放射源：镅2 4 1 铍1 8 5 e 9 。 中子水分测量普遍适用于检测如混凝土、沙石、玻璃、木材、土壤等具有均匀化学 组分的材料的湿度含量。可实现现场检测。操作简单、快捷：需要在被检物上钻孑l 以安 装探针之外，主要属无损检测。其缺点在于：应用此原理的核湿度仪比较重( 2 5 k g 以上) ： 检测精度与材料密度和材料中氢原子的状态有关；对于被检物组成成分中本身含有氢原 子的被检材料，影响其测量结果；核湿度仪与任何垂直固体表面的间距应该保持在1 5 m 以上，否则，应对检测结果进行修正 对测量人员要求有安全及防辐射保护措施。1 6 1 ( 7 ) 近红外法( n i r ) n i r 分析利用了水分对某几个波长( 】4 3 t m ，1 9 4 “m ，2 9 5 岫) 的光有着很强 的吸收特性的原理。因而当某个n i r 波投射到被测对象上，对象反射回来的或透射过来 的能量由物体的水分含量决定。探测器收到的光能的多少，能够准确的提供多种物质成 分中得的含水量。即所含水分越多，红外线将被吸收的越多，测得的能量也越少。 近红外法优点在于：近红外测水分是非接触式测量，对被测物是无损测量：检测时 间、响应时间短；测量准确：n i r 法测量过程中，对人体无害；能够实现在线测量；近 红外测量有着很高的灵敏度。其局限性在于：对于很薄的纸张和透明的测量对象，我们 可以分别测量对象表面和内部的湿度，对于建筑只能测量表面的湿度。 ( 8 ) 微波测水法 根据微波的谐振特性由被测量引起谐振腔尺寸变化或被测物引入谐振腔后，尺寸及 介电常数的变化均将引起腔体谐振频率f 或品质因数q 的变化，据此可以测量温度、湿 度和厚度。 微波检测的优点：测量无损性、可进行现场检测、可以进行快速读数：不受温度、 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 压力、颗粒的大小等因素影响；与被检物密度分布无关。缺点在于：对某些陶瓷制品的 检测误差较大；被检物中含有金属材料时误差较大；被检材料表面附近的潮气可能会造 成检测误差 7 - 9 。 1 3 国内外研究现状与国内自行研制水分仪的意义 ( 1 ) 现状： 水分测定的方法有很多，但目前市场上占主导地位的水分测定仪主要有卡尔费休 水分测定仪、露点水分仪、库仑水分仪、红外水分仪、微波水分仪，以及一些专用水分 仪。 卡尔费休法属经典方法，经过近年来改进，大大提高了准确度，扩大了测量范围， 已被列为许多物质中水分测定的标准方法。近年来在国内市场中较活跃的进口卡尔费 休水分测定仪有法国雷氏，瑞士万通，德国梅特勒托利多，德国s c h o t t ，同本京都电子： 国产卡尔- 费休水分测定仪主要有海淀潮声，先驱威锋，江苏江环分析仅器有限公司等。 露点水分测定仪操作简便，仪器不复杂，所测结果一般令人满意，常用于永久性气 体中微量水分的测定，但此方法干扰较多。生产商包括英国s h a w 公司，a m e t e k 等。 库仑水分测定仪常用来测定气体中所含水分。此法操作简便，应答迅速，特别适用 于测定气体中的痕量水分。如果用一般的化学方法测定，则是非常因难的事情。但电解 法不宜用于碱性物质或共轭双烯烃的测定。生产商包括成都仪器厂，江苏江环公司，大 庆日上等。 红外水分测定仪操作简单，耗时少，测量结果准确，故红外水分仪可广泛应用于化 工、医药、食品、烟草、粮食等行业的实验分析和日常进货控制及过程检测。它是利用 特定波长的红外线容易被水分吸收的特性的原理生产的。主要的生产商包括美国 o m n i m a r k ，美国f i s h e r 美国r a y t e k ，德国s a r t o r i u s ，日本k e t t ，上海精密科学仪器公司， 核工业北京化工冶金研究院、北京九如仪器有限公司。 微波水分测定仪利用微波场干燥样品，加速了干燥过程，具有测量时间短，操作方 便，准确度高、灵敏度很高、适用范围广等特点，适用于粮食、造纸、木材、卷烟、生 物化学、纺织品和化工产品等的颗粒状、粉末状及粘稠性固体试样中的水分测定，还可 应用于石油、煤油及其他液体试样中的水分测定。生产商包括美国c e m 公司，美国 o m n i m a r k 公司，长沙友欣公司。 另外，一些专用的水分测定仪在市场中占有越来越突出的地位，这种水分测定仪具 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 有专一性，操作简单等优点，普遍用于工业生产的在线控制分析，工农业产品的质量签 定，如油中水分测定仪，土壤水分测定仪，烟草水分测定仪，谷物水分测定仪，木材水 分测定仪，混凝土水分测定仪，纸水分测定仪等。 这些仪器测定方法操作简便、灵敏度高、再现性好并能连续测定，自动显示数据。 国外的水分测定仪在精度、稳定性等方面有着一定的优势，但价格昂贵，是国内的一些 实验室、企业无法承受的。近年来国内的一些仪器厂商加强了对水分测定仪的研究和实 践。取得了一定效果，但国产水分测定仪的各项技术指标与国际水准还有一定差距，还 不能够完全满足一般实验室和企业生产的需要。因此，目前在国内进行水分测定仪的研 究有很大的现实意义。 ( 2 ) 意义： 尽管测量方法不少，但是仍不能满足科学实验、生产现场的需要，快速、准确测量 物质的含水量仍然是一个重要的课题。随着科技的发展，水分含量的在线测量、无损性、 精确测量越来越重要，经典水分分析方法( 如烘干法等) 将逐渐被各种水分分析方法所 代替。近年来吸收光谱技术应用于各种物质含量分析的技术，迅速发展。主要因为它有 许多优点，如仪器的装置比较简单，价格不十分昂贵，有较好的选择性，干扰较少或易 于克服，灵敏度和准确性不亚于一般分析法，并且速度快效率高能实现自动化。 又由于在现代工业中用红外线吸收原理测试水分已被普遍采用，并且能够对被测物 进行快速精确、非接触无损伤地连续测量；测量范围大、精度高、工作稳定；对物料温 度无特殊要求，物料堆储密度的变化和其运动线速度对测量不产生影响。所以红外水分 检测被广泛应用于烟草、造纸、食品、医药、化工、建材、冶金等诸多领域。综上所述， 物质的水分测量中选用近红外频谱的检测方法具有很深远的实际意义。 5 东北大学硕士学位论文第二章近红外水分检测的测量原理 第二章近红外水分检测的测量原理 2 1 近红外水分检测原理 普通白光经过色散而成为一组红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光，按一定次序排列的 光带或彩色系统，次光带系统称为光谱。光谱按其性质可分为发射光谱和吸收光谱两种。 物质的分子或原子在外界能做( 热能或电能) 激发下都能产生光谱。发光物质直接 产生的光谱称为发射光谱。发射光谱中谱线的位置及相对强度决定于光源，即和被激发 物质的组成元素有关。 具有连续光谱的光通过某一介质时，其中一部分波长的光被吸收，而呈现出一系列 暗带( 或暗线) ，这样获得的光谱称吸收光谱，它决定于吸收介质的化学组成。测定物 质的组成( 定量或定性分析) ，除采用化学分析法外，光谱分析也获得了广泛的应用。 以研究物质的发射或吸收光谱为基础而确定物质化学性质或成分的方法统称为光谱分 析。 光谱仪器是一种利用光学光谱的色散原理而设计的光学仪器。所渭光学光谱是指从 远紫外或称真空紫外光谱区到远红外光谱区波长的整个波段，它仅占电磁波区的一小部 分。 近红外水分测量是近红外分析技术的重要分支，其分析基础是l a m b e r - b e e r 定律 1 0 - 1 1 ： i - i 。e 一“ ( 2 1 ) 或e = l n ( io i ) = ec d ( 2 2 ) 式中，i o 为入射光强，i 为出射或反射光强，c 为被测物的浓度，为吸收系数，d 为被 测物吸收层厚度，e 为吸光度。 被测物浓度越高，出射光就越弱，或者说光线被吸收的越多，即吸光度e 与待测物 品的浓度c 成正比。不同结构的分子有着自己独特的近红外吸收光谱t 有着自己特定的 吸收波长，由此可以鉴定物料。根据水在红外区的吸收谱可以测出被测物对水的吸光度 e 来确定被测物水的含量。 把近红外波段水吸收波睦的光投射到物质上。物质中水分含量越大则这一波长的能 量被吸收的越多，测量出从被测物反射回来的光能量多少即可间接地测出被测物的水分 含量。由于被测物表面状态( 黑度系数，表面粗糙度等) 对测量影响较大，在测量中， 一般采用参比光束与测量光束进行比较，来消除被测物表而状态的影响。为此，在测量 一一般采用参比光束与测量光束进行比较，来消除被测物表面状态的影响。为此，在测量 7 ， 东北大学硕士学位论文第二章近红外水分检测的测量原理 第二章近红外水分检测的测量原理 2 1 近红外水分检测原理 普通白光经过色散而成为一组红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光，按一定次序排列的 光带或彩色系统，次光带系统称为光谱。光谱按其性质可分为发射光谱和吸收光谱两种。 物质的分子或原子在外界能做( 热能或电能) 激发下都能产生光谱。发光物质直接 产生的光谱称为发射光谱。发射光谱中谱线的位置及相对强度决定于光源，即和被激发 物质的组成元素有关。 具有连续光谱的光通过某一介质时，其中一部分波长的光被吸收，而呈现出一系列 暗带( 或暗线) ，这样获得的光谱称吸收光谱，它决定于吸收介质的化学组成。钡9 定物 质的组成( 定量或定性分析) ，除采用化学分析法外，光谱分析也获得了广泛的应用。 以研究物质的发射或吸收光谱为基础而确定物质化学性质或成分的方法统称为光谱分 析。 光谱仪器是一种利用光学光谱的色散原理而设计的光学仪器。所谓光学光谱是指从 远紫外或称真空紫外光谱区到远红外光谱区波长的整个波段，它仅占电磁波区的- - d 部 分。 近红外水分测量是近红外分析技术的重要分支，其分析基础是l a m b e r - b e e r 定律 1 0 - n ： i = i 。e 。“( 2 1 ) 或 e = l n ( i 。i ) = c d ( 2 2 ) 式中，i o 为入射光强，i 为出射或反射光强，c 为被测物的浓度，为吸收系数，d 为被 测物吸收层厚度，e 为吸光度。 被测物浓度越高，出射光就越弱，或者说光线被吸收的越多，即吸光度e 与待测物 品的浓度c 成正比。不同结构的分子有着自己独特的近红外吸收光谱，有着自己特定的 吸收波长，由此可以鉴定物料。根据水在红外区的吸收谱可以测出被测物对水的吸光度 e 来确定被测物水的含量。 把近红外波段水吸收波长的光投射到物质上。物质中水分含量越大则这一波长的能 量被吸收的越多，测量出从被测物反射回来的光能量多少即可间接地测出被测物的水分 含量。由于被测物表面状态( 黑度系数，表面粗糙度等) 对测量影响较大，在测量中， 一般采用参比光束与测量光束进行比较，来消除被测物表面状态的影响。为此，在测量 一7 一 东北大学硕士学位论文 第二章近红外水分检测的测量原理 中有采用双波段，三波段以及四波段的测量方法。 波长w a v e l e n g t h ( p t ) 图2 ，l 水的红外光谱吸收曲线图 f i g2 1 i n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r u m g r a p ho f w a t e r r 、广 ，一 九j 图2 2 不同含水率树脂玻璃的近红外吸收图谱 f i g2 2 i n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r u mg r a p h o f p l e x i g l a si nd i f f e r e n tm o i s t u r ec o n t e n t 2 2 近红外水分检测方案对比 2 波段4 光束红外水分检测方案 红外光源发出的光线经分光片分为两束，一束经光学系统后照射到被测物上，通过 被测物反射后，通过凹面镜将反射光线收集汇聚到探测器上。通过同步电机带动切光片 旋转，切光片上的两个带通滤光片分别选出测量光束和参比光束。红外光源发出的光线 经分光片后的另一束，在不同时间同样通过两滤光片后分别照射到探测器上，这样就获 得了4 光束。采用4 光束可更好地消除光源发光强度波动对测量带来的误差。 3 波段6 光束红外水分检测方案 实际测量中，被测物体的表面一般是呈现不规则的，具体表现在表面的反射率要发 生变化。这个变化在效果上也表现为光反射强度的变化，因此形成了测量过程中的干扰。 为消除这种干扰，系统设计采用三波段测量，即采用除水分吸收峰的波长测量水分含量 外，还使用吸收峰两侧不吸收水的波长n 、旭作为参比波长。由于九l 、n 上红外光线基 嘲 瑟 勰 蛞 红外波段 图2 33 波段6 光束检测示意图 f i g2 3 3 - b a n d a n d6 - b e a mm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e 8 段 8口l#j*蜊蜊 窑ug=州嚣目毒*硝蝌 东北大学硕士学位论文第二章近红外水分检测的测量原理 本不受水分的吸收，把水分吸收波长的反射光强与它们的反射光强相比就可以得到被测 物体吸收率了。并由此求出该被测物体的水分含量。 4 波段8 光束红外水分检测方案 8 光束顾名思义有8 个光束，即4 个波段，内外两个光路。由于红外辐射的来源有 多种，只要有温度就有红外辐射，要将由于水分变化所引起的信号变化与其它温度，颜 色，电压波动等引起的信号变化分开，就需要增加其它的辅助测量功能，增加参考波段 就是解决上述问题的办法之一。当然，参考波段越多，计算水分的数学模型也越复杂， 需要做的工作也越多。本设计光路系统与2 波段4 光束红外水分检测系统相同，只是 在切光片上的滤光片增加到4 片，以便选出4 个波段。 删 罐 杂 哒 红外波段 段 图2 44 波段8 光束检测示意图 f i g2 4 4 - b a n da n d8 - b e a mm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e 以c c d 为检测器红外系统： 以新型c c d 作为检测器，实现光谱的快速扫描，结合化学计量学软件功能，可以 对样品进行快速分析。具体实施是指采用外接光源照射被测物，采用光纤对测量光进行 传导，采用固定光栅进行分光，然后将分光后的光线直接汇聚到线阵c c d 上，线阵c c d 的不同位置就对应不同波长的光，从线阵c c d 上就可得到全波段的光谱响应信号。其 扫描速度一般为2 0 m s 张谱图，分辨力 n 。这样，虽 然使计算量增加，却可以控制和校正数量较多的像差，对边界条件的要求也可以作为像 差来控制，( 同时可) 减少计算过程中的人工干预，从而提高设计的自动化程度，加快 设计速度。因此，阻尼最小二乘法是目前国内外普遍采用的一种光学自动设计方法。本 次设计中所采用的优化方法就是阻尼最小二乘法。 根据m t f 图和各种像差的仿真分析，对系统进行了优化。重复对效绩函数目标值 的设定，不断更改效绩函数中各个权值的大小，并对系统中的优化变数以及变数范围进 行更改，进而得到系统的最优值。最后为了避免系统陷入局部最优化的最优值，对系统 进行了全局的优化，得到系统最后的优化值1 2 2 1 。 5 4 本系统公差容限的确定 由于上面的光学仿真是针对于理论模型进行优化与设计。对于一个光学系统要求其 不但要达到系统像差评价要求，而且要具有光学元件和机械部分的可加工性。从前是根 据经验和大量的计算，来推测系统的设计是否可以达到加工要求，是否具有可加工性。 在z e m a x 中软件提供了对于光路的光学元件和机械设计公差的分析能力，为光学系统 的) j n t 提供了有力的工具。 z e m a x 提供了一个使用简单，但灵活和强大的公差推导和灵敏度分析能力。这个 一3 6 东北大学硕士学位论文第五章光路的仿真与对比 用于分析的公差包括了结构参数的变化，如曲率、厚度、位置、折射率、阿贝常数、非 球面系数，以及其它更多的参数。不同的公差可以被用在任意一个组合中来估计调整和 装配误差对系统性能的影响。 本系统的公差分析由如下几个步骤组成： ( 1 ) 给系统中所有镜头的参数定义一批适当的公差。 ( 2 ) 为系统中的凹面镜的位置参数和参比透镜的位置参数添加补偿，并且对这两 个补偿设置允许范围。 ( 3 ) 选择m t f 为系统成像质量的评价标准。 ( 4 ) 选择公差分析的模式，灵敏度分析和蒙特卡罗分析。 ( 5 ) 修改默认的公差，或增加新的公差来满足系统要求。 ( 6 ) 执行这些公差的一个分析。从公差分析报告中，可以了解所关心的变数对于 这个设计的影响。 ( 7 ) 考虑由这个公差分析产生的数据，分析公差的预算是否可以。循环返回到步 骤5 ，使系统的公差进一步合理，直至达到系统光学元件的加工要求与机械加工容限要 求，与像差之间的平衡。 系统的公差分析结果，详细请参阅光学系统元件设计中疵病的等级选择那节，和机 械设计中机械零件图中公差与配合一节中，公差的选择。 5 5 仿真实验结果 5 5 1 外光路的仿真结果对比分析 ( 1 ) 探测器上的能量 图5 2 中为本系统中探测器成像面上光能的平面分布图。可以看出本系统的光斑直 径为2 。5 m m ，能量为5 1 7 6 。图5 3 为在前人设计的系统中光能的平面分布图，可以看 出光斑的直径为：4 m m ，能量为7 4 9 5 。假设探测器上能量是均匀( 的) 分布，则在 直径为2 5 m m 的光斑上能量为2 9 2 7 7 图5 4 为本系统中探测器成像面上的光能立体分布图。可以看出本系统的光能比较 集中，对比5 5 可以看出前人系统中的能量分布不是特别集中。 一3 7 东北大学硕士学位论文 第五章光路的仿真与对比 图5 2 本系统探测器面能量分布图 f i g5 2e n e r g yd i s t r i b u t i o no f p b sd e t e c t o ri nn ws y s t e r m 黔h r $ n ot 1 6 t “ i 陆滕t 稀蔷嘲b 9 q 嘏。咭嘱紫嘛 卧眦“州7 ”“帆删7 慨。蚍师” l ：j ! 鄞川ee im ；点，叫：平 图5 3 前人系统探测器面能量分布图 f i g5 , 3e n e r g yd i s t r i b u t i o no f p b sd e t e c t o ri np r e v i o u s l ys y s t o r m 图5 4 本系统探测器面能量分布立体图 f i g 5 4t h r e e - d i m e n s i o n a le n e r g yd i s t r i b u t i o no f p b sd e t e c t o ri nn e ws y s t e r m 3 8 东北大学硕士学位论文第五章光路的仿真与对比 图5 5 前人探测器面能量分布立体图 f i g 5 5t h r e e - d i m e n s i o n a le n e r g yd i s t r i b u t i o nd i s t r i b u t i o no f p b sd e t e c t o ri np r e v i o u s l ys y s t e r m ( 2 ) 如图5 6 、5 7 所示本系统和前人系统的m t f 图如下，由于光学传递函数的性 质可知：本系统的分辨率极限高于前人系统的分辨率极限。本系统传递的能量大于前人 系统传递的能量即所围成的面积比前人系统的大。 0 0b e 图5 6 本系统m t f 传递函数图 f i g5 6 m t fo f n e ws y s t e r m t sd 明0 0 明d e g s p r t i r lf r e q u e n c yr nc y c l e sp e rh t l l i h e t e r 图5 7 前人系统m t f 传递函数图 f i g5 7m t fo f p r e v i o u s l ys y s t e r m 3 9 东北大学硕士学位论文 第五章光路的仿真与对比 ( 3 ) 图5 8 、5 9 为本系统和前人系统的波前分析立体图，图5 1 0 、5 1 l 为本系统 和前人系统的波前分析平面分布图。( 从图可知) 本系统的波程差要比前人系统的波程 差小很多，所以本系统的成像质量比前人系统的成像质量好。 图5 8 本系统波前分析立体图 图5 9 前人系统波前分析立体图 f i g5 9a n a l y s i so f t h r e e - d i m e n s i o n a lw a v e f r o n ti np r e v i o u s l ys y s t e r m 隅l e n s 5 粼h f l s n o 癸t i t 氯。 e * 。器k p 0 i l 懦“5 图5 1 0 本系统波前分析平面图 f i g5 1 0a n a l y s i so f w a v e f r o n ti nn e ws y s t e r m 4 0 东北大学硕士学位论文第五章光路的仿真与对比 图5 1 1 前人系统波前分析平面图 f i g5 1 1a n a l y s i so f w a v e f i o n mp r e v i o u s l ys y s t e r m 5 5 2 内光路的仿真结果对比分析 ( 1 ) 探测器上的能量： 图5 1 2 中为本系统中探测器成像面上光能的平面分布图。在此仿真中没有考虑内光 路中所设计的平面光阑孔不同的情况。可以看出本系统的光斑标称中其纵坐标为l n m a ， 而光斑的直径远远小于l m m 。图5 1 3 为在前人系统中光能的平面分布图。其中光斑标 称中其纵坐标也为l m m ，而光斑的直径虽也小于l m m ，但明显比本系统中光斑的大小 要大很多。 图5 1 4 为本系统中探测器成像面上光能的立体分布图。可以看出本系统的光能比较 集中，参考图5 1 5 是前人系统探测器成像面的能量的立体分布图。前人系统中的能量分 布不是特别集中。 图5 1 2 本系统探测器面能量分布图 f i g5 1 2e n e r g yd i s t r i b u t i o no f p b sd e t e c t o ri nn e ws y s t e r m 图5 1 3 前人系统探测器面能量分布图 f i g5 1 3e n e r g yd i s t r i b u t i o no f p b sd e t e c t o ri np r e v i o u s l ys y s t e r m 一4 1 东北大学硕士学位论文 第五章光路的仿真与对比 图5 1 4 本系统探测器面能量分布立体图 f i g5 1 4 t h r e e - d i m e n s i o n a le n e r g yd i s t r i b u t i o no f p b sd e t e c t o ri nd e ws y s t e r m 图5 1 5 前人探测器面能量分布立体图 f i g5 1 5t h r e e - d i m e n s i o n a l e n e r g yd i s t r i b u t i o no f p b sc e t e c t o r i n p r e v i o u s l ys y s t e r m ( 2 ) 如图5 1 6 、5 1 7 所示：本系统与前人系统的m t f 图比较如下，由光学传递函 数的性质可知：本系统的分辨率极限高于前人系统的分辨率极限。本系统传递的能量大 于前人系统传递的能量即所围成的面积比前人系统的大。 图s 1 6 本系统m t f 传递函数图 f i g5 ，1 6 m t fo f n e ws y s t e r m 一4 2 东北大学硕士学位论文 第五章光路的仿真与对比 图5 1 7 前人系统m t f 传递函数图 f i g5 1 7 m t fo f p r e v i o u s l ys y s t e r m ( 3 ) 图5 1 8 、5 1 9 为本系统和前人系统的波前分析立体图，图5 2 0 、5 2 1 为本系 统和前人系统的波前分析平面分布图。由图可知，本系统的波程差要比前人系统的波程 差小很多，所以系统的成像质量要比前人系统的成像质量好。 图5 1 8 本系统波前分析立体图 f i g5 18a n a l y s i so f t h r e e - d i m e n s i o n a lw a v e f r o n ti nn e ws y s t e r m 图5 1 9 前人系统波前分析立体图 f i g5 1 9a n a l y s i so f t h r e e d i m e n s i o n a l w a v e f r o n ti np r e v i o u s l ys y s t e r m 日一 搿紫 盈“ i ! m c 哇m - 嗍, m u 嘲油f * 鼠一d 。g 豫- f 8 图5 2 0 本系统波前分析平面图 f i g5 2 0a n a l y s i so f w a v e f r o n ti nn e ws y s t e r m 一4 3 东北大学硕士学位论文 第五章光路的仿真与对比 图5 2 l 前人系统波前分析平面图 f i g5 2 1a n a l y s i so f w a v e f r o n ti np r e v i o u s l ys y s t e r m 4 4 东北大学硕士学位论文 第六章光学元件设计与选型 第六章光学元件设计与选型 在对系统进行了z e m a x 仿真之后，得到了光学探头部分所有光学元件的公差和结 构参数。下面就针对本系统设计的光学探头部分的光学元件的选型进行详细的阐述。 6 1 波长选择 近红外水分测量是根据水的近红外吸收光谱来进行的口3 1 。在水的红外吸收峰中 1 2 0 t m 波长处的吸收率较小，一般用于大于5 0 的湿度测量；波长2 9 5 p , m 的红外辐射 不能透过一般的光学玻璃，且水的吸收率过大，则反射量太小，潮湿的范围窄，一般不 予采用或用于小范围高精度的测量。而1 4 3 p r o 波长、1 9 4 p , m 波长的吸收率较为适当， 可用于工业领域的测湿。在近红外区内，水的典型吸收波长为1 4 3 p m ，1 9 4 p m 。从图2 1 、 图2 2 以及图6 1 的红外光谱曲线 2 4 。2 5 1 中可以明显看出。实践表明，1 , 9 4 p m 波长的灵 敏度更高，线性更好，因此得到了更广泛的应用。 薯 i 脚 卜 0 薯 波长w a v e l e n g t h ( 一) 图6 1 纸张红外透射光谱曲线图 f i g6 1 i n f r a r e dt r a n s m i s s i o n s p e c t r u mg r a p ho f p a p e r ! _ 潦 黔 蒜 鞣 。 j 潮i 。夸溅 “硫蝌) 巷 铂臻 蕊舞：”，誓 图6 2 卤钨灯的光谱 f 培6 2s p e c t r u mo f h a l o g e nl a m p 实际测量中，被测物体的表面一般是呈现不规则的，具体表面在表面的反射率要发 生变化。这个变化在效果上，表现为光反射强度的变化，因此形成了测量过程中的干扰。 为消除这种干扰，我们采用所谓的两色法测量，即采用除水分吸收峰值的波长测量水分 含量外，还使吸收峰两侧不吸收水的波长作为参比波长。由于这两个波长在红外光线基 本上不受水分的吸收，把1 9 4 p m 波长的反射光强与它们的反射光强相比就可以得到物 品的吸收率。并由此求出该物品的水分含量。在本仪器中，参考波长选择用1 7 8 1 x m 波 长。选用全色光i o 作为对比波长和校准、调试光路的标准。 6 2 光源的选择 该系统中所用波长为1 9 4 p , m 、2 1 岫和1 7 8 p , m ，所以光源选用价格比较便宜的卤 一4 5 东北大学硕士学位论文 第六章光学元件设计与选型 钨灯白光光源，卤钨灯具有体小量轻、可制成点或线光源、亮度高且易于集光、高光效、 长寿命以及( 3 0 0 0 到3 4 0 0 ) k 色温的优点。它是测试系统主要使用的光源，波长范围 比较宽，在3 6 0 h m 到2 扯m 都有较好的照明性，是光谱仪器中最常使用的光源之一。卤 钨灯的光谱如图6 2 所示【2 6 1 。 6 3 滤光片的选择 常用的滤光片有介质薄膜干涉滤光片和颜色玻璃。薄膜滤光片可按需要设计各种滤 光特性，但成本较高；颜色玻璃型号多，可按需选择。但是不能满足特殊滤光性能需要。 本系统选用的斩波盘上的窄带滤光片为薄膜干涉滤光片，其光学性质如下： 表6 1 带通滤光片技术参数 ! ! ! ! ! ! ：! ! 翌翌壁竺堕! 丝! ! 坐e 堕! ! ! ! ! 望 中心波长( r i m )半宽( n m )峰值透射率( ) 红外光线为不可见光，在调试过程中会使调试有一定的困难。为了粗调光路时可以 方便的看见光线的汇聚情况，本系统在斩波器上多加工了一个孔。则在上面加入了红外 光大部分波段截至可见光可以通过的短波通型滤光片。所选用的滤光片其光谱透射率图 示如下： 图6 3 红外截至型短通滤光片透过率光谱曲线 f i g6 3 i n f r a r e dt r a n s m i s s i o ns p e c t r u mg r a p ho f t h es h o r tp a s sf i l t e r s 6 4 透镜 透镜它表面镀有m g f 2 膜，镀膜的细节请参阅镀膜那一节其它各个方面的细节描述 如下： 一4 6 东北大学硕士学位论文第六章光学元件设计与选型 6 4 1 透镜i j