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原文传递基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统及其测量方法

专利名称：	基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统及其测量方法
摘要：	基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统，包括红外光源一侧设有的入射狭缝；入射狭缝出口设有准直透镜；准直透镜的一侧设有单色分光仪器；单色分光仪器的一侧设有数字微镜器件DMD；数字微镜器件DMD的一侧设有会聚透镜；会聚透镜的一侧设有光探测器；数字微镜器件DMD与单片机相连；光探测器通过模拟信号处理电路与单片机相连；单片机与显示器相连；步骤为：红外光源发出红外光照射籽棉，籽棉中的水分吸收对水分子敏感的红外光，剩余的红外光反射到分光仪器上，经过单色仪器的分光，照射到光探测器上；通过接收、转换和数学模型的计算处理，显示被测籽棉的回潮率；具有非接触、连续测量、速度快及精度高的优点。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西安理工大学
发明人：	陈亚军;杨舒涵;贺鹏;张二虎;陈万军
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-02T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-22T00:00:00+0800
申请号：	CN201910590167.0
公开号：	CN110487740A
代理机构：	北京国昊天诚知识产权代理有限公司
代理人：	杨洲
分类号：	G01N21/3554(2014.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	710048 陕西省西安市金花南路5号
主权项：	1.基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统，其特征在于，包括有红外光源(1)，红外光源(1)一侧设有入射狭缝(2)；入射狭缝(2)出口设有准直透镜(3)；准直透镜(3)的一侧设有单色分光仪器(5)；单色分光仪器(5)的出光侧设有数字微镜器件DMD(6)；数字微镜器件DMD(6)的出光侧设有会聚透镜(7)；会聚透镜(7)的出光侧设有光探测器(8)；数字微镜器件DMD(6)的输入输出端与单片机(9)相连；光探测器(8)的信号输出端通过模拟信号处理电路(11)与单片机相连；单片机与显示器(10)相连。 2.根据权利要求1所述的基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统，其特征在于，所述的单色分光仪器(5)采用分光棱镜。 3.根据权利要求1所述的基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统的实现方法，其特征在于，所述的数字微镜器件DMD采用数字化的空间光调制器，在一块芯片上应用微电子机械系统MEMS工艺集成上百万个铝合金材质的微小反射镜，利用旋转反射镜实现光开关的闭合。 4.根据权利要求1所述的基于近红外法的籽棉回潮率在线测量系统，其特征在于，所述的单片机(9)与模拟信号处理电路(11)之间设有A/D转换器(12)。 5.基于近红外法的籽棉回潮率在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，由红外光源发出覆盖所需光谱波长的红外光，红外光经入射狭缝出射到准直透镜，经准直透镜准直后变为复色平行光，照射籽棉，籽棉中含有的水分会吸收一部分对水分子敏感的红外光；步骤2，照射籽棉后反射回的红外光反射到单色分光仪器上，经单色分光仪器分光后照射在数字微镜器件DMD表面上，通过控制数字微镜器件DMD表面不同位置的微镜翻转，选择特定波长的近红外光，再经会聚透镜会聚后照射到光探测器上；步骤3，反射到光探测器上的近红外光通过电学系统的接收、转换和数学模型的计算处理将被测籽棉的回潮率显示到屏幕上。 6.根据权利要求5所述的所述的基于近红外法的籽棉回潮率在线测量方法，其特征在于，步骤3所述的电学系统的接收、转换和数学模型的计算处理，具体做法是：光探测器将接收到的光信号转换为正比于输入幅通量的模拟电信号，模拟信号经前置放大后，通过滤波去除其中的干扰信号，然后再次放大，放大的模拟信号经过限辐后连接单片机；在单片机上实现A/D转换和数学模型计算处理；对测量模型进行数学建模及标定，通过传统电测法测得不同含水量籽棉的回潮率值与近红外系统测得的测量波长和参考波长光辐通量的比值，基于多元回归方法建立幅通量比值与回潮率之间的数学关系，建立电信号与回潮率数值的数学模型；同时基于精度校正样本进行回潮率准确度的修正，如果模型精度不够，加大建模数据样本量，直至回潮率精度达到拟定的精度要求。 7.根据权利要求5所述的基于近红外法的籽棉回潮率在线测量方法，其特征在于，所述的测量波长和参考波长；其确定的依据为：籽棉中的O-H基团的振动频率或转动频率和红外光中的部分波长频率一样时，分子吸收红外辐射后发生跃迁，该处波长的光就被物质吸收；根据水分子在近红外区的吸收带，选择1.94μm处的水分吸收带作为水分敏感波段，为消除被测籽棉表面质地以及光源波动的影响又引入难以被水分吸收的1.78μm和2.1μm作为参考波段。 8.根据权利要求5所述的基于近红外法的籽棉回潮率在线测量方法，其特征在于，所述的被测籽棉的回潮率，由红外光漫反射光幅通量计算回潮率，其计算方式为：当红外线在空气中传播时，空气中的水蒸气对红外辐射具有吸收作用，且服从朗伯-比尔定律，水蒸气对单色红外辐射的吸收效果由下式确定： p＝p0exp(-aλd) (1) 式中，p是红外线通过吸收层后的出射光辐通量，p0是进入吸收层的入射光辐通量，d是均匀介质厚度，aλ是吸收百分数，称为线性吸收系数或线性衰减系数；比尔定律指出，均匀介质微小单元厚度对单色平行光的吸收与该介质的物质浓度c成正比，因此线性衰减系数可表示为式(2)： aλ＝Kλc (2) 式中，c为物质浓度，比例系数Kλ为物质的吸收系数，它与光的波长及物质的性质有关，把式(2)带入式(1)式中得式(3)： p＝p0exp(-Kλcd) (3) 实际工作中还经常使用吸光度的概念，吸光度常用a表示：由式(3)、式(4)可知：可知，物料的吸光度和物料的水分含量成正比，常用测量波段的光辐通量和参比波段的光辐通量来反映出射光强和入射光强，进而可以得到被测物料的含水率。 9.根据权利要求5所述的基于近红外法的籽棉回潮率在线测量方法，其特征在于，所述的特定波长分为测量波长和参考波长，测量波长为1.94μm，参考波长为1.78μm和2.1μm。
所属类别：	发明专利