一種近紅外光譜自動在線檢測裝置及控制方法與流程

本發明涉及農產品質量安全光學無損檢測，特別涉及一種漫反射和漫透射集成的近紅外光譜自動進樣在線檢測裝置及控制方法。

背景技術：

近年來，光譜檢測技術得到了飛速發展，其應用也擴展至各個領域。但，目前光譜檢測裝置普遍采用單一的光譜采集方式（反射或透射），未見同時將兩種光譜采集模式集成的檢測儀器；現有的光譜檢測儀進樣方式，多采用人工單個進樣，尤其是用于科研和教學的光譜檢測儀，均未實現自動進樣和在線檢測。同時，現有儀器對于樣品的光譜采集基本都是采集單一區域的光譜信息，這對于獲取待測樣品的光譜信息是不全面的，若要采集單個樣品多個區域的光譜信息需人工將樣品轉換位置再重新采集光譜信息，這給采集工作勢必會帶來極大不便。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有光譜檢測裝置的缺點與不足，提供一種漫反射和漫透射集成的近紅外光譜自動進樣在線檢測裝置及控制方法，以完成多個待測樣品自動進樣，并利用漫反射和漫透射光譜采集實現對單個樣品多區域的光譜自動檢測。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種近紅外光譜自動在線檢測裝置，包括自動送樣系統和近紅外光譜采集系統，其中，

所述自動送樣系統包括位于下方的間歇式進樣機構和位于所述間歇式進樣機構上方的樣品旋轉機構；所述的近紅外光譜采集系統包括漫反射和漫透射集成采集光路及光源調控機構；

所述間歇式進樣機構包括設有多個樣品位的進樣轉盤、多個試管夾具、轉盤驅動盤、第一驅動機構，其中進樣轉盤的每一樣品位的上部設有夾具孔，下部設有用于置入盛樣試管的試管孔，多個試管夾具分別放置在進樣轉盤的夾具孔中，進樣轉盤的底部連接轉盤驅動盤，第一驅動機構連接轉盤驅動盤，并經轉盤驅動盤帶動進樣轉盤及試管夾具轉動，第一驅動機構運轉一次，進樣轉盤轉動第一角度，即移動一個樣品位，將一個樣品送入光譜采集工位；

所述樣品旋轉機構包括第二驅動機構、凸輪傳動軸、凸輪傳動箱、超越離合器、凸輪、錐齒輪副、夾具驅動軸、夾具驅動盤，第二驅動機構通過聯軸器連接凸輪傳動軸的一端，該凸輪傳動軸經深溝球軸承安裝于凸輪傳動箱上，且位于凸輪傳動箱內的凸輪傳動軸上經超越離合器安裝凸輪，凸輪傳動軸的另一端經錐齒輪副連接夾具驅動軸的一端；所述凸輪經凸輪滾子及推桿連接軸承架；所述夾具驅動軸的中部兩處分別經深溝球軸承安裝于凸輪傳動箱外部的一端及軸承架內，且夾具驅動軸的另一端固定連接用于驅動所述試管夾具轉動的夾具驅動盤；當凸輪傳動軸正轉時，超越離合器處于傳動狀態，凸輪隨凸輪傳動軸轉動而轉動，并通過凸輪滾子及推桿帶動軸承架、夾具驅動盤向下或向上移動，同時凸輪傳動軸經錐齒輪副帶動夾具驅動軸、夾具驅動盤正轉180度后與一試管夾具對接；當凸輪傳動軸反轉時，超越離合器處于超越狀態，凸輪不能被傳動，夾具驅動盤不上、下移動，僅凸輪傳動軸經錐齒輪副、夾具驅動軸帶動夾具驅動盤反轉第二角度，保證夾具驅動盤與試管夾具有效接觸；

所述漫反射和漫透射集成采集光路包括光譜儀、可控光路切換器、第一準直鏡、第二準直鏡、第一、二光源，所述第一、二光源經光源調控機構對稱設置于所述光譜采集工位的盛樣試管前方兩側，第一準直鏡架設于盛樣試管前方，第二準直鏡架設于盛樣試管后方，且第一、二準直鏡經近紅外石英光纖及可控光路切換器連接光譜儀。

所述光源調控機構包括第三步進電機、第三聯軸器、絲杠螺母副、對稱四桿機構、底座、第一絲桿架、第二絲桿架，所述第一、二絲桿架安裝固定于底座上，且所述絲杠螺母副的絲杠經軸承固定于第一、二絲桿架上，所述絲杠螺母副的移動螺母外側固定設置連接塊；所述對稱四桿機構的前端鉸接于所述連接塊上，后端鉸接于底座上，且對稱四桿機構的兩側分別設置第一、二光源；所述第三步進電機連接絲杠螺母副的絲杠一端，當第三步進電機帶動絲杠螺母副的絲杠轉動時，絲杠螺母副的移動螺母帶動連接塊一起前后移動，使第一、二光源圍繞光譜采集工位的盛樣試管作10－90度轉動。

所述對稱四桿機構包括第一、二、三、四桿，其中第一桿的一端與第二桿的中部鉸接，第四桿的一端與第三桿的中部鉸接，且第一桿的另一端與第四桿的另一端相鄰鉸接于所述連接塊上，第二桿的一端與第三桿的一端相鄰鉸接于所述底座上，并使第一、二桿與第三、四桿呈對稱狀態設置。

所述對稱四桿機構的第二、三桿的自由端分別固定第一、二光源固定架，所述第一、二光源固定于所述第一、二光源固定架上。

所述試管夾具位于一夾具圓形導軌內。

所述轉盤驅動盤的底部承重連接圓錐滾子軸承，且所述轉盤驅動盤的底部連接轉盤底座軸承。

所述試管夾具包括夾具體、彈簧夾塊、彈簧、緊定螺釘，該夾具體的中部設置截面與盛樣試管外形相匹配的放置孔，且該夾具體上經緊定螺釘設置彈簧，彈簧的末端設置用于卡緊盛樣試管的彈簧夾塊。

所述試管夾具夾持盛樣試管的2/3位置處。

所述超越離合器為滾柱式超越離合器，所述滾柱式超越離合器傳動時，內圈正轉，并傳動至外圈；所述滾柱式超越離合器超越時，內圈反轉，不能傳動至外圈。在本發明實施例中，配合第二驅動機構正反轉可實現正反轉傳動至不同機構，其中正轉傳動至凸輪和錐齒輪副，反轉只傳動至錐齒輪副。

所述夾具驅動軸的另一端經夾具驅動連接件固定安裝所述夾具驅動盤。

所述夾具驅動軸的運轉軌跡周側設置第一導軌。

所述凸輪的從動件——凸輪滾子及推桿的運動規律為正弦加速度運動，凸輪運動循環具有推程、遠休、回程、近休四個階段，且凸輪設置有配合超越離合器的傳動接口。

另外，本發明還提供了一種上述近紅外光譜自動在線檢測裝置的控制方法，其包括下述步驟：

S1、間歇式進樣機構在第一驅動機構驅動下，使轉盤驅動盤轉動第一角度，一樣品移至光譜采集工位；

S2、樣品旋轉機構的第二驅動機構正轉180度，超越離合器處于傳動狀態，超越離合器帶動凸輪轉動，并通過凸輪滾子及推桿帶動夾具驅動盤向下運動，同時凸輪傳動軸經錐齒輪副帶動夾具驅動盤正轉180度，使夾具驅動盤與一試管夾具實現對接；

S3、樣品旋轉機構的第二驅動機構反轉大于180度的第二角度，超越離合器處于超越狀態，凸輪不能被驅動，凸輪傳動軸經錐齒輪副帶動夾具驅動盤反向轉動第二角度，并使夾具驅動盤與試管夾具有效連接，這時啟動光譜儀進行第一次光譜采集；

S4、樣品旋轉機構的第二驅動機構繼續反轉第三角度，即夾具驅動盤帶動試管夾具反轉第三角度，然后進行第二次光譜采集，并如此往復多次，進行多次光譜采集；

S5、完成多次光譜采集后，樣品旋轉機構的第二驅動機構繼續反轉，直至所有反轉角度之和為360^。整數倍，即樣品旋轉機構回到初始位置，接著第二驅動機構正轉180度，使超越離合器處于傳動狀態，超越離合器帶動凸輪轉動，并通過凸輪滾子及推桿帶動夾具驅動盤上升回到初始位置，如此即完成一個樣品的不同位置光譜采集；

S6、緊接著間歇式進樣機構在第一驅動機構驅動下轉盤驅動盤再次轉動第一角度，將下一個樣品送入光譜采集工位，重復S2到S6步驟直至完成進樣轉盤上多個樣品的光譜采集。

所述第一角度為20度，所述第二角度為240度，所述第三角度為120度。

優選的，在步驟S1中，待測樣品進樣至光譜采集工位，是根據位置檢測傳感器判斷是否到達準確的檢測位置，若位置不準確，則位置調整至準確的采集位置后執行下一步驟。

優選的，在步驟S4中，樣品旋轉機構是否回到初始位置，同樣是根據位置檢測傳感器判斷是否到達初始位置，若不是初始位置，則需調整至初始位置后執行下一步驟。

本發明與現有技術相比較具有如下優點和效果：

1、本發明在一臺光譜檢測儀上集成漫反射和漫透射兩種光譜采集方式，不需要額外增加輔助配件，給不同采集方式的選取提供便利，拓展了本發明的應用范圍。

2、本發明設計有多工位自動進樣機構，解決了人工單獨進樣的繁瑣步驟，提高了光譜采集效率。

3、本發明設計有樣品旋轉機構，可在光譜采集過程中旋轉樣品，實現樣品不同區域的光譜信息采集，獲得更加全面的光譜信息。

4、本發明設計有第一、二光源，其可以在10^。～90^。的范圍內高精度調節光源角度，給光源角度的研究提供極大便利，同時可使光譜信息更優質。

附圖說明

圖1是本發明一種漫反射和漫透射集成的近紅外光譜自動進樣在線檢測裝置的整機結構示意圖。

圖2是本發明間歇式進樣機構放置試管夾具和盛樣試管的結構示意圖。

圖3是本發明間歇式進樣機構去掉進樣轉盤和轉盤驅動盤后的結構示意圖。

圖4是本發明試管夾具立體結構示意圖。

圖5是本發明樣品旋轉機構傳動部分立體結構示意圖。

圖6是本發明樣品旋轉機構傳動部分去掉凸輪傳動箱的端蓋后的結構示意圖。

圖7是本發明樣品旋轉機構傳動部分結構剖視示意圖。

圖8是本發明漫反射和漫透射集成采集光路示意圖。

圖9是本發明光源調控機構結構示意圖。

圖10為圖9另一角度結構示意圖。

圖11是本發明光譜采集工作流程圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。

如圖1所示，本實施例一種漫反射和漫透射集成的近紅外光譜自動進樣在線檢測裝置，包括自動送樣系統和近紅外光譜采集系統；所述的自動送樣系統包括位于下方的間歇式進樣機構1和位于間歇式進樣機構1上方的樣品旋轉機構2；所述的近紅外光譜采集系統包括漫反射和漫透射集成采集光路4（如圖8所示）及光源調控機構5。

如圖2－圖4所示，所述間歇式進樣機構1包括設有18個樣品位的進樣轉盤11、18個試管夾具12、夾具圓形導軌13、轉盤驅動盤14、圓錐滾子軸承15、第一減速器16、第一步進電機17、轉盤底座軸承19和多種樣式鈑金架20。其中進樣轉盤11的每一個樣品位的上部設有用于放置試管夾具12的夾具孔，下部設有用于置入盛樣試管3的試管孔，多個試管夾具12分別放置在進樣轉盤11的夾具孔中，進樣轉盤11的底部連接轉盤驅動盤14，轉盤驅動盤14的底部承重連接圓錐滾子軸承15，為防止人為誤操作傾覆，轉盤驅動盤14的底部同時連接轉盤底座軸承19。第一步進電機17經第一減速器16的轉軸及平鍵連接轉盤驅動盤14，從而帶動轉盤驅動盤14、進樣轉盤11及試管夾具12轉動。多種樣式鈑金架20承接第一減速器16、轉盤底座軸承19、夾具圓形導軌13、圓錐滾子軸承15。第一步進電機17每前進一步，進樣轉盤11移動20度的第一角度，將一個樣品送至光譜采集工位。

所述的試管夾具12包括夾具體121、彈簧夾塊122、彈簧123、緊定螺釘124。該夾具體121的中部設置截面與盛樣試管3外形相匹配的放置孔125以便于盛樣試管3穿設放置，且該夾具體121上經緊定螺釘124設置彈簧123，彈簧123的末端設置彈簧夾塊122。該夾具體121的頂部設置與夾具驅動盤30對接且對稱的第一凸塊126。當夾具體121夾持盛樣試管3時，彈簧夾塊122和彈簧123用于夾緊盛樣試管3，緊定螺釘124用于限位彈簧123。該試管夾具12夾持盛樣試管3時，從盛樣試管3上部進入，并使夾具體121夾持盛樣試管3的2/3位置以上部分，以保證不遮擋盛樣試管3的光譜采集部分。

如圖5－圖7所示，所述樣品旋轉機構2包括第二步進電機21、第二聯軸器22、凸輪傳動軸23、凸輪傳動箱24、超越離合器25、凸輪26、錐齒輪副27、夾具驅動軸28、第一導軌29、夾具驅動盤30。第二步進電機21通過第二聯軸器22連接凸輪傳動軸23，凸輪傳動軸23的兩端經深溝球軸承31安裝于凸輪傳動箱24上，且位于凸輪傳動箱24內的凸輪傳動軸23上經超越離合器25安裝凸輪26，凸輪傳動軸23的另一端經錐齒輪副27連接夾具驅動軸28的一端。所述凸輪26經凸輪滾子及推桿32連接軸承架33。該夾具驅動軸28的中部兩處分別經深溝球軸承31安裝于凸輪傳動箱24外的一端及軸承架33內，且夾具驅動軸28的另一端經夾具驅動連接件34固定安裝用于驅動試管夾具12的夾具驅動盤30。為使夾具驅動盤30在預定軌道內精確運轉，夾具驅動軸28的運轉軌跡周側設置第一導軌29。該夾具驅動盤30的底部設有與試管夾具12的第一凸塊126相匹配的第二凸塊35，當夾具驅動盤30與試管夾具12有效對接時，第二凸塊35與第一凸塊126抵觸，因而第二凸塊35能籍由第一凸塊126驅動試管夾具12。

本實施例中用到的超越離合器25為滾柱式超越離合器，其超越時不自鎖，即在內圈反轉時，外圈不動，實現超越；其傳動時，內圈正轉，外圈相應正轉，實現傳動。

所述樣品旋轉機構2工作時，第二步進電機21按設定流程通過第二聯軸器22帶動凸輪傳動軸23正反轉。當凸輪傳動軸23正轉180度時，超越離合器25的內圈正轉，可傳動至外圈，進而通過凸輪26、凸輪滾子及推桿32帶動軸承架33、夾具驅動盤30向下移動，同時凸輪傳動軸23經錐齒輪副27、夾具驅動軸28帶動夾具驅動盤30正轉180度后，使夾具驅動盤30的第二凸塊35與試管夾具12的第一凸塊126處于相對卡設位置；當凸輪傳動軸23反轉時，超越離合器25的內圈反轉，不可傳動外圈，因而夾具驅動盤30不能上、下移動，僅凸輪傳動軸23經錐齒輪副27、夾具驅動軸28、夾具驅動連接件34帶動夾具驅動盤30反轉240度（第二角度），以保證夾具驅動盤30的第二凸塊35與試管夾具12的第一凸塊126有效接觸。

如圖8所示，所述漫反射和漫透射集成采集光路4主要包括光譜儀41、可控光路切換器42、擋板43、第一準直鏡44、第二準直鏡45、近紅外石英光纖46和光源模塊47。所述光源模塊47包括供光單元471及第一、二光源472、473，且所述供光單元471連接第一、二光源472、473。所述第一、二光源472、473對稱設置于所述光譜采集工位的盛樣試管3的前方兩側，且所述第一、二光源472、473朝向光譜采集工位的盛樣試管3設置。第一準直鏡44架設于盛樣試管3的前方，用來接收樣品的反射光譜信息；第二準直鏡45架設于盛樣試管3的后方，用來接收樣品的透射光譜信息。第一、二準直鏡44、45由所述近紅外石英光纖46連接至所述可控光路切換器42，所述可控光路切換器42與所述光譜儀41同樣采用所述近紅外石英光纖46連接，用于切換采集第一、二準直鏡44、45接收的光譜信息。

如圖9、圖10所示，所述光源調控機構5用于調節第一、二光源472、473的照射角度，且所述光源調控機構5包括第三步進電機51、第三聯軸器52、絲杠螺母副53、對稱四桿機構54、第一、二光源固定架55、56，及底座57、光源鈑金底架58、第一絲桿架59、第二絲桿架60。所述第一絲桿架59、第二絲桿架60安裝固定于底座57上，且所述絲杠螺母副53的絲杠經軸承固定于第一、二絲桿架59、60上，所述絲杠螺母副53的移動螺母外側固定連接塊61，連接塊61的兩端滑動設置于絲杠螺母副53的絲杠兩側的平衡限位桿62上。所述對稱四桿機構54包括第一、二、三、四桿541、542、543、544，其中第一桿541的一端與第二桿542的中部鉸接，第四桿54的一端與第三桿543的中部鉸接，且第一桿541的另一端與第四桿544的另一端相鄰鉸接于所述連接塊61上，第二桿542的一端與第三桿543的一端相鄰鉸接于底座57上，并使第一、二桿541、542與第三、四桿543、544呈對稱狀態設置。所述第三步進電機51安裝固定于所述光源鈑金底架58上，且所述底座57用螺栓固定在所述光源鈑金底架48上。所述第三步進電機51通過第三聯軸器52連接絲杠螺母副53的絲杠一端，所述對稱四桿機構54的第二、三桿542、543的自由端分別固定所述第一、二光源固定架55、56，所述第一、二光源472、473通過螺栓固定于所述第一、二光源固定架55、56上。當第三步進電機51帶動絲杠螺母副53的絲杠轉動時，絲杠螺母副53的移動螺母隨絲杠的轉動而前后移動，同時帶動連接塊61一起前后移動，從而使對稱四桿機構54前、后移動，同時使第一、二光源472、473圍繞光譜采集工位的盛樣試管作10－90度轉動。

如圖11所示，本實施例一種漫反射和漫透射集成的近紅外光譜自動進樣在線檢測裝置的控制方法，包括下述步驟：

S1、放置好待測樣品后，間歇進樣機構（1）在第一驅動機構驅動下，使轉盤驅動盤（14）轉動轉動20^。（第一角度），使第一個樣品進入光譜采集工位（待測樣品是否被送至光譜采集工位，是根據位置檢測傳感器判斷轉盤驅動盤（14）是否轉動到指定角度以到達準確的檢測位置來判斷的，若位置不準確，則將轉盤驅動盤位置調整至準確的采集位置）；

S2、樣品旋轉機構2的第二步進電機21正轉180^。，超越離合器25處于傳動狀態，超越離合器25內圈帶動外圈轉動，外圈帶動凸輪26轉動使夾具驅動盤30向下運動10mm，同時凸輪傳動軸23經錐齒輪副27帶動夾具驅動盤30正轉180^。，以使夾具驅動盤30與試管夾具12的傳動接口對接；

S3、樣品旋轉機構2的第二步進電機21反轉240^。的（第二角度），超越離合器25處于超越狀態，外圈不隨內圈轉動，凸輪26隨之也不動，凸輪傳動軸23經錐齒輪副27帶動夾具驅動盤30反向轉動240^。（第二角度），并使夾具驅動盤30與試管夾具12有效接觸（第二凸塊35與第一凸塊126抵觸，且第二凸塊35能籍由第一凸塊126驅動試管夾具12），并啟動光譜儀41進行第一次光譜采集；

S4、樣品旋轉機構2的第二步進電機21繼續反轉120^。（第三角度），即夾具驅動盤30帶動試管夾具12間隙轉動，每反轉一個第三角度即可進行一次光譜采集（可根據需要自行設定采集次數和采集區域，即可自行調整每次反轉的第三角度）；

S5、完成多次采集后，樣品旋轉機構2的第二步進電機21還需完成反轉，直至所有反轉之和為360^。整數倍，即使樣品旋轉機構回到初始位置，接著第二步進電機21正轉180^。，使夾具驅動盤上升10mm回到初始位置，即完成一個樣品的不同位置光譜采集。

S6、緊接著間歇式進樣機構1在第一步進電機17驅動下轉盤驅動盤14再次轉動20^。（第一角度），將下一個樣品送入光譜采集工位，重復S2到S6步驟直至完成18個樣品的光譜采集。

上述實施例為本發明最常用的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他任何未背離本發明的思想實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化均應為等效的置換方式，都應包含在本發明的保護范圍之內。