基于中波近红外非接触式漫反射光谱的检测装置及方法

1.一种基于中波近红外非接触式漫反射光谱的检测装置，其特征在于，包括：光源模块（1），所述光源模块（1）用于对光源（101）进行准直、会聚，形成可调节焦距的光源（101）锥形空间照射样品；引导镜（2），所述引导镜（2）用于将所述光源模块（1）出射的检测光导向样品，并将样品反射的光束通过接收模块（5）耦合至光谱仪（6）；保护窗口片（3），所述保护窗口片（3）设于所述引导镜（2）与样品之间，所述保护窗口片（3）用于隔绝检测装置的内部环境与外部，所述光源模块（1）出射的检测光依次经所述引导镜（2）反射、所述保护窗口片（3）透射后照射至样品，其中，所述保护窗口片（3）倾斜设置，用于降低光源（101）的镜面反射光；校准模块（4），所述校准模块（4）设于所述引导镜（2）与所述保护窗口片（3）之间，所述校准模块（4）设置有可切换的第一校准板和第二校准板，所述第一校准板在近红外中波段有特征吸收，用于波长校准，所述第二校准板用于背景校准；接收模块（5），所述接收模块（5）设置有沿靠近或远离样品方向移动的光纤（501），所述光纤（501）的收光角所形成的接收锥形空间与所述光源模块（1）形成的光源（101）锥形空间同心，并通过所述光纤（501）的移动保持所述光源（101）的光斑面积大于所述光纤（501）的接收区域面积；光谱仪（6），所述光谱仪（6）与所述接收模块（5）连接，由所述光谱仪（6）内含的感光元件将从所述接收模块（5）接收到的光信号进行光电转换以生成样品光谱数据；处理与分析模块，所述处理与分析模块与所述光谱仪（6）连接，用于对所述样品光谱数据进行预处理，再基于预设算法对预处理后的所述样品光谱数据进行计算并输出对应的成分含量结果；样品模块，所述样品模块包括样品盘（7）和旋转样品台（8），所述旋转样品台（8）设于所述光源（101）锥形空间与所述接收锥形空间的交汇处，所述样品盘（7）用于盛装样品，所述旋转样品台（8）带动所述样品盘（7）转动，所述样品盘（7）的转动中心偏离所述光源（101）锥形空间；调整模块，所述调整模块用于调整所述样品盘（7）与所述保护窗口片（3）之间的距离。 2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述引导镜（2）倾斜设置，所述引导镜（2）设有贯穿的接收孔，所述光纤（501）穿设于所述接收孔中。 3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述光源模块（1）包括光源（101）、第一透镜（102）和第二透镜（103），所述光源（101）出射的检测光依次经过所述第一透镜（102）、所述第二透镜（103）、所述引导镜（2）、所述保护窗口片（3）照射在所述样品盘（7）的样品上，所述第一透镜（102）用于将所述光源（101）发出的发散光转化为平行光，所述第二透镜（103）将平行光转化为会聚光，所述第一透镜（102）和第二透镜（103）被带消光结构和材料的消光镜筒（104）包裹，用于减少到达第二透镜（103）的非平行光。 4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述第一透镜（102）与所述第二透镜（103）的光轴位于同一直线上，且所述第一透镜（102）和所述第二透镜（103）沿光轴的方向彼此靠近或远离。 5.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述光源模块（1）包括光源（101）和第一透镜（102），所述引导镜（2）为离轴抛物面反射镜，所述光源（101）出射的检测光依次经过所述第一透镜（102）、所述引导镜（2）、所述保护窗口片（3）照射在所述样品盘（7）的样品上，所述第一透镜（102）用于将所述光源（101）发出的发散光转化为平行光，所述引导镜（2）将平行光转化为会聚光并导向所述样品盘（7）的样品上，所述第一透镜（102）被带消光结构和材料的消光镜筒（104）包裹，用于减少到达所述引导镜（2）的非平行光。 6.基于中波近红外非接触式漫反射光谱的检测方法，基于权利要求1-5任一项所述的检测装置，其特征在于，包括：S1、根据样品的数量多少、珍稀程度、颗粒大小确定工作距离，根据所述工作距离调整样品盘（7）与保护窗口片（3）之间的距离；调整光源模块（1）与接收模块（5），使光源（101）的光斑面积大于接收模块（5）的光纤（501）的接收区域面积；S2、光源模块（1）出射的检测光经过保护窗口片（3）照射在样品盘（7）的样品上，通过接收模块（5）的光纤（501）收集样品的漫反射光，并送至光谱仪（6）进行样品光谱数据采集；S3、旋转样品台（8）带动样品盘（7）旋转，每旋转一个预设角度进行一次光谱采集，直至所有待测样品完成光谱采集；S4、校准模块（4）将第一校准板移动至光源模块（1）与保护窗口片（3）之间，由光谱仪（6）采集当前的第一校准板光谱数据，用于对光谱仪（6）进行波长校准；S5、校准模块（4）将第二校准板移动至光源模块（1）与保护窗口片（3）之间，由光谱仪（6）采集当前的第二校准板光谱数据，用于对光谱仪（6）进行背景校准；S6、处理与分析模块根据从光谱仪（6）接收的样品光谱数据、第一校准板光谱数据、第二校准板光谱数据进行预处理，再基于预设算法对预处理后的所述样品光谱数据进行计算并输出对应的成分含量结果。 7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，根据样品的数量多少、珍稀程度、颗粒大小选择工作模式，所述工作模式有两种，分别为：育种或药品模式、普通模式；若为育种或药品模式，工作距离为55-60mm，光源（101）的光斑直径为34-36mm；若为普通模式，工作距离为90-100mm，光斑直径为46-51.4mm。 8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预处理包括对所述样品光谱数据进行校准和校正，所述校准包括：基于所述第一校准板光谱数据及其预设的波长特征，生成波长校准数据；根据所述波长校准数据，对所述样品光谱数据和所述第二校准板光谱数据分别进行波长校准，得到波长校准后的样品光谱数据和波长校准后的第二校准板光谱数据；基于所述波长校准后的第二校准板光谱数据，对所述波长校准后的样品光谱数据进行背景扣除，获得样品在各波长下的相对光谱响应值；校准后的样品光谱数据由所述相对光谱响应值及其对应的经波长校准后的波长位置共同确定；所述校正包括：对所述校准后的样品的光谱数据进行第一处理和第二处理，所述第一处理抑制光谱噪声，所述第二处理消除由颗粒散射、光程差异或基线漂移引起的物理干扰。 9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述预处理包括波段筛选，所述波段筛选用于保留一定波长范围的光谱数据，其中：对于油菜籽的成分定量检测，保留波长范围为1050~1630nm的光谱数据；对于米糠的成分定量检测，保留波长范围为1100~1650nm的光谱数据；对于生豆粉的成分定量检测，保留波长范围为1100~1630nm的光谱数据；对于小麦的成分定量检测，保留波长范围为1080~1650nm的光谱数据。 10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤S6中，所述预设算法采用预测模型，所述预测模型通过以下方法得到：获取多个标定样品的光谱数据，并对所述光谱数据进行预处理，得到预处理后的标定样品光谱；获取各标定样品通过标准化学分析方法测得的目标成分的参比值；基于所述预处理后的标定样品光谱及其对应的参比值，采用多元校正建模方法建立各目标成分的预测模型；基于预设算法对预处理后的所述样品光谱数据进行计算并输出对应的成分含量结果，包括：将预处理后的所述样品光谱数据输入所述预测模型得到所述成分含量结果。