基于AOTF技术的近红外光谱分析系统的研制

论文题目: 基于AOTF技术的近红外光谱分析系统的研制

论文类型: 硕士论文

论文专业: 机械设计及理论

作者: 张辉

导师: 张小超,方宪法

关键词: 近红外光谱,人工神经网络定标

文献来源: 中国农业机械化科学研究院

发表年度: 2005

论文摘要: 近红外分析方法是目前发展比较迅速的一种快速分析方法,它具有快速、准确、重复性好、无污染、便于实现在线分析等特点,因此被广泛应用于农业、食品、石油、化工等行业。光谱的近红外范围从750nm到2500nm。信息主要是分子内部原子间振动的倍频与全频的信息,几乎包括有机物中所有含氢基团(如C—H、O—H、N—H和C=O等)和部分常见化合物如水,酸等的结构和组成信息,信息量极为丰富。近红外光谱技术,在短时间内得到了实际应用中的广泛关注,被称为“未来世界的光谱”。 本文基于AOTF(Acoustic-optical tunable filter)的光谱测量系统是由AOTF分光定位光学系统、光电信号处理模块、射频驱动控制模块和数据处理模块四部分组成。AOTF是根据单轴双折射晶体的声光互作用原理制成的分光器件。它通过在晶体中的声光耦合对入射光产生衍射。改变激励声波的电驱动器的频率,则衍射光的波长相应地改变。通过AOTF光的强度可利用改变射频的功率进行精密、快速的调节。AOTF滤光器具有体积小,扫描范围广,波长稳定性好且调节速度快,分辨率高等优点。 系统设计充分考虑到便携式仪器的特点,为实现光谱仪的微型化采用多种新型技术和新设计方法: 1、采用新型滤光技术AOTF可调谐声光滤光器,利用准直光纤进行光源准直工作; 2、计算机通过“虚拟仪器”界面,由RS232串口与单片机通讯来控制DDS实现驱动系统设计,射频功率放大则采用高速超宽带运算放大器和功率模块来提高驱动能力; 3、利用人工神经网络进行系统定标,人工神经网络具有很强的自适应、自学习能力,可以实现任意精度近似任何连续函数。尽管在网络训练时花费一定的时间,但当网络结构确定以后,样本测试非常快,因此特别适合于在线应用。 本仪器的光谱测量范围为800nm～1700nm,光谱分辨率约1nm～5.5nm。由于从方案的确定到器件的选择都参考了现代主流便携式光谱仪器,与传统光谱仪器相比,体积小、重量轻、功耗低、操作简便。实验结果证明,本仪器基本达到了预期的设计目标。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 近红外光谱仪器现况和发展趋势

1.2 研究目的和意义

1.3 本课题的研究内容

第二章 声光可调谐滤光器简介

2.1 AOTF原理

2.2 性能指标计算和应用设计

2.2.1 晶体切向角

2.2.2 角孔径性能

2.2.3 分辨率计算公式

2.2.4 透射率和驱动功率

2.2.5 其他性能指标

2.3 确定扫描频率与衍射光波数之间的关系

2.4 AOTF的技术优势

第三章 AOTF红外光谱检测系统方案设计

3.1 AOTF-NIR光谱仪系统总体结构

3.2 红外准直定位系统

3.3 光电信号处理

3.3.1 探测器噪声分析

3.3.2 光电检测电路设计

3.3.3 滤波器的设计

3.4 AOTF射频信号发生器的研制

3.4.1 频率合成技术概述

3.4.2 PLL分析计算与DDS比较

3.4.3 AD9854自动频率扫描的实现

3.4.4 射频低通滤波器的设计

3.4.5 RF功率放大

3.4.6 射频电路PCB布线技巧方法要点

第四章 计算机软件的设计实现

4.1 PC软件总体结构

4.2 与单片机通信的控制

4.3 数据采集与预处理

4.4 近红外光谱的数据处理方法

4.5 神经网络定标软件设计概述

第五章 实验系统测试与结果分析

5.1 仪器标定

5.2 训练集标准值的实验方法

5.2.1 水分的测定

5.2.2 灰分的测定

5.2.3 酸度的测定

5.2.4 蛋白质的测定

5.3 模型建立

5.4 结果分析与预测

第六章 结论与建议

参考文献

致谢

个人简介

发布时间: 2005-09-16

参考文献

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