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基于电磁式扫描光栅微镜的微型近红外光谱仪光谱信号获取系统

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基于电磁式扫描光栅微镜的微型近红外光谱仪光谱信号获取系统

作者：黄磊西南大学

学位级别：硕士

微型近红外光谱仪作为一种精密检测仪器以其体积小、成本低等特点被广泛应用于农业检测、工业生产、食品安全、地质勘探等领域。论文面向电磁式MOEMS(Micro-Optic-Electro-Mechanical-System)扫描光栅微镜为核心器件的微型近红外光谱仪... 详细信息

微型近红外光谱仪作为一种精密检测仪器以其体积小、成本低等特点被广泛应用于农业检测、工业生产、食品安全、地质勘探等领域。论文面向电磁式MOEMS(Micro-Optic-Electro-Mechanical-System)扫描光栅微镜为核心器件的微型近红外光谱仪的需求,针对光谱信号的准确提取与光谱数据的采集、大容量存储以及实时传输等问题。开展基于电磁式MOEMS扫描光栅微镜的微型近红外光谱仪光谱信号获取关键技术的研究,需求明确。论文在分析研究国内外基于MOEMS技术的微型近红外光谱仪与光谱信号获取系统研究现状的基础上,分析了基于电磁式MOEMS扫描光栅微镜的微型近红外光谱仪光谱信号获取系统的工作原理和设计需求;提出了光谱信号获取系统的总体设计方案,完成了光谱信号获取系统的硬件电路制作与软件系统开发,在搭建的测试平台上完成了光谱信号获取系统的性能测试,为基于电磁式MOEMS扫描光栅微镜的微型近红外光谱仪开发奠定一定的基础,论文的主要工作总结如下。(1)在分析研究微型近红外光谱仪与光谱信号获取系统国内外研究现状的基础上,结合现有的微型近红外光谱仪的光谱信号获取系统的技术难点,提出了本文的主要研究内容;在分析电磁式MOEMS扫描光栅微镜和微型近红外光谱仪的结构与原理的基础上,确定了光谱信号获取系统的设计需求以及关键技术,提出了光谱信号获取系统的总体设计方案;(2)完成了光谱信号获取系统的硬件电路设计。从高增益、低噪声的角度对工作在光伏模式下的G12181-005K光电探测器的预处理电路进行理论分析与仿真设计,旨在降低外界环境噪声对目标信号的影响。针对光谱信号获取系统高精度、实时性等要求,设计了由AD9826、EP4CE10F17C8N、W9812G6KH-75、CY7C68013A等构成的高速实时数据采集系统。结合信号完整性的知识与相应的电路设计软件,完成了光谱信号获取系统四层PCB版的绘制;(3)基于光谱信号获取系统的功能需求,完成了光谱信号获取系统的软件设计。通过Quaturs II和Altera-Modelsim软件设计基于Verliog HDL语言的时序逻辑控制系统;为了保证数据能够被实时有效的传输至上位机,通过Cy Suite USB开发套件完成了USB2.0固件和驱动程序的编写,并在Visual Stutdio 2013的MFC环境下开发并发布了基于C++语言的上位机软件;(4)完成了光谱信号获取系统的硬件电路测试、时序控制逻辑的板级验证以及上位机软件的功能测试。在搭建的测试平台上进行了光谱信号获取系统的性能测试。其前置放大电路的信号测量均值为344.2 m V,信号误差范围为1.27%;数据采集系统的上传速率最高可达39.02 Mbit/s,数据误差范围为1.7%,数据存储容量最大为128 Mbit。测试结果表明光谱信号获取系统满足设计需求。

关键词：微型近红外光谱仪 MOEMS 光谱信号获取 FPGA

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微型近红外光谱仪研究进展

红外技术 2020年第7期42卷 688-696页

作者：王宿慧张旭张根伟郭腾霄丁学全国民核生化灾害防护国家重点实验室北京102205

归纳总结了现阶段国内外微型近红外光谱仪的发展现状,并对其原理结构以及优缺点进行阐述分析。最后对微型近红外光谱仪的发展前景进行了展望,微型近红外光谱仪在特定领域提高专用性的同时依然会朝着高信噪比、高分辨率、高稳定性、以及... 详细信息

归纳总结了现阶段国内外微型近红外光谱仪的发展现状,并对其原理结构以及优缺点进行阐述分析。最后对微型近红外光谱仪的发展前景进行了展望,微型近红外光谱仪在特定领域提高专用性的同时依然会朝着高信噪比、高分辨率、高稳定性、以及新材料、新工艺方向发展。

关键词：光谱近红外微型近红外光谱仪色散型光谱仪调制型光谱仪

微型近红外光谱仪在苹果糖度测量中的应用研究

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激光技术 2019年第6期43卷 735-740页

作者：徐永浩宋彪陈晓帆黄梅珍上海交通大学电子信息与电气工程学院仪器科学与工程系

为了评估微型近红外光谱仪应用于现场水果糖度检测的可行性,采用粒子群算法结合反向传播(BP)神经网络建立了苹果糖度的无损高精度快速检测方法,研究了微型近红外光谱仪NIRscan以单波长和阿达玛变换两种测量模式获得的光谱数据,应用多种... 详细信息

为了评估微型近红外光谱仪应用于现场水果糖度检测的可行性,采用粒子群算法结合反向传播(BP)神经网络建立了苹果糖度的无损高精度快速检测方法,研究了微型近红外光谱仪NIRscan以单波长和阿达玛变换两种测量模式获得的光谱数据,应用多种不同的数据预处理方法和多元线性回归、偏最小二乘法、粒子群算法(PSO)、BP神经网络等算法建立分析模型.结果表明,以阿达玛变换工作模式测得的光谱数据更好,以1阶导数结合Savizky-Golay平滑算法作数据预处理,应用PSO结合BP神经网络建立的苹果糖度预测模型具有更高的预测精度,预测相关系数和均方根误差分别为0.9911和0.1502.该微型近红外光谱仪NIRscan用于苹果糖度的现场快速和高精度无损检测具有可行性.

关键词：光谱学苹果糖度近红外光谱数字显微器件微型近红外光谱仪阿达玛变换粒子群优化算法反向传播神经网络

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微型近红外光谱仪快速测定桔梗有效成分研究

世界科学技术-中医药现代化 2018年第5期20卷 637-643页

作者：张湘东马晋芳罗娟敏葛发欢肖雪中山大学南沙研究院广州511458 广州中大南沙科技创新产业园有限公司广州511458 中山大学药学院广州510006 江西中烟工业有限责任公司技术研发中心南昌330006 广东药科大学广州510006

目的:探索微型近红外光谱仪在中药材有效成分研究方面的可行性。方法:以JDSU公司生产的Micro NIR-1700微型近红外光谱仪为基础,以桔梗药材为例,采用多种光谱预处理方法,结合偏最小二乘法,建立桔梗皂苷D的定量校正模型,并对验证样本进行... 详细信息

目的:探索微型近红外光谱仪在中药材有效成分研究方面的可行性。方法:以JDSU公司生产的Micro NIR-1700微型近红外光谱仪为基础,以桔梗药材为例,采用多种光谱预处理方法,结合偏最小二乘法,建立桔梗皂苷D的定量校正模型,并对验证样本进行含量预测。结果:根据交叉验证的标准误差(SECV)选择最佳模型维数(LV)为8,校正模型的R2为0.9563。验证集外部验证的结果与真实值之间的相关系数R2为0.94。结论:该微型光谱仪在中药材主要成分研究方面具有应用的可行性,为该便携式微型近红外光谱仪的推广使用奠定了基础。

关键词：微型近红外光谱仪桔梗皂苷D 快速测定

微型近红外光谱仪在农产品检测中的应用研究进展

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粮食与油脂 2017年第7期30卷 1-3页

作者：黄亚伟李换王若兰河南工业大学粮油食品学院河南郑州450001

介绍了微型近红外光谱分析技术在一些主要农产品检测中的最新应用研究进展,包括中草药、乳制品、水果、粮食作物等方面。并对微型近红外光谱技术所存在问题进行了探讨,对其发展趋势进行了展望。

关键词：微型近红外光谱仪农产品食品

微型近红外光谱仪用于氨基葡萄糖关键生产过程中的质量分析研究

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微型近红外光谱仪用于氨基葡萄糖关键生产过程中的质量分析研究

作者：李灿山东大学

学位级别：硕士

氨基葡萄糖(glucosamine,GlcN)是一种广受欢迎的骨关节保健品,市场前景广阔,目前主要生产方式包括甲壳类动物外壳水解法、甲壳素酶解法和微生物发酵法。由于受到原材料供应、价格、环保等诸多方面制约,微生物发酵法将逐渐取代其它两种... 详细信息

氨基葡萄糖(glucosamine,GlcN)是一种广受欢迎的骨关节保健品,市场前景广阔,目前主要生产方式包括甲壳类动物外壳水解法、甲壳素酶解法和微生物发酵法。由于受到原材料供应、价格、环保等诸多方面制约,微生物发酵法将逐渐取代其它两种方法成为GlcN的主要生产法。微生物发酵法生产GlcN虽然具有诸多方面的优势,但复杂度高、参数众多的非线性动态生产过程带来了较高的分析检测成本,这使得企业的利润被大大压缩,并且传统的分析检测技术耗时较长,无法将检测结果及时反馈给生产部门,影响产品的质量特别是产品品质的批间一致性。因此,将先进的过程分析技术(Process Analytical Technological,PAT)引入到GlcN的生产过程中,借助快速、准确、绿色、检测成本低的PAT工具—近红外光谱分析技术(Near Infrared Spectroscopy,NIRS),对实现GlcN关键生产过程中的质量指标快速检测从而降低生产成本、提高产品质量有重要的研究意义。目前,NIRS经过半个多世纪的发展,已经成为一个比较成熟、应用广泛的PAT工具,并且随着科技的发展,近红外光谱仪的种类已十分繁多,微型化、便携化、低成本化成为仪器研发的潮流与趋势,在制药过程中也有着越来越多的应用。由于采用发酵法生产GlcN时,直接得到GlcN产物时收率低,所以采用先发酵生产N-乙酰-D-氨基葡萄糖(N-acetyl-D-glucosamine,GlcNAc),然后脱乙酰得到目标产品GlcN。因此,本研究首先对NIRS用于GlcNAc浓度测定的可行性进行分析,然后将NIRS引入到关键生产过程—发酵过程和浓缩过程,探究NIRS在发酵法生产GlcN过程中应用的可行性。本文具体内容如下:(1)微型近红外光谱仪用于发酵过程中GlcNAc浓度测定的可行性研究本研究分析了傅里叶变换近红外光谱仪和微型近红外光谱仪测定不同体系下GlcNAc浓度的可行性,对两种仪器的测定结果进行了对比分析,为下一步生产过程引入微型近红外光谱仪奠定基础。首先,以纯水-GlcNAc体系为研究对象,实验室条件下配制得到浓度为4.00-160.00 g/L的GlcNAc水溶液样品40个,分别以FT-NIR光谱仪和Micro-NIR 1700型微型近红外光谱仪采集光谱;然后,采用含量梯度法将40个样品划分得到校正集27个、验证集13个样品,经过预处理后建立用于GlcNAc浓度测定的偏最小二乘回归(Partial Least Square Regression,PLSR)定量分析模型;最后,以Passing-Bablok回归法对两种近红外光谱仪测定纯水体系下GlcNAc浓度的准确性进行对比分析,结果表明Micro-NIR 1700型微型近红外光谱仪与FT-NIR光谱仪间的预测结果没有显著性差异。随后,采用同样的研究方法对NIRS,特别是微型近红外光谱仪用于发酵液复杂体系下GlcNAc浓度测定的可行性进行了分析,结果显示NIRS可实现发酵液复杂体系下GlcNAc浓度的测定,并且Micro-NIR 1700型微型近红外光谱仪与FT-NIR光谱仪间的预测结果没有显著性差异。(2)微型近红外光谱仪用于发酵过程中GlcNAc浓度和光密度(Optical Density,OD)值的测定研究本研究将Micro-NIR 1700型微型近红外光谱仪引入发酵过程中,探究NIRS测定发酵液中GlcNAc浓度和OD值的可行性。首先在正常生产条件下采集135个样品,以高效液相色谱法(High Performance Liquid Chromatography,HPLC)测定GlcNAc浓度,分光光度法测定OD值;然后以90个样品为校正集,45个样品为验证集,分别建立起GlcNAc浓度和OD值的PLSR定量模型,并通过比较不同的数据集划分方法、光谱预处理方法及变量选择方法对模型进行优化,最终得到的GlcNAc浓度和OD值定量模型的Rc2、Rp2、RMSECV和RMSEP值分别为0.994、0.995、2.7927 g/L 和 1.9468 g/L 及 0.957、0.947、7.8032 和 7.1084。研究结果表明建立的模型拥有良好的预测能力,可以实现发酵过程中GlcNAc浓度和OD值的快速、同时测定。(3)微型近红外光谱仪用于浓缩过程中GlcNAc含量的测定研究本研究将Micro-NIR 1700型微型近红外光谱仪用于氨基葡萄糖浓缩过程中GlcNAc含量的测定,以实现浓缩过程中GlcNAc含量的快速测定及浓缩终点的判断。首先在实验室条件下平行模拟两批浓缩过程,从过程中取样37个,然后从正常生产过程中取样13个,总共采集样品50个。接着以50个样品建立起GlcNAc含量的定量分析模型,在建模过程中,分别对数据集划分方法、光谱

关键词：近红外光谱分析技术微型近红外光谱仪氨基葡萄糖 N-乙酰-D-氨基葡萄糖光密度

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微型近红外光谱仪信号采集系统关键技术研究

微型近红外光谱仪信号采集系统关键技术研究

作者：黄玉斌重庆大学

学位级别：硕士

近红外光谱技术(NIR)是近十年来发展最快、最引人注目的分析技术之一,已被广泛应用于农牧、食品、化工、石化、制药、烟草等领域,近红外光谱仪的研究与应用成为了近年来世界各国研究的重点之一。本论文基于重庆大学微系统中心研发的微... 详细信息

近红外光谱技术(NIR)是近十年来发展最快、最引人注目的分析技术之一,已被广泛应用于农牧、食品、化工、石化、制药、烟草等领域,近红外光谱仪的研究与应用成为了近年来世界各国研究的重点之一。本论文基于重庆大学微系统中心研发的微型近红外光谱仪的要求,在分析了国内外微型光谱仪和信号采集系统发展现状的基础上,进行微型近红外光谱仪系统的信号采集系统关键技术研究。确定了信号采集系统设计的实现方案,完成了InGaAs探测器的驱动电路和信号获取电路、A/D转换模块电源与时序电路设计;完成基于ARM7芯片LPC2148的硬件电路设计;进行基于LPC2148固件程序的软件设计,实现了系统USB数据传输功能,从而解决了信号采集系统中的相关关键技术,完成了微型近红外光谱仪的信号采集处理模块。论文主要研究工作是:①在查阅了大量文献、资料的基础上,分析了微型近红外光谱仪信号采集技术的发展现状;②在了解近红外光谱仪和InGaAs探测器的工作原理基础上,对信号采集系统基本构成以及总线技术进行了研究,确定了近红外光谱仪信号采集系统的实现方案;③详细阐述信号采集硬件电路系统的设计过程,介绍了系统电路各个模块的主要功能及设计方法;④针对ARM7芯片LPC2148的SPI总线接口特性,进行了SPI接口数据传输软件编程,实现了对系统中A/D芯片的控制功能;⑤通过对USB数据传输原理的研究,针对LPC2148的USB设备控制器的特性,利用LPC2148软件开发包,完成了系统USB数据传输的软件设计;⑥完成了系统硬件和软件调试与分析。

关键词：微型近红外光谱仪信号采集系统 InGaAs探测器 CPLD LPC2148

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微型近红外光谱仪信号处理与分析系统开发

微型近红外光谱仪信号处理与分析系统开发

作者：温泉重庆大学

学位级别：硕士

近红外光谱分析技术具有对食品等物质的有效成份能定性、定量、无损、快速、实时现场在线检测等独特优势,已成为近年来各发达国家研究的热点。本论文在重庆市科技攻关重点项目资助下,进行微型近红外光谱仪信号处理与分析技术的探索研究... 详细信息

近红外光谱分析技术具有对食品等物质的有效成份能定性、定量、无损、快速、实时现场在线检测等独特优势,已成为近年来各发达国家研究的热点。本论文在重庆市科技攻关重点项目资助下,进行微型近红外光谱仪信号处理与分析技术的探索研究,是微型近红外光谱仪的重要组成部分,具有重要的理论意义和实际应用价值。论文针对具体应用对象,分析研究了近红外光谱仪信号处理与分析技术的国内外研究现状,以及微型近红外光谱仪的光谱信号特点;进行了微型近红外光谱仪的光谱信号处理与分析的相关理论与方法研究;完成了微型近红外光谱仪的光谱信号处理与分析软件设计,通过实验验证,成功地研究出接近实用化的微型近红外光谱仪的光谱信号处理与分析系统。论文主要研究工作是:1.论文在分析研究国内外近红外光谱信号处理与分析技术和重庆大学微系统中心可见光微型光谱仪信号处理的基础上,针对微型近红外光谱仪的光谱信号特点和应用对象,确定了光谱信号处理与分析具体方案;2.对比分析了几种常用光谱仪信号预处理方法;从微型近红外光谱仪探测器的工作原理,提出了动态处理红外探测器噪声信号的新思想和新方法,有效的降低了系统噪声信号,提高了系统灵敏度;3.针对具体应用对象,进行了微型近红外光谱仪信号分析的相关理论与方法研究,确定了基于主成分回归和最小二乘法的光谱信号分析方法;4.在研究微型近红外光谱仪信号处理与分析方法的基础上,提出了系统软件设计的总体方案,成功地完成了微型近红外光谱仪信号处理与分析软件设计;5.通过典型测试实验,证明论文研究的微型近红外光谱仪光谱信号处理与分析方法和系统软件达到了实用化要求。

关键词：近红外光谱微型近红外光谱仪化学计量学光谱分析信号处理

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微型近红外光谱仪检测水果可溶性固形物

分析仪器 2016年第1期 71-76页

作者：郅建军陈通孙武坚王春峰郭丽陈斌江苏大学食品与生物工程学院镇江212013 江苏大学机械工程学院镇江212013

以滨松公司生产的C11708MA微型光谱仪为基础,在自行搭建的两套光谱采集平台上检测水蜜桃、梨子的可溶性固形物含量。采用了多种光谱预处理方法,结合PLS和LS-SVM建立水蜜桃、梨子可溶性固形物模型。实验结果表明,水蜜桃光谱经过标准化预... 详细信息

以滨松公司生产的C11708MA微型光谱仪为基础,在自行搭建的两套光谱采集平台上检测水蜜桃、梨子的可溶性固形物含量。采用了多种光谱预处理方法,结合PLS和LS-SVM建立水蜜桃、梨子可溶性固形物模型。实验结果表明,水蜜桃光谱经过标准化预处理,建立的LS-SVM模型效果最好,校正相关系数(Rp)和均方根误差(RMSEP)分别为0.8902和0.7703。梨子光谱经过CARS筛选得到46个变量,建立的PLS模型效果最好,Rp和RMSEP分别为0.7597和0.5783。验证了该光谱仪在水果可溶性固形物含量检测方面的应用的可行性,为进一步构建便携式水果可溶性固形物检测设备奠定了基础。

关键词：微型近红外光谱仪水果可溶性固形物回归模型