面向油品參數(shù)快速計量的高精度傅里葉近紅外光譜儀

方 旭, 劉 欣, 李 琪, 舒 慧, 張正東, 程真英, 李瑞君

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院測量理論與精密儀器安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230009；2.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

隨著國家深入開展成品油質(zhì)量專項整治,各級監(jiān)管部門需要現(xiàn)場對油品品質(zhì)進(jìn)行快速、高精度地計量[1,2]?，F(xiàn)有的高精度油品參數(shù)測試需要在特定的實驗室內(nèi)完成,測試時間較長,無法滿足油品質(zhì)量現(xiàn)場快速分析的需求[3,4]。而目前可用于油品參數(shù)現(xiàn)場分析的光譜儀為便于集成或攜帶,無法達(dá)到較高的測量精度[5,6]。因此,需要研究面向油品參數(shù)快速計量的高精度測量方法。

常用的油品參數(shù)高精度檢測方法主要包括質(zhì)譜法、核磁共振法、氣相色譜法等。質(zhì)譜法主要基于電離室將被測樣品進(jìn)行汽化電離處理,再按照質(zhì)荷比分離技術(shù)準(zhǔn)確地計量待測物參數(shù)。該方法依靠昂貴的汽化電離技術(shù)實現(xiàn)了檢測的高靈敏度,但檢測結(jié)果與操作條件的高相關(guān)性使得重復(fù)性較差[7,8]。核磁共振法基于樣品的核磁共振特性進(jìn)行參數(shù)檢測,具有較高的重復(fù)性,其通過射電信號將處在精確控制的磁場中的樣品激發(fā),在撤去射頻后,記錄樣品弛豫過程中輻射的共振光譜,進(jìn)行分析和計量;但檢測的高分辨力依賴于高強(qiáng)度磁場以及射頻電路的穩(wěn)定性,因此檢測成本較高、易受干擾[9,10]。氣相色譜法基于待測物質(zhì)中不同分子之間吸附、溶解等物理性質(zhì)的差異進(jìn)行計量,其采用色譜柱將其初步分離,并將分離后的載氣流送入檢測器檢測生成色譜圖,通過分析色譜圖對樣品參數(shù)進(jìn)行計量;由于分離的效果與色譜柱的性能和環(huán)境溫度的穩(wěn)定性相關(guān),該方法檢測精度較低,且相比于前兩種檢測方法,在時間消耗方面劣勢明顯[11,12]。

綜上所述,常用的樣品參數(shù)高精度檢測方法,通常對檢測條件要求比較苛刻,且耗費的時間和價格成本較高,無法滿足油品現(xiàn)場測量的實時性和低成本的需求。由于油品中氫化基團(tuán)的振動頻率吸收區(qū)與近紅外光譜區(qū)相近,且近紅外光譜法具有測試速度快、價格低廉、樣品消耗量少、操作簡單等優(yōu)點,近年來,基于近紅外光譜的油品快速檢測方法[13,14]受到了越來越多的關(guān)注。根據(jù)不同的分光原理,近紅外檢測方法主要可分為濾光型、色散型和傅里葉變換型[15]。濾光型檢測方法主要基于濾波片主動調(diào)節(jié)選擇光譜成分,由于濾波片的實際線寬會影響檢測的波段長度和靈敏度,因此更適用于中紅外波段檢測[16]。色散型檢測方法采用棱鏡、光柵等作為色散元件,由陣列式探測器或者微振鏡配合單探測器實現(xiàn)復(fù)色光譜的感知,因其體積過大和造價較高,限制了在實際中的應(yīng)用[17]。傅里葉近紅外檢測技術(shù)基于傅里葉變換的干涉調(diào)制方法,采用單點探測器即可記錄所有光譜成分,具有體積小、成本低、實時性和高分辨力等特點[18,19]。

目前,諸多學(xué)者從調(diào)制采樣技術(shù)、分析模型建立和誤差校正理論等方面對傅里葉近紅外檢測方法進(jìn)行改進(jìn),以提高檢測精度、減少檢測時間和減小儀器體積[20]。張知廉等[21]在光路中引入氦氖激光參比系統(tǒng)實現(xiàn)了順序數(shù)字化采樣,采用四倍頻電路進(jìn)行158 nm的等光程差間隔采樣,提高了波數(shù)精度。Hong S等[22]結(jié)合偏最小二乘法對近紅外光譜進(jìn)行優(yōu)化建模,實現(xiàn)了汽油辛烷值的準(zhǔn)確分析,為生產(chǎn)制備高品質(zhì)汽油提供依據(jù)。Li K等[23]建立了近紅外光譜中特征光譜譜段的快速分析模型,在較短的檢測時間內(nèi),將樣品分析的準(zhǔn)確度提高了30%以上。Li M G等[24]將近紅外光譜技術(shù)與小波變換-隨機(jī)森林方法結(jié)合用于甲醇汽油中甲醇的快速分析中,所建立的校正模型補(bǔ)償了光譜中的均方根誤差,驗證集和預(yù)測集均方根誤差可大于0.99。雖然傅里葉近紅外光譜法可實現(xiàn)油品參數(shù)的快速檢測,但檢測前的調(diào)試過程復(fù)雜耗時,且檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度依賴于高精度的位移控制采集系統(tǒng)以及相應(yīng)的分析補(bǔ)償模型。目前國產(chǎn)化的近紅外油品分析儀器仍存在速度和精度上的不足,難以為油品參數(shù)的現(xiàn)場計量提供可靠的保障[25,26]。

因此,提出了一種面向油品參數(shù)快速計量的高精度傅里葉近紅外光譜測量方法。根據(jù)傅里葉近紅外光譜測量原理,設(shè)計了光譜儀的系統(tǒng)方案,重點分析并實現(xiàn)了零光程快速定位方法、納米級等間隔光程差采樣及高信噪比信號處理等關(guān)鍵技術(shù)。并搭建了實驗測試系統(tǒng),完成了性能測試。

2 傅里葉近紅外光譜測量原理和方案

2.1 傅里葉變換近紅外光譜原理

油品中含氫基團(tuán)(C—H、O—H、N—H)有機(jī)分子的振動頻率吸收區(qū)與近紅外光譜區(qū)(780～2 526 nm) 相一致,因此,可基于近紅外光譜分析原理對油品參數(shù)進(jìn)行計量[27]。當(dāng)入射光通過油品時,在固定吸收光程的情況下,各種有機(jī)分子的含量與其對入射光中對應(yīng)波數(shù)光的吸光度成正比。依據(jù)Lambert-Beer定律[28],吸光度A(ν)可表示為

(1)

式中I和I0分別為透射光和入射光的光強(qiáng)。

采集經(jīng)過待測油品的透射光光譜信息,通過化學(xué)計量學(xué)方法解析出透射光譜I中吸收峰的波數(shù)、個數(shù)和光強(qiáng),便可定性、定量地研究油品參數(shù)。

基于近紅外光譜分析原理可知,通過分析I的光譜信息可計量油品參數(shù)。為準(zhǔn)確提取透射光中近紅外光譜各吸收峰的位置和強(qiáng)度,需要具有已知小波數(shù)間隔的高分辨率光譜作為底襯光譜。

傅里葉變換光譜儀基于干涉原理如圖1所示,采用已知等間隔光程差δ對近紅外光進(jìn)行調(diào)制,再通過傅里葉變換,將承載了樣品信息的透射光從空間域轉(zhuǎn)至頻域進(jìn)行分析,得到高分辨率的吸收光譜[29]。

圖1 傅里葉近紅外探測原理

以波數(shù)為ν0的理想準(zhǔn)直單色光為例,假設(shè)其輻射光強(qiáng)為I′(ν0),經(jīng)過邁克爾遜干涉儀調(diào)制后,在光程差為δ處的信號強(qiáng)度可以表示為

S(ν0,δ)=0.5I′(ν0)+0.5I′(ν0)cos2πν0δ

(2)

式中:2πν0δ為兩光束之間的相位差;0.5I′(ν0)為直流分量,不含樣品參數(shù)信息,因此只需要分析信號S(ν0,δ)中的交流分量。

經(jīng)過干涉調(diào)制后的信號S(ν0,δ)通過樣品池被吸收,以及受分光鏡反射率和透射率、探測器響應(yīng)等因素的影響,探測器在光程差為δ處實際探測到的光強(qiáng)為

I0(ν0,δ)=B0(ν0)cos2πν0δ

(3)

式中:B0(ν0)表示最終的波數(shù)光譜強(qiáng)度,它包含著被測樣品對波數(shù)為ν0的吸收情況。

采集探測器上的光強(qiáng)信息,基于式(3)可解析得到B0(ν0),進(jìn)而得到待測樣品的參數(shù)。

為準(zhǔn)確計量油品參數(shù),得到包含吸收峰特征的光譜圖,需要以波數(shù)ν在近紅外段的復(fù)色光作為探測光束。此時在任意光程差δ處,探測器接收的干涉光強(qiáng)I(ν,δ)為所有波數(shù)干涉光強(qiáng)B(ν)的疊加,可以用積分表示為

(4)

式中ν是寬光譜范圍內(nèi)任意光束的波數(shù)。

為了便于解析出B(ν),以橫坐標(biāo)0為對稱中心構(gòu)建偶函數(shù)B′(ν),

并將波數(shù)擴(kuò)展到負(fù)波數(shù)域,可得:

(5)

對式(5)進(jìn)行傅里葉逆變換即可得到包含吸收峰信息的近紅外光譜圖:

(6)

綜上,通過對探測器上接收到的干涉信號進(jìn)行傅里葉逆變換,可以迅速解析出光譜分布范圍內(nèi)各吸收譜線的位置和強(qiáng)度信息,實現(xiàn)對油品參數(shù)的高分辨力計量[30]。

2.2 面向油品參數(shù)測量傅里葉近紅外光譜儀方案

根據(jù)傅里葉近紅外光譜測量原理,設(shè)計面向油品參數(shù)高精度測量的光譜儀方案如圖2所示。首先,為提高光譜儀所接收的干涉信號質(zhì)量,在干涉光路的基礎(chǔ)上加入了準(zhǔn)直光路和檢測光路;其次,由于光譜儀需要在干涉光路中產(chǎn)生等光程差來實現(xiàn)光束調(diào)制,加入了閉環(huán)驅(qū)動和采樣分析系統(tǒng)以提高儀器性能;最終,光譜儀主要由準(zhǔn)直光路、干涉光路、檢測光路、閉環(huán)驅(qū)動控制和采樣與分析系統(tǒng)這5部分構(gòu)成。

圖2 面向油品參數(shù)測量傅里葉近紅外光譜儀示意圖

光譜儀中的近紅外光源發(fā)出的光束首先經(jīng)過準(zhǔn)直光路后被聚焦準(zhǔn)直,所有波段的近紅外光經(jīng)過拋物面鏡1的無差別初步準(zhǔn)直,再經(jīng)過拋物面鏡2聚焦,以提高入射光效率、避免色散;通過準(zhǔn)直透鏡二次準(zhǔn)直及濾波片濾波后獲得功率較高的準(zhǔn)直紅外光。準(zhǔn)直紅外光隨后經(jīng)過干涉光路,被閉環(huán)驅(qū)動的角錐動鏡調(diào)制為具有等間隔光程差的干涉紅外光。被調(diào)制后的干涉紅外光經(jīng)過檢測光路中的拋物面鏡4聚焦后,其不同波數(shù)的光被比色皿中油品的各種有機(jī)分子吸收。

通過分析調(diào)制光被有機(jī)分子吸收后的光譜來計量樣品參數(shù),所以調(diào)制的參數(shù)直接影響光譜儀的檢測精度。被吸收后的近紅外光通過拋物面鏡3聚焦后,被近紅外光電探測器感測。根據(jù)傅里葉近紅外探測原理,需要首先確定零光程差位置,再進(jìn)行有效信號的采樣。最后,采集到的有效信號經(jīng)過預(yù)處理電路,在PC機(jī)上完成快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)變換、光譜反演計算和進(jìn)一步的定量分析,進(jìn)而實現(xiàn)對油品參數(shù)計量。

傅里葉近紅外光譜儀的光源是具有一定波數(shù)寬度的紅外光,光電探測器感知的有效信號在動鏡的驅(qū)動行程內(nèi)體現(xiàn)為很窄的尖峰。由干涉光強(qiáng)表達(dá)式(4)可知,該信號尖峰在干涉光的零光程差位置處出現(xiàn)。因此,設(shè)計快速定位零光程差位置的方法,是縮短檢測耗時的關(guān)鍵。近紅外光源在干涉光路部分被閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)制為具有等光程差間隔的干涉光。根據(jù)式(6)可知,經(jīng)傅里葉變換后的吸收光譜B′(ν)與光程差δ有著直接的關(guān)系,所以,驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系到光譜儀的檢測精度。最后,還需對預(yù)處理電路進(jìn)行設(shè)計,濾除環(huán)境擾動和背景光等影響以實現(xiàn)高信噪比。

3 光譜儀系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)方法

3.1 基于相干長度擴(kuò)增的零光程快速定位方法

在傅里葉近紅外光譜測量中,探測器接收到的信號為各波數(shù)紅外光干涉的疊加。在零光程差位置處,合成的干涉信號集中了絕大部分的能量和光譜信息。為實現(xiàn)油品的快速計量,需要快速、精準(zhǔn)地定位零光程差的位置。

在動鏡的驅(qū)動行程內(nèi),零光程差位置處干涉信號的寬度,可通過計算近紅外譜段干涉光的相干長度l,對其大小進(jìn)行初步預(yù)估:

l=λ2/Δλ

(7)

式中:λ為譜段的中心波長;Δλ為譜段的光譜寬度。

在mm級的動鏡移動行程內(nèi),較小的相干長度l意味著更精準(zhǔn)的零光程差定位,但會使定位的時間和難度大大增加。為平衡定位準(zhǔn)確性和快速性之間的矛盾,提出了一種基于相干長度擴(kuò)增的零光程快速定位方法。

對于待測油品的吸收峰波段區(qū)域(780 nm～2 526 nm),采用出射光波段在近紅外區(qū)的超連續(xù)譜激光光源實現(xiàn)相干長度擴(kuò)增,進(jìn)行零光程差的粗定位。其λ=1.3 μm,Δλ=0.12 μm,l=14 μm,在動鏡mm級的行程內(nèi)手動微調(diào)即可實現(xiàn)零光程差大概區(qū)域的快速定位。零光程差位置的精確定位由相干長度較小的鹵鎢燈完成。其λ=1 μm,Δλ=1.6 μm,l=0.625 μm。在超連續(xù)譜激光確定的干涉包絡(luò)區(qū)域內(nèi),由驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生納米級的位移增量,準(zhǔn)確定位零光程差位置。實驗中,通過驅(qū)動反射動鏡實現(xiàn)不同的光程差,探測器接收到的超連續(xù)譜激光和鹵鎢燈的干涉信號如圖3所示。

圖3 探測器接收的光源干涉信號

所提出的基于相干長度擴(kuò)增的零光程快速定位方法克服了單一鹵鎢燈測量耗時長的問題,實現(xiàn)了零光程差位置的快速、準(zhǔn)確定位,并增強(qiáng)了干涉的包絡(luò)能量幅值,從源頭上減小了干涉信號采集的誤差并增強(qiáng)了信噪比。

3.2 納米級等間隔光程差和高分辨力參數(shù)設(shè)計與實現(xiàn)方法

為了進(jìn)一步提高近紅外檢測光譜的精度,根據(jù)傅里葉近紅外檢測原理,檢測光譜的精度取決于干涉信號的調(diào)制參數(shù)。在設(shè)計的光譜儀方案中,由驅(qū)動系統(tǒng)完成干涉信號的調(diào)制以及采樣觸發(fā)信號的提供,因此,采樣得到的吸收光譜的精度與驅(qū)動參數(shù)密切相關(guān)。

首先,對于待測對象的吸收光譜為近紅外區(qū)域,需要檢測的吸收光的波數(shù)范圍為νL至νH。假設(shè)角錐反射動鏡被閉環(huán)驅(qū)動的等光程差間隔為Δδ,根據(jù)光譜解析式(6)和奈奎斯特采樣定理可得,所需檢測波數(shù)的最大值νH決定了Δδ的取值:

Δδ≤(2νH)-1≤λmin/2

(8)

為保證采樣的完整性,取采樣頻率為信號最高頻率的4倍。最終Δδ的取值為100 nm。

其次,對于油品的高精度計量,需要從吸收光譜中盡可能的分辨出2個相鄰的吸收峰位置。假設(shè)2個相鄰吸收峰的波數(shù)分別為ν1和ν2,其波數(shù)差Δν=ν2-ν1即代表了波數(shù)分辨力指標(biāo)。在零光程差位置處,兩列波均為干涉最強(qiáng),為合成光強(qiáng)的譜線中心。在最大光程差δ的移動范圍內(nèi),譜線ν1和ν2分別有m+1和m個余弦波。

δ=(m+1)/ν1=m/ν2

(9)

因此,兩列波從零光程差位置出發(fā)的第一個譜線零點位置為

Δν=1/δ

(10)

根據(jù)瑞利判據(jù),兩條譜線剛好可以被分辨的條件是:一條譜線中心與另一條譜線的零值位置重合。所以波數(shù)分辨力即為最大光程差的倒數(shù)。為達(dá)到高分辨力,需要在Δδ為100 nm的基礎(chǔ)上,使光程差行程最大。針對油品參數(shù)的檢測波數(shù)范圍為3 985～12 800 cm-1,考慮環(huán)境噪聲等因素對所設(shè)計的光譜儀指標(biāo)的影響,留取設(shè)計余量,最終采用行程為80 mm的精密線性平臺,其內(nèi)部置備了重復(fù)性為50 nm的光柵位移傳感器,可實現(xiàn)100 nm的等間隔光程差驅(qū)動和采樣觸發(fā)信號的輸出。為滿足現(xiàn)場測試的實時性需要,同時避免高速運動帶來的震蕩影響,最終選取電機(jī)移動速度為2.5 mm/s。

根據(jù)以上參數(shù),傅里葉近紅外光譜儀可在短時間內(nèi)完成油品多參數(shù)的快速測量,其理論波數(shù)分辨力可達(dá)0.25 cm-1,滿足油品參數(shù)現(xiàn)場測量的快速、高精度需求。

3.3 高信噪比信號處理方法

傅里葉近紅外光譜儀中的測量光束經(jīng)相干長度擴(kuò)增和等間隔光程差調(diào)制后,最終由低暗流噪聲、高量子效率的近紅外InGaAs光電探測器感知。感知的透射光信號質(zhì)量不僅取決檢測方案的設(shè)計和優(yōu)化,還與光源噪聲、運動機(jī)構(gòu)平穩(wěn)性、探測器噪聲等因素有關(guān)。實際采集到的鹵鎢光源干涉圖除了明顯的干涉信號外還包含大量噪聲,因此,需要研究設(shè)計濾波器以提升裝置儀器的信噪比。

為了最大程度減小濾波引起的干涉信號失真,選擇通帶內(nèi)具有最大平坦度的巴特沃斯濾波器。已知動鏡移動速度ν=2.5 mm/s,干涉光的最短波長λ1=900 nm,干涉光的最長波長λ1=2 500 nm,干涉信號的頻率可通過以下公式計算:

f=2ν/λ

(11)

因此,近紅外光電探測器檢測的干涉信號頻率上限f1和下限f2分別為

f1=5.56 kHz,f2=2 kHz

(12)

為了增強(qiáng)干涉信號同時避免過分放大噪聲,通過Multisim仿真確定濾波器增益為2.4倍。在平衡濾波效果與硬件電路復(fù)雜程度后,最終確定濾波器階數(shù)為六階。根據(jù)濾波器硬件阻容值,結(jié)合SK型帶通濾波器傳遞函數(shù)的一般形式,可分別得到。

第一級傳遞函數(shù):

(13)

第二級傳遞函數(shù):

(14)

第三級傳遞函數(shù):

(15)

式中:s為原時域函數(shù)經(jīng)拉普拉斯變換后的變量。

在探測器后級采用硬件電路搭建所設(shè)計的六階巴特沃斯濾波器。經(jīng)測試,儀器檢測到的光電信號如圖4所示。圖中,信噪比由原先的1 875:1提升到4 547:1。VS表示信號的電壓,VN表示噪聲的電壓。

圖4 采用設(shè)計濾波器前后的信號信噪比

4 實驗及應(yīng)用測試

4.1 系統(tǒng)搭建

搭建的傅里葉近紅外光譜儀如圖5所示。

圖5 傅里葉近紅外光譜儀實驗裝置

根據(jù)第3節(jié)設(shè)計優(yōu)化得到的相關(guān)參數(shù),采用德國PI公司的V-508精密線性平臺作為角錐反射動鏡的驅(qū)動裝置,其具有80 mm的行程,而且內(nèi)部集成了光柵式增量編碼器,可實現(xiàn)間隔為100 nm的等位移驅(qū)動和觸發(fā)信號輸出。采用美國NI公司PCI-6353型號的采集卡接收等間隔位移觸發(fā)信號,從而保證了等間隔光程差高精度驅(qū)動和采集的同時性。為避免振動和安裝誤差的影響,光路部分的搭建采用了籠式光學(xué)結(jié)構(gòu)和微調(diào)基座,驅(qū)動結(jié)構(gòu)考慮了阿貝誤差,將運動軸和測量軸設(shè)計為同軸。

檢測流程如圖6所示。

圖6 傅里葉近紅外光譜儀檢測樣品流程

在標(biāo)定實驗開始前,采用超連續(xù)譜激光確定零光程差位置的大概區(qū)域。隨后采用高發(fā)光效率的鹵鎢燈作為檢測光源,精確定位零光程差的位置。確定好零光程差位置后,將具有已知吸收光程的空比色皿放入檢測光路中,采集當(dāng)前時刻下的僅含有空氣背景信息的干涉信號。接著,將待測樣品放入比色皿中,重復(fù)上述操作得到包含待測樣品的干涉信號。最后通過上位機(jī)進(jìn)行傅里葉逆變換等處理,分別得到背景光譜和樣品光譜數(shù)據(jù),用樣品光譜除以背景光譜,即可快速地得到較高精度的測量光譜。

4.2 光譜儀指標(biāo)測試

參考傅里葉紅外光譜儀校準(zhǔn)規(guī)范,采用標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)方法對光譜儀檢測的波數(shù)誤差、分辨力和測量重復(fù)性指標(biāo)進(jìn)行測試。實驗所測試的聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)樣品有2個是經(jīng)過英國國家物理研究院校準(zhǔn)的吸收峰,波數(shù)位置分別為5 670.22 cm-1和4 572.47 cm-1,將其放入檢測光路,使用所搭建的測試系統(tǒng),按照第4.1節(jié)所述的測量流程,得到的檢測結(jié)果如圖7所示。由聚苯乙烯的測量光譜圖可得:光譜儀可準(zhǔn)確檢測到聚苯乙烯樣品的吸收峰分別在5 666.75 cm-1和 4 570.25 cm-1。

圖7 聚苯乙烯的測量光譜

對聚苯乙烯進(jìn)行了5次重復(fù)測量,其測量結(jié)果如表1所示。

表1 聚苯乙烯5次重復(fù)測量結(jié)果

波數(shù)檢測誤差Δi計算公式如下:

(16)

光譜儀在5670.22cm-1吸收峰位置檢測的波數(shù)誤差為-3.01 cm-1,在4 572.47 cm-1吸收峰位置檢測的波數(shù)誤差為-2.31 cm-1。

波數(shù)檢測重復(fù)性公式為:

δν=νmax-νmin

(17)

式中:νmax和νmin分別為吸收峰波數(shù)測量的最大值和最小值。

經(jīng)過計算確定所設(shè)計的光譜儀在5 670.22 cm-1附近和4 572.47 cm-1附近測量重復(fù)性分別為 0.5 cm-1和0.03 cm-1。

根據(jù)傅里葉紅外光譜儀校準(zhǔn)規(guī)范,儀器分辨力指標(biāo)采用測定水氣半高寬方法確定。因此,采集在實驗室條件下,空氣本底背景光譜后,分析其中水氣的測量光譜以標(biāo)定光譜儀的波數(shù)分辨力[31]。

選取波數(shù)范圍為5 360.5～5 309.5 cm-1,測量5344 cm-1水氣吸收峰的半高寬,如圖8所示。吸收峰的半高寬位置處對應(yīng)的波數(shù)分別為5 345.5 cm-1和5 342.25 cm-1,結(jié)果表明實驗室條件下儀器實測的波數(shù)分辨力達(dá)到3.25 cm-1。

圖8 水氣的測量光譜

4.3 汽油樣品測試

對某加油站92號汽油樣品進(jìn)行實驗測試。檢測光路選擇10 mm固定光程比色皿作為樣品池,第1次對空比色皿進(jìn)行測量采集背景信號,第2次裝滿油樣后進(jìn)行測量采集樣品信號,可以快速得到如圖9 所示的汽油樣品測量光譜。

圖9 汽油樣品的測量光譜

使用PC機(jī)上的分析模型對測量光譜進(jìn)行傅里葉變換、光譜反演等計算,得到由近紅外光譜儀測得的汽油的5項參數(shù)指標(biāo)[32]。為了對比,對該5項指標(biāo)采用對應(yīng)車用汽油國家標(biāo)準(zhǔn)測試方法進(jìn)行了檢定[33]。最終的近紅外測試結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)方法測試結(jié)果對比如表2所示。

表2 92號汽油多參數(shù)測量結(jié)果

使用近紅外分析方法可以同時分析汽油多種參數(shù)指標(biāo),相較于傳統(tǒng)測試方法,時間大大縮短。根據(jù)表2,所設(shè)計的傅里葉近紅外光譜儀對92號汽油樣品5項參數(shù)測量的最大誤差不超過0.7%,能夠滿足油品參數(shù)現(xiàn)場測試的實時性和高精度需求。

5 結(jié) 論

針對燃油品質(zhì)現(xiàn)場檢測的實時性和高精度的需求,研制了一種面向油品參數(shù)快速檢測的傅里葉近紅外高精度光譜儀,提出了基于相干長度擴(kuò)增的零光程快速定位方法。根據(jù)所設(shè)計的傅里葉近紅外檢測系統(tǒng)方案,對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化。通過采用標(biāo)準(zhǔn)樣品對光譜儀進(jìn)行了標(biāo)定實驗,實驗結(jié)果表明:該光譜儀能夠快速完成樣品的參數(shù)計量,其波數(shù)分辨力為3.25 cm-1,測量重復(fù)性為0.5 cm-1。應(yīng)用搭建的光譜儀對92號汽油進(jìn)行現(xiàn)場多參數(shù)同時檢測,在低耗時的情況下,所測量的最大體積誤差不超過0.7%。所設(shè)計的傅里葉近紅外光譜儀具有快速性、低成本、體積小和高精度的優(yōu)點,可應(yīng)用于油品參數(shù)的現(xiàn)場檢測。