在线近红外多探头系统

由浙江大学承担的“结合软测量技术的汽油质量指标近红外（NIR）在线分析系统”通过863计划现代集成制造系统技术主题专家组组织的验收。 为有效地解决炼油过程中汽油成品或组份油的质量检测问题，该课题基于NIR光谱分析数据，将小波变换与光谱归一化技术应用于光谱数据的预处理中，减少了荧光背景干扰和高频噪声对分析精度的影响，提高了光谱数据的信噪比。针对目前NIR光谱定量分析中常用的偏最小二乘算法的局限性，把支持向量计算法应用于NIR光谱的非线性定量分析，显著地提高了分析精度。研究人员还提出了一种基于NIR光谱的汽油牌号快速识别方法，通过主元分析提取汽油NIR光谱的主元信息，应用相似分类算法建立了不同汽油牌号汽油样本的分类模型，再利用这些模型实现对未知汽油样本有效的快速分类。 在上述研究成果的基础上，课题组开发研制了新一代实验室用低成本汽油质量指标快速测定仪，并已成功应用于中国石化集团杭州炼油厂、清江炼油厂等单位，受到了用户的好评。同时，还开发研制了在线自清洗NIR光纤探头与相应的自动采样系统，提高了在线分析系统的连续运行能力，并成功研制了汽油质量指标在线NIR分析仪样机系统。该样机已成功地应用于中国石化上海高桥分公司炼油企业部连续重整装置。

p 　　过程分析技术(PAT)是通过对原材料和处于加工中材料的关键质量品质和性能特征进行及时测量，来设计、分析和控制生产加工过程的一项技术。PAT有助于实时掌握各种物料的状态、含量、性质，深刻理解工业过程各个工序的工作实况和本质，更有利于生产过程的实际控制。因此，PAT对于减少生产时间、提高产品质量、提高自动化程度等具有重要作用。在线监测是PAT的重要内容，近红外光谱(NIR)是目前工业PAT中最重要的在线监测技术之一。 /p p 　　近红外光谱分析技术操作简单、使用方便、测量快速，而且能提供丰富的分子信息，是非常理想的在线监测技术。同时近红外光谱仪器种类多、测量附件全、性价比高等优点也是选择NIR技术实现在线监测的重要理由，因此近几十年来近红外光谱技术在PAT中的应用越来越广泛和普及，代表性的应用领域包括制药、石油化工、基础有机化工、食品生产和加工、酿酒等。 /p p 　　整体上看，我国近红外光谱技术的发展和应用，包括仪器研发、算法研究、应用开发等，较欧美及日本等西方国家相比并不落后。虽然某些方面还差强人意，但也有一些研究取得了令人惊喜的成果，也成功地拓展了一些我国特有的应用领域。但与此形成鲜明对比的是，在在线NIR领域我们却明显落后于西方国家，我国在线NIR技术的应用远未到达其应有的程度和水平，尤其是在工业生产领域，与中国目前引领世界经济发展的地位非常不相称。本文将着眼于工业领域，探讨在线NIR技术发展的重点或难点，分析制约我国在线NIR发展的关键问题，以期为中国在线NIR的快速发展奉献微薄之力。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 200px height: 291px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201908/uepic/dd48837a-0182-4b6c-81c6-d3a216daed30.jpg" title=" 微信图片_20190823095234.jpg" alt=" 微信图片_20190823095234.jpg" width=" 200" height=" 291" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 华东理工大学 杜一平教授& nbsp /strong /p p strong 　 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " 　1、重视开发工业在线专用近红外光谱仪器及其配套设备 /span /strong /p p 　　在线NIR技术的硬件主要包括近红外光谱仪器和配套的测样装置。虽然工业过程的光谱测量一般具有抗震、耐温、防腐、防爆等要求，但经适当的设计和安装，常用的近红外光谱仪器，包括傅里叶变换、光栅扫描、声光可调滤光器型，以及多种分光原理的小型光纤近红外光谱仪器都可以用于工业在线监测中。大型高性能光谱仪在在线NIR中的应用是比较成熟的，在石油化工、制药、烟草等领域已经有了一些比较成功的应用。值得关注的是，近年来小型光纤光谱仪器的发展为在线NIR展现出美好的前景。除了仪器小巧、价格低廉这些必然的优点以外，光纤光谱仪还具有安装容易、灵活，使用方便等优势。虽然在性能上不如大型光谱仪，但对于某些对分辨率和准确度要求并不是很高的应用对象，小型光纤光谱仪更具有吸引力。整体上看，各类近红外光谱仪器为在线NIR提供了非常广阔而灵活的选择空间，NIR仪器并不是在线NIR技术推广的难点。但毕竟工业在线监测具有特殊的要求，针对这些要求开发专用的在线NIR仪器还是非常必要的。 /p p 　　在线NIR可用于很多生产工序，如反应、蒸馏、混合、分离、烘干、溶解、结晶等，不同生产工艺对在线监测的要求也是五花八门，而且监测点的环境一般也远较实验室恶劣，比如温度、湿度、腐蚀性、振动等条件都会对光谱仪造成影响。因此，在线NIR监测对检测探头和监测条件有很多具体的要求。通常使用光纤将监测点与光谱仪连接起来，这样可以避免很多环境因素的影响和限制。监测点一般采用光纤探头或流通池实现光谱的采集。对于光纤探头，入射光和返回光路设计在一个探头内，使用时只要将探头插入被监测的物料内即可，因此使用方便、灵活。透射光纤探头用于对液体样品的测量，漫反射光纤探头用来测定固体样品。流通池适用于液体样品的在线测量，将流通池固定在监测点的管路上，连接于流通池上的入射光和返回光通过两路光纤进行光传输，并与光谱仪相连。实际生产过程往往很复杂，对在线监测会产生很多的制约，常见的要求包括检测探头必须耐温、耐压、耐腐蚀、耐磨等，还要考虑解决可能存在的探头堵塞、产生气泡等问题。鉴于工业在线NIR对光纤探头或流通池的特殊要求，比较合理的解决方案是根据具体工业过程的特点，开发系列检测探头用于不同需求的应用。这样做有利于检测探头的标准化、规范化，对于提高在线NIR技术的开发效率，推广在线NIR具有重要意义。 /p p span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 　　2、提高应用技术人员近红外光谱分析模型的开发能力 /strong /span /p p 　　对于从事近红外光谱技术应用的技术人员来说，建模是难点问题之一，因为它需要化学计量学知识作为支撑。 /p p 　　建立高质量的模型(不妨称为最优模型)确实是一件不容易的事情，但是如果简化建模过程，建立一个比较优的合理的模型就不一定很难了。所建模型是最优还是比较优，一般体现在预测误差是最小还是比较小，而在近红外光谱分析的实践中，不同模型的预测误差常常相差不大(在合理建模的前提之下)，或者用户对模型预测能力要求不高，这种情况下，完全可以用比较简单的建模过程和方法建立比较优的模型。另外，在线分析关注的是监测指标值的变化趋势，因此相对于监测结果的绝对准确度，其更注重结果的稳定性。如果采用上述的策略，建模就不太难了。 /p p 　　本课题组在与企业合作开发近红外光谱模型时，所采取的方法就是：我们为用户开发实用的近红外光谱模型的同时，对用户的技术骨干进行建模培训，使其除了掌握模型使用和简单维护的技能以外，还要具备基本的建模能力。如果有必要，我们还提供简易的建模软件。该软件能够使不甚专业(基本的化学计量学知识还是需要掌握的)的使用者，能够用简单的若干个套路“半自动化地”完成建立模型的任务。这样做不但有利于用户更好地理解和使用模型，还可以自主开发新的模型(虽然不一定是最优的，但能保证是较优的)，同时也为社会培养了更多的“化学计量学人”。这种做法效果很显著，我们为某化工厂研发了一套在线近红外光谱监测装置，并建立了模型。后来该企业自主开发了第二套监测装置，而且在我们的帮助下，实现了一台在线NIR仪器顺序监测六个监测点的在线监测。再后来他们又独立开发了第三套监测系统，独立完成了建模工作。 /p p 　　梁逸曾教授曾经多次指出：只要掌握好的学习方法，化学计量学并不难学。我体会到，要普及技术人员建立近红外光谱分析模型的能力，培训是必需的环节，而培训的手段和方法可能更是至关重要的。仪器信息网和近红外光谱分会每年都举办近红外光谱技术和化学计量学的培训活动，这对于普及近红外，推动近红外的发展意义重大。 /p p 　　另外，本人认为：智能建模，或自动建模是解决建模难这一瓶颈问题的有效途径，这种建模方法的研发是非常有意义，且有重要需求的研究课题，理应引起化学计量学研究者，或NIR模型开发人员的重点关注。 /p p span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 　　3、做好产、学、研、用、政环节切实推动我国工业在线近红外光谱技术的应用和普及 /strong /span /p p 　　在国产分析仪器的发展过程中，人们逐渐将“产、学、研”的传统提法，又添加了“用”和“政”两个内容。“用”是指用户，意为仪器的研发离不开用户的参与或用户的要求，这层含义用在近红外光谱领域(包括在线近红外)更是贴切。下面我想重点谈谈“政”的作用。 /p p 　　“政”即政府，更广义地理解就是“领导”。在很多场合，南开大学邵学广教授都提到：发展我国近红外光谱技术，我们不但要培训科技人员，还要培训领导。这句话很深刻地道出了“政”的重要性。 /p p 　　首先，政府重视是发展我国近红外光谱技术的重要条件，这是毋庸置疑的。 /p p 　　第二，发展我国在线近红外光谱技术另外一个重要因素就是用户企业领导的重视。在推广在线NIR时，企业领导经常担心的问题是这些技术能否影响其正常的生产，或者说，企业已经具备了正常的生产，有没有必要担一定的风险上在线NIR技术。从商业角度看，领导的担心是有道理的，但这却影响了在线NIR技术的普及和推广，实际上也影响了企业未来的竞争力(安于现状能够保证企业今天的现状，但不一定能满足未来发展的要求)。这种问题最好的解决方案就是“培训领导”，改变其对近红外光谱技术的保守看法。另一个思路就是，在线NIR技术在单一企业应用成功后，在同行业中进行推广，使其具有示范作用。即，“一点红带到一片红”。 /p p 　　第三，发挥“政”的作用还体现在发展标准方法上。在国民经济生产中，标准方法扮演着重要的角色。在生产企业，原材料检测、生产中间产物检测和质量控制，以及最终产品的质量检测，往往都依赖标准分析方法。可惜的是，在标准方法中很少看到近红外光谱的影子。推广在线NIR技术时，非标准方法往往也是企业拒绝该技术的原因。解决这种问题的根本策略就是积极推动近红外光谱技术进入标准方法的进程。在很多近红外人的不懈努力下，近年来这方面工作取得了很大成就，发展了很多使用近红外光谱的国家标准和行业或地方标准，但其覆盖面还远远不足，在在线NIR领域更是如此。另外，进一步推动将NIR技术引入企业标准也是不容忽视的工作。在推广在线NIR技术时，要充分考虑企业在标准化方面的需求，使近红外光谱技术完全满足要求。我们课题组在为一家中药生产企业开发近红外光谱分析技术时，应企业要求，在软件中增加了账户管理系统、历史操作日志的记录与查看、用户权限分级管理系统等模块，就是为了要达到GMP的要求。 /p p span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 　　4、提高在线NIR从业人员的综合技术能力 /strong /span /p p 　　与实验室NIR技术完全不同，在线NIR技术是一种集机械、光学、电子、自控，以及应用领域的多学科体系。在为用户开发在线NIR技术时必然会遇到与用户现有生产过程分析技术(PAT)和过程控制技术(PCT)的融合问题。为了更好地服务于生产企业，从事NIR开发的技术人员，或者技术团队必须要拓展自己的专业知识，完美的、专业的技术服务才容易为客户接受。 /p p br/ /p p 　　在经济飞速发展的中国，在线近红外光谱技术具有重大的需求，但其发展却受到了很多因素的限制和制约，导致推广和普及在线近红外光谱技术出现了很多问题。解决这些问题的重担责无旁贷地落在我国近红外人的肩上。在中国近红外光谱分会这杆大旗下，团结着各行各业、各种专业背景的技术人员，让我们怀着开放的胸怀，通力合作、取长补短、积极进取，为推动我国工业在线近红外光谱分析技术的发展做出我们应该做的努力。 /p p style=" text-align: right " strong span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " (杜一平 华东理工大学上海市功能性材料化学重点实验室，化学与分子工程学院，上海，200237 /span /strong ) /p

当我们走进水果店时，会发现同一种水果会分不同的价格售卖，而影响价格的主要原因是其品质，这时我们就会产生疑问 ➙什么样的荔枝核小而甜？什么样的西瓜皮薄瓤多脆又甜？我们今天来分享一些关于：如何用科学的方法区分不同品质的水果（当然也能区分同一类水果的不同产地与品种）随着生活质量提高和消费水平的改变，消费者对于水果品质不同的需求也就促成了水果的销售分级处理；利用非接触式水果分选检测技术，不断细分果品，以便满足不同消费市场的需求。什么是水果分选？一般来说，将其分为四类：大小、重量、外观品质（颜色、新鲜度）、内部品质 其中在内部品质分选中，主要判断的指标如下：糖度硬度酸度内部缺陷然而传统的破坏性检验方法不仅成本高，还造成资源浪费，因此光谱无损检测的方法成为一大趋势。水果分选机因其具有检测速度快、可同时检测多种内部成分等优点，近年在农产品内部品质检测方面发展迅速。其基本原理是：当用近红外光照射水果时，不同的水果内部成分对于不同波长的光学吸收和散射程度不同，而内部光谱也会随着水果内部成分质量分数的不同而发生变化。利用这一特性，即可根据近红外光谱特征分析水果中的主要成分及其质量分数。为什么是近红外光谱？近红外光谱近红外光谱属于分子振动光谱的倍频和主频吸收光谱，主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，具有较强的穿透能力。近红外光主要是对含氢基团Ｘ－Ｈ（Ｘ＝Ｃ、Ｎ、Ｏ）振动的倍频和合频吸收，其中包含了大多数类型有机化合物的组成和分子结构的信息。由于不同的有机物含有不同的基团，不同的基团有不同的能级，不同的基团和同一基团在不同物理化学环境中对近红外光的吸收波长都有明显差别，且吸收系数小，发热少，因此近红外光谱可作为获取信息的一种有效的载体。近红外光照射时，频率相同的光线和基团将发生共振现象，光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子；而近红外光的频率和样品的振动频率不相同，该频率的红外光就不会被吸收。因此，选用连续改变频率的近红外光照射某样品时，由于试样对不同频率近红外光的选择性吸收，通过试样后的近红外光线在某些波长范围内会变弱，透射出来的红外光线就携带有机物组分和结构的信息。通过检测器分析透射或反射光线的光密度，就可以确定该组分的含量。近红外光谱优劣势但是近红外经过两百多年的发展与应用开发，仪器的进步与算法的革新，仪器制造商与科学家们已经可以将越来越多的劣势规避，从而更好地发挥了近红外不消耗化学试剂，不污染环境等优点，因此也受到越来越多人的青睐。应用案例基于近红外光谱技术检测水果糖度（水分/黑心病【可见+近红外】）主要过程：（1）选取具有代表性的水果（2）通过漫反射或透射方式采集水果样品相关光谱数据；（3）对光谱数据预处理，消除不同因素对水果模型精度带来的误差，选择更有代表性样品的光谱数据；（4）采用国家和国际认证的化学分析方法测量水果样品成分的准确含量；（5）建立预测模型（6）未知水果样品近红外光谱的采集，然后用所建立的预测模型预测未知样品的成分含量。（7）用标准的化学分析方法测量未知水果样品成分的含量，验证所建立预测模型的准确性，然后对预测模型进行校正和优化。典型装置设计：三大功能模块：光路模块、附件模块、数据处理模块光路模块的光源对待测水果样品进行有效照射，通过光纤传递给光纤探头，再将透过水果样品的光谱信息进行收集，并通过光纤传递给数据处理模块的光谱仪。通过微处理器进行处理、计算和分析，从而完成对待测水果样品糖度的预测，在显示屏上获取结果，实现水果糖度的无损检测。由于水果的尺寸大小、果肉薄厚，糖酸度有高有低，且分布不均的情况，在光谱采集模块中有多种方式：图片来源：仪器信息网以下图为实际的光谱采集谱图案例▼▼▼脐橙原始光谱采集（可见+近红外）苹果吸收光谱（可见+近红外）香蕉的不同反射光谱（近红外）并做归一化平均草莓反射光谱（可见+近红外）正常与不同腐变程度的苹果透射光谱比较图（可见+近红外）化学计量学建模在完成光谱采集后，数据处理成为整个装置的核心步骤。再建立准确化学值与光谱信息之间的化学计量学模型。化学计量学模型的建立主要包括两个过程：校正和预测硬件：光谱采集模块① 光谱仪（近红外系列光谱仪，可见-近红外光谱仪）② 光源（海洋光学提供集成和光路设计方案，解决客户在光学部分的担忧；因集成到在线设备，我们推荐使用高度可集成化、高稳定性的光源，以适应在线设备的光路设计和长时间稳定运行。） ③ 光谱收集附件（可选配/定制/也可空间光耦合的光纤、准直镜附件，帮助客户解决系统中光传输和耦合问题。）软 件① 光谱读取软件定制/二次开发（Omnidriver/Seabreeze）② 近红外光谱建模软件（可根据需求选取不同建模软件）③ 数据传输与分选机制协议定制针对不同的水果产线和分选机制，为客户定制数据传输模块及协议方式。由于通讯方式的差异及需求差异，我们还可以为客户进行光谱仪器协议、固件等开发，实现同样光谱设备在不同应用中发挥其不同长处。理由1：触发准确性在水果分选设备产线中，光谱仪工作在外触发模式，当传输带送入一个水果到测量位置，立即触发光谱仪开始积分，积分时间100ms，因此对触发的准确性要求很高。而竞争对手的产品外触发时间不准确，如果产线使用的是高功率卤钨灯，多停留一段时间就有可能造成水果的热损伤。理由2：量产能力性机器人自动校正并保证每台设备的精准校调，确保每条产线的分选标准一致。理由3：量身定制在线系统中如果出现系统故障会影响整条产线的正常运行，我们可为客户定制系统运行自测协议，减少人为检验步骤，提高生产效率。本文来源：海洋光学关于海洋光学海洋光学作为世界领先的光学解决方案提供商，应用于半导体、照明及显示、工业控制、环境监测、生命科学生物、医药研究、教育等领域。其产品包括光谱仪、化学传感器、计量检测设备、光纤、透镜等。作为光纤光谱仪的发明者，如今海洋光学在全球已售出超过40万套的光纤光谱仪。关于爱蛙科技爱蛙科技（iFrogTech）是海洋光学官方授权合作伙伴，提供光谱分析仪器销售、租赁、维护，以及解决方案定制、软件开发在内的全链条一站式精准服务。如需了解更多详情或探讨创新应用，可拨打400-860-5168转5895客服电话。