一种应用数字孪生技术的光谱仪及使用方法与流程

本发明属于光谱仪，尤其是涉及一种应用数字孪生技术的光谱仪及使用方法。

背景技术：

1、傅里叶变换红外光谱仪器具有光谱信噪比高、光谱分辨率不受谱段范围限制、波数精度准确等优势，可广泛应用于化学和物理分析中，在各大科研高校和研究机构、各类食品和化工生产企业都有巨大的应用市场。

2、该类型光谱仪器的运行稳定性直接影响光谱检测精度。现有同类产品及技术存在明显缺陷，如：布鲁克tango小型化傅里叶变换近红外光谱仪仅具备在线诊断系统监控光学部件，配有控温系统监测样品瓶温度，内置校准单元完成仪器性能自检，仅能监测单一维度温度（样品瓶）和光学部件状态，无法系统性测量仪器内部湿度、电压、电流、转速等关键运行参数；赛默飞傅里叶变换红外光谱仪可实时显示主要元器件的电流、电压、温度值，指导故障排查，且未监测湿度、转速参数，仅能实现参数实时显示，没有分析及故障预判功能。综合来看，现有技术普遍存在以下缺陷：1.缺乏对仪器内部核心运行参数的系统性测量，未针对仪器内部温度、湿度、电压、电流、速率（对应干涉仪等运动组件）等关键参数设置专用测量单元，无法精准、全面获取仪器实时运行状态；2.现有光谱仪难以实现对仪器的精准、实时监控；3.现有光谱仪无法判断参数异常与仪器故障的关联，故障排查缺乏数据支撑，易出现误判、滞后，进而影响检测精度和设备使用寿命；4.现有光谱仪无法通过参数变化预判仪器运行风险。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供一种应用数字孪生技术的光谱仪及使用方法，以解决现有技术存在的以上问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种应用数字孪生技术的光谱仪，包括用于光谱数据的采集与初步处理的光谱仪检测模块，还包括参数测量模块、控制模块与数字孪生仿真模块，参数测量模块与数字孪生仿真模块连接，控制模块分别与光谱仪检测模块、参数测量模块与数字孪生仿真模块连接，参数测量模块采集光谱仪检测模块内的运行参数，数字孪生仿真模块构建虚拟孪生模型，数字孪生仿真模块基于运行参数进行仿真分析、故障预判以及生成光谱校准方案，控制模块根据仿真分析结果、故障预判结果以及光谱校准方案控制光谱仪检测模块的工作状态。

3、进一步的，参数测量模块设于光谱仪检测模块的非光学区域，运行参数包括温度、湿度、电压、电流以及干涉仪动镜的扫描速度或调制频率，参数测量模块包括温度传感器、湿度传感器、电压传感器、电流传感器与扫描速度传感器或位移传感器。

4、进一步的，参数测量模块被设置为根据光谱仪检测模块的运行状态自动切换测量频率，光谱仪检测模块的运行状态包括检测状态和待机状态；检测状态下的参数测量模块的测量频率≥5hz，待机状态下的参数测量模块的测量频率≤2hz。

5、进一步的，数字孪生仿真模块包括：

6、组件建模单元，用于构建光谱仪检测模块和参数测量模块的虚拟孪生模型；

7、仿真分析单元，用于基于参数测量模块采集的运行参数，模拟光谱仪检测模块在不同参数、不同环境下的光谱检测过程，根据运行参数与光谱数据进行仿真分析，生成仿真分析结果和光谱校准方案；

8、状态映射单元，用于基于参数测量模块采集的运行参数，驱动虚拟孪生模型同步更新。

9、进一步的，组件建模单元的建模误差≤2%，仿真分析单元的仿真精度与光谱仪检测模块检测的误差≤3%，状态映射单元的更新频率≥5hz。

10、进一步的，控制模块包括相连接的单片机和fpga芯片控制器。

11、进一步的，光谱仪检测模块包括沿着光路传输方向依次设置的光源、干涉仪组件、测量附件以及探测器组件，控制模块分别与光源、探测器组件和干涉仪组件连接。

12、进一步的，光谱仪还包括可视化交互模块，可视化交互模块与数字孪生仿真模块连接，用于展示虚拟孪生模型、实时运行参数、光谱检测结果、参数异常预警信息以及光谱校准建议，为用户提供交互操作。

13、进一步的，光谱仪还包括数据传输模块，数据传输模块分别与参数测量模块、数字孪生仿真模块和控制模块连接，进行数据以及控制指令传输，数据传输模块采用以太网或无线传输方式，传输速率≥100mbps，传输延迟≤50ms。

14、一种如上述的应用数字孪生技术的光谱仪的使用方法，包括以下步骤：

15、光谱仪检测模块与参数测量模块同步启动，数字孪生仿真模块加载虚拟孪生模型，与光谱仪检测模块完成状态同步；

16、基于检测样品类型设置初步检测参数，数字孪生仿真模块模拟初步检测参数下的检测过程，并结合参数测量模块采集的初始参数，输出仿真图谱以及最优参数；

17、控制模块接收最优参数，并基于最优参数控制光谱仪检测模块启动检测；

18、在检测过程中，参数测量模块采集光谱仪检测模块的运行参数，并将运行参数传输至控制模块和数字孪生仿真模块；

19、数字孪生仿真模块基于光谱仪检测模块的检测信号和实时运行参数，更新模拟孪生模型状态，模拟出仿真数据，并将仿真数据与光谱仪检测模块的检测数据进行对比，根据对比结果判断是否生成光谱校准方案；

20、若生成光谱校准方案，光谱校准方案被传输至控制模块，控制模块根据光谱校准方案对光谱仪检测模块的参数进行校准，以控制检测精度。

21、由于采用上述技术方案，该应用数字孪生技术的光谱仪设置有参数测量模块和数字孪生仿真模块，参数测量模块与数字孪生仿真模块相结合，实现对光谱仪运行状态的可视化监控、参数异常预警机制风险预判，保证光谱仪运行的稳定性和检测精度，实现运行参数与光谱精度联动校准，可自动补偿运行参数波动对光谱检测精度的影响，进一步提升光谱检测的准确性和稳定性，适配高精度检测场景的需求；

22、通过设置参数测量模块，可精准采集光谱仪内部的温度、湿度、电压、电流、运动速率等关键参数，实现光谱仪的运行状态的全面、精准获取，为光谱仪监控和故障排查提供可靠的数据支撑，有效解决现有同类产品单一参数监测的局限性；该参数测量模块采用低功耗集成设计，有效降低光谱仪整体功耗，延长光谱仪使用寿命，同时集成结构兼容性强，可在现有的光谱仪的基础上进行改造，无需大规模改动，减少改造和生产成本，便于批量生产和推广应用；

23、通过设置数字孪生仿真模块，基于数字孪生技术构建的虚拟孪生模型及双向联动机制，既能同步映射光谱仪运行参数与工作状态，还能反向调控光谱仪参数，实现光谱仪内部运行状态的可视化监控和参数自适应优化，用户可直观掌握参数变化，及时发现异常，大幅降低故障排查难度和时间成本；该数字孪生仿真模块具有多参数联动分析功能，可精准预判光谱仪故障风险，提前发出预警并给出针对性排查指导，避免因参数异常导致的光谱仪故障和检测误差，保障光谱检测精度和光谱仪运行稳定性；

24、参数测量模块与数字孪生仿真模块相结合，多参数同步监测、数字孪生监控与联动校准相结合，形成完整的光谱仪运行维护体系，进一步降低运维成本，尤其适用于对检测精度和光谱仪稳定性要求较高的食品、医药、材料等领域。