一种近红外光谱仪的校准方法与流程

1.本发明涉及仪器校准技术，具体涉及一种近红外光谱仪的校准方法。


背景技术：

2.近红外光谱分析方法是利用各种物质组分对特定频率的光产生差异性吸收的特点，结合化学计量学方法实现对物质组分进行定量和定性分析。与理化分析相比，近红外光谱分析技术的独特之处在于无需预处理、样品无损、可多指标同时检测、检测速度快等。
3.在利用近红外光谱仪采集光谱时，需要保证仪器的稳定性，降低因仪器状态的变化而导致表现光谱所出现的影响。在实际应用中，经过长时间的使用，光谱仪的光源会发生一定的衰减，为了得到准确的近红外光谱数据，需要一种有效的仪器校准方法，分析由于光源衰减对光谱所造成的影响，将其量化并对当前光谱进行补偿，使其在光源衰减的情况下能够保证检测工作的准确、可靠。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是：提出一种近红外光谱仪的校准方法，解决现有技术中对于近红外光谱仪在使用过程中由于光源衰减而造成的测定结果不准确的问题。
5.本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
6.一种近红外光谱仪的校准方法，包括以下步骤：
7.s1、通过标准状态下(未发生光源衰减)的近红外光谱仪分别获取漫反射标准板和实物样品的光强值，获得标准状态下的标准板的吸光度和实物样品的吸光度；
8.s2、利用回归算法构建标准板的吸光度和实物样品的吸光度之间的关联模型；
9.s3、在近红外光谱仪实际使用过程中需要进行校准时，分别获取漫反射标准板和实物样品的光强值，获得当前状态下的标准板的吸光度和实物样品的吸光度；
10.s4、结合当前状态下的标准板的吸光度和标准状态下的标准板的吸光度，计算标准板的吸光度变化量；
11.s5、基于标准板的吸光度变化量，利用标准板的吸光度和实物样品的吸光度之间的关联模型计算出实物样品的吸光度变化量；
12.s6、结合实物样品的吸光度变化量和当前状态下的实物样品的吸光度，计算修正后的实物样品的吸光度。
13.进一步的，所述漫反射标准板包括黑色标准板和白色标准板。
14.进一步的，步骤s1中，所述通过标准状态下的近红外光谱仪分别获取漫反射标准板和实物样品的光强值，获得标准状态下的标准板的吸光度和实物样品的吸光度，具体包括：
15.s11、利用标准状态下的近红外光谱仪分别对黑色标准板、白色标准板以及实物样品的近红外光谱进行光谱采集，得到标准黑板光强、标准白板光强以及实物光强，通过对每一采集目标依次重复采集n次，获得标准黑板光强样本集、标准白板光强样本集和实物光强
样本集，分别对应表示为
16.s12、对三个光强样本集进行计算，分别得到标准状态下的标准板吸光度样本集和实物吸光度样本集，分别表示为
17.进一步的，步骤s11中，标准黑板光强样本集中的数据表示为标准白板光强样本集中的数据表示为实物光强样本集中的数据表示为其中，i＝1,2,
…
,n；j＝1,2,
…
,m；所述m为近红外光谱仪单次采样的波长点数目，所述n为采集次数；
18.标准状态下的标准板吸光度和实物吸光度的计算方法为：
[0019][0020][0021]
则步骤s12中具体表示如下：
[0022][0023][0024]
进一步的，步骤s2中，所述利用回归算法构建标准板的吸光度和实物样品的吸光度之间的关联模型，具体包括：
[0025]
通过已知样本集和利用最小二乘法多项式拟合或pls算法得到表征向映射关系的模型f(x)。
[0026]
进一步的，步骤s3中，所述分别获取漫反射标准板和实物样品的光强值，获得当前
状态下的标准板的吸光度和实物样品的吸光度，具体包括：
[0027]
利用近红外光谱仪对黑色标准板、白色标准板、实物样品分别进行光谱采集，得到单组标准黑板光强、标准白板光强以及实物光强，将三者设为校准过程的当前状态，分别表示为为
[0028]
然后计算当前状态下的标准板吸光度和实物吸光度
[0029][0030][0031]
进一步的，步骤s4中，所述结合当前状态下的标准板的吸光度和标准状态下的标准板的吸光度，计算标准板的吸光度变化量，具体包括：
[0032]
对标准状态下的标准板吸光度样本集逐个波长点求平均，得到标准状态下标准板吸光度
[0033]
然后，将当前状态下的标准板吸光度与标准状态下的标准板吸光度相减，得到标准板吸光度变化量即
[0034]
进一步的，步骤s5中，所述基于标准板的吸光度变化量，利用标准板的吸光度和实物样品的吸光度之间的关联模型计算出实物样品的吸光度变化量，具体包括：
[0035]
将标准板吸光度变化量带入至关联模型f(x)中，得到实物样品吸光度变化量
[0036]
进一步的，步骤s6中，所述结合实物样品的吸光度变化量和当前状态下的实物样品的吸光度，计算修正后的实物样品的吸光度，具体包括：
[0037]
利用实物吸光度变化量对当前状态下的实物吸光度进行补偿，得到修正后的实物吸光度即
[0038]
本发明的有益效果是：
[0039]
本发明利用漫反射校准板作为标准样品，通过构建标准状态下的标准样品与实物样品之间的关联模型，在需要进行光谱仪校准时，计算标准板的吸光度变化，从而通过关联模型求取相应实物样品的吸光度变化，基于吸光度变化量对当前状态实测的实物样品吸光度进行补偿；由于本发明将由近红外光谱仪光源衰减所带来的影响量化，进而可以消除实
物光谱中的噪声，提高实物光谱数据的真实性。
附图说明
[0040]
图1是本发明中的近红外光谱仪的校准方法流程图；
[0041]
图2是本发明实施例中的近红外光谱仪校准方法中的标准构建过程示意图。
[0042]
图3是本发明实施例中的近红外光谱仪校准方法中的实物吸光度补偿过程示意图。
具体实施方式
[0043]
本发明旨在提出一种近红外光谱仪的校准方法，解决现有技术中对于近红外光谱仪在使用过程中由于光源衰减而造成的测定结果不准确的问题。漫反射标准板对于任何已知的物质，都能给出最高的漫反射比值。这类耐用、具有化学惰性的标准板的典型反射比值从2％到99％，且在紫外-可见-近红外光谱区域内光谱平坦。由于漫反射标准板具有较强的稳定性，可作为标准样品对光学设备和光学系统进行校准。
[0044]
基于此，本发明提供的近红外光谱仪的校准方法流程如图1所示，其包括以下步骤：
[0045]
s1、通过标准状态下(未发生光源衰减)的近红外光谱仪分别获取漫反射标准板和实物样品的光强值，获得标准状态下的标准板的吸光度和实物样品的吸光度；
[0046]
s2、利用回归算法构建标准板的吸光度和实物样品的吸光度之间的关联模型；
[0047]
s3、在近红外光谱仪实际使用过程中需要进行校准时，分别获取漫反射标准板和实物样品的光强值，获得当前状态下的标准板的吸光度和实物样品的吸光度；
[0048]
s4、结合当前状态下的标准板的吸光度和标准状态下的标准板的吸光度，计算标准板的吸光度变化量；
[0049]
s5、基于标准板的吸光度变化量，利用标准板的吸光度和实物样品的吸光度之间的关联模型计算出实物样品的吸光度变化量；
[0050]
s6、结合实物样品的吸光度变化量和当前状态下的实物样品的吸光度，计算修正后的实物样品的吸光度。
[0051]
实施例：
[0052]
本实施例中，将近红外光谱仪的校准方法流程分为两部分来阐述，其一为标准构建过程(对应校准方法流程中的步骤s1-s2)，其二为实物吸光度补偿过程(对应校准方法流程中的步骤s3-s6)。具体说明如下：
[0053]
参见图2，标准构建过程包括：
[0054]
步骤101、获取标准光强样本集：
[0055]
本步骤中，利用近红外光谱仪分别对黑色标准板、白色标准板以及实物的近红外光谱进行光谱采集，得到标准黑板光强、标准白板光强以及实物光强，将这三者的光强设为校准过程的标准状态，重复采集n次，多组样本构成个标准光强样本集，分别表示为
[0056]
在一个具体示例中，利用近红外光谱仪对三种样品进行单次光谱采集时，依次重
复采集6次，然后对6次采集的光强数据平均化，得到一组光强数据作为采集结果输出。近红外光谱仪单次采样的波长点数目为50，则三组光强样本集矩阵的行数为n，列数为50。
[0057]
步骤102、获取标准吸光度样本集：
[0058]
本步骤中，对上述三个光强样本集进行计算，分别得到标准状态下的标准板吸光度样本集和实物吸光度样本集，则三个标准光强样本集转换成为标准吸光度样本集，分别表示为表示为
[0059]
在一个具体示例中，标准状态下的标准板吸光度的计算方法为：
[0060][0061]
则标准状态下的标准板吸光度样本集为：
[0062][0063]
标准状态下的实物吸光度的计算方法为：
[0064][0065]
则标准状态下的实物吸光度样本集为：
[0066][0067]
步骤103、建立标准板吸光度和实物吸光度关联模型：
[0068]
本步骤中，利用回归算法构建标准板吸光度样本集和实物吸光度样本集之间的模型f(x)。在一个具体示例中，所述回归算法为：通过已知样本集和利用最小二乘法多项式拟合或pls算法得到表征向映射关系的模型f(x)。
[0069]
在近红外光谱仪实际使用过程中，光源会发生衰减，当光源发生衰减时，标准板和实物的近红外光谱也会发生变化，我们可以利用标准板的吸光度变化结合映射关系模型来计算实物的吸光度变化，从而对当前状态的实物吸光度进行补偿。具体流程参见图3，包括：
[0070]
步骤201、当前状态下的样品光谱采集：
[0071]
本步骤中利用近红外光谱仪对三种样品进行一次光谱采集，得到单组标准黑板光强、标准白板光强以及实物光强，将三者设为校准过程的当前状态，分别表示为
[0072]
对三种样品的光强数据的采集方式与步骤101采集方式相同，不同点在于本步骤中的采集次数仅为单次。
[0073]
步骤202、计算当前状态下的标准板吸光度和实物吸光度：
[0074]
本步骤中，利用上述三个样本计算得到当前状态下的标准板吸光度和实物吸光度吸光度的计算方法与步骤102相同。
[0075]
步骤203、计算标准状态下标准板吸光度：
[0076]
本步骤中，对标准状态下的标准板吸光度样本集逐个波长点求平均得到标准状态下标准板吸光度
[0077]
步骤204、计算标准板吸光度变化量：
[0078]
本步骤中，将当前状态下的标准板吸光度与标准状态下的标准板吸光度相减，得到标准板吸光度变化量，即
[0079]
步骤205、计算实物样品吸光度变化量：
[0080]
本步骤中，将带入至模型f(x)中，得到实物样品吸光度变化量
[0081]
步骤206、对实物样品吸光度进行补偿：
[0082]
本步骤中，利用实物吸光度变化量对当前状态下的实物吸光度进行补偿，得到实物吸光度即
[0083]
最后应当说明的是，上述实施例仅是优选实施方式，并不用以限制本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出若干修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。