一种基于拉曼光谱实时监测系统

技术领域

本发明涉及化学成分监测技术领域，尤其涉及一种基于拉曼光谱实时监测系统。

背景技术

在科学研究、工业生产和质量控制等领域，实时监测样品的化学成分和结构变化对于理解材料特性、优化工艺流程以及保证产品质量至关重要。

传统的实时监测方法存在一些局限性，例如需要样品处理或取样、对样品进行破坏性测试、监测速度较慢等，为了解决这些问题，本申请旨在开发一种实时监测系统，通过非侵入性的监测技术，能够快速、准确、实时地监测和分析样品中的化学组分和结构。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于拉曼光谱实时监测系统，能够快速、准确、实时地监测和分析样品中的化学组分和结构。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于拉曼光谱实时监测系统，包括：

设备接口模块，控制光谱仪的断连、参数的设置、数据的采集；

用户界面模块，与用户进行交互，包含数据处理操作，以及数据处理结果的显示；

数据处理模块，包括光谱预处理、特征量提取以及数学模型算法。

优选地，设备接口模块包括硬件系统，硬件系统具有：

提供激光光束的激光源，用以激发样品产生拉曼散射光；

光学组件，用于操纵激光束和收集样品的拉曼散射光；

探测器，用于采集样品的拉曼散射光信号，且负责接收和测量散射光的强度，并将其转化为电信号，常用的探测器包括光电二极管和光电倍增管；

光谱仪用于分散并记录样品的拉曼散射光谱，通常由光栅和探测器组成，光栅用于将不同波长的光分散成不同角度，以获得样品的光谱信息，探测器测量不同波长光的强度。

优选地，硬件系统还包括：

矩形块，内开设封闭式矩形腔室；

第一U型框，固定安装在矩形块下方，与矩形块之间形成开放式空间；

第二U型框，倒置固定安装在矩形腔室内部，使得矩形腔室分隔为两部分，分别为光束途径区域和液态样品收集区域；

其中，在第二U型框一侧设置激光源，在激光源发出光束的途径中依次设置第一滤光镜、准直镜、第一反射镜，在第二U型框另一侧设置探测器，在探测器接受光束的途径中依次设置第二反射镜、第二滤光镜、聚焦透镜，第一反射镜和第二反射镜对称设置，相互呈现90°夹角。

优选地，在第二U型框上设置探测样品部件，探测样品部件位于第一反射镜和第二反射镜之间的中段位置，探测样品部件包括固定在第二U型框上的固定块，固定块内开设圆形腔室，圆形腔室内设置可旋转的翻动部件，圆形腔室内固定连接探测环，探测环具有上下两个开口，随着翻动部件的旋转，使得探测环内的液态样品处于间歇流动状态。

优选地，翻转部件包括套接在探测环外圈适配的旋转环，旋转环具有上下两个缺口，旋转环外圈还固定连接有两个旋转块，两个旋转块以上下两个缺口的虚拟连接线对称设置，旋转块的一端与圆形腔室内圈贴合，旋转环同轴心固定连接环形齿轮，在固定块上安装伺服电机，伺服电机的输出轴固定连接驱动齿轮，驱动齿轮与环形齿轮相互啮合连接，固定块与探测环水平重合区域采用玻璃镜片。

优选地，固定块的顶面与矩形腔室内顶面接触，固定块开设有垂直的圆槽，圆槽的底端连通圆形腔室，圆槽的顶端向上继续延伸，贯穿矩形块的顶面，在矩形块的顶面固定连接圆管，圆管的内孔与圆槽正对应，圆管顶端螺纹连接圆盖，圆管外壁设置外螺纹，圆盖内壁设置内螺纹，通过打开圆盖，可将液态样品倾倒进入圆管，并通过圆槽下落至圆形腔室内。

优选地，固定块的底面固定连接连接块，连接块开设上下贯穿的流出槽，流出槽的顶端与圆形腔室连通，流出槽内设置开合部件，用以控制流出槽的流通状态，开合部件包括固定安装在固定块底面的两个液压缸，液压缸的输出轴固定连接开合块，开合块具有厚度较小的小块和厚度较厚的大块，小块贯穿连接块并与连接块滑动密封连接，大块位于流出槽内部，当两个大块相互抵触时，则流出槽被封闭，圆槽腔室内的液态样品无法流出，连接块的底端延伸至第二U型框，使得流出槽与液态样品收集区域连通。

优选地，在矩形块底面开设排孔，排孔的顶端与液态样品收集区域连通，排孔的底端设置堵塞部件，堵塞部件包括与矩形块底面转动连接的转板，转板上侧固定连接橡胶块，橡胶块为圆形且直径大于排孔的直径，转板固定连接从动齿轮，在第一U型框上固定连接直筒，直筒内同轴心设置转轴，转轴与第一U型框转动连接，直筒内设置扭簧，扭簧套设在转轴外围，扭簧的两端分别与直筒和转轴连接，转轴固定套接主动盘，主动盘外圈开设齿槽，使得主动盘与从动齿轮啮合连接，可通过拨动主动盘驱动橡胶块脱离排孔底端，则液态样品收集区域内的样品可正常排出。

一种基于拉曼光谱实时监测系统中硬件系统的使用方法，包括以下步骤：

启动伺服电机，带动旋转环旋转，使得缺口与开口相互错开，其中一个旋转块处于正上方，打开圆盖，将液态样品倾倒进入圆管内，直至液态样品填满两个旋转块的两侧；

继续带动旋转环旋转，使得两个旋转块一侧的液态样品利用重力从缺口到开口进入探测环内，此刻，激光源发出的光束经过液态样品，以激发样品产生拉曼散射光；

间歇性的旋转旋转环，使得探测环内液态样品周期性流动变化；

启动液压缸，使得两个开合块相互分离，则圆形腔室内液态样品流入流出槽，并积留在液态样品收集区域；

拨动主动盘，带动从动齿轮旋转，则带动转板旋转，使得橡胶块脱离排孔，则积留在液态样品收集区域的液态样品排出。

相比现有技术，本发明的有益效果为：

1、本发明通过非侵入性的拉曼光谱技术，能够快速、准确、实时地监测和分析样品中的化学组分和结构，基于分子振动和转动引起的光子散射现象的光谱分析方法，相比于传统的光谱技术，拉曼光谱具有非常丰富的化学信息和高度特异性的特点，可以在无需样品处理的情况下，对样品中的分子键、化学组分以及晶体结构进行非破坏性的分析。

2、本发明中采用伺服电机驱动旋转环旋转，从而间歇性地将探测环内的液态样品导出并填满，周期性地改变探测环内的液态样品，使得监测系统对液态样品进行抽检式监测，避免因液态样品的静置流动性差而导致难以对液态样品更全面监测。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于拉曼光谱实时监测系统中硬件系统的结构示意图；

图2为图1中矩形腔室内的结构示意图；

图3为图2的正视结构示意图；

图4为本发明提出的一种基于拉曼光谱实时监测系统硬件系统中固定块的内部结构示意图；

图5为图4另一个视角的结构示意图；

图6为本发明提出的一种基于拉曼光谱实时监测系统硬件系统中探测环、旋转环、环形齿轮以及旋转块的结构示意图；

图7为本发明提出的一种基于拉曼光谱实时监测系统硬件系统中连接块以及两个开合块的结构示意图；

图8为本发明提出的一种基于拉曼光谱实时监测系统硬件系统中转板与主动盘之间的结构示意图；

图9为本发明提出的一种基于拉曼光谱实时监测系统硬件系统中主动盘与圆筒的剖切结构示意图；

图10为本发明提出的一种基于拉曼光谱实时监测系统的各模块示意图；

图11为本发明提出的一种基于拉曼光谱实时监测系统中数据处理的流程示意图。

图中：1、矩形块；2、矩形腔室；3、第一U型框；4、第二U型框；5、光束途径区域；6、液态样品收集区域；7、激光源；8、第一滤光镜；9、准直镜；10、第一反射镜；11、探测器；12、第二反射镜；13、第二滤光镜；14、聚焦透镜；15、固定块；16、圆形腔室；17、探测环；18、开口；19、旋转环；20、缺口；21、旋转块；23、环形齿轮；24、伺服电机；25、驱动齿轮；26、玻璃镜片；27、圆槽；28、圆管；29、圆盖；30、连接块；31、流出槽；32、液压缸；33、开合块；34、小块；35、大块；36、排孔；37、转板；38、橡胶块；39、从动齿轮；40、直筒；41、转轴；42、扭簧；43、主动盘；44、齿槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考附图1-附图11，一种基于拉曼光谱实时监测系统，包括设备接口模块、用户界面模块、数据处理模块，设备接口模块负责拉曼光谱仪的断连、参数的设置、数据的采集；用户界面模块负责与用户进行交互，包含数据处理相关的操作，以及数据处理结果的显示；数据处理模块包括了光谱预处理、特征量提取以及数学模型算法；

设备接口模块包括硬件系统，硬件系统具有：

提供激光光束的激光源7，用以激发样品产生拉曼散射光；

光学组件，用于操纵激光束和收集样品的拉曼散射光；

探测器11，用于采集样品的拉曼散射光信号，且负责接收和测量散射光的强度，并将其转化为电信号，常用的探测器11包括光电二极管和光电倍增管；

光谱仪用于分散并记录样品的拉曼散射光谱，通常由光栅和探测器11组成，光栅用于将不同波长的光分散成不同角度，以获得样品的光谱信息，探测器11则负责测量不同波长光的强度。

数据处理流程：

第一步：数据采集，通过探测器11采集样品的拉曼散射光谱数据；

第二步：光谱预处理，对采集到的原始光谱数据进行预处理，包括背景校正、去噪和信号增强等步骤，以减小干扰和提高信号质量；

第三步：特征提取，从预处理后的光谱数据中提取有用的特征，例如峰位、峰强度、峰形等；

第四步：数据降维，对提取的特征量数据进行降维处理，以减少数据维度和冗余信息，提高后续分析的效率和准确性；

第五步：定量分析，使用建立的定量分析模型对降维后的特征量数据进行处理，得出样品中目标成分的浓度或含量；

定量分析模型的建立：

第一步：样品数据集的准备，收集一组已知成分和浓度的样品，采集它们的拉曼光谱数据作为训练集。

第二步：特征选择，从训练集的光谱数据中选择合适的特征，这些特征应该与目标化合物或成分的浓度相关。

第三步：训练模型，使用机器学习或统计方法，根据训练集的特征和已知浓度建立定量分析模型。

第四步：模型优化，对建立的模型进行优化和调参，以提高预测的准确性和稳定性。

第五步：模型验证，使用另外一组独立的样品数据集对模型进行验证，评估模型的预测性能。

第六步：模型应用，将优化验证的模型应用于拉曼实时监测系统中，实现对未知样品的化学成分或分子结构的定量分析。

系统算法：

数据预处理算法：归一化算法(min-max标准化、0均值标准化)、滤波去噪算法(滑动均值滤波、S-G滤波)、基线校正算法(局部极值中值法、多项式拟合法)、去尖峰算法(中位数滤波法、Hampel滤波法)。

特征量提取算法：幅值法、一阶导数法、二阶导数法、连续小波变换法、双尺度相关算法；

光谱判别算法：基于距离测度、基于相似性函数、基于匹配谱峰、基于相关系数和谱峰匹配的混合方法；

数学模型建立算法：一元线性回归(SLR)、多元线性回归(MLR)、主成分分析(PCA)、偏最小二乘(PLS)、深度学习(TensorFlow)、支持向量机(SVM)。

通过数据处理和系统算法，能够从复杂的拉曼光谱数据中提取有用的信息，并进行实时分析和监测，实现对目标物质的快速识别和定量分析，可以将监测到的数据和分析结果作为反馈控制的重要输入，实现对监测对象的实时调控，通过与反馈控制系统的集成，可以实现对目标物质的精确控制和调节，以满足特定要求或实现优化效果，基于拉曼光谱的实时监测系统可应用于许多领域，如食品安全、环境监测、药品质量控制等。无论是工业生产中的实时质量监测，还是日常生活中的安全检测，该系统都具备广泛的应用前景，提供实时监测和预警功能。该系统能够实时监测目标物质的浓度、成分和变化趋势，并在发现异常情况时及时发出预警，为用户提供及时的决策支持和干预机会，降低风险和损失。

硬件系统还包括：

矩形块1，内开设封闭式矩形腔室2；

第一U型框3，固定安装在矩形块1下方，与矩形块1之间形成开放式空间；

第二U型框4，倒置固定安装在矩形腔室2内部，使得矩形腔室2分隔为两部分，分别为光束途径区域5和液态样品收集区域6；

其中，在第二U型框4一侧设置激光源7，在激光源7发出光束的途径中依次设置第一滤光镜8、准直镜9、第一反射镜10，在第二U型框4另一侧设置探测器11，在探测器11接受光束的途径中依次设置第二反射镜12、第二滤光镜13、聚焦透镜14，第一反射镜10和第二反射镜12对称设置，相互呈现90°夹角，则激光源7从下往上垂直发出光束，且探测器11从其正上方接受到垂直光束；

在第二U型框4上设置探测样品部件，探测样品部件位于第一反射镜10和第二反射镜12之间的中段位置，探测样品部件包括：

固定在第二U型框4上的固定块15，固定块15内开设圆形腔室16，圆形腔室16内设置可旋转的翻动部件，圆形腔室16内固定连接探测环17，探测环17具有上下两个开口18，随着翻动部件的旋转，使得探测环17内的液态样品处于间歇流动状态；

翻转部件包括套接在探测环17外圈适配的旋转环19，旋转环19具有上下两个缺口20，旋转环19外圈还固定连接有两个旋转块21，两个旋转块21以上下两个缺口20的虚拟连接线对称设置，旋转块21的一端与圆形腔室16内圈贴合，旋转环19同轴心固定连接环形齿轮23，在固定块15上安装伺服电机24，伺服电机24的输出轴固定连接驱动齿轮25，驱动齿轮25与环形齿轮23相互啮合连接，实现对旋转环19的驱动旋转和停转，固定块15与探测环17水平重合区域采用玻璃镜片26，以使得光束穿过液态样品；

固定块15的顶面与矩形腔室2内顶面接触，固定块15开设有垂直的圆槽27，圆槽27的底端连通圆形腔室16，圆槽27的顶端向上继续延伸，贯穿矩形块1的顶面，在矩形块1的顶面固定连接圆管28，圆管28的内孔与圆槽27正对应，圆管28顶端螺纹连接圆盖29，圆管28外壁设置外螺纹，圆盖29内壁设置内螺纹，通过打开圆盖29，可将液态样品倾倒进入圆管28，并通过圆槽27下落至圆形腔室16内；

固定块15的底面固定连接连接块30，连接块30开设上下贯穿的流出槽31，流出槽31的顶端与圆形腔室16连通，流出槽31内设置开合部件，用以控制流出槽31的流通状态，开合部件包括固定安装在固定块15底面的两个液压缸32，液压缸32的输出轴固定连接开合块33，开合块33具有厚度较小的小块34和厚度较厚的大块35，小块34贯穿连接块30并与连接块30滑动密封连接，大块35位于流出槽31内部，当两个大块35相互抵触时，则流出槽31被封闭，圆槽27腔室内的液态样品无法流出，连接块30的底端延伸至第二U型框4，使得流出槽31与液态样品收集区域6连通；

在矩形块1底面开设排孔36，排孔36的顶端与液态样品收集区域6连通，排孔36的底端设置堵塞部件，堵塞部件包括与矩形块1底面转动连接的转板37，转板37上侧固定连接橡胶块38，橡胶块38为圆形且直径大于排孔36的直径，转板37固定连接从动齿轮39，在第一U型框3上固定连接直筒40，直筒40内同轴心设置转轴41，转轴41与第一U型框3转动连接，直筒40内设置扭簧42，扭簧42套设在转轴41外围，扭簧42的两端分别与直筒40和转轴41连接，转轴41固定套接主动盘43，主动盘43外圈开设齿槽44，使得主动盘43与从动齿轮39啮合连接，可通过拨动主动盘43驱动橡胶块38脱离排孔36底端，则液态样品收集区域6内的样品可正常排出。

工作原理：

启动伺服电机24，带动旋转环19旋转，使得缺口20与开口18相互错开，其中一个旋转块21处于正上方，打开圆盖29，将液态样品倾倒进入圆管28内，直至液态样品填满两个旋转块21的两侧；

继续带动旋转环19旋转，使得两个旋转块21一侧的液态样品利用重力从缺口20到开口18进入探测环17内，此刻，激光源7发出的光束经过液态样品，以激发样品产生拉曼散射光；

间歇性的旋转旋转环19，使得探测环17内液态样品周期性流动变化；

启动液压缸32，使得两个开合块33相互分离，则圆形腔室16内液态样品流入流出槽31，并积留在液态样品收集区域6；

拨动主动盘43，带动从动齿轮39旋转，则带动转板37旋转，使得橡胶块38脱离排孔36，则积留在液态样品收集区域6的液态样品排出。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。