一种基于红外激光光谱的真空度检测系统的制作方法

一种基于红外激光光谱的真空度检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于一种激光在线检测系统，具体是一种针对食品、医药等工业中产 品真空密封包装的真空度检测及检漏应用的红外半导体激光光谱测量系统。
【背景技术】
[0002] 真空密封包装是防止产品长期存放变质的常用手段，在食品、药品等工业中对出 厂产品真空密封包装进行无损真空检漏是国家对相关产品的强制性要求和必要工序，针对 真空密封包装的快速、无损真空度测量和检漏在工业领域有着重要意义和广泛应用需求。 传统的真空度测量仪表需要气路连通，会对密封包装造成破坏，检测速度慢，无法应用于产 品真空密封包装的真空度在线测量与检漏。色水法是目前针对真空密封包装的无损真空度 检测与检漏上较普遍应用的方法，但该方法最终是通过操作人员根据容器中药液量的变化 或颜色的变化来判断容器是否泄漏，易产生误判，并有二次污染产品存在的风险。真空衰减 法是常用的另一种检漏方法，检漏原理是容器泄漏会导致真空检测腔体内的真空度下降。 首先将检测容器放到检测腔体内，对检测腔体抽真空，真空度第一次读数，预设时间（稳 定）后，真空度第二次读数，两次读数的差值与预先设定的阔值进行比较，即可判定产品是 否合格。该方法检漏可靠性高，但检测速度相对较慢。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种针对食品、医药 等工业中产品真空密封包装的真空度在线检测及检漏应用的红外激光光谱真空度检测系 统，实现密封容器内真空度的快速无损检测，满足工业产品真空密封包装的真空度在线无 损检测及检漏应用需求。
[0004] 本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案：
[0005] 本实用新型基于红外激光光谱的真空度检测系统的特点是；W近红外半导体激光 器作为检测光源，半导体激光器控制模块通过温度和电流控制将半导体激光器的输出中屯、 波长调谐到水汽目标吸收谱线中屯、，设置信号发生电路，W所述信号发生电路产生的银齿 波信号叠加在半导体激光器控制模块上使其输出波长在设定波长范围内周期性连续扫描， 半导体激光器输出的激光束分束为检测光和参考光，所述检测光经光纤接口通过单模光纤 传输到外光路的发射探头，所述外光路是由处在对射位置上的发射探头和接收探头组成的 检测光路，待测密封容器置于所述发射探头和接收探头之间；检测光在发射探头内经准直 透镜准直后形成输出光，所述输出光经过待测密封容器后到达接收探头，所述接收探头内 置有聚焦透镜和光电探测器，利用所述聚焦透镜将光束聚焦到光电探测器，所述光电探测 器的输出电信号经电缆传输到主机箱，并通过电缆接口将电信号传送至第一低通滤波放大 电路，所述低通滤波放大电路的输出信号由信号采集处理模块进行数据采集作为检测光谱 信号；所述参考光通过光纤禪合进入光纤干设仪，由光纤干设仪和光纤禪合光电探测器构 成系统参考光路，光纤干设仪中的输出光束由光纤禪合光电探测器进行光电转换，由所述 光纤禪合光电探测器输出的电信号传送至第二低通滤波放大电路，在所述第二低通滤波放 大电路中输出的滤波放大后信号由信号采集处理模块进行数据采集作为同步干设信号；由 所述信号采集处理模块对于所述检测光谱信号和同步干设信号进行信号处理。
[0006] 本实用新型中基于红外激光光谱的真空度检测系统的结构特点是；所述半导体激 光器输出的激光束是经光纤禪合在1X2光纤分束器分束为检测光和参考光。
[0007] 与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：
[000引 1、本实用新型利用密封容器中释放的吸附水汽，W近红外激光光源作为检测光 源，同时测量水汽分压和谱线压力展宽，实现了密封容器真空度无损快速检测。
[0009] 2、本实用新型通过双光路检测，利用同步干设条纹信号进行检测光谱时域向频域 的转换及频率标定，更进一步结合谱线线型拟合获得谱线展宽的绝对值，实现了水汽分压 和气体压强的绝对测量，消除了系统标定需要。
[0010] 3、本实用新型利用红外半导体激光光谱法快速检测优点，通过快速扫描半导体激 光器输出波长，获得水汽吸收谱线完整特征，进一步反演容器内气体压强，检测时间不大于 10ms，满足了药品、食品行业生产线密封容器在线检测要求。
【附图说明】
[0011] 图1为本实用新型基于红外激光光谱的真空度检测系统构成图；
[0012] 图2为本实用新型基于红外激光光谱的真空度检测方法流程图；
[0013] 图中标号；1主机箱，2半导体激光器控制模块，3激光器，4为1X2光纤分束器，5 光纤干设仪，6光纤接口，7单模光纤，8发射探头，9准直透镜，10接收探头，11光电探测器， 12聚焦透镜，13电缆，14光纤禪合光电探测器，15电缆接口，16第一低通滤波放大电路，17 总电源插座，18主电源开关，19直流稳压电源，20信号采集处理模块，21液晶显示器，22信 号发生电路，23第二低通滤波放大电路。
【具体实施方式】
[0014] 参见图1，本实施例中基于红外激光光谱的真空度检测系统的结构设置为；W近 红外半导体激光器3作为检测光源，半导体激光器控制模块2通过温度和电流控制将半导 体激光器3的输出中屯、波长调谐到水汽目标吸收谱线中屯、，设置信号发生电路22,W信号 发生电路22产生的频率为200化的银齿波信号叠加在半导体激光器控制模块2上使其输 出波长在设定波长范围内周期性连续扫描，半导体激光器3输出的激光束经光纤禪合在 1X2光纤分束器4中按9:1的光强比例分束为检测光和参考光，检测光经光纤接口 6通过 单模光纤7传输到外光路的发射探头8,外光路是由处在对射位置上的发射探头8和接收 探头10组成的检测光路，待测密封容器置于发射探头8和接收探头10之间；检测光在发射 探头8内经准直透镜9准直后形成输出光，输出光经过待测密封容器后到达接收探头10， 接收探头10内置有聚焦透镜12和光电探测器11，利用聚焦透镜12将光束聚焦到光电探 测器11，光电探测器11的输出电信号经电缆13传输到主机箱1，并通过电缆接口 15将电 信号传送至第一低通滤波放大电路16,低通滤波放大电路16的输出信号由信号采集处理 模块20进行数据采集作为检测光谱信号；参考光通过光纤禪合进入光纤干设仪5,由光纤 干设仪5和光纤禪合光电探测器14构成系统参考光路，光纤干设仪5中的输出光束由光纤 禪合光电探测器14进行光电转换，由光纤禪合光电探测器14输出的电信号传送至第二低 通滤波放大电路23,在第二低通滤波放大电路23中输出的滤波放大后信号由信号采集处 理模块20进行数据采集作为同步干设信号；由信号采集处理模块20对于检测光谱信号和 同 步干设信号进行信号处理，并由液晶显示器21进行显示输出；图1中所示直流稳压电源 19为系统各部件供电，图1中还包括用于引入外部交流电源的总电源插座17,W及系统主 电源开关18。
[0015] 参见图1和图2,本实施例中基于红外激光光谱的真空度检测方法是按如下步骤 进行：
[0016] 步骤a、采用近红外半导体激光器作为检测光源，通过叠加在激光器驱动电流上的 银齿波信号实现输出波长在设定波长范围内周期性连续扫描，激光器的发射光束经光纤分 束器后分为检测光和参考光，检测光通过待测真空密封容器构成检测光路，实现对待测真 空密封容器内水汽在近红外光谱区一条孤立的水汽目标吸收谱线的检测，得到水汽检测光 谱信号D"(n);参考光输入至光纤干设仪作为获取同步干设信号R"(n)的参考光路，真空密 封容器对近红外光具有透光性；水汽在近红外光谱区一条孤立的目标吸收谱线是指不受水 汽其它谱线W及真空密封容器内其它气体谱线干扰的水汽吸收谱线。
[0017] 步骤b、检测光谱信号时域向频域转换与波长标定
[0018] 检测光谱信号Du(n)为时域信号，参考光路同步干设信号Ru(n)为等频率间距条纹 信号，5V。为等频率间距条纹信号的条纹频率间距，确定等频率间距条纹信号的第i个条纹 峰值的时域采样点位置为riM，W第一个干设条纹峰值位置作为参考频率点11。1，则各条纹峰 值相对参考频率点n"i的频率偏移量为（i-1) 5V。，得到一组条纹峰值时域采样点位置与对 应频率偏移量的数据点为（riM，（i-1) 5V。)，通过拟合得到关于信号时域采样点n频域的频 率偏移量函数AV(n)如式（1)，其中a、b、C和d均为拟合参数；
[0019] AV(n) =a+bn+cn^+dn^ (1)
[0020] WV。表示水汽目标吸收谱线的中屯、频率，确定中屯、频率V班检测光谱信号时域 采样点为n。，则中屯、频率V。时域采样点n。位置相对参考频率点的频率偏移量Av(n。）为： Av'(巧1 ) = ? + A"。+"?+(//?,;;
[0021] 令V(n)为时域采样点n对应的频域值，则检测光谱信号的时域与频域转换关系如 式（2);
[0022] V (n) = v〇- ( A V (n〇) - A V (n)) (2)
[002引利用式似对时域检测光谱信号化(n)进行波长标定，得到频域检测光谱信号D。(V)，D。(V)中V=V(n)。
[0024] 关于波长标定：通过信号采集得到的检测光谱信号化(n)为时域信号，采样点Wn 表示，每一个采样点数据即为（n，数据），采样点n与采样时间直接相关；另一方面，激光器 工作特征是波长扫描输出，在一个扫描周期里输出波长与时间相关，因此采样时间与输出 波长关联，即频率与采样点n相关，对应关系由式（2)表示，利用（2)式将采样点n变换成 对应的频率即波长V，得到频域检测光谱信号D。(V)，频域检测光谱信号的数据点为（V，数 据），如此时域向频域变换即为波长标定。
[0025] 步骤C、背景光强拟合
[0026]W函数B(v)表示透射光强函数，通过对频域检测光谱信号Du(v)中没有水汽吸收 的背景光谱区数据进行拟合得到拟合函数如式（3)，其中b。、bi、b,和b3是拟合参数；
[0027] B(V)=bo+biV+b^s+bgvS(3)
[002引则有，归一化检测光谱信号D(V)为；-
【主权项】
1. 一种基于红外激光光谱的真空度检测系统，其特征是：以近红外半导体激光器（3) 作为检测光源，半导体激光器控制模块（2)通过温度和电流控制将半导体激光器（3)的输 出中心波长调谐到水汽目标吸收谱线中心，设置信号发生电路（22)，以所述信号发生电路 (22)产生的锯齿波信号叠加在半导体激光器控制模块（2)上使其输出波长在设定波长范 围内周期性连续扫描，半导体激光器（3)输出的激光束分束为检测光和参考光，所述检测 光经光纤接口（6)通过单模光纤（7)传输到外光路的发射探头（8)，所述外光路是由处在 对射位置上的发射探头（8)和接收探头（10)组成的检测光路，待测密封容器置于所述发射 探头⑶和接收探头（10)之间；检测光在发射探头⑶内经准直透镜（9)准直后形成输 出光，所述输出光经过待测密封容器后到达接收探头（10)，所述接收探头（10)内置有聚焦 透镜（12)和光电探测器（11)，利用所述聚焦透镜（12)将光束聚焦到光电探测器（11)，所 述光电探测器（11)的输出电信号经电缆（13)传输到主机箱（1)，并通过电缆接口（15)将 电信号传送至第一低通滤波放大电路（16)，所述低通滤波放大电路（16)的输出信号由信 号采集处理模块（20)进行数据采集作为检测光谱信号；所述参考光通过光纤耦合进入光 纤干涉仪（5)，由光纤干涉仪（5)和光纤耦合光电探测器（14)构成系统参考光路，光纤干 涉仪（5)中的输出光束由光纤耦合光电探测器（14)进行光电转换，由所述光纤耦合光电探 测器（14)输出的电信号传送至第二低通滤波放大电路（23)，在所述第二低通滤波放大电 路（23)中输出的滤波放大后信号由信号采集处理模块（20)进行数据采集作为同步干涉信 号；由所述信号采集处理模块（20)对于所述检测光谱信号和同步干涉信号进行信号处理。
2. 根据权利要求1所述的基于红外激光光谱的真空度检测系统，其特征是：所述半导 体激光器（3)输出的激光束是经光纤親合在1X2光纤分束器（4)分束为检测光和参考光。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于红外激光光谱的真空度检测系统，其特征是以近红外半导体激光器作为检测光源，半导体激光器控制模块将半导体激光器的输出中心波长调谐到水汽目标吸收谱线中心，以信号发生电路产生的锯齿波信号叠加在半导体激光器控制模块上使其输出波长在设定波长范围内周期性连续扫描，半导体激光器输出的激光束分束为检测光和参考光，检测光传输到外光路的发射探头，外光路是由处在对射位置上的发射探头和接收探头组成的检测光路，待测密封容器置于发射探头和接收探头之间，由信号采集处理模块对于检测光谱信号和同步干涉信号进行信号处理。本实用新型可以用于食品、医药工业真空密封容器真空度检测，以及实现快速检漏。
【IPC分类】G01L21-00, G01M3-34, G01N21-39
【公开号】CN204612860
【申请号】CN201520389481
【发明人】陈东, 贾兆丽, 王尹秀, 张玉钧, 高彦伟
【申请人】合肥工业大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月5日