油墨重金属光谱测定系统及关键技术研究

发布时间：2020-09-02 10:39

　　 “十三五”是我国决胜全面建成小康社会的关键时期,随着《中国制造2025》和“工业4.0”等规划路线的出台,这无疑对绿色印刷的全面实施起到强大的推动作用,发展绿色印刷势在必行。在印刷行业,针对油墨及印刷品进行重金属检测是不可缺少的重要环节,然而,目前检测中使用仪器设备主要使用国外产品,价格昂贵,检测成本高,且体积较大,测试前处理繁琐,还不能实现直接快速测定。基于此,本文针对目前我国在绿色印刷快速发展过程中油墨重金属检测环节的需求,开展针对油墨重金属检测的光谱测定系统的设计开发和试验研究。主要从以下几个方面进行了研究:(1)光谱测定光学系统研究。基于光谱测定光学系统的测定原理,考虑元器件结构、布局及可调性,深入研究了系统光路的结构设计。通过分析研究,本文采用Czerny-Turner结构作为光学系统的光路结构,并对其进行了参数设计。同时,通过研究系统杂散光来源,色散、像差理论及校正方法,基于ZEMAX仿真软件对所设计光路结构进行仿真,进一步对光谱测定光学系统主要结构参数进行了优化设计。(2)光谱测定数据采集处理系统研究。在硬件设计中,系统采用STM32作为微控制器,TCD1304AP CCD作为光电探测器,完成了CCD的驱动电路、信号处理电路、信号采集电路、上位机通讯电路和电源电路的设计开发;在软件设计中,完成了CCD驱动时序、ADC数据采集、串口通讯进行程序设计,并通过MATLAB和LabVIEW混编的方式进行了上位机软件的开发,包括设备通讯、数据采集、光谱数据预处理、数据存储、主界面以及波长定标的设计开发。(3)光谱测定系统性能测试。针对搭建的光谱测定系统,通过设计汞灯定标试验和白光LED灯精度检测试验,对光谱检测系统光谱分辨率、工作波长范围、波长准确性、滤波效果等关键性能指标进行了研究,并对系统误差进行了评价分析。开发的系统波长范围400-1100nm,中心波长光谱分辨率1.5nm,边缘波长光谱分辨率2nm。(4)油墨重金属测定预测模型建立与试验研究。通过对油墨重金属预测模型的建立原理分析,研究了油墨重金属含量预测模型及主要判别方法。通过配置标准溶液方法进行模型预测试验,试验表明模型相关系数达到0.9770,可对油墨重金属进行较好预测,并对模型建立以及后续研究进行了反思和展望。
【学位单位】：北京印刷学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TS802.3;O657.3
【部分图文】：

拓扑图,拓扑图,神经网络

图 2-1 BP 神经网络拓扑图下经验公式计算得出：Q = A 数，和分别为输入层和输出层层数看出，层间传递函数的权重因子根据训练能接近期望值。型建立的原理朗伯-比尔定律进行分析，后对油墨重金属含量预测模型建立的几测模型的优缺点：线性回归分析就是对立方法；偏最小二乘法在回归分析的基

谱线,水平式,结构示意图,球差

图 3-1 水平式 Ebert-Fastie 结构示意图S1—入射狭缝 M—反射镜 G—光栅 S2—出射狭缝射狭缝 S1入射的复合光经反射镜 M 反射后成为平行光束，射散后再由 M 聚焦成像于出射狭缝 S2处形成光谱面。反射镜 M由此会产生球差，而球差在很大程度上影响着系统的成像质量球面镜结构时，球差无法消除，但可以采取方法，使球差控制方法是通过瑞利准则取 F 数，以满足分辨率要求。虽然可以选替球面镜，如此可达到消除系统球差的目的，但是此时慧差不球面镜作为反射镜时，零级光谱慧差为零，由于衍射与入射光导致其他级次光谱的慧差虽不能消除，但仍然可以抵消，而不式 Ebert-Fastie 结构通常采用弯曲狭缝来消除像散引起的谱线增散对分辨率无影响。除水平式结构外，还有垂直式 Ebert-Fasti

曲线图,入射狭缝,狭缝宽度,衍射级次

学院硕士学位论文油墨重金属测定光路系光谱衍射级次和入射狭缝的确定合本系统实际使用环境，故本文选取光谱衍射级次为 1。选择入射狭缝时需考虑狭缝入射宽度的影响，且其由系统光谱分辨光束经入射狭缝射入，因为入射狭缝尺寸较小，使得射入系统的光因此应在保证光谱分辨率的前提下，尽量减小狭缝宽度。常见的入 = 2咀μm， = 咀 μm， = μm，由式（3-11）可知，光谱带缝宽度成正比，与物镜焦距成反比，我们将狭缝宽度作为辅助同狭缝宽度下与的关系曲线图，如下图 3-3 所示：

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