基于CCD的便攜式近紅外光譜儀器總體設(shè)計(jì).doc

基于CCD的便攜式近紅外光譜儀器總體設(shè)計(jì)摘要 現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)是90年代以來發(fā)展最快、最引人注目的光譜分析技術(shù)，被譽(yù)為分析巨人。由于近紅外光譜技術(shù)具有分析速度快、成本低、無損無污染等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。近紅外光譜分析技術(shù)是利用反映原子和分子特征的發(fā)射與吸收光譜進(jìn)行物質(zhì)的化學(xué)組成及含量分析的物理方法。主要用于有機(jī)物質(zhì)定性和定量分析的一種分析技術(shù)，特別是對于豐富的含氫基團(tuán)（C-H、O-H、S-H、N-H等）有明顯的光譜信息。近紅外光譜分析技術(shù)綜合了光譜學(xué)、化學(xué)計(jì)量學(xué)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用和基礎(chǔ)測試技術(shù)等多學(xué)科知識，從而實(shí)現(xiàn)了近紅外光譜儀的光、機(jī)、電、算一體化設(shè)計(jì)。電荷耦合器件簡稱CCD，它的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。CCD是一種光電轉(zhuǎn)換器件。它以電荷包的形式儲存和傳送信息，主要由光敏單元，輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等部份組成。CCD工作過程包括電荷的產(chǎn)生、存儲、轉(zhuǎn)移和讀出四個(gè)環(huán)節(jié)。本文主要從工作原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)（包括確定儀器的工作原理、標(biāo)準(zhǔn)量的選擇、信號轉(zhuǎn)換與傳輸原理/方式的選擇）、儀器的主要結(jié)構(gòu)方案、主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)、系統(tǒng)簡圖、總體布局和總體精度分配來講述了基于CCD的近紅外光譜儀器的總體設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：近紅外、CCD、總體設(shè)計(jì)1. 工作原理的選擇近紅外光譜儀器提供準(zhǔn)確反映被測樣品物質(zhì)成分及含量的吸收光譜。其基本組成結(jié)構(gòu)包括：光源系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、控制及數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)。NIRS儀器，按應(yīng)用場合，分為實(shí)驗(yàn)室儀器、現(xiàn)場儀器和在線儀器等；按測樣方式分有透射、漫反射、光纖測量等三種儀器。按分光方式分為：（1）濾光片型：第一臺近紅外光譜儀的分光系統(tǒng)（20世紀(jì)50年代后期）是濾光片分光系統(tǒng)。此類儀器只能在單一或少數(shù)幾個(gè)波長下測定（非連續(xù)波長），靈活性差，而且波長穩(wěn)定性、重現(xiàn)性差，如樣品的基體發(fā)生變化，往往會引起較大的測量誤差?！盀V光片”被稱為第一代分光技術(shù)。（2）光柵型：20世紀(jì)70年代中期至80年代，光柵掃描分光系統(tǒng)開始應(yīng)用，但存在掃描速度慢、波長重現(xiàn)性差、內(nèi)部移動部件多的不足。此類儀器最大的弱點(diǎn)是光柵或反光鏡的機(jī)械軸長時(shí)間連續(xù)使用易磨損，影響波長的精度和重現(xiàn)性，不適合作為過程分析儀器使用?！肮鈻拧北环Q為第二代分光技術(shù)。（3）傅立葉變換型：20世紀(jì)80年代中后期至90年代中前期，應(yīng)用“傅立葉變換”分光系統(tǒng)，但是由于干涉計(jì)中動鏡的存在，儀器的在線可靠性受到限制，特別是對儀器的使用和放置環(huán)境有嚴(yán)格要求，比如室溫、濕度、雜散光、震動等?！案盗⑷~變換”被稱為第三代分光技術(shù)。（4）二極管陣列型：20世紀(jì)90年代中期，出現(xiàn)應(yīng)用二極管陣列技術(shù)的近紅外光譜儀。這種近紅外光譜儀采用固定光柵，無機(jī)械移動部件、可靠性高、測量速度快。但儀器的波長范圍和分辨率有限，波長通常不超過1750nm。由于該波段檢測到的主要是樣品的三級和四級倍頻，樣品的摩爾吸收系數(shù)較低，因而需要的光程往往較長。“二極管陣列”被稱為第四代分光技術(shù)。（5）聲光可調(diào)濾光器型：20世紀(jì)90年代末，來自航天技術(shù)的“聲光可調(diào)濾光器”（AOTF）技術(shù)的問世，被認(rèn)為是“20世紀(jì)90年代近紅外光譜儀最突出的進(jìn)展”，AOTF是利用超聲波與特定的晶體作用而產(chǎn)生分光的光電器件，與通常的單色器相比，采用聲光調(diào)制即通過超聲射頻的變化實(shí)現(xiàn)光譜掃描，光學(xué)系統(tǒng)無移動性部件，波長切換快、重現(xiàn)性好，程序化的波長控制使得這種儀器的應(yīng)用具有更大的靈活性，尤其是外部防塵和內(nèi)置的溫、濕度集成控制裝置，大大提高了儀器的環(huán)境適應(yīng)性，加之全固態(tài)集成設(shè)計(jì)產(chǎn)生優(yōu)異的防震性能，使其近年來在工業(yè)在線和現(xiàn)場（室外）分析中得到越來越廣泛的應(yīng)用。但分辨率相對較低，波長覆蓋范圍有限、通用性不好，核心部件價(jià)格貴。 綜上比較各種類型的近紅外光譜儀的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇CCD二極管陣列型分光方式。2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)光源發(fā)出的光經(jīng)過光譜儀狹縫入射到光柵單色儀的光柵上，被光柵分成多條光譜譜線，成像在光譜探測器焦面上。通過產(chǎn)生的CCD驅(qū)動電路、集成運(yùn)放組成的信號處理電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通過接口送入計(jì)算機(jī)，用上層測控軟件進(jìn)行進(jìn)一步的處理、存儲、計(jì)算等。光譜儀器是進(jìn)行光譜研究和物質(zhì)的光譜分析的裝置。它的基本作用是測定被研究的物質(zhì)發(fā)射的、吸收的、散射的或受激發(fā)射的熒光等的光譜組成，包括它的波長、強(qiáng)度與輪廓等。為此光譜儀應(yīng)該具有的功能是：（1）把被研究的光信號按波長或波數(shù)分解開來：（2）測定各波長的光所具有的能量，得到能量按波長的分布；（3）把分解開的光波及其強(qiáng)度按波長或波數(shù)分布顯示，記錄下來，得到光譜圖。3. 主要結(jié)構(gòu)方案基于CCD的近紅外光譜儀的基本組成有：光源、測樣器件、分光系統(tǒng)、測控系統(tǒng)，圖1給出了儀器的結(jié)構(gòu)簡圖。 圖1 基于CCD的近紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)簡圖光源作為工具照射被研究的物質(zhì)，它向儀器提供能量，含有信號的光的能量通過傳感器轉(zhuǎn)換成含有信號的電能，使得儀器能夠?qū)悠愤M(jìn)行定性定量分析。因此對光源的基本要求是在我們所測量的光譜區(qū)域內(nèi)即短波近紅外區(qū)域能夠發(fā)射足夠強(qiáng)度的光輻射，并具有良好的穩(wěn)定性。一般來說，光源的亮度不成問題，要獲得穩(wěn)定的光譜主要是解決光源的穩(wěn)定性，而這主要通過高性能的光源能量監(jiān)控和可靠電路系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。測樣器件是指承載樣品或與樣品作用的器件。由于近紅外光及樣品近紅外光譜的特點(diǎn)，測樣器件隨測樣方法的不同而有較大的差異。就實(shí)驗(yàn)室常規(guī)分析而言，液體樣品可采用玻璃或石英樣品池；固體可采用積分球或特定的漫反射載樣器件；在定位或在線分析中經(jīng)常采用光纖測樣器件。根據(jù)本儀器的特點(diǎn)提出了采用光纖取樣和樣品池漫透射取樣兩種方法。分光系統(tǒng)的作用是將入射的復(fù)合光分解為光譜。它是近紅外光譜儀器的核心部件。根據(jù)分光原理的不同，現(xiàn)在近紅外光譜儀器的分光器件主要有濾光片、光柵、干涉儀、聲光調(diào)制濾光器等4種類型。根據(jù)要求，決定采用由光柵，凹面鏡和平面鏡組成的分光系統(tǒng)，北京光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的WDG10型光柵單色儀。測控系統(tǒng)包括傳感器、控制、信號處理、數(shù)據(jù)處理分析模塊，是儀器的重要組成部分。它的作用是將光譜能量接收，并檢測光譜的強(qiáng)度、波長位置，并且能成為光譜圖。這也是本論文涉及到的主要部分，即圖3-2中圈起來的部分。主要包括傳感器、電路部分和測控軟件部分。4主要參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)（1）儀器的波長測量范圍：700nm1000nm；（2）儀器的雜散光：0.5%；（3）儀器的波長準(zhǔn)確度：0.5nm；（4）儀器的分辨率小于10nm；（5）儀器的測量時(shí)間5s；（6）儀器的數(shù)據(jù)分辨率達(dá)到0.5nm以下；（7）波長間隔可實(shí)現(xiàn)多檔選擇。 5. 總體布局和系統(tǒng)簡圖該儀器是基于CCD的近紅外光譜儀，為了使CCD光電傳感器能夠正常工作，要有時(shí)序產(chǎn)生及驅(qū)動模塊。在整個(gè)測控儀器中，電路部分是關(guān)鍵。一個(gè)完整的測控儀器的電路主要由測量電路（信息輸入通道）、中央處理系統(tǒng)（信息處理單元）、控制電路（信息輸出通道）三大部分組成。測量電路的作用是將傳感器輸出的測量信號進(jìn)行放大、濾波、細(xì)分、選通、變換和阻抗匹配等，將傳感器輸出的有用信號、無用信號以及代表不同信息的各種信號分開，將其微弱信號放大、鑒別被測信號的微小變化，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便中央系統(tǒng)處理。例如：各種放大電路、調(diào)制解調(diào)電路、濾波電路、阻抗變換電路、電平轉(zhuǎn)換電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）電路、非線性補(bǔ)償電路等?？刂齐娐方邮軄碜灾醒胩幚硐到y(tǒng)的控制指令，并對控制信號進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換、隔離、驅(qū)動，最后作用于控制器上，由控制器直接對被控參數(shù)實(shí)施控制。中央處理單元是整個(gè)電路系統(tǒng)的中心，同時(shí)也是整個(gè)儀器的核心。對于小型儀器來說，常采用單片機(jī)作為中央處理單元。由于采用單片機(jī)不可能完成大批量數(shù)據(jù)處理，因此采用上位機(jī)和下位機(jī)模式，即需要底層控制軟件和上層測控軟件。此外，在上下層通訊時(shí)還需要接口模塊的支持。CCD信號的特點(diǎn)是需要在短時(shí)間內(nèi)傳輸大批量的數(shù)據(jù)，這就需要有數(shù)據(jù)緩存模塊減小接口模塊實(shí)時(shí)傳輸大批量數(shù)據(jù)的壓力。測控系統(tǒng)對電源的性能要求很高，因此必須要對電源進(jìn)行管理。通過以上的介紹。按照功能來分，測控系統(tǒng)大致采用以下幾個(gè)模塊：（1）、時(shí)序產(chǎn)生及驅(qū)動模塊接收MCU的控制信號隨后產(chǎn)生CCD的工作時(shí)序、A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘以及緩存的寫時(shí)鐘；（2）、信號處理模塊接收CCD的兩路信號，用差分放大電路、減法電路、正向比例放大電路處理模擬信號，輸出給A/D；（3）、A/D轉(zhuǎn)換模塊將信號模塊輸出的模擬信號以1M Hz的采樣率轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出給緩存模塊；（4）、數(shù)據(jù)緩存模塊接收來自A/D的數(shù)字信號，臨時(shí)存儲數(shù)據(jù)并傳輸給接口；（5）、底層控制模塊產(chǎn)生CPLD的工作信號，讀寫緩存的使能信號，讀緩存時(shí)鐘，接收USB數(shù)據(jù)開始傳輸?shù)闹袛嘈盘柌⒖刂芔SB接口傳輸數(shù)據(jù)；（6）、接口模塊接收上層測控軟件的控制命令，并將命令傳送給底層MCU，接收底層得到的數(shù)據(jù)將其傳給上位機(jī)；（7）、上層測控軟件模塊向底層發(fā)送控制命令，接收通過接口傳輸上來的數(shù)據(jù)，繪制成光譜圖（8）、電源管理模塊管理整個(gè)系統(tǒng)的電源，通過濾波的方式降低地噪聲；測控系統(tǒng)的初步整體方案系統(tǒng)框圖如圖2所示。 圖2 整體方案系統(tǒng)框圖 6. 總體精度分配 近紅外光譜儀器的特點(diǎn)是快速、準(zhǔn)確地得到被測樣品的分析結(jié)果，因此其性能指標(biāo)就體現(xiàn)在其快速、準(zhǔn)確地得到被測樣品分析結(jié)果的能力，包括波長范圍、儀器分辨率、波長準(zhǔn)確度、雜散光、信噪比、一次測量速度、數(shù)據(jù)分辨率、波長的重復(fù)性等。 （1） 波長范圍的確定對任何一臺特定的近紅外光譜儀器，都有其有效的光譜范圍，這主要取決于儀器的光路設(shè)計(jì)，檢測器的類型以及光源。（2）儀器分辨率的確定儀器的分辨率是儀器的一個(gè)重要的指標(biāo)，是儀器性能的重要體現(xiàn)。儀器的分辨率指的是在測控軟件圖譜上能夠顯示的最近的兩個(gè)特征峰的波長間距。將光源對準(zhǔn)儀器分光系統(tǒng)的入射狹縫，測量其光強(qiáng)數(shù)據(jù)，根據(jù)相鄰最近的兩個(gè)特征峰值對應(yīng)的波長值，確定儀器的分辨率。（3）波長準(zhǔn)確性光譜儀器波長的準(zhǔn)確性是指儀器測定標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)某一譜峰的波長與該譜峰的標(biāo)定波長之差。將光源對準(zhǔn)儀器分光系統(tǒng)的入射狹縫，測量其光強(qiáng)數(shù)據(jù)，求已知五個(gè)特征峰值對應(yīng)的波長值與波長標(biāo)定值的差，確定儀器的波長準(zhǔn)確性。（4）信噪比信噪比指的是信號的有效值S與噪聲的有效值N之比。將光源對準(zhǔn)儀器分光系統(tǒng)的入射狹縫，測量其光強(qiáng)數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)儀器使采集到的信號的最大值為儀器最大采集數(shù)值4096，將采集10次的數(shù)據(jù)經(jīng)過平均等處理，并帶入公式（1），便可得到儀器信噪比。S/N=20*Log4096*2/max(SI)-min(SI) （1） （5）雜散光雜散光定義為除要求的分析光外其它到達(dá)樣品和檢測器的光量的總和，是導(dǎo)致儀器測量出現(xiàn)非線性的主要原因，特別對光柵型的儀器設(shè)計(jì)，雜散光的控制非常重要。雜散光是一個(gè)范圍。（6）波長的重復(fù)性光譜儀器的一個(gè)重要指標(biāo)就是波長的重復(fù)性。波長的重復(fù)性指對樣品進(jìn)行多次掃描，譜峰位置間的差異，通常取測量數(shù)據(jù)中的最大值與最小值之差作為重復(fù)性誤差。它是體現(xiàn)儀器穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，對校正模型的建立和模型的傳遞均有較大的影響。（7）數(shù)據(jù)分辨率數(shù)據(jù)分辨率指的是CCD上相鄰像素波長間隔。由于儀器在300nm的波程范圍內(nèi)截取1236個(gè)像素，因此數(shù)據(jù)分辨率為0.24nm。參考文獻(xiàn)1陸婉珍，袁洪福，褚小立，王艷斌