基于CCD的便攜式近紅外光譜儀器總體設計

 基于CCD的便攜式近紅外光譜儀器總體設計

摘要  現代近紅外光譜技術是90年代以來發展最快、最引人注目的光譜分析技術，被譽為分析巨人。由于近紅外光譜技術具有分析速度快、成本低、無損無污

染等優點，因而得到廣泛應用。近紅外光譜分析技術是利用反映原子和分子特征

的發射與吸收光譜進行物質的化學組成及含量分析的物理方法。主要用于有機物

質定性和定量分析的一種分析技術，特別是對于豐富的含氫基團（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綜合了光譜學、化學計量學、計算機應用和基礎測試技術等多學科知識，從而實現了近紅外光譜儀的光、機、電、算一體化設計。

電荷耦合器件簡稱CCD，它的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其它大多數器件是以電流或者電壓為信號。CCD是一種光電轉換器件。它以電荷包的形式儲存和傳送信息，主要由光敏單元，輸入結構和輸出結構等部份組成。CCD工作過程包括電荷的產生、存儲、轉移和讀出四個環節。

本文主要從工作原理和系統設計（包括確定儀器的工作原理、標準量的選擇、信號轉換與傳輸原理/方式的選擇）、儀器的主要結構方案、主要參數和技術指標、系統簡圖、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計。

關鍵詞：近紅外、CCD、總體設計

1. 工作原理的選擇

近紅外光譜儀器提供準確反映被測樣品物質成分及含量的吸收光譜。其基本

組成結構包括：光源系統、分光系統、檢測系統、控制及數據處理分析系統。NIRS儀器，按應用場合，分為實驗室儀器、現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（20世紀50年代后期）是

濾光片分光系統。此類儀器只能在單一或少數幾個波長下測定（非連續波長），靈活性差，而且波長穩定性、重現性差，如樣品的基體發生變化，往往會引起較大的測量誤差。“濾光片”被稱為第一代分光技術。

（2）光柵型：20世紀70年代中期至80年代，光柵掃描分光系統開始應用，

但存在掃描速度慢、波長重現性差、內部移動部件多的不足。此類儀器最大的弱

點是光柵或反光鏡的機械軸長時間連續使用易磨損，影響波長的精度和重現性，

不適合作為過程分析儀器使用。“光柵”被稱為第二代分光技術。

（3）傅立葉變換型：20世紀80年代中后期至90年代中前期，應用“傅立葉變換”分光系統，但是由于干涉計中動鏡的存在，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境有嚴格要求，比如室溫、濕度、雜散光、震動等。

“傅立葉變換”被稱為第三代分光技術。

（4）二極管陣列型：20世紀90年代中期，出現應用二極管陣列技術的近紅

外光譜儀。這種近紅外光譜儀采用固定光柵，無機械移動部件、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。

（5）聲光可調濾光器型：20世紀90年代末，來自航天技術的“聲光可調濾

光器”（AOTF）技術的問世，被認為是“20世紀90年代近紅外光譜儀最突出的進展”，AOTF是利用超聲波與特定的晶體作用而產生分光的光電器件，與通常的單色器相比，采用聲光調制即通過超聲射頻的變化實現光譜掃描，光學系統無移動性部件，波長切換快、重現性好，程序化的波長控制使得這種儀器的應用具有更大的靈活性，尤其是外部防塵和內置的溫、濕度集成控制裝置，大大提高了儀器的環境適應性，加之全固態集成設計產生優異的防震性能，使其近年來在工業在線和現場（室外）分析中得到越來越廣泛的應用。但分辨率相對較低，波長覆蓋范圍有限、通用性不好，核心部件價格貴。

    綜上比較各種類型的近紅外光譜儀的優缺點，選擇CCD二極管陣列型分光方式。

2. 系統設計

光源發出的光經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。通過產生的CCD驅動電路、集成運放組成的信號處理電路、數據采集系統，數據通過接口送入計算機，用上層測控軟件進行進一步的處理、存儲、計算等。

光譜儀器是進行光譜研究和物質的光譜分析的裝置。它的基本作用是測定被研究的物質發射的、吸收的、散射的或受激發射的熒光等的光譜組成，包括它的波長、強度與輪廓等。為此光譜儀應該具有的功能是：

（1）．把被研究的光信號按波長或波數分解開來：

（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度按波長或波數分布顯示，記錄下來，得到光譜圖。

3. 主要結構方案

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、測控系統，圖1給出了儀器的結構簡圖。

圖1 基于CCD的近紅外光譜儀的結構簡圖

光源作為工具照射被研究的物質，它向儀器提供能量，含有信號的光的能量通過傳感器轉換成含有信號的電能，使得儀器能夠對樣品進行定性定量分析。因此對光源的基本要求是在我們所測量的光譜區域內即短波近紅外區域能夠發射足夠強度的光輻射，并具有良好的穩定性。一般來說，光源的亮度不成問題，要獲得穩定的光譜主要是解決光源的穩定性，而這主要通過高性能的光源能量監控和可靠電路系統來實現。

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，測樣器件隨測樣方法的不同而有較大的差異。就實驗室常規分析而言，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常采用光纖測樣器件。根據本儀器的特點提出了采用光纖取樣和樣品池漫透射取樣兩種方法。

分光系統的作用是將入射的復合光分解為光譜。它是近紅外光譜儀器的核心部件。根據分光原理的不同，現在近紅外光譜儀器的分光器件主要有濾光片、光柵、干涉儀、聲光調制濾光器等4種類型。根據要求，決定采用由光柵，凹面鏡和平面鏡組成的分光系統，北京光學儀器廠生產的WDG10型光柵單色儀。

測控系統包括傳感器、控制、信號處理、數據處理分析模塊，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．主要參數和技術指標

（1）儀器的波長測量范圍：700nm～1000nm；

（2）儀器的雜散光：±0.5%；

（3）儀器的波長準確度：±0.5nm；

（4）儀器的分辨率小于10nm；

（5）儀器的測量時間<5s；

（6）儀器的數據分辨率達到0.5nm以下；

（7）波長間隔可實現多檔選擇。

    5. 總體布局和系統簡圖

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，要有時序產生及驅動模塊。在整個測控儀器中，電路部分是關鍵。一個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（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行放大、濾波、細分、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，將模擬信號轉換成

數字信號，以便中央系統處理。例如：各種放大電路、調制解調電路、濾波電路、

阻抗變換電路、電平轉換電路、模數轉換（A/D）電路、非線性補償電路等。

控制電路接受來自中央處理系統的控制指令，并對控制信號進行放大、轉換、

隔離、驅動，最后作用于控制器上，由控制器直接對被控參數實施控制。

中央處理單元是整個電路系統的中心，同時也是整個儀器的核心。對于小型

儀器來說，常采用單片機作為中央處理單元。

由于采用單片機不可能完成大批量數據處理，因此采用上位機和下位機模式，即需要底層控制軟件和上層測控軟件。此外，在上下層通訊時還需要接口模塊的支持。

CCD信號的特點是需要在短時間內傳輸大批量的數據，這就需要有數據緩存模塊減小接口模塊實時傳輸大批量數據的壓力。

測控系統對電源的性能要求很高，因此必須要對電源進行管理。

通過以上的介紹。按照功能來分，測控系統大致采用以下幾個模塊：

（1）、時序產生及驅動模塊

接收MCU的控制信號隨后產生CCD的工作時序、A/D轉換時鐘以及緩存的寫時鐘；

（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轉換模塊

將信號模塊輸出的模擬信號以1M Hz的采樣率轉換成數字信號輸出給緩存模塊；

（4）、數據緩存模塊

接收來自A/D的數字信號，臨時存儲數據并傳輸給接口；

（5）、底層控制模塊

產生CPLD的工作信號，讀寫緩存的使能信號，讀緩存時鐘，接收USB數據開始傳輸的中斷信號并控制USB接口傳輸數據；

（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，接收底層得到的數據將其傳給上位機；

（7）、上層測控軟件模塊

向底層發送控制命令，接收通過接口傳輸上來的數據，繪制成光譜圖

（8）、電源管理模塊

管理整個系統的電源，通過濾波的方式降低地噪聲；

測控系統的初步整體方案系統框圖如圖2所示。

                        圖2 整體方案系統框圖

    6. 總體精度分配

    近紅外光譜儀器的特點是快速、準確地得到被測樣品的分析結果，因此其性

能指標就體現在其快速、準確地得到被測樣品分析結果的能力，包括波長范圍、

儀器分辨率、波長準確度、雜散光、信噪比、一次測量速度、數據分辨率、波長

的重復性等。

   （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

儀器的光路設計，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重要的指標，是儀器性能的重要體現。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特征峰的波長間距。將光源對準儀器分光系統的入射狹縫，測量其光強數據，根據相鄰最近的兩個特征峰值對應的波長值，確定儀器的分辨率。

（3）波長準確性

光譜儀器波長的準確性是指儀器測定標準物質某一譜峰的波長與該譜峰的標定波長之差。將光源對準儀器分光系統的入射狹縫，測量其光強數據，求已知五個特征峰值對應的波長值與波長標定值的差，確定儀器的波長準確性。

（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。將光源對準儀器分光系統的入射狹縫，測量其光強數據，調節儀器使采集到

的信號的最大值為儀器最大采集數值4096，將采集10次的數據經過平均等處理，

并帶入公式（1），便可得到儀器信噪比。

S/N=20*Log{4096*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樣品和檢測器的光量的總和，是導

致儀器測量出現非線性的主要原因，特別對光柵型的儀器設計，雜散光的控制非

常重要。雜散光是一個范圍。

（6）波長的重復性

光譜儀器的一個重要指標就是波長的重復性。波長的重復性指對樣品進行多

次掃描，譜峰位置間的差異，通常取測量數據中的最大值與最小值之差作為重復

性誤差。它是體現儀器穩定性的一個重要指標，對校正模型的建立和模型的傳遞

均有較大的影響。

（7）數據分辨率

數據分辨率指的是CCD上相鄰像素波長間隔。由于儀器在300nm的波程范

圍內截取1236個像素，因此數據分辨率為0.24nm。

參考文獻

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