1、 基于 CCD 的便携式近红外光谱仪器总体设计摘要 现代近红外光谱技术是 90 年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术，被誉为分析巨人。由于近红外光谱技术具有分析速度快、成本低、无损无污染等优点，因而得到广泛应用。近红外光谱分析技术是利用反映原子和分子特征的发射与吸收光谱进行物质的化学组成及含量分析的物理方法。主要用于有机物质定性和定量分析的一种分析技术，特别是对于丰富的含氢基团（C-H 、O-H、S-H、N-H 等）有明显的光谱信息。近红外光谱分析技术综合了光谱学、化学计量学、计算机应用和基础测试技术等多学科知识，从而实现了近红外光谱仪的光、机、电、算一体化设计。电荷耦合器件简称 CCD
2、，它的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。CCD 是一种光电转换器件。它以电荷包的形式储存和传送信息，主要由光敏单元，输入结构和输出结构等部份组成。CCD 工作过程包括电荷的产生、存储、转移和读出四个环节。本文主要从工作原理和系统设计（包括确定仪器的工作原理、标准量的选择、信号转换与传输原理/方式的选择） 、仪器的主要结构方案、主要参数和技术指标、系统简图、总体布局和总体精度分配来讲述了基于 CCD 的近红外光谱仪器的总体设计。关键词：近红外、CCD 、总体设计1. 工作原理的选择近红外光谱仪器提供准确反映被测样品物质成分及含量的吸收光谱。其基本组成结构包括
3、：光源系统、分光系统、检测系统、控制及数据处理分析系统。NIRS 仪器，按应用场合，分为实验室仪器、现场仪器和在线仪器等；按测样方式分有透射、漫反射、光纤测量等三种仪器。按分光方式分为：（1）滤光片型：第一台近红外光谱仪的分光系统（20 世纪 50 年代后期）是滤光片分光系统。此类仪器只能在单一或少数几个波长下测定（非连续波长） ，灵活性差，而且波长稳定性、重现性差，如样品的基体发生变化，往往会引起较大的测量误差。 “滤光片”被称为第一代分光技术。（2）光栅型：20 世纪 70 年代中期至 80 年代，光栅扫描分光系统开始应用，但存在扫描速度慢、波长重现性差、内部移动部件多的不足。此类仪器最大
4、的弱点是光栅或反光镜的机械轴长时间连续使用易磨损，影响波长的精度和重现性，不适合作为过程分析仪器使用。 “光栅”被称为第二代分光技术。（3）傅立叶变换型：20 世纪 80 年代中后期至 90 年代中前期，应用“傅立叶变换”分光系统，但是由于干涉计中动镜的存在，仪器的在线可靠性受到限制，特别是对仪器的使用和放置环境有严格要求，比如室温、湿度、杂散光、震动等。“傅立叶变换”被称为第三代分光技术。（4）二极管阵列型：20 世纪 90 年代中期，出现应用二极管阵列技术的近红外光谱仪。这种近红外光谱仪采用固定光栅，无机械移动部件、可靠性高、测量速度快。但仪器的波长范围和分辨率有限，波长通常不超过 175
5、0nm。由于该波段检测到的主要是样品的三级和四级倍频，样品的摩尔吸收系数较低，因而需要的光程往往较长。 “二极管阵列”被称为第四代分光技术。（5）声光可调滤光器型：20 世纪 90 年代末，来自航天技术的“声光可调滤光器” （AOTF）技术的问世，被认为是“20 世纪 90 年代近红外光谱仪最突出的进展” ，AOTF 是利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的光电器件，与通常的单色器相比，采用声光调制即通过超声射频的变化实现光谱扫描，光学系统无移动性部件，波长切换快、重现性好，程序化的波长控制使得这种仪器的应用具有更大的灵活性，尤其是外部防尘和内置的温、湿度集成控制装置，大大提高了仪器的环境适应
6、性，加之全固态集成设计产生优异的防震性能，使其近年来在工业在线和现场（室外）分析中得到越来越广泛的应用。但分辨率相对较低，波长覆盖范围有限、通用性不好，核心部件价格贵。综上比较各种类型的近红外光谱仪的优缺点，选择 CCD 二极管阵列型分光方式。2. 系统设计光源发出的光经过光谱仪狭缝入射到光栅单色仪的光栅上，被光栅分成多条光谱谱线，成像在光谱探测器焦面上。通过产生的 CCD 驱动电路、集成运放组成的信号处理电路、数据采集系统，数据通过接口送入计算机，用上层测控软件进行进一步的处理、存储、计算等。光谱仪器是进行光谱研究和物质的光谱分析的装置。它的基本作用是测定被研究的物质发射的、吸收的、散射的或
7、受激发射的荧光等的光谱组成，包括它的波长、强度与轮廓等。为此光谱仪应该具有的功能是：（1） 把被研究的光信号按波长或波数分解开来：（2） 测定各波长的光所具有的能量，得到能量按波长的分布；（3） 把分解开的光波及其强度按波长或波数分布显示，记录下来，得到光谱图。3. 主要结构方案基于 CCD 的近红外光谱仪的基本组成有：光源、测样器件、分光系统、测控系统，图 1 给出了仪器的结构简图。图 1 基于 CCD 的近红外光谱仪的结构简图光源作为工具照射被研究的物质，它向仪器提供能量，含有信号的光的能量通过传感器转换成含有信号的电能，使得仪器能够对样品进行定性定量分析。因此对光源的基本要求是在我们所测
8、量的光谱区域内即短波近红外区域能够发射足够强度的光辐射，并具有良好的稳定性。一般来说，光源的亮度不成问题，要获得稳定的光谱主要是解决光源的稳定性，而这主要通过高性能的光源能量监控和可靠电路系统来实现。测样器件是指承载样品或与样品作用的器件。由于近红外光及样品近红外光谱的特点，测样器件随测样方法的不同而有较大的差异。就实验室常规分析而言，液体样品可采用玻璃或石英样品池；固体可采用积分球或特定的漫反射载样器件；在定位或在线分析中经常采用光纤测样器件。根据本仪器的特点提出了采用光纤取样和样品池漫透射取样两种方法。分光系统的作用是将入射的复合光分解为光谱。它是近红外光谱仪器的核心部件。根据分光原理的不
9、同，现在近红外光谱仪器的分光器件主要有滤光片、光栅、干涉仪、声光调制滤光器等 4 种类型。根据要求，决定采用由光栅，凹面镜和平面镜组成的分光系统，北京光学仪器厂生产的 WDG10 型光栅单色仪。测控系统包括传感器、控制、信号处理、数据处理分析模块，是仪器的重要组成部分。它的作用是将光谱能量接收，并检测光谱的强度、波长位置，并且能成为光谱图。这也是本论文涉及到的主要部分，即图 3-2 中圈起来的部分。主要包括传感器、电路部分和测控软件部分。4主要参数和技术指标（1）仪器的波长测量范围：700nm1000nm；（2）仪器的杂散光：0.5%；（3）仪器的波长准确度：0.5nm；（4）仪器的分辨率小于
10、 10nm；（5）仪器的测量时间5s；（6）仪器的数据分辨率达到 0.5nm 以下；（7）波长间隔可实现多档选择。5. 总体布局和系统简图该仪器是基于 CCD 的近红外光谱仪，为了使 CCD 光电传感器能够正常工作，要有时序产生及驱动模块。在整个测控仪器中，电路部分是关键。一个完整的测控仪器的电路主要由测量电路（信息输入通道） 、中央处理系统（信息处理单元） 、控制电路（信息输出通道）三大部分组成。测量电路的作用是将传感器输出的测量信号进行放大、滤波、细分、选通、变换和阻抗匹配等，将传感器输出的有用信号、无用信号以及代表不同信息的各种信号分开，将其微弱信号放大、鉴别被测信号的微小变化，将模拟信
11、号转换成数字信号，以便中央系统处理。例如：各种放大电路、调制解调电路、滤波电路、阻抗变换电路、电平转换电路、模数转换（A/D）电路、非线性补偿电路等。控制电路接受来自中央处理系统的控制指令，并对控制信号进行放大、转换、隔离、驱动，最后作用于控制器上，由控制器直接对被控参数实施控制。中央处理单元是整个电路系统的中心，同时也是整个仪器的核心。对于小型仪器来说，常采用单片机作为中央处理单元。由于采用单片机不可能完成大批量数据处理，因此采用上位机和下位机模式，即需要底层控制软件和上层测控软件。此外，在上下层通讯时还需要接口模块的支持。CCD 信号的特点是需要在短时间内传输大批量的数据，这就需要有数据缓
12、存模块减小接口模块实时传输大批量数据的压力。测控系统对电源的性能要求很高，因此必须要对电源进行管理。通过以上的介绍。按照功能来分，测控系统大致采用以下几个模块：（1） 、时序产生及驱动模块接收 MCU 的控制信号随后产生 CCD 的工作时序、A/D 转换时钟以及缓存的写时钟；（2） 、信号处理模块接收 CCD 的两路信号，用差分放大电路、减法电路、正向比例放大电路处理模拟信号，输出给 A/D；（3） 、A/D 转换模块将信号模块输出的模拟信号以 1M Hz 的采样率转换成数字信号输出给缓存模块；（4） 、数据缓存模块接收来自 A/D 的数字信号，临时存储数据并传输给接口；（5） 、底层控制模块
13、产生 CPLD 的工作信号，读写缓存的使能信号，读缓存时钟，接收 USB 数据开始传输的中断信号并控制 USB 接口传输数据；（6） 、接口模块接收上层测控软件的控制命令，并将命令传送给底层 MCU，接收底层得到的数据将其传给上位机；（7） 、上层测控软件模块向底层发送控制命令，接收通过接口传输上来的数据，绘制成光谱图（8） 、电源管理模块管理整个系统的电源，通过滤波的方式降低地噪声；测控系统的初步整体方案系统框图如图 2 所示。图 2 整体方案系统框图6. 总体精度分配近红外光谱仪器的特点是快速、准确地得到被测样品的分析结果，因此其性能指标就体现在其快速、准确地得到被测样品分析结果的能力，包
14、括波长范围、仪器分辨率、波长准确度、杂散光、信噪比、一次测量速度、数据分辨率、波长的重复性等。（1） 波长范围的确定对任何一台特定的近红外光谱仪器，都有其有效的光谱范围，这主要取决于仪器的光路设计，检测器的类型以及光源。（2）仪器分辨率的确定仪器的分辨率是仪器的一个重要的指标，是仪器性能的重要体现。仪器的分辨率指的是在测控软件图谱上能够显示的最近的两个特征峰的波长间距。将光源对准仪器分光系统的入射狭缝，测量其光强数据，根据相邻最近的两个特征峰值对应的波长值，确定仪器的分辨率。（3）波长准确性光谱仪器波长的准确性是指仪器测定标准物质某一谱峰的波长与该谱峰的标定波长之差。将光源对准仪器分光系统的入
15、射狭缝，测量其光强数据，求已知五个特征峰值对应的波长值与波长标定值的差，确定仪器的波长准确性。（4）信噪比信噪比指的是信号的有效值 S 与噪声的有效值 N 之比。将光源对准仪器分光系统的入射狭缝，测量其光强数据，调节仪器使采集到的信号的最大值为仪器最大采集数值 4096，将采集 10 次的数据经过平均等处理，并带入公式（1） ，便可得到仪器信噪比。S/N=20*Log4096*2/max(SI)-min(SI) （1）（5）杂散光杂散光定义为除要求的分析光外其它到达样品和检测器的光量的总和，是导致仪器测量出现非线性的主要原因，特别对光栅型的仪器设计，杂散光的控制非常重要。杂散光是一个范围。（6
16、）波长的重复性光谱仪器的一个重要指标就是波长的重复性。波长的重复性指对样品进行多次扫描，谱峰位置间的差异，通常取测量数据中的最大值与最小值之差作为重复性误差。它是体现仪器稳定性的一个重要指标，对校正模型的建立和模型的传递均有较大的影响。（7）数据分辨率数据分辨率指的是 CCD 上相邻像素波长间隔。由于仪器在 300nm 的波程范围内截取 1236 个像素，因此数据分辨率为 0.24nm。参考文献1陆婉珍，袁洪福，褚小立，王艳斌编.当代中国近红外光谱技术全国第一学术会议论文集.北京:中国石化出版社，2006:19-20,40-43 ，324-7442陆婉珍,袁洪福等 .现代近红外光谱分析技术.北京: 中国石化出版社3严衍禄.近红外光谱分析基础与应用.北京:中国轻工业出版社,2005:18-19,98-14燕守勋,张兵 .矿物与岩石的可见-近红外光谱特性综述.遥感技术与应用,2003,15李全臣，蒋月娟编著 .光谱仪器原理.北京:北京理工大学出版社6郑堤，唐可洪主编.机电一体化设计基础.北京:机械工业出版社
