基于LabVIEW的近紅外測量系統的研究

0引言
近紅外譜區[1]是指位于可見譜區與中紅外譜區之間的一段電磁波譜，即介于780-2526nm的光區。近紅外光譜（Near-infrared Spectroscopy, NIRS）可劃分為短波長近紅外波段和長波長近紅外波段，其波段范圍分別為780-1100nm和1100-2526nm。由于頻率較高，NIR譜區分子對其吸收主要是分子振動的倍頻與合頻吸收。NIRS分析技術是通過被分析物質中的含氫基團，如OH、CH、NH、SH、PH等在近紅外區域內表現有特征吸收，利用計算機技術及化學計量學方法，對掃描測試樣品的光學數據進行一系列的分析處理，最后完成該樣品有關成分的定量分析任務。由于它具有不破壞樣品且快速、準確等優點，是20世紀90年代以來發展最快、最引人注目的光譜分析技術 [2，3]。目前它在谷物檢測領域已有著廣泛的應用，如水分、蛋白、脂肪和纖維等指標的測定，近紅外檢測技術已經成為了一種公認的標準檢測方法[4]。但是現有的近紅外光譜分析儀器大多體積龐大，價格昂貴，不利于現場分析；或者功能單一，不易擴展和維護。

虛擬儀器[5]的概念，是美國國家儀器公司（National Instruments Corp.簡稱NI）于1986年提出的，它是在以計算機為核心的硬件平臺上，其功能由用戶設計和定義，具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件實現的一種計算機儀器系統。本文結合虛擬儀器技術和近紅外光譜分析技術，搭建了一個快速無損檢測整粒小麥成分含量的系統。

基于虛擬儀器的近紅外整粒小麥成分測量系統主要包括儀器軟、硬件和建模軟件。儀器軟、硬件均采用模塊化設計。硬件模塊化主要由光路、檢測器及信號調理電路和虛擬儀器的數據采集板卡組成；軟件模塊化主要由信號獲取模塊、I/O控制模塊、數據分析模塊、數據保存和顯示模塊組成。軟件平臺采用的是圖形化的編程語言LabVIEW，建模采用逐步回歸分析[6]方法。

1.硬件設計

1.1光路設計

光源部分由14個近紅外發光二極管(LED)組成，每個發光二極管對應通過一個波長位于890nm～1050nm之間的近紅外窄帶干涉濾光片，形成單色的近紅外光，近紅外光經菲涅爾透鏡匯聚到被測樣品上，在樣品中被散射吸收后，由檢測器接收，由于LED的電流決定了它的光強，每支LED都有單獨可以調節的恒流電路，以保證光源的穩定。

窄帶干涉濾光片的帶寬為10nm，所使用的范圍為890nm～1050nm。測量的時候，先用各個波長依次照射樣本，得到各波長樣本的光譜數據，然后通過逐步回歸算法挑出對待測成分有顯著影響的波長。預測的時候，只需將所挑出波長的吸光度帶入模型計算。

本系統采用單一的檢測器，將14個波長的窄帶濾光片盡可能緊密地排布在圓形的支架上，在通過同樣電流的情況下LED在不同波長處的光強不同，因此，將LED發光較弱波長的濾光片（即波長與890nm和940nm相差較大的濾光片）排布在接近圓心的位置，以增強有效光強。

菲涅爾透鏡的焦距是20mm，透鏡距離支架是40mm，距檢測器是20mm。菲涅爾透鏡、支架、檢測器垂直固定在通過它們中心的一條直線上。樣品池厚度為20mm（扣除樣品池壁后），樣品池透光的兩側為磨砂面，以進一步增強光源的均勻性。樣品池在測量范圍內對各個波長近紅外的透過率近似一致。因此由樣品池引起的誤差對各個波長來說近似一樣。

1.2光源部分電路設計

本系統的光源采用近紅外發光二極管，因為其光強小，對樣品不會造成損壞，適用于無損檢測，且使用壽命達到十年以上。選用波長分別為890nm、940nm，帶寬為40nm~50nm。通過調整每支LED的電流，使各個波長通過窄帶濾光片以后的光強近似一致。用電路控制LED輪流發光，以分時獲得樣品在單一波長下的光度值。為保證LED的電流穩定可調，采用恒流源電路。

1.3信號轉換電路設計

檢測器選擇在短波近紅外區相應敏感的硅光電池。由于光電池產生的短路電流與光強有良好的線性關系，通過I/V轉換，可以得到提供AD轉換的電壓。由于光源LED的發光角度較小，有較好的單向性，可近似于平行光源。將LED放在菲涅爾透鏡的2倍焦距處，檢測器放在另一側1倍焦距處，選用圓形的硅光電池，與濾光片的排布相對。

光電池工作在零偏置即光伏模式，實現精確的線性工作。光電池偏置由運算放大器的虛地維持在零電位上，短路電流被轉換成電壓。切換增益電阻的開關選擇小型5V繼電器，由數據采集卡中的I/O口通過一個三極管來控制通斷，在測量空白光路的時候選擇較小電阻，測量樣品時，由于樣品的吸收，光強較弱，選擇較大電阻，獲得較高的增益。

1.4數據采集卡

本系統采用的采集板為微機系統的擴展卡形式，數據采集卡是NI公司的PCI-6040E，用到的還有它的附件CB-68LP，其中CB-68LP是用來將PCI卡上的引腳引到主機外面方便連線的。

2.軟件設計

虛擬儀器技術的核心思想是利用計算機的硬/軟件資源，使本來需要硬件實現的技術軟件化(即虛擬化)，以便最大限度地降低系統成本，增強系統的功能與靈活性?；谲浖赩I系統中的重要作用，美國NI公司提出了“軟件就是儀器”的口號。本系統所用的程序模塊以及它們之間的層次關系如下圖所示：

圖1 程序模塊及其層次關系

2.1程序前面板設計

前面板相當于真實儀器可操作的面板，可以通過操作此面板來完成需要的任務，此前面板包括：開始運行按鈕，數字I/O線控制按鈕，通道選擇，輸入采集次數控制量，顯示均值和圖形顯示幾個控件。