基于LabVIEW的近红外测量系统的研究

0引言
近红外谱区[1]是指位于可见谱区与中红外谱区之间的一段电磁波谱，即介于780-2526nm的光区。近红外光谱（Near-infrared Spectroscopy, NIRS）可划分为短波长近红外波段和长波长近红外波段，其波段范围分别为780-1100nm和1100-2526nm。由于频率较高，NIR谱区分子对其吸收主要是分子振动的倍频与合频吸收。NIRS分析技术是通过被分析物质中的含氢基团，如OH、CH、NH、SH、PH等在近红外区域内表现有特征吸收，利用计算机技术及化学计量学方法，对扫描测试样品的光学数据进行一系列的分析处理，最后完成该样品有关成分的定量分析任务。由于它具有不破坏样品且快速、准确等优点，是20世纪90年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术 [2，3]。目前它在谷物检测领域已有着广泛的应用，如水分、蛋白、脂肪和纤维等指标的测定，近红外检测技术已经成为了一种公认的标准检测方法[4]。但是现有的近红外光谱分析仪器大多体积庞大，价格昂贵，不利于现场分析；或者功能单一，不易扩展和维护。

虚拟仪器[5]的概念，是美国国家仪器公司（National Instruments Corp.简称NI）于1986年提出的，它是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。本文结合虚拟仪器技术和近红外光谱分析技术，搭建了一个快速无损检测整粒小麦成分含量的系统。

基于虚拟仪器的近红外整粒小麦成分测量系统主要包括仪器软、硬件和建模软件。仪器软、硬件均采用模块化设计。硬件模块化主要由光路、检测器及信号调理电路和虚拟仪器的数据采集板卡组成；软件模块化主要由信号获取模块、I/O控制模块、数据分析模块、数据保存和显示模块组成。软件平台采用的是图形化的编程语言LabVIEW，建模采用逐步回归分析[6]方法。

1.硬件设计

1.1光路设计

光源部分由14个近红外发光二极管(LED)组成，每个发光二极管对应通过一个波长位于890nm～1050nm之间的近红外窄带干涉滤光片，形成单色的近红外光，近红外光经菲涅尔透镜汇聚到被测样品上，在样品中被散射吸收后，由检测器接收，由于LED的电流决定了它的光强，每支LED都有单独可以调节的恒流电路，以保证光源的稳定。

窄带干涉滤光片的带宽为10nm，所使用的范围为890nm～1050nm。测量的时候，先用各个波长依次照射样本，得到各波长样本的光谱数据，然后通过逐步回归算法挑出对待测成分有显著影响的波长。预测的时候，只需将所挑出波长的吸光度带入模型计算。

本系统采用单一的检测器，将14个波长的窄带滤光片尽可能紧密地排布在圆形的支架上，在通过同样电流的情况下LED在不同波长处的光强不同，因此，将LED发光较弱波长的滤光片（即波长与890nm和940nm相差较大的滤光片）排布在接近圆心的位置，以增强有效光强。

菲涅尔透镜的焦距是20mm，透镜距离支架是40mm，距检测器是20mm。菲涅尔透镜、支架、检测器垂直固定在通过它们中心的一条直线上。样品池厚度为20mm（扣除样品池壁后），样品池透光的两侧为磨砂面，以进一步增强光源的均匀性。样品池在测量范围内对各个波长近红外的透过率近似一致。因此由样品池引起的误差对各个波长来说近似一样。

1.2光源部分电路设计

本系统的光源采用近红外发光二极管，因为其光强小，对样品不会造成损坏，适用于无损检测，且使用寿命达到十年以上。选用波长分别为890nm、940nm，带宽为40nm~50nm。通过调整每支LED的电流，使各个波长通过窄带滤光片以后的光强近似一致。用电路控制LED轮流发光，以分时获得样品在单一波长下的光度值。为保证LED的电流稳定可调，采用恒流源电路。

1.3信号转换电路设计

检测器选择在短波近红外区相应敏感的硅光电池。由于光电池产生的短路电流与光强有良好的线性关系，通过I/V转换，可以得到提供AD转换的电压。由于光源LED的发光角度较小，有较好的单向性，可近似于平行光源。将LED放在菲涅尔透镜的2倍焦距处，检测器放在另一侧1倍焦距处，选用圆形的硅光电池，与滤光片的排布相对。

光电池工作在零偏置即光伏模式，实现精确的线性工作。光电池偏置由运算放大器的虚地维持在零电位上，短路电流被转换成电压。切换增益电阻的开关选择小型5V继电器，由数据采集卡中的I/O口通过一个三极管来控制通断，在测量空白光路的时候选择较小电阻，测量样品时，由于样品的吸收，光强较弱，选择较大电阻，获得较高的增益。

1.4数据采集卡

本系统采用的采集板为微机系统的扩展卡形式，数据采集卡是NI公司的PCI-6040E，用到的还有它的附件CB-68LP，其中CB-68LP是用来将PCI卡上的引脚引到主机外面方便连线的。

2.软件设计

虚拟仪器技术的核心思想是利用计算机的硬/软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化(即虚拟化)，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。基于软件在VI系统中的重要作用，美国NI公司提出了“软件就是仪器”的口号。本系统所用的程序模块以及它们之间的层次关系如下图所示：

图1 程序模块及其层次关系

2.1程序前面板设计

前面板相当于真实仪器可操作的面板，可以通过操作此面板来完成需要的任务，此前面板包括：开始运行按钮，数字I/O线控制按钮，通道选择，输入采集次数控制量，显示均值和图形显示几个控件。