采用LabVIEW的近紅外測量方案

近紅外譜區(1)是指位于可見(jiàn)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(cháng)近紅外波段和長(cháng)波長(cháng)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(dòng)的倍頻與合頻吸收。NIRS分析技術(shù)是通過(guò)被分析物質(zhì)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(shù)及化學(xué)計量學(xué)方法，對掃描測試樣品的光學(xué)數據進(jìn)行一系列的分析處理，最后完成該樣品有關(guān)成分的定量分析任務(wù)。由于它具有不破壞樣品且快速、準確等優(yōu)點(diǎn)，是20世紀90年代以來(lái)發(fā)展最快、最引人注目的光譜分析技術(shù) [2，3]。目前它在谷物檢測領(lǐng)域已有著(zhù)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(shù)已經(jīng)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(jià)格昂貴，不利于現場(chǎng)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(jiǎn)稱(chēng)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(hù)設計和定義，具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件實(shí)現的一種計算機儀器系統。本文結合虛擬儀器技術(shù)和近紅外光譜分析技術(shù)，搭建了一個(gè)快速無(wú)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(yǔ)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(gè)近紅外發(fā)光二極管(LED)組成，每個(gè)發(fā)光二極管對應通過(guò)一個(gè)波長(cháng)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(jīng)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(shí)候，先用各個(gè)波長(cháng)依次照射樣本，得到各波長(cháng)樣本的光譜數據，然后通過(guò)逐步回歸算法挑出對待測成分有顯著(zhù)影響的波長(cháng)。預測的時(shí)候，只需將所挑出波長(cháng)的吸光度帶入模型計算。

本系統采用單一的檢測器，將14個(gè)波長(cháng)的窄帶濾光片盡可能緊密地排布在圓形的支架上，在通過(guò)同樣電流的情況下LED在不同波長(cháng)處的光強不同，因此，將LED發(fā)光較弱波長(cháng)的濾光片（即波長(cháng)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(guò)它們中心的一條直線(xiàn)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(jìn)一步增強光源的均勻性。樣品池在測量范圍內對各個(gè)波長(cháng)近紅外的透過(guò)率近似一致。因此由樣品池引起的誤差對各個(gè)波長(cháng)來(lái)說(shuō)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(fā)光二極管，因為其光強小，對樣品不會(huì )造成損壞，適用于無(wú)損檢測，且使用壽命達到十年以上。選用波長(cháng)分別為890nm、940nm，帶寬為40nm~50nm。通過(guò)調整每支LED的電流，使各個(gè)波長(cháng)通過(guò)窄帶濾光片以后的光強近似一致。用電路控制LED輪流發(fā)光，以分時(shí)獲得樣品在單一波長(cháng)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(chǎn)生的短路電流與光強有良好的線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)I/V轉換，可以得到提供AD轉換的電壓。由于光源LED的發(fā)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(shí)現精確的線(xiàn)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(kāi)關(guān)選擇小型5V繼電器，由數據采集卡中的I/O口通過(guò)一個(gè)三極管來(lái)控制通斷，在測量空白光路的時(shí)候選擇較小電阻，測量樣品時(shí)，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(lái)將PCI卡上的引腳引到主機外面方便連線(xiàn)的。
軟件設計
虛擬儀器技術(shù)的核心思想是利用計算機的硬/軟件資源，使本來(lái)需要硬件實(shí)現的技術(shù)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(guān)系如下圖所示：

圖1 程序模塊及其層次關(guān)系