微型近紅外光譜檢測系統(tǒng)溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)

邱麗湖　陸道禮　馮　幫　耿德春　陳　斌

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

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微型近紅外光譜檢測系統(tǒng)溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)

邱麗湖1陸道禮2馮幫1耿德春1陳斌2

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

摘要：針對溫度影響近紅外光譜的問題提出了解決方案：在MicroNIR-1700近紅外光譜儀上添加了環(huán)境溫度和樣品溫度的檢測附件及應(yīng)用軟件，使用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20和紅外溫度傳感器TN901及處理電路等構(gòu)成了溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，結(jié)合MicroNIR-1700的內(nèi)部命令集獲得儀器的溫度。這3個(gè)溫度參數(shù)奠定了微型近紅外光譜檢測系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償條件，可以為后續(xù)模型建立提供溫度補(bǔ)償信息。

關(guān)鍵詞：溫度補(bǔ)償；近紅外光譜；溫度傳感器

近紅外光譜分析技術(shù)廣泛用于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的快速無損檢測，但是隨著要求的變化，近紅外光譜檢測儀器開始從環(huán)境條件優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)室檢測轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)現(xiàn)場的快速檢測。然而研究表明，近紅外光譜分析技術(shù)受溫度影響非常明顯[1,2]；特別對于復(fù)雜組分，溫度對生物組織光學(xué)特性影響到近紅外光譜的一致性[3]，造成校正模型預(yù)測精度的下降。所以需要補(bǔ)償儀器、環(huán)境和待測樣品溫度變化對近紅外光譜的影響，提高校正模型的預(yù)測精度。

本研究使用MicroNIR-1700近紅外光譜儀作為微型近紅外光譜檢測系統(tǒng)的主要核心部件，該光譜儀的隨機(jī)軟件只包含最基本的儀器控制和光譜采集功能。雖然馮邦等人開發(fā)了光譜采集系統(tǒng)軟件和建模應(yīng)用軟件[4]，但是無環(huán)境溫度和待測樣品溫度的實(shí)時(shí)檢測功能，需要添加溫度檢測附件和開發(fā)應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能。本研究的意義在于：能夠同時(shí)檢測到工作時(shí)儀器本身的溫度、環(huán)境溫度和樣品溫度對應(yīng)的溫度值，為以后建立帶有溫度補(bǔ)償功能的近紅外校正模型提供溫度修正參數(shù)。

1MicroNIR-1700近紅外光譜儀

MicroNIR-1700近紅外光譜儀是由美國JDSU公司推出(圖1)，采用線性漸變?yōu)V光片(LVF，Linear Variable Filter)作為分光器件，使用陣列式InGaAs探測器，避免了采用光柵等類型的復(fù)雜分光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光譜儀的小型化。其體積為Φ45×42mm，重量僅為60g左右，運(yùn)行環(huán)境為-20~50℃(非凝結(jié))，存儲環(huán)境為-40~70℃(非凝結(jié))，通過USB供電以及控制儀器[5]。

圖1　JDSU MicroNIR-1700

2溫度檢測附件

溫度檢測附件是指為了測量環(huán)境溫度和待測樣品的溫度所需要的溫度傳感器和處理電路構(gòu)成的整體。影響近紅外光譜的溫度來自3個(gè)方面：儀器本身的溫度、檢測環(huán)境溫度和待測樣品的溫度。儀器自身的溫度由儀器內(nèi)部的溫度傳感器檢測，環(huán)境溫度的檢測通過使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20構(gòu)建1-wire(單總線)溫度檢測局域網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)，待測樣品的溫度經(jīng)過紅外溫度傳感器TN901加處理電路的方法獲得。

2.1　單總線溫度檢測局域網(wǎng)

1-wire技術(shù)構(gòu)建的局域網(wǎng)是一種主從式網(wǎng)絡(luò)，主要以PC或者單片機(jī)作為主機(jī)，其他的設(shè)備是從機(jī)，主機(jī)可以管理多個(gè)從機(jī)[6]。構(gòu)建該局域網(wǎng)使用單總線數(shù)字溫度傳感器—DS18B20和單總線與串口通信之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片—DS2480B。

DS18B20數(shù)字溫度傳感器[7]是MAXIM公司的產(chǎn)品。內(nèi)部ROM含有設(shè)備的唯一序列號，支持多個(gè)DS18B20相連，默認(rèn)情況下分辨率為12位。MicroNIR-1700近紅外光譜儀的運(yùn)行溫度在DS18B20的測量范圍(-55~125℃)，所以選擇DS18B20來測量外界溫度。利用MAXIM特有的單總線協(xié)議，DS18B20通過單線傳輸了數(shù)據(jù)信號，地址信號和控制信號。使用了DS18B20的寄生電源模式，并且選擇DS2480B[8]實(shí)現(xiàn)串口至1-Wire的接口轉(zhuǎn)換。DS2480B通過引腳 TXD 從主機(jī)串口輸入數(shù)據(jù)，將每個(gè)字符轉(zhuǎn)換成8個(gè)1-wire時(shí)隙告知從機(jī)。一旦1-wire對應(yīng)的波形發(fā)出后，通過串行口發(fā)出的數(shù)據(jù)字節(jié)就會經(jīng)引腳RXD返回1個(gè)字節(jié)告知主機(jī)。單總線溫度檢測局域網(wǎng)構(gòu)成的原理圖如圖2所示。其中為了保護(hù)DS2480B的單總線接口免受靜電干擾使用低電容ESD保護(hù)二極管—DS9503。1-wire上噪聲過大會引起非正常工作，可能斷開1-wire通信，所以需要外接R-C濾波電路。主機(jī)提供的接口是USB口，但是DS2480B芯片提供的是串口方式，所以選擇使用CH340芯片[9]設(shè)計(jì)了USB轉(zhuǎn)串口電路。

圖2　單總線溫度檢測局域網(wǎng)的原理圖

2.2　紅外溫度傳感器檢測溫度系統(tǒng)

紅外溫度傳感器TN901[10]的技術(shù)參數(shù)見表1。TN901為熱電堆傳感器，由溫差熱電堆和熱敏電阻組成，分別輸出目標(biāo)溫度信號和環(huán)境溫度信號，組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。它能接收物體發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，具有SPI接口，方便與單片機(jī)相連接。單片機(jī)對其檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理，并通過串口轉(zhuǎn)換成USB口連接到計(jì)算機(jī)，在軟件界面顯示獲取的溫度值。設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖4所示。

表1　溫度傳感器的規(guī)格參數(shù)

圖3　紅外溫度傳感器TN901的組成結(jié)構(gòu)

圖4紅外溫度傳感器檢測溫度系統(tǒng)框圖

3溫度檢測應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

溫度檢測應(yīng)用軟件是在Delphi下開發(fā)，界面顯示如圖5所示。它調(diào)用了FTDI公司提供的FTD2XX.DLL中的API(應(yīng)用程序編程接口)函數(shù)和MAXIM公司的軟件開發(fā)工具包TMEX SDK提供的動態(tài)鏈接庫中的API函數(shù)以及利用SPComm控件實(shí)現(xiàn)串口通信。本研究使用MicroNIR-1700近紅外光譜儀自身溫度傳感器、單個(gè)單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20以及紅外溫度傳感器TN901，所以需要選擇相應(yīng)的從機(jī)。一旦選擇了DS18B20測量溫度，需要考慮到計(jì)算機(jī)的COM端口，應(yīng)用的動態(tài)鏈接庫是IB97U32.DLL。通信接口類型(即默認(rèn)接口類型)值是5。通信接口數(shù)(即默認(rèn)接口數(shù))的值是1。通過查看計(jì)算機(jī)上的COM端口，選擇對應(yīng)的通信接口數(shù)才可以正常通信。當(dāng)選擇了需要測量的端點(diǎn)(儀器自身的溫度，環(huán)境溫度還是樣品溫度)時(shí)，對應(yīng)的溫度傳感器開始工作并且溫度監(jiān)測曲線動態(tài)地顯示。同時(shí)，溫度值可以存儲到數(shù)據(jù)庫以便處理和分析，建立模型時(shí)直接參考數(shù)據(jù)庫中的溫度值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，減小對近紅外光譜的影響。

圖5　溫度檢測系統(tǒng)應(yīng)用軟件界面

測量儀器自身溫度時(shí)，將命令C告知MicroNIR-1700近紅外光譜儀，通過調(diào)用函數(shù)“FT_Write”向光譜儀發(fā)送該命令[11]，此時(shí)溫度值就會采集到光譜儀緩存里面，等待一個(gè)延時(shí)，調(diào)用函數(shù)“FT_Read”就可以獲得響應(yīng)，得到單位為counts的溫度值。部分代碼如下：

CommandStr:='C'+#13;//命令C

CopyMemory(@FT_Out_Buffer, @CommandStr[1], Length(CommandStr));//放入到緩存

Write_USB_Device_Buffer(length(CommandStr));//將緩存放入到USB中。

sleep(50); //等待一段時(shí)間。

Get_USB_Device_QueueStatus;//獲取緩存

getDeviceTemp(FT_Q_Bytes);//得到儀器自身溫度的結(jié)果

測量環(huán)境溫度時(shí)，訪問DS18B20需要遵循單總線通信流程，即初始化、ROM命令和函數(shù)命令。函數(shù)命令內(nèi)的溫度轉(zhuǎn)換命令只適合于匹配了正確的單個(gè)DS18B20通信情況下有效。所以在電路中多個(gè)DS18B20相連接時(shí)，需要使用匹配ROM命令后才能溫度轉(zhuǎn)換[12，13]。部分代碼如下：

if(SetupDone)then

begin

flag:=TMTouchReset(SHandle);//復(fù)位單總線上的數(shù)據(jù)并返回結(jié)果

if ((flag=1) or(flag=2)) then

begin

TMTouchByte(shandle, $55);//匹配ROM命令

query:= TMRom(SHandle, @stateBuf, @romd[NUM]);//設(shè)置當(dāng)前從機(jī)的ROM

if( (TMAccess(SHandle,@stateBuf) =1) and (query=1 ))then//選擇當(dāng)前從機(jī)

begin

TMTouchByte(SHandle, $44);//溫度轉(zhuǎn)換命令

st:=GetTickCount+1000; //等待時(shí)間1S

while(GetTickCount

TMValidSession(SHandle);

flagrom:=TMTouchReset(SHandle);//復(fù)位

if((flagrom=1) or(flagrom=2)) then

begin

TMTouchByte(shandle, $55);//匹配ROM命令

query:= TMRom(SHandle, @stateBuf, @romd[NUM]);

圖6　主程序流程圖

if( (TMAccess(SHandle,@stateBuf) =1) and (query=1 ))then

begin

TMTouchByte(SHandle,$BE); //寫入命令，讀暫存器ram

· · ·//獲取溫度值

測量樣品溫度時(shí)，單片機(jī)采用中斷方式與上位機(jī)通信，若接收到上位機(jī)發(fā)送的命令為“S”開始運(yùn)行；若接收到“T”命令立即停止運(yùn)行。單片機(jī)內(nèi)部的主程序流程圖如圖6所示。上位機(jī)中利用Delphi提供的SPComm控件實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能。通過此控件可以設(shè)置串口狀態(tài)及串行通信協(xié)議，通信參數(shù)設(shè)置如下：

comm1.commName:=combobox1.text;//虛擬串口手動選擇

comm1.BaudRate:=9600;//波特率

comm1.startcomm;//打開串口

4系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證該儀器溫度檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在1周時(shí)間內(nèi)，每隔2天測量固定的水溫(35℃)，每次測量1min，取其平均值，并且計(jì)算測量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。由于紅外溫度傳感器TN901內(nèi)部結(jié)構(gòu)已有溫度修正功能，并且直接通過SPI方式輸出溫度值，所以不用測試其穩(wěn)定性。對數(shù)字溫度傳感器DS18B20設(shè)計(jì)了專用的電路，需要進(jìn)行穩(wěn)定性測試。通過恒溫水浴鍋將水的實(shí)際溫度控制在35℃，得到的結(jié)果如表2所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該傳感器的測量溫漂在0.04℃左右。

表2　溫度傳感器DS18B20一周內(nèi)測量35℃水溫穩(wěn)定性的結(jié)果

試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)：溫度傳感器DS18B20試驗(yàn)中兩者差值(實(shí)際值-實(shí)測值)的平均值是0.179℃，標(biāo)準(zhǔn)偏差是0.035℃。

5結(jié)束語

在MicroNIR-1700近紅外光譜檢測系統(tǒng)中添加了3種溫度的檢測方式：微型光譜儀自身的溫度通過內(nèi)部的溫度傳感器獲得；環(huán)境溫度采用溫度傳感器DS18B20檢測；樣品的溫度采用紅外溫度傳感器TN901非接觸式檢測。動態(tài)及時(shí)地獲取到影響近紅外光譜的儀器溫度，環(huán)境溫度和樣品溫度，可以修正溫度對近紅外建模的影響，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和校正模型的建立提供了溫度補(bǔ)償參數(shù)，提高了近紅外光譜分析的檢測精度。系統(tǒng)是在Windows系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)的，功能基本完整。為了滿足未來的生產(chǎn)實(shí)際對小型化、微型化的需要，開發(fā)手持式近紅外檢測儀器，需要進(jìn)一步開發(fā)以平板電腦或者智能手機(jī)等移動操作系統(tǒng)的近紅外光譜檢測平臺，同時(shí)開發(fā)基于安卓操作系統(tǒng)下檢測溫度的應(yīng)用軟件。

參考文獻(xiàn)

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資助項(xiàng)目：北京市科學(xué)技術(shù)委員會(D12110400110000，Z121104002812052)

儀器研制與改進(jìn)

A design for temperature compensation of micro near infrared spectrometric detection system.

QiuLihu1，LuDaoli2，F(xiàn)engBang1，GengDechun1，ChenBin2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang, 212013,China; 2.SchoolofFoodandBiologicalEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

Abstract:The MicroNIR-1700 spectrometer is added with an attachment and an application software to detect the environmental and sample temperature. The attachment consists of the 1-wire digital thermometer DS18B20, an infrared temperature sensor TN901, and other circuits, all of which constitute the temperature compensation system for the spectrometer. The software combines the command set of the MicroNIR-1700 spectrometer to obtain temperature of the device. These three temperature parameters establish the condition of temperature compensation for the mirco near infrared detecting system, which can provide information of temperature compensation for the subsequent model establishment.

Key words：temperature compensation; near infrared spectrum; temperature sensor

收稿日期：2014-11-20

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2015.02.001

通訊作者：陳斌，男，江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，教授、博導(dǎo)，E-mail:ncp@ujs.edu.cn。

作者簡介：邱麗湖，女，1990出生，碩士研究生，研究方向：測試計(jì)量技術(shù)及儀器。

基金項(xiàng)目：陣列式半導(dǎo)體激光器件的食品原料品質(zhì)近紅外快速檢測方法的研究，國家自然基金項(xiàng)目(31171697)；MEMS近紅外光譜儀及應(yīng)用軟件的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，2011年度江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)(BA2011112)。