光柵型高速掃描近紅外光譜儀的研發

(1.江蘇大學機械工程學院，鎮江，212013；2.上海棱光技術有限公司，鎮江，212013；3.江蘇大學食品工程學院,鎮江，212013)

1 引言

近紅外光譜分析技術是一種以分子振動對近紅外光的吸收特性為基礎的快速檢測技術。與傳統測量技術相比，近紅外光譜分析技術具有速度快、成本低、無損、無污染等優勢，被廣泛的應用于食品安全、石油化工、生物醫藥、農林牧業等領域[1]。

常見的近紅外光譜儀可分為濾光片式、光柵掃描色散式、傅里葉變換式(Fourier Transform Spectrometer,FT)、聲光可調濾光器型(Acousto-optic Tunable Filter,AOTF)以及基于微機電(MEMS)技術等多種工作方式。目前國內市場占有率較高的近紅外光譜儀主要是傅里葉變換式光譜儀和光柵掃描式光譜儀。傅立葉變換型光譜儀具有波長掃描速度快、精度高、分辨率較好的優點，但其核心部件傅立葉干涉儀體積較大，成本高。光柵掃描型光譜儀具有全譜掃描、分辨率較高，結構簡單、造價低等優點，但由于常規采用步進電機加絲桿的結構，造成了其光譜掃描速度低的缺點。針對上述問題，本研究設計的光柵掃描型光譜儀，采用齒輪傳動機構，通過機械細分與步進電機的電細分相結合，有效提高了波長掃描速度與波長控制精度，并設計完成了光學系統和光譜儀控制系統，為光柵型近紅外光譜儀的進一步開發提供依據，促進其智能化發展。

2 光譜儀總體設計

2.1 工作原理

光譜儀是通過光柵衍射作用將復色光分為不同波長單色光的分光儀器。單色光與樣品池中的樣品相互作用，經過積分球均勻，再由探測器檢測。通過計算待測物品樣品和參比的反射光強比值，得到待測物質的吸光度值。

根據光柵衍射理論，平面反射光柵的光柵方程為[2]：

mλ=dsinα-sinβ,m=0,1,2,…

(1)

式中：d為光柵常數；α為入射光與光柵法線N的夾角；β為衍射光與光柵法線N的夾角；λ為衍射光波長；m為光柵衍射光譜級數，當m= 0時為零級光，包含所有波長，為復合光。一般選用能量較強的一級光(m= 1)作為出射光。

式(1)經過三角函數變換，可得：

(2)

由于光譜儀入射狹縫A和出射狹縫B固定，即光柵面的入射光線和輸出衍射光線的夾角為固定值，設夾角為2δ。如圖1所示，當光柵位于零級譜位置時，入射角α等于出射角β,光柵法線與入射光線和衍射光線的夾角平分線重合。

圖1 閃耀反射光柵分光原理圖

當光柵相對于零級光譜位置轉動角度θ，則有：

(3)

將式(3)帶入式(2)并進行換算，可推得光柵波長與相對于零級光譜位置轉動角度的關系式：

λ=2dsinθcosδ

(4)

步進電機的步距角為j，步進電機驅動器的細分比為k1，齒輪的傳動比為k2，光柵由初始位置旋轉至零級光位置所走的步數為S0，旋轉至某一波長單色光所走的步數為S，則步數S與波長λ的函數關系為:

(5)

其中，步距角j=0.9°，k1=128，k2=12。由于生產過程中存在一定的加工、安裝等誤差等，導致不能使用機械設計時確定的參數來計算，需要進行重新標定。系統通過測定高壓汞燈特征譜線，并根據其特征波長對應實際脈沖數，采用正弦函數最小二乘擬合[3]，得到實際參數。然后根據實際系數重新完成波長標定。

2.2 儀器總體結構

光譜儀主要由分光系統、信號處理系統，控制系統及上位機組成。整體結構如圖2所示。

圖2 儀器總體結構圖

分光系統包括光源、濾色片，由步進電機及齒輪驅動的平面反射型衍射光柵(單色器)；信號處理系統包括探測器制冷電路、信號調制電路和A/D轉換電路；控制系統采用STM32作為主控芯片，實現電機驅動模塊、信號采集模塊、USB接口模塊的控制。上位機系統對數據進行處理、顯示和保存。

2.3 硬件設計

(1)分光系統

采用鹵鎢燈作為光源，安裝濾光片消除多級重疊譜線，采用Czerny-Turner光路結構，消慧差設計，結構緊湊，可有效抑制雜散光。工作原理圖如圖3所示。

圖3 分光系統原理圖

光源發出的復合光，經聚光鏡匯聚到入射狹縫處，通過濾光片選擇波段后，經過準直鏡使入射光形成平行光射向光柵。光柵將復合光分成連續波長的單色光，單色光經成像鏡的反射后匯聚在不同的位置。步進電機驅動齒輪帶動光柵轉動，各路出射光的像點水平移動，相應波長的光依次從出射狹縫中射出，進入樣品池中。由此只需控制步進電機轉動的角度即可實現波長的自動掃描[4]。

齒輪掃描結構如圖4所示。步進電機驅動主動小齒輪，帶動扇形齒輪驅動光柵軸套轉動，從而轉動光柵實現波長掃描，完成近紅外復合光的分光過程。平臺底板上固定設置有定位光耦，與扇形齒輪上的定位桿干涉來確定初始位置。為了提高波長的控制精度和掃描速度，采用機械細分與電細分相結合。設計減速齒輪的傳動比12∶1，步進電機驅動器細分比為128∶1，可達到0.00078125°的理論控制精度。

圖4 齒輪光柵掃描結構示意圖

(2)信號處理系統

信號處理系統主要由探測器制冷、信號調制、A/D采集等3個部分組成。照射到探測器上的光信號首先由光電轉換模塊轉換為電信號，再由信號調理模塊進行放大處理后，模數轉換器進行量化采集，生成處理器可處理的數字信號。

光電轉換模塊選用銦鎵砷PIN光電二極管G12183-130K，其光譜響應范圍為900 ～ 2570nm的近紅外波段，峰值靈敏度波長為2300nm，暗電流為90μA。

如圖5所示，選擇零伏偏置電路作為電流-電壓轉換電路。光導模式下，光電二極管具有反向偏置電壓，可以實現高速測量，但要犧牲一定的線性。同時由于存在偏置電壓，即使在沒有光照的情況下，仍然有一個非常小的暗電流，該電流產生的散粒噪聲會成為附加的噪聲源。光伏模式下，光電二極管無外加偏置電壓，信號的線性度比較好，能夠進行精確測量，并且在無偏置電壓條件下，無暗電流存在。探測器輸出的光電六量級僅為幾十nA，應盡量減少電路本身引進的噪聲。

圖5 光伏模式

在信號調理模塊中，由于探測器生成的電信號非常微弱，很容易就淹沒在噪聲背景中，因此需要信號放大電路實現信號放大[5]。信號放大電路如圖 6所示，利用高增益的運算放大器和極高反饋電阻構成閉環放大電路，光電二極管的等效輸入電阻和暗電流接近于零，利用光電二極管的短路電流作為其輸出電流進行電流-電壓轉換處理得到電壓信號，同時可以獲得良好的光電響應特性和較高的信噪比。并采用相同的運算放大器構成電壓跟隨器，作為緩沖電路實現上下級電路的阻抗匹配。為了抑制共模噪聲，降低二次諧波失真，提高信噪比，采用芯片A/D8476實現差動放大。

圖6 I-V轉換及前置放大電路

A/D7175芯片是一款24bit高精度模數轉換芯片，支持兩路全差分或4路單端輸入，輸出速率范圍為5 samples/s ～ 250 ksamples/s，接口兼容SPI協議，與STM32傳輸數據。根據A/D7175芯片手冊，設計了模數轉換電路。如圖7所示，輸入信號經電壓跟隨器傳送給模數轉換芯片A/D7175，A/D的采樣時鐘由控制信號由STM32定時計數器產生。

圖7 A/D轉換電路圖

近紅外探測器要求工作在恒定的溫度條件下，以達到較高的測量精度與穩定性[6]。設計基于制冷控制芯片MAX1969的探測器制冷電路，如圖8所示。探測器中熱敏電阻的采樣電壓與通過滑動變阻設定的溫度電壓在減法器中比較后進行PID調節，最后以電壓的形式輸出到MAX1969的CTL1引腳上，使其輸出變化的電流控制探測器內部TEC進行制冷。

圖8 制冷控制電路圖

(3)STM32控制系統

控制系統主要包括電源模塊、電機復位模塊、步進電機控制模塊、數據采集模塊和USB接口模塊。考慮到主控電路主要實現數據的采集和傳輸，選用了STM32f429芯片作為系統的微處理器。它采用了先進的ARM Cortex-m4內核，不僅運行速度高、處理能力強，具有 USB2.0全速接口，簡化了硬件電路的設計，降低了系統成本。

2.4 軟件設計

軟件部分由上位機軟件部分和下位機軟件部分構成，上位機軟件主要完成對信號的分析、顯示以及與下位機的通訊。下位機軟件負責接收上位機軟件的配置完成對系統的自檢、調零、掃描控制、電機狀態檢測、數據采集與處理等工作。

基于STM32 F429的控制系統的軟件部分在keil開發環境下，采用C語言編寫。為了方便系統的調試和修改，軟件程序的設計方面采用了功能程序模塊化的設計思路。主要的功能包括系統初始化模塊、數據采集模塊、數據處理模塊和數據通訊模塊。系統的主程序就是循環調用這些子模塊來實現對軟硬件資源的有機管理。下位機軟件主要負責接收上位機的配置指令，完成系統的自檢、調零、掃描控制、數據采集等工作。其工作流程：STM32F429微處理器接收上位機的配置指令后，首先對儀器進行預熱處理，使光源工作溫度穩定在設定值，對探測器進行制冷調節。根據上位機的光譜掃描指令，控制步進電機轉速與掃描間隔，對樣品池進行光譜掃描。探測器檢測的模擬信號經高速ADC由主控制器采集，經過與上位機的通信接口傳輸至上位機進行數據處理。如圖9所示下位機軟流程圖。上位機控制系統負責實現人機界面交換、系統參數設置、光譜數據處理、顯示及各種功能測試，并把光譜數據存為標準格式，以便于分析軟件讀取和處理。

圖9 下位機軟件流程圖

上位機軟件用C#編寫，軟件框圖如圖10所示。

圖10 上位機光譜儀控制軟件功能框圖

其中，波長校正模塊，實現對近紅外光譜儀波長校正系數文件進行讀取與計算，得到各點對應的波長值；儀器控制模塊，實現對近紅外光譜儀的控制、設置掃描參數等；測量控制模塊，用于采集儀器的暗電流信號、參比信號以及將采集到的樣品光譜信號值轉換為吸光度的形式；數據存儲模塊，實現將采集到的光譜數據以純文本文件(csv)格式保存，文件中包含了光譜儀波長變量和樣品吸光度值，文件頭部添加光譜采集信息，如波長變量個數、有無樣品化學值、數據存儲時間、暗電流信號以及參比數據等，方便使用者導入NIRSA化學計量學軟件進行模型建立。譜圖顯示模塊，實現顯示采集完成的光譜數據，并在完成全部樣品數據采集后進行譜圖顯示，用來分析各光譜數據間的差異[7]。

3 光譜儀性能測試分析

3.1 基線(100%T線)穩定性

圖11 光譜100%T線標準偏差圖

3.2 波長準確性

光譜儀的波長準確性是指儀器測定標準物質某一譜峰的波長與該譜峰標定波長之差。通過3次測試高壓汞燈和幾種窄帶濾波片的特征光譜值，比較幾種特征峰的平均值與理論波長的相對誤差，結果如表1所示，分析可知該儀器的波長準確性基本達到了理論波長準確性。

表1 高壓汞燈定標波長準確性測試

3.3 分辨率

儀器分辨率為測量光源譜峰半寬度值。測量高壓汞燈特征譜線，如圖12所示特征譜清晰，半高寬均小于等于6nm，達到近紅外光譜儀的一般要求。其中1357nm和1367nm兩根相隔10nm的譜線可清晰分辨開。按照光譜儀分辨率的檢定規程，足以說明研制的近紅外光譜儀分辨率達到了小于10nm的水平。

圖12 樣機測得的高壓汞燈譜圖

3.4 掃描速度

在確保數據采集準確度和儀器良好重復性的情況下，波長掃描速度優于85nm/s，掃描一遍全光譜并輸出光譜圖譜的總時間< 8 s，相較于現有國內產品的近紅外光譜儀掃描全譜時間一般在30～120 s的近紅外光譜速度有明顯的提升。

4 結論

提出一種采用齒輪驅動光柵的波長掃描方案，采用STM32微處理器，實現了步進電機驅動控制、A/D轉換控制，軟硬件通訊等功能，設計了光電轉換電路、信號調理電路和探測器制冷控制電路；在上位機軟件中完成了光譜數據的采集、處理以及圖形化顯示；并對樣機進行了性能測試，選用面粉進行了定量分析試驗。初步測試結果試驗表明：該儀器掃描范圍為1000nm～2500nm，掃描速度達到240nm/s，光譜分辨率6nm，波長準確性，基線穩定性0.0005 A/h。該儀器測量速度快且測量精度較高，操作簡便，成本優勢突出。

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