基于微型近紅外光譜傳感器的液體肥組分檢測儀研制

王 博

（1.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004；2.北京市農林科學院 北京農業信息技術研究中心，北京 100097）

隨著滴灌技術與水肥一體化的推進，液態肥也得到了 越來越廣泛的使用[1]。但是，如何對液態肥中的有效組分進行快速檢測，仍是一個亟待解決的關鍵問題。傳統的分析化學滴定法[2]、色譜法[3]等實驗室檢測方法，雖然可以較為精確地對液態肥的組分含量進行檢測[4]，但是樣品的制備費時費力、檢測花費高昂。

針對這一問題，本設計通過利用新型的MEMS近紅外傳感器研制了便攜式近紅外光譜檢測設備。新型的MEMS近紅外傳感器內集成了法布里-珀羅諧振腔（FPI）、InGaAs光電二極管和溫度傳感器，可以有效簡化光路設計并減小設備體積，為研制便攜式的近紅外快速檢測設備提供了可能[5]。

1 MEMS-FPI檢測原理

1.1 朗伯-比爾定律

近紅外光譜是一種分子吸收光譜，其理論核心是朗伯-比爾定律。當一束平行單色光通過某一均勻非散射的吸光物質時，其吸光度與吸光物質的濃度及吸光物質的厚度成正比。其定律公式如下：

式（1）中，A為吸光度；I0為入射光強；Iα為吸收光強；K為比例常數（是由待測物的厚度、溫度及入射光的波長等因素所決定）；L為待測物的厚度；C為待測物的濃度。

檢測設備在實際測量中常常受到暗噪聲的影響。因此，在實際計算中需要先將入射光強和透射光強減去暗噪聲。

式（2）中，Ιt為檢測到的透射光強；Ιb為設備檢測到的暗噪聲，主要是由環境噪聲和設備噪聲所構成。在物質濃度檢測時，通常情況下在光源不打開并且不放入樣本的情況下，設備檢測到的信號為暗背景（暗噪聲）。但由于測量環境的不同，儀器工作狀態的不同都會導致暗背景不同。因此，在每次采集樣品光譜前，都需要重新對暗背景進行采集。

1.2 MEMS-FPI諧振腔濾光原理

法布里-珀羅諧振腔是一種濾光片型分光器件。其主要是由兩個平行的鏡片以及兩鏡片之間的諧振腔構成，如圖1所示。在兩個玻璃鏡片的相對內表面會鍍有高反射率的金屬膜。為了避免鏡片內外表面平行時反射光的影響，常常將兩鏡片做成有很小棱角的梯形。其濾光原理如圖1所示。

當入射光滿足d=λ/2M（M為正整數）的諧振條件時，該波長的單色光具有較大的透過率。通過調節兩鏡片之間的距離d，可以對透過的不同波長的光進行選擇。

圖1 法布里-珀羅諧振腔結構示意圖Fig.1 Fabry-Perot resonator structure diagram

圖2 整體外形圖Fig.2 Overall shape diagram

2 基于MEMS近紅外液體肥組分檢測器的總體設計

檢測器的設計主要包括3個部分：總體結構與外型設計、儀器硬件電路設計和系統軟件設計。

2.1 總體結構與外型設計

為了使用和攜帶的便利性，將設備外型設計為便攜式水杯結構。該結構在液體肥組分檢測時，省去了移液器、比色皿等實驗器材的使用，并且便于液體的更換與設備清理。將其分為上部杯體和下部杯托兩部分：上部杯體主要包括杯蓋和杯體兩部分，在杯蓋中放置電池、光源及其驅動電路，杯體用來盛放待檢測液；下半部杯托結構主要是用來放置傳感器及其驅動電路。其整體結構圖如圖2所示，整體結構爆炸圖如圖3所示。

如圖3所展示的，在杯蓋中放入卡扣的光源燈柱，并把光源下放，杯底有直徑為9mm的開孔，并使用石英玻璃進行密封。這樣設計的主要是為了縮短光在液體中的照射光程，進而可以減少水對近紅外光的吸收。在杯托與杯底開孔對應的位置，都有直徑為9mm的開孔，用來將光源的光打在探測器上。杯托上有直徑6mm，深1mm的凹槽，用來固定杯子的位置，并且確保光源與探測器在一條直線上。

圖3 整體結構爆炸圖Fig.3 Explosion diagram of the overall structure

圖4 系統框圖Fig.4 System block diagram

2.2 儀器硬件電路設計

儀器的硬件電路主要以MEMS-FPI近紅外傳感器為核心進行設計。本設計的系統框圖如圖4所示。

從圖4中可以看出，系統主要由FPI諧振腔控制電路、測溫電路、I/V運放及信號處理電路、AD采集電路及主控電路組成。

FPI諧振腔控制電路是該驅動電路的關鍵，FPI諧振腔是通過靜電力對上下兩鏡片之間的距離進行控制，從而透過不同波長的光。該探測器的控制電壓輸入范圍為0V～38V，其透過的光的不同波長與電壓的對應關系為：

式（3）中的αn為常數可以通過查表的方式得出，V為控制電壓；λ為對應的波長。本設計使用MCU輸出時序，控制D/A轉換芯片輸出0V～5V的鋸齒波，而D/A轉換芯片是利用開關芯片進行控制。首先，驅動板讀取探頭溫度，并計算在該溫度下FPI諧振腔的控制電壓范圍。當MCU輸出時序所對應電壓達到該范圍最小值時，開關芯片控制D/A轉換打開；當輸出電壓到達該范圍最大值時，開關芯片關閉D/A轉換，輸出梯形鋸齒波。梯形鋸齒波經過放大器放大后，作用在FPI諧振腔的下層鏡片。

圖5 LT3905升壓電路Fig.5 LT3905 Boost circuit

升壓部分采用AD公司的LT3905電流模式升壓芯片。通過fSEL引腳接地，設置芯片內部的開關頻率為1MHz，放大器內部基準電壓為1.248V，通過CTRL引腳輸入鋸齒波電壓可以對APD偏置電壓進行控制。其電路連接配置圖如圖5所示。

其輸出電壓進行溫度補償公式如下：

式（4）中，V0是在T0=25℃的情況下各個波長λ所對應的電壓值。λ所對應的V0可以通過查表可得。V為在溫度為T的情況下，由LT3905輸出的電壓。

MEMS-FPI近紅外傳感器內部集成了熱敏電阻，通過熱敏電阻R1與一個低溫漂的高精度10K電阻R2進行串聯。在探頭內輸入的5V標準電壓U0進行供電的情況下，只要讀取串聯的低溫漂電阻的分壓U2就可以知道探頭內熱敏電阻與串聯電阻的阻值之比，得出熱敏電阻計算公式（5），從而得出探頭的熱敏電阻在該溫度下的阻值。再利用公式進行計算，得出熱敏電阻在輸出該阻值情況下的溫度：

該MEMS-FPI近紅外傳感器的感光窗口較小，直徑只有3mm。InGaAs光電二極管產生uA級的感應電流，需要I/V運放電路對信號進行放大。I/V運放電路使用ADG1612芯片對運放增益進行選擇，合理設置增益倍數，對信號進行放大，同時需要配合失調電壓補償電路對失調電壓進行補償。

圖6 系統軟件整體工作流程圖Fig.6 Overall workflow flow chart of the system software

主控電路使用意法半導體的stm32f407作為主控芯片，用芯片自帶的12位逐次逼近模擬數字轉換器。在72MHz的工作頻率下，模數轉換時間僅為1.17us。STM32F407芯片是一種低功耗、高性能的微控制器，其內核是Cortex-M4。由于其具有較小的體積，較強的處理能力和足夠的I/O口，所以本設計將其作為主控芯片。

2.3 儀器系統的軟件設計

本設計的軟件開發系統為Keil4 for ARM，使用C語言對軟件進行編寫，模塊化結構設計。系統軟件整體工作流程圖如圖6所示，從中可以看出其主要由模式選擇模塊、光源控制模塊、驅動電路電壓控制模塊、光譜采集模塊和數據傳輸模塊構成。

3 實驗驗證

3.1 設備穩定性驗證

在液體肥組分實驗之前，首先進行了系統的穩定性實驗。打開光源照射空白比色皿，同時開啟探測器。在一個小時的時間內，連續采集了50條光譜，檢測范圍為檢測器全波段（1550nm～1850nm）。將探測到的光譜數據進行處理，計算得出每一個波長處的相對標準差，并得到圖7。從圖7中可以看出，其相對標準偏差在1550nm處最大，最大為0.39%，整體的相對標準差基本可以穩定在0.1%以下。因此，說明該光學系統是比較穩定的，系統誤差較低，可以忽略。

相對標準差計算公式為：

圖7 系統穩定性Fig.7 System stability

3.2 實驗結果與分析

本設計的近紅外光譜檢測設備主要是為對液態肥的組分進行檢測，為了驗證所研制的檢測系統的可行性，利用磷酸氫二銨來配置液體肥溶液，并利用該設備進行了檢測和建模分析。

3.2.1 實驗設計

將10mg～200mg的樣本溶于10mL的超純水中，配置成濃度范圍為0g/L～20g/L的樣品溶液，設置梯度為20個。磷酸氫二銨樣品為99%的分析純，購買于天津巴斯夫化工有限公司。

3.2.2 實驗步驟

1） 打開探測器，在無光源的條件下采集數據。采集到的數據為暗背景I1，即環境干擾光和設備的暗噪聲。

2） 打開光源，在不注入樣本的情況下采集數據。采集到的為實驗的白背景I0，即光源發出的光在通過空白時所被檢測到的光強。

3） 注入磷酸氫二銨溶液樣本，進行檢測，得出樣本光強I2。

4） 對前3步檢測到的數據利用公式（7），計算得出透過率和吸光度。

吸光度計算公式為：

每組數據采樣10次，對采集到的200條實驗光譜進行交叉驗證建模分析。

3.2.3 實驗結果

通過表1內5種預處理方法的對比，發現一階求導之后的建模效果最好，其相關系數最大，并且均方根誤差也是最小的。因此，本文提出的建模方法得到的建模結果對磷酸氫二銨的含量預測結果較為精確，精度也比較高。

表1 常用的5種預處理方法經過PLS建模后的結果對比Table 1 Comparison of the results of the 5 preprocessing methods commonly used after PLS modeling

4 總結

本設計是基于微型近紅外光譜傳感器研制的液體肥組分檢測儀，成功探測到了光譜信息。對系統的穩定性進行了驗證，得到了較好的結果，證明該系統較為穩定，滿足了檢測的需要。通過對配制的液體肥進行檢測和建模分析，得到了較好的建模結果，證明了該設備對液態肥組分檢測的可行性。