基于LabVIEW的近紅外測(cè)量系統(tǒng)

近紅外譜區(qū)(1)是指位于可見(jiàn)譜區(qū)與中紅外譜區(qū)之間的一段電磁波譜，即介于780-2526nm的光區(qū)。近紅外光譜（Near-infrared Spectroscopy, NIRS）可劃分為短波長(zhǎng)近紅外波段和長(zhǎng)波長(zhǎng)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(qū)分子對(duì)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(tuán)，如OH、CH、NH、SH、PH等在近紅外區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)有特征吸收，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)及化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，對(duì)掃描測(cè)試樣品的光學(xué)數(shù)據(jù)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(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，是20世紀(jì)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(cè)領(lǐng)域已有著廣泛的應(yīng)用，如水分、蛋白、脂肪和纖維等指標(biāo)的測(cè)定，近紅外檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為了一種公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法[4]。但是現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)分析；或者功能單一，不易擴(kuò)展和維護(hù)。

虛擬儀器[5]的概念，是美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments Corp.簡(jiǎn)稱NI）于1986年提出的，它是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，其功能由用戶設(shè)計(jì)和定義，具有虛擬面板，其測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。本文結(jié)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(cè)整粒小麥成分含量的系統(tǒng)。

基于虛擬儀器的近紅外整粒小麥成分測(cè)量系統(tǒng)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(shè)計(jì)。硬件模塊化主要由光路、檢測(cè)器及信號(hào)調(diào)理電路和虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集板卡組成；軟件模塊化主要由信號(hào)獲取模塊、I/O控制模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)保存和顯示模塊組成。軟件平臺(tái)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(shè)計(jì)

1.1光路設(shè)計(jì)

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(duì)應(yīng)通過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)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(cè)樣品上，在樣品中被散射吸收后，由檢測(cè)器接收，由于LED的電流決定了它的光強(qiáng)，每支LED都有單獨(dú)可以調(diào)節(jié)的恒流電路，以保證光源的穩(wěn)定。

窄帶干涉濾光片的帶寬為10nm，所使用的范圍為890nm～1050nm。測(cè)量的時(shí)候，先用各個(gè)波長(zhǎng)依次照射樣本，得到各波長(zhǎng)樣本的光譜數(shù)據(jù)，然后通過(guò)逐步回歸算法挑出對(duì)待測(cè)成分有顯著影響的波長(zhǎng)。預(yù)測(cè)的時(shí)候，只需將所挑出波長(zhǎng)的吸光度帶入模型計(jì)算。

本系統(tǒng)采用單一的檢測(cè)器，將14個(gè)波長(zhǎng)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(zhǎng)處的光強(qiáng)不同，因此，將LED發(fā)光較弱波長(zhǎng)的濾光片（即波長(zhǎng)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(qiáng)有效光強(qiáng)。

菲涅爾透鏡的焦距是20mm，透鏡距離支架是40mm，距檢測(cè)器是20mm。菲涅爾透鏡、支架、檢測(cè)器垂直固定在通過(guò)它們中心的一條直線上。樣品池厚度為20mm（扣除樣品池壁后），樣品池透光的兩側(cè)為磨砂面，以進(jìn)一步增強(qiáng)光源的均勻性。樣品池在測(cè)量范圍內(nèi)對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)近紅外的透過(guò)率近似一致。因此由樣品池引起的誤差對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)近似一樣。

1.2光源部分電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的光源采用近紅外發(fā)光二極管，因?yàn)槠涔鈴?qiáng)小，對(duì)樣品不會(huì)造成損壞，適用于無(wú)損檢測(cè)，且使用壽命達(dá)到十年以上。選用波長(zhǎng)分別為890nm、940nm，帶寬為40nm~50nm。通過(guò)調(diào)整每支LED的電流，使各個(gè)波長(zhǎng)通過(guò)窄帶濾光片以后的光強(qiáng)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(zhǎng)下的光度值。為保證LED的電流穩(wěn)定可調(diào)，采用恒流源電路。

1.3信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)器選擇在短波近紅外區(qū)相應(yīng)敏感的硅光電池。由于光電池產(chǎn)生的短路電流與光強(qiáng)有良好的線性關(guān)系，通過(guò)I/V轉(zhuǎn)換，可以得到提供AD轉(zhuǎn)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(cè)器放在另一側(cè)1倍焦距處，選用圓形的硅光電池，與濾光片的排布相對(duì)。

光電池工作在零偏置即光伏模式，實(shí)現(xiàn)精確的線性工作。光電池偏置由運(yùn)算放大器的虛地維持在零電位上，短路電流被轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(cè)量空白光路的時(shí)候選擇較小電阻，測(cè)量樣品時(shí)，由于樣品的吸收，光強(qiáng)較弱，選擇較大電阻，獲得較高的增益。

1.4數(shù)據(jù)采集卡

本系統(tǒng)采用的采集板為微機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展卡形式，數(shù)據(jù)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(jī)外面方便連線的。

軟件設(shè)計(jì)

虛擬儀器技術(shù)的核心思想是利用計(jì)算機(jī)的硬/軟件資源，使本來(lái)需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化(即虛擬化)，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈活性?；谲浖赩I系統(tǒng)中的重要作用，美國(guó)NI公司提出了“軟件就是儀器”的口號(hào)。本系統(tǒng)所用的程序模塊以及它們之間的層次關(guān)系如下圖所示：

2.1程序前面板設(shè)計(jì)

前面板相當(dāng)于真實(shí)儀器可操作的面板，可以通過(guò)操作此面板來(lái)完成需要的任務(wù)，此前面板包括：開(kāi)始運(yùn)行按鈕，數(shù)字I/O線控制按鈕，通道選擇，輸入采集次數(shù)控制量，顯示均值和圖形顯示幾個(gè)控件。

2.2程序框圖設(shè)計(jì)

在LabVIEW中，程序框圖相當(dāng)于真實(shí)儀器內(nèi)部的器件和連線，這才是軟件編程中的靈魂。這部分主要包括信號(hào)獲取模塊，I/O控制模塊，信號(hào)分析模塊，數(shù)據(jù)獲取模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。

圖2為系統(tǒng)框圖程序，其中包括所用到的各種控制器和顯示器及各種函數(shù)和它們對(duì)應(yīng)的設(shè)置。

應(yīng)用實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本系統(tǒng)掃描了40個(gè)已知粗蛋白含量的整粒小麥樣品，得到40個(gè)光譜圖數(shù)據(jù)（如圖3）。

然后用36個(gè)樣品(4個(gè)被剔除)的光譜數(shù)據(jù)對(duì)整理小麥粗蛋白含量進(jìn)行建模和預(yù)測(cè)，其中26個(gè)作為校準(zhǔn)集，用于建立小麥粗蛋白含量與光譜數(shù)據(jù)之間的校準(zhǔn)模型；10個(gè)作為預(yù)測(cè)集，用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)能力。

校準(zhǔn)集樣品的建模模型為：

C=4.77-60.24A890+122.17A910-40.63A940+83.83A1020-89.66A1050

其中，C為整粒小麥樣品粗蛋白的含量，A890，A910，A940，A1020，A1050為對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)點(diǎn)的吸光度。

根據(jù)此關(guān)系模型，將掃描到的光譜圖中對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的吸光度值代入，即可得到某一整粒小麥粗蛋白含量值。其中校準(zhǔn)集中預(yù)測(cè)值與化學(xué)值的相關(guān)系數(shù)為R=0.845，標(biāo)準(zhǔn)差為SEC=0.84。預(yù)測(cè)集中預(yù)測(cè)值與化學(xué)值的相關(guān)系數(shù)為R=0.834，標(biāo)準(zhǔn)差為SEP=0.93。

由于建模樣品量少以及儀器本身掃描光譜也存在一定的誤差，其預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)化學(xué)值之間存在一定偏差，由上面的圖可以看出，盡管如此，在精度要求不很精密的場(chǎng)合（如現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、快速檢測(cè)等），已經(jīng)可以用于對(duì)整粒小麥粗蛋白含量進(jìn)行快速無(wú)損檢測(cè)了。

本文結(jié)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)定量測(cè)量近紅外整粒小麥成分（粗蛋白含量）的系統(tǒng)，系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試、軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三部分。此系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，實(shí)現(xiàn)了部分硬件的軟件化，節(jié)省了物質(zhì)資源，其硬件和軟件都采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，調(diào)試、擴(kuò)展和維護(hù)方便，人機(jī)界面友好，增加了系統(tǒng)的靈活性，能直接實(shí)時(shí)地對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。同時(shí)將本軟件程序打包成可執(zhí)行程序，可在沒(méi)有安裝LabVIEW軟件的電腦上運(yùn)行，使其不依賴于編程軟件來(lái)執(zhí)行，增加了它的適用范圍和靈活性。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：將虛擬儀器技術(shù)和近紅外光譜技術(shù)這兩種新技術(shù)結(jié)合起來(lái)搭建的測(cè)量整粒小麥成分的系統(tǒng)。