孫武堅 徐曉軒 陳 通 陸道禮 陳 斌*

(1.江蘇大學機械工程學院，鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學食品與生物工程學院，鎮(zhèn)江 212013； 3.南開大學物理科學學院，天津 300071)

儀器研制與改進

基于MEMS-FPI微型探測器的近紅外光譜檢測系統(tǒng)開發(fā)

孫武堅1徐曉軒3陳 通2陸道禮2陳 斌2*

(1.江蘇大學機械工程學院，鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學食品與生物工程學院，鎮(zhèn)江 212013； 3.南開大學物理科學學院，天津 300071)

開發(fā)了基于MESM-FPI 光譜傳感器(C13272-01)的近紅外光譜檢測系統(tǒng)。采用ATxmega128A3U微處理器為主控芯片，設計了兩路獨立可調(diào)光源、動鏡電壓控制單元、I-V積分放大電路及電源模塊。通過樣機性能試驗，對系統(tǒng)進行了基本性能評價并且建立酒精化學模型。試驗表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，酒精模型的校正相關系數(shù) (Rc) 和預測相關系數(shù) (Rp) 分別為0.988和0.998, 校正標準偏差 (RMSEC) 和預測標準偏差 (RMSEP) 分別為0.0452和0.0131。光譜檢測系統(tǒng)性能穩(wěn)定，便攜，可應用于農(nóng)產(chǎn)品無損檢測中。

微型 近紅外 法布里-珀羅 便攜 酒精

近紅外(NIR)光譜分析技術(shù)是近年來發(fā)展非常迅速的一種新的光譜分析測試技術(shù)，該技術(shù)是集光譜測量、計算機科學、化學計量學的有機結(jié)合[1]。與傳統(tǒng)破壞式檢測相比，近紅外光譜檢測以其快速、無損等優(yōu)點[2，3], 廣泛應用于農(nóng)業(yè)、生物學、石化、食品、醫(yī)藥、紡織等領域[4]。

目前近紅外光譜儀的分光系統(tǒng)非常豐富，常見的有濾光片型、掃描光柵型、固定 光柵型、傅里葉變換型、聲光可調(diào)過濾型、阿達瑪變換型、法布里-珀羅(Fabry-Perot Interferometer)型等[5]，不同的分光系統(tǒng)由于分光原理的不同，各自有屬于自己的優(yōu)缺點。其中法布里-珀羅型近紅外光譜儀是基于Fabry-Perot 干涉儀分光的原理[6，7]，較早提出利用干涉原理分光的可集成微型光譜儀，采用微機械加工技術(shù)在兩個硅片上進行加工形成兩個平行并可活動的緣反射鏡。其中一個硅片由一褶皺膜懸掛結(jié)構(gòu)支撐，在兩個硅片上附有金屬電極用靜電調(diào)節(jié)光學諧振腔的兩反射面距離。其工作電壓為0～70 V，但自由光譜范圍只有 37 nm。為了克服這一系統(tǒng)操作電壓高、響應速度慢等缺點，K. Hirabayashi, H.Tsuda 和 T. Kurokawa 對其進行了改進。隨著MEMS和MOEMS技術(shù)的發(fā)展，近些年來國際上開發(fā)出了MEMS掃描光柵型、 MEMS傅里葉變換等近紅外光譜儀，而目前比較成熟的MEMS 法布里-珀羅型近紅外光譜儀有Axsun公司生產(chǎn)的IntegraSpecTM系列[8]，其波長范圍1350 nm～1800 nm，尺寸(L×W×H):178 mm×114 mm×62 mm，單點GaSb檢測器。但由于成本和大小的限制，實用微型化推廣還有很大的難度。

為了解決市場對近紅外光譜儀器的微型化、實用化的需求。本文介紹了開發(fā)的集成度高、便攜、尺寸小且可以與Android移動客戶端直接相連進行光譜采集的MEMS-FPI型近紅外光譜檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設計與實現(xiàn)

圖1是系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖。主要由光源模塊、光譜儀及Android手機移動客戶端3部分構(gòu)成。光源采用額定電壓3.4V、電流0.43A的鹵素燈，為達到光源功率可調(diào)的功能，采用16bit的DAC轉(zhuǎn)換實現(xiàn)光源電壓的精確調(diào)節(jié)。MEMS-FPI型微型光譜檢測體統(tǒng)主要是由電壓驅(qū)動單元、I/V放大電路模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、溫度采集、電源模塊等組成。以Atmel公司的ATxmega128A3U為微控制芯片通過USB實現(xiàn)移動客戶端的對光譜的采集、數(shù)據(jù)的處理及顯示。Android手機客戶端主要負責數(shù)據(jù)的采集、譜圖顯示及模型調(diào)用預測功能，用戶不僅可以實現(xiàn)光譜的采集而且可以對已建立模型的樣品進行預測。如圖2所示是系統(tǒng)的實物圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 系統(tǒng)連接實物圖

1.1 光源功率調(diào)控的設計

光源是近紅外光譜儀器的重要的組成部分，負責提供測量所需的光能。設計選用的光源為鹵素燈，燈泡在燈絲、石英罩、密封等方面具有特殊設計，燈泡維持度好。所謂維持度，就是當燈泡點到70%的額定壽命時，光源的輸出量與最初的光輸出量比值。本設計的燈泡維持度能維持在85%～98%之間，長時間使用后能夠保持足夠高的輸出能量，降低了校準成本。光源的一致性好，主要體現(xiàn)在電源穩(wěn)定的情況下，流過每只燈泡的電流差異只有5%，每只燈泡的通光量差異只有15%～20%之間，這樣良好的一致性，減少了儀器調(diào)試的難度，降低了成本。光源通過獨立可調(diào)驅(qū)動電路設計，一方面避免了光譜儀驅(qū)動板電流大和溫度升高的影響；另一方面可以在測試不同樣品時根據(jù)對不同光強的要求進行調(diào)整。為了達到精準的光源電壓可調(diào)，可調(diào)范圍2.8V～3.4V并且精度達到0.05V。采用的TI公司的低功耗的16位DA轉(zhuǎn)換器DAC8531，該轉(zhuǎn)換器時鐘頻率高達30 MHz，工作時電源供電范圍2.7～5.5 V，微控制器的數(shù)字量輸出經(jīng)DAC8531轉(zhuǎn)換為電平基準信號。如圖3所示是DAC8531的配置原理圖，設計了兩路轉(zhuǎn)換滿足兩個光源同時工作的要求。

圖3 DAC8531的配置原理圖

1.2 MEMS-FPI 光譜傳感器

系統(tǒng)采用日本濱松(HAMAMTSU)公司的MESM-FPI 光譜傳感器C13272-01(圖4)，其主要特性如表1所示，光譜范圍是1550 nm～1850 nm的近紅外波段，波長重復性±2 nm，暗電流(ID)最大40 nA，重量只有1 g，主要由FPI(法布里-珀羅干涉儀)可調(diào)濾波器、溫度傳感器及InGaAs單元探測器組成，光譜分辨率半峰寬(peak width at half height, FWHM)最大20nm，和普通的光譜傳感器不一樣的是MESM-FPI 光譜傳感器內(nèi)置了單元探測器，沒有使用昂貴的陣列探測器，極大的降低了成本，并且由于可調(diào)濾波器和探測器在同一入射光的方向，使得設計簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，外觀小巧，重量輕等特點在與移動客戶端的聯(lián)合開發(fā)上體現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。

圖4 MEMS-FPI 光譜傳感器C13272-01

參數(shù)最小值典型值最大值單位光譜范圍-1550～1850-nm半峰寬(FWHM)--20nm波長重復性-±2-nm穩(wěn)定時間(0→Vλ1550nm)-1-msec探測器暗電流(ID)-440nA熱敏電阻9.6-10.4kΩ

1.3 電路的設計

電路主要包括電壓控制單元、積分I-V放大、A/D轉(zhuǎn)換、AVR單片機最小系統(tǒng)及電源等模塊電路。

FPI型近紅外光譜儀的分光系統(tǒng)的關鍵在于濾光片動鏡驅(qū)動電壓的電路的設計，通過控制上下動鏡的驅(qū)動電壓改變空隙從而達到分光的目的，控制電壓的范圍在24V～37V。濾光片通過靜電力控制，輸出電流最小要求達到10 μA。采用TI公司的具有集成升壓轉(zhuǎn)換器的工業(yè)壓電驅(qū)動器DRV2700芯片進行升壓。DRV2700是升壓+放大器配置的±100V壓電驅(qū)動器， 具有GPIO調(diào)節(jié)的增益，差分或單端輸出，集成升壓或反激轉(zhuǎn)換器等特性。其啟動時間典型值為1.5 ms,并且具有熱過載保護，可在過驅(qū)動時免遭損壞。圖5所示是其電路連接配置圖。

圖5 DRV2700電路連接配置圖

MESM-FPI 光譜傳感器C13272-01內(nèi)置單元InGaAs探測器，探測器的光照面積較小，在近紅外光譜測量的過程中，信號較弱，會導致最終的靈敏度低、信號弱的問題。采用如圖6所示的積分I-V放大電路，可以方便設置積分時間，合理調(diào)整系統(tǒng)輸出信號強度，使用積分時間代替可變放大倍數(shù)，提高系統(tǒng)放大倍數(shù)而且降低噪聲。

圖6 積分I-V放大電路

使用Atmel公司的AVR型單片機ATxmega128A3U作為主控芯片，A/D轉(zhuǎn)換使用自身集成的12位AD轉(zhuǎn)化通道，差分或者單端輸入，采樣速率高達2MS /s[9]。單片機最小系統(tǒng)的搭建如圖7所示。

圖7 ATxmega128A3U單片機最小系統(tǒng)

1.4 軟件程序設計

Atmel公司的AVR型單片機ATxmega128A3U是一個高性能、低功耗的8位微控制芯片，采用的是第二代的picoPower技術(shù)，工作電壓1.6V。ATxmega128A3U具有豐富的片內(nèi)資源，閃存容量128Kb，64引腳的貼片封裝，16位定時/計數(shù)器，12位的AD轉(zhuǎn)換，1個全速USB2.0接口，2Kb的EEPROM，4個DMA控制器，USART、SPI、I2C接口。

該系統(tǒng)軟件設計使用ATMEL公司提供的AVR Studio開發(fā)環(huán)境，并在該開發(fā)環(huán)境中內(nèi)嵌了支持C語言的GCC。光譜儀的軟件使用C語言編寫，模塊化結(jié)構(gòu)設計。主要分為光源控制模塊、MESM-FPI 光譜傳感器C13272-01控制模塊、USB讀寫控制模塊。如圖8所示是光譜系統(tǒng)整體工作流程圖。

圖8 光譜系統(tǒng)整體工作流程圖

本系統(tǒng)上位機操作軟件是基于Android平臺搭建，使用Google公司的Android Studio軟件開發(fā)，軟件不僅實現(xiàn)基本數(shù)據(jù)采集功能，還增加了模型加載功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對未知樣品的預測。如圖9所示是其操作界面，其操作簡單、功能完善。

圖9 光譜采集操作界面

2 試驗驗證

2.1 儀器光譜穩(wěn)定性

通過對儀器光譜的穩(wěn)定性測試及誤差的分析，評價儀器的穩(wěn)定性。儀器開機后打開光源預熱30 min，在環(huán)境溫度25℃的條件下，設置合適的積分時間保證光強不飽和，以空氣為本底測量光強值，測試時長1 h，每5 min采集1次，如圖10所示：其中X軸是波長，Y軸是光強的信號輸出值。由于每次結(jié)果十分接近，從圖上難以分辨，通過計算各波長點的光強隨時間變化的相對極差來評價光譜的穩(wěn)定性。如圖11所示是各波長點光強的相對極差在2%～3%區(qū)間。

圖10 間隔5 min掃描1 h的12條光譜

圖11 各波長點的相對極差圖

2.2 100%T基線漂移

基線(100%T)穩(wěn)定性是指儀器相對于參比掃描所得基線的漂移程度。

圖12 掃描12次其中1次的100%T基線

圖13 光譜100%T線標準偏差圖

2.3 酒精試驗

近紅外光譜分析技術(shù)的重要應用之一就是對食品有效成分的無損定量或者定性分析，為了驗證所研制的微型近紅外光譜檢測系統(tǒng)的性能，采用酒精度的檢測為試驗的實例。

以蒸餾水和無水乙醇做試驗原料，空氣為參比，酒精濃度范圍4%～100%，按梯度2%配制酒精試劑樣本共49個，如表2所示可知，總體樣品的范圍是在4%～100%。MEMS-FPI光譜儀預熱30 min之后進行實測試驗。應用本課題組研發(fā)的化學計量學軟件(NIRAS4.4.5)建立酒精濃度與所得光譜之間的數(shù)學模型。為消除樣品狀態(tài)、光程和雜散光等因素對模型的影響，需要對原始光譜數(shù)據(jù)進行預處理[11]，并通過偏最小二乘回歸(PLSR)建立模型。采用不同的預處理方法進行建模，如表3所示是不同預處理方法建模的結(jié)果。由表可以看出經(jīng)過SNV預處理后校正相關系數(shù) (Rc) 和預測相關系數(shù) (Rp) 分別為0.9925和0.9954, 校正標準偏差 (RMSEC) 和預測標準偏差 (RMSEP) 分別為0.0350和0.0264。因此，可以選擇PLS法建立模型，選取SNV作為最有預處理方法。

表2 酒精含量(%)分布情況

數(shù)據(jù)集樣品數(shù)最小值最大值平均值標準差變異系數(shù)校正集34410049.7129.925760.2055預測集15109457.225.442444.4797

表3 不同處理方法酒精模型校正和預測結(jié)果

建模方法預處理校正RcRMSEC預測RpRMSEPPLSRAW0.9880.04520.9970.0194SGF0.9900.04220.9930.0277SNV0.9920.03500.9950.0264歸一化0.9790.06000.9910.0314SG一階導數(shù)0.9510.09150.9880.0256?

3 結(jié)論

設計采用ATxmega128A3U微處理器為主控芯片，微型MEMS-FPI光譜探測器(C13272-01)搭建了MEMS-FPI型近紅外光譜檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了光譜的采集。通過實驗表明，該光譜儀系統(tǒng)滿足設計要求，光譜穩(wěn)定性好、100%T基線穩(wěn)定，系統(tǒng)設計簡單便攜、靈活度高，可以與手機相連方便操作，酒精作為樣品建立了很好的數(shù)學模型，進一步證明了該系統(tǒng)可以應用到實際農(nóng)產(chǎn)品的無損檢測中去。

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Development of near infrared spectroscopy detecting system based on MEMS-FPI micro detector.

Sun Wujian1, Xu Xiaoxuan3, Chen Tong2, Lu Daoli2, Chen Bin2*

(1. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. School of Food and Biological Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 3. College of Physics, Nankai University, Tianjin 300071, China)

A near infrared spectroscopy detecting system based on MESM-FPI spectrum sensor(C13272-01)was developed. By using the ATxmega128A3U microprocessor as the main control chip, two independent tunable light sources, a moving mirror voltage control unit, an I-V integral amplifier circuit, and a power supply module were designed. The basic performance of the system was evaluated and the alcohol chemistry model was established. The test results showed that the system was stable and reliable, the alcohol model calibration correlation coefficient (Rc) and prediction correlation coefficient (Rp) were 0.988 and 0.998, calibration standard deviation (RMSEC) and predication standard deviation (RMSEP) were 0.0452 and 0.0131. The near infrared spectroscopy detection system is stable, portable, which can be used for the nondestructive testing of agricultural products.

micro; near infrared; Fabry-Perot; portable; alcohol

國家自然基金項目(31171697)；國家重大科學儀器設備開發(fā)專項(2014YQ491015)

孫武堅，男，1990年9月生，碩士，研究方向：微型近紅外儀器的研發(fā)，E-mail：sunwujian90@163.com。

*通訊作者：陳斌，男，1960年6月，教授，博士生導師，E-mail: ncp@ujs.edu.cn。

10.3936/j.issn.1001-232x.2017.02.001

2017-01-09