（测试计量技术及仪器专业论文）基于c8051f020的便携式近红外水分仪的研制.pdf

e i 。j i l llli ii i ii i ii 1 11iil y 1 8 9 4 9 4 5 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所 将本论文编入中国学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学 术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文 数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生 处办理。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密一。 学位论文作者签名：工椰幽 。f f 年6 月侈日 指导教师签名： 沙。f 年铝够日 独 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：工席吁山 日期： 2 0 11 年6 月歹日 江苏大学硕士学位论文 摘要 食品与农产品的水分含量无论在生产中还是生活中都是一个非常重要的参 数，它直接影响到产品的质量和保存期限，对水分的测量和控制显得格外重要。 传统的水分测量方法如干燥法、电导法等因为使用条件的限制无法实现在线非接 触式连续测量等问题，迫切需要开发一种能简便使用的测量方法。本文采用了近 红外光谱法测量食品与农产品中的水分含量，这种方法具有快速、非接触等优点。 首先对近红外光谱技术的测量原理进行了介绍，本研究是基于水分子在近红 外光谱区有其特定的特征吸收峰，吸收峰的幅值与水分成正相关关系的理论而展 开的。水分在近红外光谱区的多个特征吸收峰当中，选取合适的特定波长的特征 吸收峰可准确测量出水分含量。研究中具体采用了3 个波长的半导体激光器，其 中波长l4 5 0 和15 5 0n n l 是水分在近红外光谱区的二级倍频吸收峰的特征波长， 13 1 0a m 作为仪器的系统标定的参考波长，因为水分在该波长处没有吸收现象的 存在，可达到提高测量精度和系统抗干扰的能力。 水分检测仪除采用了半导体激光光源外，还采用了积分球载样器件和 i n g a a s 探测器，并用单片机作控制系统。硬件系统还包括电源、a d 转换、键 盘操作、数据采集及l c d 显示等部分的设计。选用c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为核心， 进行数据处理与水分显示。软件采用c 5 1 高级语言编写，增加了软件的可读性、 可靠性，且易于维护和升级。 本文设计的便携式近红外水分仪能够比较准确的检测出茶叶的水分含量，满 足国家茶叶检测精度及准确度标准( 误差不大于0 5 ) 。经过大量实验证明，该 仪器应用的原理正确，数据结果可靠，已经基本达到了系统预计的各项技术指标。 关键词：近红外，半导体激光器，积分球，单片机，水分检测 江苏大学硕士学位论文 _ _ - _ - _ _ - - - - - _ - - _ i _ _ - - _ - _ _ _ _ _ - _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ l - _ - _ _ _ _ - _ _ - - _ - - - - _ - - - _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ - l _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ - _ - _ - _ - _ _ - _ _ - 一 a b s t r a c t t h em o i s t u r ec o n t e n to ff o o d sa n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t si sav e r yi m p o r t a n t p a r a m e t e rb o t hi np r o d u c t i o na n dd a i l yl i f e m e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n g t h em o i s t u r ei s v e r yi m p o r t a n tb e c a u s ei t i n f l u e n c e st h eq u a l i t ya n ds h e l fl i f eo ft h ep r o d u c t s t h e t r a d i t i o n a lm o i s t u r em e a s u r e m e n te m p l o y sm e t h o d ss u c ha sd r y i n ga n dc o n d u c t i v e m e t h o d sw h i c hc a n n o tr e a l i z eo n l i n ea n dn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n td u et ol i m i t a t i o n s o ft h e i ra p p l i c a b l ec o n d i t i o n s t h e r e f o r e ，as i m p l ea n dc o n v e n i e n tm e t h o df o r m o i s t u r em e a s u r e m e n ti si ng r e a td e m a n d i nt h i st h e s i s ，n e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p y w a si n t r o d u c e df o rm o i s t u r em e a s u r e m e n t t h i sm e t h o dp r o v i d e saq u i c ka n d n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n tt om o i s t u r ec o n t e n ti nf o o d sa n da g f i c u l t u r a lp r o d u c t s t h em e a s u r i n gp r i n c i p l eo fn e a ri n f r a r e ds p e c t r o m e t e rh a sb e e ni n t r o d u c e df i r s t l y t h ei n s t r u m e n td e s i g nw a sb a s e do nt h et h e o r i e st h a tw a t e rm o l e c u l eh a ss p e c i a l c h a r a c t e r i s t i ca b s o r p t i o np e a k si nn e a ri n f r a r e ds p e c t r a lr e g i o na n dt h ea m p l i t u d eo f a b s o r p t i o n h a s p o s i t i v e c o r r e l a t i o nw i t h m o i s t u r e 。c o n t e n t a m o n g t h e m o i s t u r e s p e c i f i cm u l t i p l ec h a r a c t e r i s t i ca b s o r p t i o np e a k si nn e a ri n f r a r e ds p e c t r a l r e g i o n ，s e l e c t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i ca b s o r p t i o np e a ko fs u i t a b l es p e c i f i cw a v e l e n g t h e n a b l e sp r e c i s em e a s u r e m e n to fm o i s t u r ec o n t e n t t h ei n s t r u m e n tw a sd e v e l o p e dw i t h t h r e es e m i c o n d u c t o rl a s e r sa sl i g h ts o u r c e ，a m o n gw h i c h14 5 0n n la n d15 5 0n l nw e r e c h a r a c t e r i s t i cw a v e l e n g t h so ft h et w o s t a g ef r e q u e n c yd o u b l i n ga b s o r p t i o np e a k so f m o i s t u r ei nn e a ri n f r a r e ds p e c t r a lr e g i o na n d1 310h i 1w a st h er e f e r e n c ew a v e l e n g t h f o rc a l i b r a t i o no ft h ei n s t r u m e n ts y s t e m b e c a u s em o i s t u r eh a sn oa b s o r p t i o na tt h i s w a v e l e n g t h ，t h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o na n da n t i - j a m m i n ga b i l i t yo ft h es y s t e mc o u l d b e g r e a t l yi m p r o v e d b e s i d e st h eu s eo fs e m i c o n d u c t o rl a s e rl i g h ts o u r c e ，t h em o i s t u r em e a s u r e m e n t d e v i c ea l s ou s e d i n t e g r a t i n gs p h e r e a n di n g a a sd e t e c t o rw i t hs i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e ra sc o n t r o ls y s t e m t h eh a r d w a r es y s t e mi n c l u d e dp o w e rs u p p l y , a d t r a n s f o r m a t i o n ，k e y b o a r dc o n t r o l ，d a t ac o l l e c t i o na n dl c dd i s p l a y ac 8 0 5 1f 0 2 0 s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rw a sc h o s e na st h ec o r eo fd a t ap r o c e s s i n ga n dm o i s t u r e c o n t e n td i s p l a y t h es o f t w a r ew a sc o m p i l e du s i n gc 51p r o g r a m m i n gl a n g u a g ew h i c h i i 江苏大学硕士学位论文 n o to n l ye n s u r e dr e a d a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es o f t w a r eb u ta l s of a c i l i t a t e d m a i n t e n a n c ea n df u t u r eu p g r a d e t h ep o r t a b l en e a r - i n f r a r e dm o i s t u r em e a s u r e m e n td e v i c ec o u l dm e a s u r em o i s t u r e c o n t e n to fd i f f e r e n tk i n d so ft e aa c c u r a t e l y , b e i n ga b l et om e e tt h en a t i o n a lc r i t e r i ao n d e t e c t i o np r e c i s i o na n da c c u r a c yo ft e a ( e r r o rb e l o wo 5 ) b e i n gv e r i f i e db ym a n y r e p e a t e de x p e r i m e n t s ，t h i si n s t r u m e n th a sac o r r e c t l ya p p l i e dt h e o r ya n dr e l i a b l e m e a s u r e m e n td a t a ，h a v i n ga c h i e v e dv a r i o u st e c h n o l o g i c a lt a r g e t ss e tf o rt h ee x p e c t e d s y s t e m k e y w o r d ：n e a r - i n f r a r e d ，s e m i c o n d u c t o rl a s e r , i n t e g r a t i n gs p h e r e , s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r , m o i s t u r em e a s u r e m e n t i i i 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 近红外光谱分析技术1 1 2 近红外光谱仪的类型1 1 2 1 滤光片型近红外光谱仪2 1 2 2 光栅单色器型近红外光谱仪2 1 2 3 发光二极管( l e d ) 和半导体激光器( l d ) 型近红外光谱仪3 1 2 4 傅立叶变换型近红外光谱仪4 1 2 5 声光可调滤波型近红外光谱仪5 1 2 6 多通道检测型近红外光谱仪6 1 2 7 各种类型近红外仪器的优缺点6 1 3 近红外光谱分析技术的应用领域及国内外研究现状7 1 3 1 近红外光谱技术的应用领域7 1 3 2国内外近红外光谱仪器的发展现状j ：8 1 4 便携式近红外光谱仪研究意义和主要内容? ：9 1 4 1 便携式近红外光谱仪研究意义。9 1 4 2 课题的主要研究内容1 0 第二章水分测定方法和仪器整体方案设计j 1 2 2 1 水分测定方法1 2 2 1 1 烘干失重法1 2 2 1 2 传统水分检测方法的不足和新方法1 3 2 2 近红外光谱常规分析技术1 4 2 2 1 透射光谱分析测定法1 4 2 2 2 漫反射光谱分析1 5 2 2 3 近红外光谱技术的特点1 7 2 3 仪器整体方案设计1 7 2 3 1 测试波长与参考波长的选择1 9 2 3 2 系统载样器件的选择1 9 第三章近红外水分仪的关键部件的设计2 1 江苏大学硕士学位论文 3 1 水分仪的结构框图2 1 3 2 积分球结构设计2 2 3 3 l d 光源的选择和驱动设计2 3 3 3 1l d 光源的选择2 3 3 3 2 半导体激光器的驱动设计2 5 3 3 3 多路开关设计2 5 3 4光电探测器2 6 3 4 1p i n 光电探测器2 6 3 4 2 探测器检测电路2 7 3 5 前置放大电路2 8 3 6 硬件抗干扰措施3 0 第四章近红外水分仪单片机系统及软件设计3 2 4 1 数据处理系统总体结构3 2 4 2 c 8 0 5 1 单片机介绍3 2 4 2 1 c 8 0 5 1 f 0 2 0 数据处理系统3 2 4 2 2c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机功能与特点3 3 4 3单片机的外围电路设计3 5 4 3 1 供电电路设计3 5 4 3 2a d 转换及其调理电路设计3 5 4 3 3 按键和显示模块3 8 4 3 4 数据保存4 3 4 4检测系统信息处理4 3 4 5软件抗干扰措施4 4 第五章水分仪样机性能测试及结果分析4 6 5 1 仪器性能分析4 6 5 1 1 光源的稳定性4 6 5 1 2 整机稳定性与重复性4 6 5 2 水分测量试验4 7 5 2 1 水分含量的测定4 7 5 2 2 茶叶水分试验4 8 v 5 3 误差分析 5 3 1 随机误差 5 3 2 系统误差 5 3 3 减少误差 第六章总结5 4 6 1 总结5 4 6 2 展望5 4 参考文献5 6 致谢5 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 0 附录6 1 v i 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1近红外光谱分析技术 近红外光谱区按a s t m 的规定是指波长为7 8 0 - 25 0 0n n l 的电磁波，是人们 认识最早的非可见光区域。习惯上又将近红外光划分为近红外短波( 7 8 0 一1 1 0 0 n m ) 和长波( 11 0 0 - 25 2 6n m ) 两个区域。现代近红外光谱技术是2 0 世纪9 0 年代 以来发展最快、最引入注目的光谱分析技术，是光谱测量技术与化学计量学学科 的有机结合，被誉为分析的巨人【l 】。 近红外光谱分析适合分析含c h ，o h ，n h ，s h 等基团的化合物。由于 近红外光谱段物质的吸收系数小，光的散射效应大，穿透深度大，因此样品无需 预处理即可直接进行测量。由于在近红外光谱区出现的分子振动光谱的倍频和组 成和频带信号弱、重叠严重，所以几十年来一直未能在分析检测工作中得到实际 应用。近2 0 年来，由于高强度光源、低散射光栅、固态高灵敏探测器，尤其是 计算机硬件和软件技术的发展，为近红外光谱仪的开发和实用提供了必需的基 础；近年来化学计量学理论的发展更为复杂光谱信息的提取、分离、多成分多参 数同时分析提供了可能，从而使近红外光谱分析技术达到实用化阶段。由于近红 外光谱分析不需繁复的样品预处理，可以方便地实现现场、在线分析，而且其具 有分析速度快、成本低、无损无污染等优点【2 】。但是近红外光谱仪的开发难度较 大，成形的高性能仪器只在近1 0 几年才开始出现，我国的市场基本被外国企业 所占领。因此，无论是从我国科研与生产对近红外分析仪器的需求的角度出发， 还是从对我国分析仪器制造技术的发展来讲，研制开发近红外光谱分析仪都具有 重要意义【3 j 。 1 2 近红外光谱仪的类型 近红外光谱仪器一般由光源、取样器、分光器、检测器和计算机等5 部分组 成。近红外仪器的类型有很多，主要有滤光片型、光栅单色器型、发光二极管( l e d ) 或半导体激光器( l d ) 型、傅立叶变换干涉仪型、声光可调滤光型( a o t f ) 、多 江苏大学硕士学位论文 通道检测型( 二极管阵列p d a 、电荷耦合器件c c d ) 等【4 1 。 1 2 1 滤光片型近红外光谱仪 滤光片型近红外光谱仪早在2 0 世纪5 0 年代就已得到使用，该仪器可分为固 定滤光片和可调滤光片两种形式。固定滤光片型光谱仪是光谱仪器的最早设计形 式，这种仪器首先要根据测定样品的光谱特征选择适当波长的滤光片。测量过程 是由光源发出的光经滤光片得到一定带宽的单色光，通过测样器件与样品作用后 由探测器检测。该类仪器的特点是设计简单、成本低、光通量大、信号记录快、 坚固耐用；但这类仪器只能在单一波长下测定，灵活性较差。后来人们把多个滤 光片放在一个轮子上。通过旋转轮子，选择不同的检测波长，形成可调滤光片型 仪器【5 】【6 】。该种仪器在烟草分析等领域有较广泛的应用。 i 图1 - 1 固定滤光片型近红外光谱仪 光路原理图 l 一光源；2 一滤光片架；3 一聚光镜； 4 一样品室：5 一检测器 1 2 2 光栅单色器型近红外光谱仪 图1 - 2 旋转滤光片型 光路原理图 1 一红外光源；2 一斩光器； 3 一滤光片架；4 一样品； 5 一检测器 光栅单色器型仪器是采用光栅作为分光器件的仪器。根据检测器类型的不 同，又有光栅扫描单通道和非扫描固定光路多通道检测之分。为了获得较高的分 辨率和较宽的光谱范围，现代光栅色散型仪器多使用全息光栅作为分光元件。扫 描型仪器通过光栅的转动，使单色光按波长高低依次与样品作用，再进入探测器 检测。固定光路型仪器是上世纪9 0 年代发展起来的一类近红外仪器。其原理是 光源发出的光先经过样品池，再由全息光栅分光，光栅不需转动，经光栅色散的 光聚焦在多通道阵列检测器的焦面上，同时被检测。与滤光片型仪器只能获得一 个或几个确定波长下的光谱信息不同，色散型仪器可以在一定波长范围内获得光 江苏大学硕士学位论文 谱信息，使得全谱校正技术得以实现。 图1 - 3 光栅单色器扫描近红外仪器的原理图 1 2 3 发光二极管( l e d ) 和半导体激光器( l d ) 型近红外光谱仪 用l e d 作光源，由不同的二极管产生不同的波长。因为l e d 器件体积小、 消耗低，仅需要几个二极管就能将光谱仪做成比其它类型的仪器更小、更价廉、 更精巧的过程控制器。此类仪器适合于在过程检测中在线使用，也适合于手提式 仪器中。此类仪器的优点是没有移动部件，是相当坚固的；缺点是带宽变化，波 长数目有限，准确度和精度有限。 自从1 9 6 2 年世界上第一台半导体激光器( l a s e rd i o d e ，缩写l d ) 发明问世以 来，由于其体积小、重量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点，被认为是 2 0 世纪人类最伟大的发明之一。4 0 多年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、 光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤通信以及激光光谱学中，不断扩大 应用范围，进入一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。半导体激光器在 近红外光谱分析中的优势有： ( 1 ) 具有波长可调谐性，这是用于激光光谱分析中的半导体激光器的一个重 要的特性，其波长可通过改变温度或改变驱动电流来调谐； ( 2 ) 具有高灵敏度，如对于某种气体只要选择合适的光谱波段就可测出低于 l o 。9 的浓度； ( 3 ) 具有高选择性，半导体激光器的谱线宽度可限制在多普勒宽度范围内， 从而可以减少谱线重叠，增加选择性； ( 4 ) 波长易于调制，半导体激光器可用调制技术能够减少激光的过量噪声； ( 5 ) 光谱单色性高，通常半导体激光器在测定谱区重复扫描，由于v c s e l 激 江苏大学硕士学位论文 光器和d f b 激光器能够实现单纵模特性因此它们常应用在激光光谱学的测量 中； ( 6 ) 节能、体积小、价格低、寿命长、高可靠性。 随着半导体激光器性能的大幅度提高和品种型号的增加，优越的波长选择性 和单色性，优良的温度适应性和发光稳定性，卓越的抗振动性和方便快捷的电特 性，使得l d 在近红外光谱分析中能把光源与分光器件合二为一，结合专门设计 的积分球的检测附件，可大大提高了检测系统的稳定性和环境适应性，有理由相 信采用半导体激光器的近红外食品原料( 农产品) 品质检测仪将以造价便宜、稳 定可靠、使用简捷、维护方便等特点得到广大使用者的青睐，在农产品深加工和 食品加工等行业得到广泛的应用。因此半导体激光器型近红外光谱仪，是近红外 光谱仪的新发展方向之一。 发 图1 - 4 发光二极管( l e d ) 型近红外仪器 1 2 4 傅立叶变换型近红外光谱仪 器 傅立叶变换光谱技术是利用干涉图和光谱图之间的对应关系，通过测量干涉 图和对干涉图进行傅立叶积分变换的方法来测定和研究光谱的技术。根据使用探 测器的差异也可分为扫描式( 时间调制型) 和固定光路式( 空间调制型) 两种。扫描 式基于迈克尔逊干涉仪，通过移动一臂的反射镜改变两臂光程差产生时间调制的 干涉图；固定光路型通过三角共路式干涉仪或者偏振干涉系统产生两个虚光源经 过透镜成像在阵列检测器上，得到空间调制的干涉图。与传统的色散性光谱仪相 比，傅立叶变换光谱仪能同时测量、记录所有波长的信号，并以更高的效率采集 来自光源的辐射能量，具有更高的信噪比和分辨率。 4 江苏大学硕士学位论文 图1 - 5 傅立叶变换型近红外仪器 1 2 5 声光可调滤波型近红外光谱仪 声光调谐型近红外仪器被认为是2 0 世纪9 0 年代近红外最突出的进展。有声 光调谐滤光器( a o t f ) 和声光调谐扫描( a o t s ) 两种形式。声光光谱的工作原理是 根据各向异性双折射晶体的声光衍射原理，采用具有较高的声光品质因素和较低 的声衰减的双折射晶体制成分光器件，其工作原理如图1 - 6 所示。由于对一固定 的超声频率，仅有很窄的光谱带被衍射，因而连续改变超声频率就能实现衍射光 波长的快速扫描。由于采用声光器件分光，该仪器的最大特点是无机械移动部件， 测量速度快、精度高、准确性好，提高了工作的可靠性和降低了维修费用，可以 稳定地长时间工作。其缺点是入射视场窄，因此不适用于光谱信息弱时的情况。 和q 晶体芦吸收墨 ( 一黼射光 图1 - 6a o t f 工作原理图 5 江苏大学硕士学位论文 1 2 6 多通道检测型近红外光谱仪 近些年来，多通道检测器近红外光谱仪得到迅速发展，其结构紧凑、光路固 定，可高速采集样品光谱。多通道检测器近红外光谱仪的原理为：光源发出的光 经过样品后，射向固定光栅，经全息光栅色散后的光由多通道检测器检测。在短 波近红外区使用的多通道检测器有二极管阵列检测器p a d ( p h o t o d i o d ea r r a y d e t e c t o r ) 和电荷耦合器件c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 。多通道检测器对所有 波长的单色光同时检测，仪器内无移动部件，光路固定，其可靠性和波长精度能 得到保证。主要缺点是对温度敏感。这类仪器获得的是样品的全光谱，因此可采 用全谱校正技术。 图1 - 7 二极管阵列检测器光路图 1 2 7 各种类型近红外仪器的优缺点 各种类型的近红外光谱仪的优缺点见表1 1 所示。其中固定波长近红外系统 一般是有限个波长数目，即在特定的波长点处采集样品的光谱值，校准方法采用 多元线性回归或逐步回归分析方法。扫描型近红外系统采集样品的全光谱，通常 采用主成分回归、偏最d - 乘等全谱校正技术。 6 江苏大学硕士学位论文 表1 1各种类型近红外仪器的优缺点 1 3 近红外光谱分析技术的应用领域及国内外研究现状 1 3 1近红外光谱技术的应用领域 近红外光谱技术首先是从农产品的应用开始的，例如对农副产品中水分的测 定，以后又用于谷物及饲料中的蛋白、水分、纤维、糖分及脂肪等项目的分析， 且都取得了较满意的结果。随着计算机技术的不断提高，现代n i r s 分析技术己 越来越完善，被誉为“分析巨人 【6 】。n i r 分析技术在农产品、炼油、化工、制 药、环境、地质等领域已被广泛应用，并取得了巨大的经济效益。其具体应用领 域如下【7 h 1 1 1 ： 1 农产品分析现代近红外光谱分析是2 0 世纪中叶首先从农业分析开始发 展起来的一项高新技术。农作物籽粒中的主要组分是碳水化合物( 纤维素、淀粉、 糖) 、脂类、蛋白质和水分等有机化合物，这些组分中含有c h 、o h 、n h 、c o 基团。上述官能团振动的谐波及其组合带落在光谱的近红外区，所以通过对这些 信息分析、处理、计算就可以得出各组分的含量。同一作物不同品种会显示出不 同的光谱特性，通过谱图的比较就可以辨认不同的作物品种，使得近红外光谱分 析不仅可以做到定量，又可以做到定性。如对农作物进行品质检测、种类鉴别等。 2 食品分析近红外在食品工业上的应用非常广泛。利用近红外光谱分析 技术可以进行食品成分的定量分析、水分子中氢结合状态的解析、淀粉的损伤检 7 江苏大学硕士学位论文 测、加工适应性的测定和水果内部品质的测定。 3 石油化工分析石油主要由复杂烃类化合物组成，其主要结构官能团有 c h 、o h 、n h 、s h 等，非常适合用近红外光谱技术进行成分分析、质量检测、 品质鉴定等。 4 烟草与纺织行业应用由于烟草中糖、氮、尼古丁、焦油及其他一些质 量特征与含氢官能团密切相关，因此可以用近红外光谱分析技术对烟草中的生物 碱、总糖及还原糖、总氮、水分进行分析，并可对其他化学成分( 总挥发碱、多 酚、薄荷、保润剂等) 进行分析。近红外光谱技术在纺织业的应用主要表现为： 聚酯纤维和棉花混纺织品中成分的定量测定；混纺毛织品中羊毛的质量分数；纺 织品丝光度的测定；棉纤维成熟度的测量；尼龙织物中湿度的测定；热定型温度 的测量等。 5 药品分析近红外光谱分析技术可用于原料药、辅助药的质量评价，区 分出物质的不同结晶状态、粒径和密度，对药品包装材料以及制剂颗粒的质量控 制等。 6 生物医学应用利用近红外光谱分析技术可快速、无创检测生物组织血 氧、血糖等生化指标，并且可对组织及体内外成分进行分析。 1 3 2国内外近红外光谱仪器的发展现状 发达国家的近红外光谱( n i r s ) 仪器生产厂家越来越多，竞争非常激烈。 n i r s 仪器，按其应用场合，分为实验室仪器、现场仪器和在线仪器等；按分光 方式，分为滤光片型、光栅扫描型、傅立叶变换型、基于阵列检测器型和声光调 谐型等。滤光片型是早期形式，多为专用仪器；光栅扫描型和傅立叶变换型是当 前的主导产品，具有精度高、价格低等优点，多为实验室仪器；基于阵列检测器 型和声光调谐型是新型仪器，具有无机械移动部件、可靠性高、测量速度快等优 点，适合于在线分析。从厂家的网上材料看，n i r s 仪器不断向小型化、固态化、 模块化和快速实时方向发展。便携式n i r s 仪器基本上都使用卤钨灯光源、光纤 取样、笔记本电脑。从分光器和检测器看，便携式n i r s 仪器有两类【7 j 。类是 由实验室仪器演化而来的光栅扫描型，用p b s 或i n g a a s 光敏元件做检测器，技 术比较成熟，价格也比较低，系主流产品，其主要缺点是有移动部件、影响可靠 江苏大学硕士学位论文 性。这类仪器的主要生产厂家有澳大利亚的i n t e g r a t e ds p e c t r o n i c sp t yl t d 的 p i m a ( p o r t a b l ei n f r a r e dm i n e r a l a n a l y z e r ) 等。另一类是由基于c c d ( 3 5 0 11 0 0n m ) 型仪器演化而来，采用新兴的i n g a a s 光敏二极管阵列( p d a ，2 5 6 、5 1 2 、1 0 2 4 像元) 做检测器、光路固定，优点是测量速度快( m s 级) 、无移动部件，缺点是 i n g a a sp d a 的价格还很贵。这类仪器代表了便携式n i r s 仪器的发展方向，已 有法国的d l ks p e c 仃o 、美国的o p t i c a ls o l u t i o n si n c 和英国的p ps y s t e m s 等推出 产品。 国内近红外仪器起步较晚，国内近红外仪器市场主要由国外仪器所占领。 1 9 9 5 年以来国内许多科研院所和大专院校开始积极研究和开发适合国内需要的 近红外光谱分析技术，尽管我国n i r 仪器硬件研制相对较晚，但以上提到的几 种类型n i r 仪器，在我国都有相关单位进行研发，并有所成就。如： ( 1 ) 北京瑞利分析仪器有限责任公司引进美国a n a l e c t 公司的技术研制出傅立 叶变换型n i r s 仪器【9 】； ( 2 ) 中国石油科学院的一批年轻学者在陆婉珍院士的带领下，研制和开发出了 具有我国自主知识产权的基于c c d 检测器的短波n i r ( 7 0 0 , - - 11 0 0n m ) 光 谱仪器及其在我国石油科学中应用的一些软件【1 0 】； ( 3 ) 上海棱光技术有限公司和中国农业大学联合研制出了光栅扫描式n i r 农产 品品质分析仪【1 2 】； ( 4 ) 天津大学基于a o t f 技术开发出了n i r 乳品成分快速分析仪【1 3 j ； ( 5 ) 中国农业大学研制出以l e d 为光源的便携式n i r 整粒小麦成分测量仪和 n i r 玉米品质分析仪【1 4 】； ( 6 ) 中科院长春光机所开发出基于固定滤光片的粮食专用型n i r 分析仪【1 6 】。 1 4 便携式近红外光谱仪研究意义和主要内容 1 4 1便携式近红外光谱仪研究意义 传统的光谱分析检测仪一般都属于大型精密仪器，不但体积庞大，而且对使 用环境要求苛刻，不适合野外现场检测分析。由本人所在的实验室研制的便携式 近红外光谱仪已经基本能够进行野外工作，但还是延续了传统光谱仪的工作模式 江苏大学硕士学位论文 ( 由上位机通过串口或u s b 控制光谱仪) ，上位机( 笔记本电脑、p d a ) 的价格 和重量制约了光谱仪的应用普及与野外工作能力。本研究采用了基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为核心控制器件，半导体激光器为单色光源的的近红外水分仪，设计了测 控电路及相应的软件，使光谱仪能够实现自身独立操作，在液晶显示模块的引导 下，由外接键盘控制仪器进行扫描，采集到的光谱图由液晶模块进行显示，同时 数据可由外接u 盘进行存储，以便于后期数据处理。除此之外，光谱仪保留了 传统工作模式，即新设计的测控系统也可由上位机通过u s b 总线进行控制【1 9 1 。 这两种工作模式可进行动态切换，用户可以根据实际情况选取一种模式进行控 制。该设计模式必将改变原有的光谱仪设计理念，为便携式近红外光谱仪注入新 的活力，同时也将带来一定的经济效益和社会效益。 便携式近红外光谱分析仪能够克服传统分析仪器的不足，可以实现“把分析 实验室带到现场”的梦想。它主要具有如下优点： 1 硬件的整体设计及p d a 的加入使仪器系统体积和重量大大减小； 2 可在现场进行直接测量和分析，数据可靠，可以根据分析结果客观评价 样品光谱数据，且大大提高了工作效率； 3 功耗低，节省能源； 4 采用新型u s b 接口； 5 可以在现场实现无损无污染检测。 1 4 2 课题的主要研究内容 本课题的主要内容是基于半导体激光器的食品与农产品近红外水分仪的研 制，本课题以国内外已有的相关理论及研究成果为基础，自行研制以半导体激光 器为光源，积分球为载样器的农产品专用水分检测仪。 该水分仪的硬件系统主要包括3 个部分：第一部分为光学系统，由光源、样 品台、光电探测器等组成。半导体激光器产生的近红外波段的光照射到样品并产 生漫反射光，漫反射光经过积分球收集后由近红外光电传感器接收。第二部分为 电路系统，由探测器、i 转换电路、信号放大电路等组成。探测器接收到光信 号，产生微弱的电流信号，经过后面的前置放大电路和功率放大电路将信号放大。 第三部分是单片机控制系统，以c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为核心的数据采集和数据处 江苏大学硕士学位论文 理部分。 本文的主要工作内容是： 1 绪论部分介绍了水分检测的现状以及近红外仪器的主要类型，提出 了本课题的主要研究内容； 2 第二章阐述了水分测量原理和近红外光谱技术测量原理，并对仪器 整体设计方案做了简单的介绍； 3 第三章主要介绍了仪器的硬件设计以及实现，从光路设计和电路设 计两方面进行详细的介绍； 4 第四章详细阐述了以c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为核心的数据采集和数据处 理部分； 5 第五章对仪器的性能进行了试验分析，对仪器的稳定性、重复性等 性能指标进行了验证，并以茶叶样品，做了相应的水分测量试验， 得到相应的参数信息 江苏大学硕士学位论文 第二章水分测定方法和仪器整体方案设计 本章介绍了水分测定方法，与传统的测水分方法比较提出利用近红外光谱测 量水分的方法，同时介绍了近红外光谱分析常规技术，对漫反射光谱分析做了详 细的叙述。结合普遍近红外光谱仪的特点，提出了基于半导体激光器光源的近红 外水分仪的整体方案设计。 2 1 水分测定方法 根据被测物质的性质和特点，水分测定标准方法可分为烘干失重法和化学滴 定法( 简称化学方法) 。前者应用非常广泛，是诸多行业水分检测的标准方法和仲 裁依据；后者主要用于易燃、易爆、易挥发物质的水分测定及样品中微量水分的 准确测定。水分检测最直接的方法就是把物质中的水分分离出来，从而测得水分 含量。在1 0 5 的温度下维持足够长的时间，被测样品中绝大部分非结合水和结 合水都能挥发出来，从而可测得水分含量【2 0 1 。 2 1 1 烘干失重法 烘干失重法也简称烘干法和干燥法。在一定条件下，样品中水分及挥发性组 分脱离样品本体而逸失，失去物质量( 测定前后样品的减轻量) 与样品干燥前质量 的比值为水分含量m ，即 m ：墅墨1 0 0 ( 2 1 ) 式中，矾为被测样品干燥前的质量；为被测样品干燥后的质量。 干燥样品的方法很多，根据实验条件的不同，烘干失重法主要有：常压干燥 法( 直接干燥法) 、减压干燥法、高温定时干燥法、红外干燥法、微波干燥法等。 1 直接干燥法 直接干燥法又称经典法，它具有测量准确、测量范围大、应用广泛等特点。 直接干燥法是在正常压力下，以空气作为加热介质对样品进行加热。样品经过一 段时间1 0 5 c 士2 c 的恒温干燥，水分挥发逸失，通过称量干燥前后样品的质量， 1 2 江苏大学硕士学位论文 得到样品中失去物的质量，即水分含量。 2 减压干燥法 水分测定时，样品处于低压( 3 5 3 k p a ) 、低温( 4 。c 1 0 0 。c ) 环境中。根据 热物理学理论，环境压力降低，水的蒸汽压将降低，样品中的水分挥发温度必然 降低。因此，在低压条件，较低温度即可使样品中的水分挥发。经过一段时间的 减压干燥，即可得到样品中的水分含量。 3 高温定时法 经典法一次测量需2 4 小时。若样品在高温下能保持性质稳定，为了提高测 量速度，可采用固定干燥时间、较高温度( 1 3 0 ) 干燥的方法测定水分含量。 由于采用高温干燥，样品中的水分挥发速度加快，高温干燥法水分测定速度快于 1 0 5 经典法。 4 红外、微波加热干燥法 红外线和微波均是不可见的射线，在电磁波谱中占有很宽的波段，位于可见 光的波长范围之外。可见光的波长范围约为o 3 8 0 7 5g m ，红外辐射的波长范围 约为0 7 5 1 0 0g m ，波长大于10 0 0 m 则属于微波和无线电波。红外或微波加热 方式可直接从物质内部加热，作用均匀，直接有效，大大缩短了烘干时间，因而 在加热烘干领域得到了广泛应用。 2 1 2 传统水分检测方法的不足和新方法 烘干失重法测量精度高，测量范围广，但操作复杂，测量时间长，工作效率 低。长期以来，快速、准确的水分检测方法一直是亟待解决的热门课题。为解决 这一问题，科研人员通过改进烘干失重法来达到加速测量的目的。对烘干失重法 的改进有两个方面：一是加快烘干速度，二是简化操作步骤。利用红外、微波加 热的方法改善被测样品的加热均匀性，可加速样品中的水分逸失，可提高水分测 定速度。将烘箱和电子天平构成一体，可简化测量步骤，使水分测定速度得到进 一步提高。 上面的提高方法还是无法做到快速准确方便的检测水分的