近紅外水分測量儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種近紅外水分測量儀，包括LED陣列（10）、光學(xué)系統(tǒng)以及InGaAs探測器（30），和控制器電路，控制器電路連接LED陣列（10）和InGaAs探測器（30），LED陣列（10）發(fā)出的光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)照射到待測樣品（100）上后的散射光線匯聚到擴(kuò)展型InGaAs探測器，擴(kuò)展型InGaAs探測器（30）將探測得到的信號傳送到控制器電路。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：無機(jī)械運(yùn)動部件，降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和系統(tǒng)維護(hù)次數(shù)，提高了可靠性；可以縮小設(shè)備尺寸；系統(tǒng)測量速度不再受機(jī)械轉(zhuǎn)速限制，可以實(shí)現(xiàn)毫秒級的測量。
【專利說明】近紅外水分測量儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水分測量儀，尤其涉及一種近紅外水分測量儀。
【背景技術(shù)】
[0002]近紅外（NIR)水分測量儀應(yīng)用在冶金、煙草、食品、木材、紙品加工、建材、化工、礦業(yè)、制藥和能源等領(lǐng)域中對物料含水率及其他必要組成成分進(jìn)行測定。
[0003]近紅外水分測量利用了水分對幾個波長（I. 19um, I. 45um, I. 94um, 2. 95um)的近紅外光有著很強(qiáng)的吸收特性原理。在這些吸收峰中，I. 19um波長處的吸收率小，一般用于大于50%的濕度測量，對微水分含量的測量不算理想；2. 95um波長處的吸收率過大，測量的范圍窄，一般用于小范圍高精度測量。而I. 45um、l. 94um波長的吸收率較為適當(dāng)，能提供合適的測量范圍。大量的文獻(xiàn)表明，I. 94um波長比I. 45um波長的靈敏度高，線性更好，考慮到探測器的測量范圍和靈敏度，以及相關(guān)光學(xué)元件的透射光譜范圍，大部分水分測量儀選用
I.94um波長作為測量波長。水分在紅外波段的特征譜線如圖I所示。
[0004]近紅外水分測量的分析基礎(chǔ)是Lamber-Beer定律
[0005]I=I0e…E=In(IcZl) = ε cd
[0006]式中，I0為入射光強(qiáng)，I為反射光強(qiáng)，c為被測物的濃度，ε為吸收系數(shù)，d為被測物吸收層厚度，E為吸光度。由上式可以發(fā)現(xiàn)，吸光度E與待測物品的濃度c成正比。不同結(jié)構(gòu)的分子有著自己獨(dú)特的近紅外吸收光譜，根據(jù)水在紅外區(qū)的吸收譜，通過測得水的吸光度E來確定被測物水的含量。
[0007]由于被測物表面狀態(tài)(黑度系數(shù)，表面粗糙程度等）對測量影響大，在測量中，一般采用參比光束與測量光速進(jìn)行比較，來消除被測物體表面狀態(tài)的影響。為此，在測量中有采用雙波段、三波段以及四波段的測量方法。即采用除水吸收峰的波長測量水含量外，還使用吸收峰兩側(cè)不吸收水的波長作為參比波長。由于參比波長基本不受水分的吸收，把水分吸收波長的反射光強(qiáng)與參比波長的反射光強(qiáng)相比就可以得到物體的吸收率，并由此求出該物體的水分含量。
[0008]測量用近紅外光源一般選用鹵素?zé)?，不同波段的紅外光的產(chǎn)生一般由鹵素?zé)艄庠赐ㄟ^一個電機(jī)帶動的濾光片轉(zhuǎn)盤，得到交替出現(xiàn)的不同波長的紅外光。
[0009]現(xiàn)有的兩種近紅外水分儀的結(jié)構(gòu)以及特點(diǎn)如下所述。
[0010]I、單光路雙探測器結(jié)構(gòu)
[0011]如圖2所示，單光路雙探測器紅外水分儀中包括光源I’、立軸聚光鏡2’、濾光片轉(zhuǎn)盤3 ’、透鏡4 ’、分光反射鏡5 ’、主探測器6 ’、變焦聚光鏡7 ’、基準(zhǔn)探測器8 ’、反射鏡9 ’。
[0012]光源I’發(fā)出的光經(jīng)過立軸聚光鏡2聚光后通過濾光片轉(zhuǎn)盤3’的通孔以及透鏡4’后到達(dá)分光反射鏡5’，經(jīng)分光反射鏡5’后光分為兩路，一路反射后投射到被測物上，另一路折射后又經(jīng)過反射鏡9’的反射后進(jìn)入基準(zhǔn)探測器8’，從被測物上反射回的光束經(jīng)過變焦聚光鏡V后被主探測器6’吸收。
[0013]該水分儀中含有兩個探測器：基準(zhǔn)探測器8’和主探測器6’。兩個探測器經(jīng)過光譜匹配，具有相同的紅外特性，而且都安裝在相同的熱環(huán)境中，以此來確保它們在同一溫度條件下工作。主探測器6’用于收集被被測物中水分吸收后的光信號，基準(zhǔn)探測器8’只檢測探頭內(nèi)部、受探頭內(nèi)部因素影響的信號。通過基準(zhǔn)探測器8’輸出信號和主探測器6’輸出的信號的比照，就會輸出一個與儀器自身性能變化無關(guān)，僅與產(chǎn)品中被測物質(zhì)有關(guān)的信號。
[0014]上述單光束雙探測器型紅外水分儀有以下特點(diǎn):
[0015]I)有較強(qiáng)的抗干擾能力
[0016]基準(zhǔn)探測器和主探測器緊貼在一起，保證了兩個探測器的溫度同時升降，這樣兩個探測器的輸出信號相對值幾乎不受溫度變化的影響。
[0017]基準(zhǔn)探測器密封在主探測器下面，探頭內(nèi)部的光以外的光不能進(jìn)入，有效地防止了外部光對基準(zhǔn)測量的干擾。
[0018]2)測量速度取決于濾光片轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速以及濾光片數(shù)量
[0019]濾光片轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)一周，每個探測器輸出的信號個數(shù)等于濾光片數(shù)量。探測器的信號頻率等于濾光片轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速乘以濾光片數(shù)。
[0020]采用此種結(jié)構(gòu)，在水分儀中將各個波長的紅外光在基準(zhǔn)探測器和主探測器上產(chǎn)生的信號逐個比較，可有效消除儀器本身的各種漂移(如溫漂)現(xiàn)象。
[0021]單光路雙探測器結(jié)構(gòu)多見于進(jìn)口儀器，所用探測器多為雙色探測器。
[0022]但是該種單光路雙探測器結(jié)構(gòu)的水分儀在光路和電路設(shè)計(jì)方面都比較復(fù)雜，需要兩套獨(dú)立的探測器和相關(guān)信號處理電路，成本較高的同時導(dǎo)致設(shè)備的尺寸很大。
[0023]2、雙光路單探測器結(jié)構(gòu)
[0024]這種結(jié)構(gòu)的紅外水分儀只有一個探測器。當(dāng)測量物料水分時，至少有兩個紅外波長被選用，一個是不受背景或水分強(qiáng)烈吸收的參照波長，另一個是受水分強(qiáng)烈吸收而不受背景強(qiáng)烈吸收的測量波長。
[0025]請參閱圖3，該雙光路單探測器結(jié)構(gòu)包括包括光源10’、球面反射鏡20’、濾光片轉(zhuǎn)盤30’、內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)、單探測器60’、球面聚光鏡70’。儀器的工作過程是:首先光源10’發(fā)出的光經(jīng)過濾光片轉(zhuǎn)盤30’形成的基準(zhǔn)光束投射到被測物上，測出基準(zhǔn)反射光的信號，這個信號僅僅包括被測物質(zhì)的本底信息(如反射率，測量距離);然后光源10’發(fā)出的光經(jīng)過濾光片轉(zhuǎn)盤30’形成的測量光束投射到被測物上，測出它的反射信號，這個信號包括物料的本底信息和水分信息。另外，儀器上面的光源10’還會通過內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)直接投射到單探測器單探測器60’上，以檢測探頭內(nèi)部的信息，例如光源和光學(xué)系統(tǒng)的漂移信息。
[0026]來自單探測器60’的兩個外在光束信號(參考信號和測量信號)組合成一個比率。不同試品的比率與它的水分含量有關(guān)，經(jīng)過一定的信號處理，水分儀就可以直接顯示物料的水分。
[0027]當(dāng)今，這種結(jié)構(gòu)的紅外水分儀一般還使用一個附加光束來穩(wěn)定儀器和消除漂移。這個附加光束與參照和測量波長相同，但光束完全在儀器內(nèi)部傳輸而不透射到試品上。內(nèi)在光束與外在光束來自同一光源10’，穿過相同的濾光片轉(zhuǎn)盤30’，透射到單探測器60’上。這就是通常所說的四光束紅外水分儀。
[0028]四光束紅外水分儀有以下特點(diǎn):
[0029]I)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低
[0030]四光束紅外水分儀在光路和電路設(shè)計(jì)方面，都較單光束雙探測器系統(tǒng)簡單，它僅需要一個探測器和一套信號處理系統(tǒng)，而不像雙探測器系統(tǒng)那樣需要兩套獨(dú)立的探測器和相關(guān)信號處理電路。
[0031]2)難以實(shí)現(xiàn)多波長快速測量
[0032]因?yàn)槭褂靡粋€探測器輸出檢測信號和基準(zhǔn)信號，所以濾光片轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)一周，探測器輸出信號的個數(shù)是濾光片數(shù)量的2倍，同樣對于有8片濾光片，IOOr/s的濾光片轉(zhuǎn)盤,探測器的信號頻率將是f=100x8x2=1600HZ，這對于不適用于高頻的PbS硫化鉛探測器是不利的，所以單探測器紅外水分儀總是采用低轉(zhuǎn)速濾光片電機(jī)，而且濾光片數(shù)量一般不超過5片。
[0033]結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也限制了單探測器紅外水分儀使用多波長測量。因?yàn)橐笊舷聝蓚€光束必須交替出現(xiàn)，所以濾光片在轉(zhuǎn)盤上的分布就有嚴(yán)格要求:濾光片間的間隔必須大于濾光片的有效直徑，而且兩個濾光片不能分布在同一條直徑上。這樣濾光片的數(shù)量就不能是偶數(shù)。如果一定要使用偶數(shù)個濾光片，則必須添加一些不透光的無用濾光片。典型的雙光路單探測器紅外水分儀濾光片轉(zhuǎn)盤如圖4所示，濾光片轉(zhuǎn)盤中包括兩片紅外濾光片和一片不透紅外的可見光濾光片。
[0034]3)抗干擾能力較弱
[0035]因?yàn)槭褂靡粋€探測器測量基準(zhǔn)信號和測量信號，故測量基準(zhǔn)信號時，外界的光線會混進(jìn)來，干擾基準(zhǔn)測量。所以在存在干擾光的環(huán)境中使用時，往往需要加裝遮光罩。
[0036]因?yàn)閱翁綔y器紅外水分儀的濾光片轉(zhuǎn)盤通常轉(zhuǎn)速較低，所以對于物料高低變化較快時，會產(chǎn)生一個差拍干擾，在讀數(shù)和輸出信號上將疊加一個頻率很低的正弦波。
[0037]上述傳統(tǒng)的多波長近紅外水分儀基于鹵素?zé)艉托D(zhuǎn)濾光片輪組成的光源，存在機(jī)械運(yùn)動部件，意味著設(shè)備尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有噪音，易損壞，因此可靠性降低并且需要頻繁的維護(hù)，限制了系統(tǒng)的測量速度。采用濾光片輪結(jié)構(gòu)還必須解決轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的同步檢測、濾光片轉(zhuǎn)動位置定位、濾光片的粘接、固定等技術(shù)、工藝問題。鹵素?zé)艄庠凑丈涞姆绞?，隨著溫度波動和光源老化，最終需要某種補(bǔ)償。測量環(huán)境中的背景噪聲、電路電子噪聲以及溫度漂移等又對測量結(jié)果的產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的PbS探測器，雖然在1.94um水分敏感吸收波段有很好的峰值響應(yīng)，但PbS探測器存在積分時間長，對溫度變化非常敏感，一般需配備制冷裝置，這也限制了基于PbS探測器的水分儀測量速度提高以及體積縮小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0038]本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問題在于提供一種可靠性高、系統(tǒng)測量速度不受機(jī)械轉(zhuǎn)速限制的高速近紅外水分測量儀。
[0039]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的:一種近紅外水分測量儀，包括光源、光學(xué)系統(tǒng)以及探測器，還包括控制器電路，所述光源采用LED陣列(10)，所述探測器采用擴(kuò)展InGaAs探測器(30 )，所述控制器電路連接LED陣列(10 )和擴(kuò)展InGaAs探測器(30 )，LED陣列(10)發(fā)出的光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)照射到待測樣品(100)上后的散射光線匯聚到擴(kuò)展InGaAs探測器，擴(kuò)展InGaAs探測器(30)將探測得到的信號傳送到控制器電路。
[0040]作為一種具體的方案，所述LED陣列(10)選用水吸收峰值波段的1.45um和
1.94um波段LED作為測量光，吸收峰值波段左右兩側(cè)波段作為參照光，例如1.22um和
2.1Oum波段LED，所述擴(kuò)展InGaAs探測器的光譜響應(yīng)范圍為0.8?2.6um。[0041]優(yōu)化的，所述光學(xué)系統(tǒng)包括會聚透鏡（22)、均勻混合4個波段LED光的光積分棒
(24)、平面反射鏡（26)以及聚光鏡（28)，所述會聚透鏡（22)收集4個波段的LED光將其率禹合到光積分棒（24), 4波段光在光積分棒（24)中混合、均勻化后,從光積分棒（24)末端發(fā)出，平面反射鏡（26)偏轉(zhuǎn)光軸附近的調(diào)制光，將其透射到待測樣品（100)上，形成照明光斑，聚光鏡（28)的將待測樣品（100)散射的調(diào)制光聚集到擴(kuò)展InGaAs探測器（30)上。
[0042]優(yōu)化的，所述會聚透鏡（22 )采用球面透鏡，會聚透鏡（22 )、光積分棒（24 )與LED陣列（10)發(fā)出的光束同軸，平面反射鏡（26)的軸與光軸以及待測樣品周圍表面法線均偏離一定的角度，所述聚光鏡（28)位于平面反射鏡（26)的正上方，擴(kuò)展型InGaAs探測器（30)位于聚光鏡（28)和平面反射鏡（26)之間，聚光鏡（28)沿待測樣品周圍表面法線對稱，擴(kuò)展InGaAs探測器（30)位于聚光鏡（28)的聚光點(diǎn)上。
[0043]優(yōu)化的，所述控制器電路包括光源處理單元、探測器信號采集單元、中央處理單元以及通訊單元；
[0044]所述光源處理單元包括信號調(diào)制電路、LED驅(qū)動電路、LED溫度控制電路，所述信號調(diào)制電路和LED溫度控制電路一端連接到中央處理單元，信號調(diào)制電路的另一端通過LED驅(qū)動電路連接到LED陣列，LED溫度控制電路的另一端連接到LED陣列基座下方的半導(dǎo)體制冷器；
[0045]所述探測器信號采集單元包括依次連接的鎖相放大器、濾波器以及AD轉(zhuǎn)換，所述鎖相放大器的輸入端連接至擴(kuò)展InGaAs探測器（30)，輸出端連接到濾波器的輸入端，AD采樣器的輸入端連接到濾波器的輸出端，AD采樣器的輸出端連接到中央處理單元；
[0046]通訊單元連接到中央處理單元。
[0047]優(yōu)化的，所述LED溫度控制電路包括溫度傳感器、溫度測量電路、比較電路、誤差放大電路、PID補(bǔ)償電路、H橋，所述溫度傳感器放置在制冷器的表面，溫度測量電路輸入端連接溫度傳感器，溫度測量電路輸出端以及設(shè)定溫度端連接到比較電路的輸入端，比較電路的輸出端連接誤差放大電路，誤差放大電路后依次連接PID補(bǔ)償電路、H橋，H橋的輸出端連接到LED制冷器。
[0048]優(yōu)化的，控制器電路的中央處理單元以及信號調(diào)制電路采用嵌入式處理器，在發(fā)射端，中央處理單元并行產(chǎn)生4路正弦調(diào)制信號，通過信號調(diào)制電路同時送到4個DAC，每個DAC的輸出均經(jīng)過一個低通濾波后進(jìn)入LED驅(qū)動電路，在接收端，InGaAs探測器（30)檢測到的信號經(jīng)低噪聲前置跨導(dǎo)放大器放大后經(jīng)隔直電路、放大電路和低通濾波后送到ADC，ADC采樣后的離散信息送到中央處理單元。
[0049]。
[0050]優(yōu)化的，所述InGaAs探測器30的低噪聲前置跨導(dǎo)放大器的信噪比的帶寬范圍為2?IOk HZ，各波段LED的調(diào)制頻率分別為：1. 22um波段:6836HZ、1. 45um波段:7813HZ、I. 94um 波段:5859HZ、2. IOum 波段:4833ΗΖ。
[0051]優(yōu)化的，所述擴(kuò)展InGaAs探測器（30)的探測窗口裝設(shè)紅外透射可見光吸收的光
學(xué)玻璃。
[0052]優(yōu)化的，所述平面反射鏡（26)選用Κ9玻璃并鍍鋁膜，所述平面反射鏡的邊長比取1:2。
[0053]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：[0054]I)無機(jī)械運(yùn)動部件，降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和系統(tǒng)維護(hù)次數(shù)，提高了可靠性；可以縮小設(shè)備尺寸；系統(tǒng)測量速度不再受機(jī)械轉(zhuǎn)速限制；
[0055]2)鹵素?zé)艄庠凑丈涞姆绞?，隨著溫度波動和光源老化，最終需要某種補(bǔ)償。相比之下，LED的輸出功率和頻譜可以通過半導(dǎo)體制冷器的溫度調(diào)控而長時間保持穩(wěn)定；
[0056]3)對光源進(jìn)行調(diào)制，降低了測量環(huán)境中的背景噪聲、電路電子噪聲以及溫度漂移等對測量結(jié)果的影響；
[0057]4)尺寸小、功耗低、測量速度快，可以實(shí)現(xiàn)毫秒級的測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0058]圖1為水分在紅外波段的特征譜線圖。
[0059]圖2為現(xiàn)有單光路雙探測器結(jié)構(gòu)圖。
[0060]圖3為現(xiàn)有四光束單探測器結(jié)構(gòu)圖。
[0061]圖4為典型雙光路單探測器水分儀濾光片轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖。
[0062]圖5是本發(fā)明近紅外水分測量儀的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0063]圖6是本發(fā)明中控制電路原理框圖。
[0064]圖7是LED溫度控制電路原理框圖。
[0065]圖8是本發(fā)明中控制電路的細(xì)化電路框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0066]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0067]此方案是基于LED光源調(diào)制和單點(diǎn)擴(kuò)展InGaAs探測器。選用1.22um、l.45um、1.94um、2.1um這4個特定波段的LED作為光源，其中1.22um和2.1um作為參考光束，1.45um、l.94um作為測量光束。利用LED調(diào)制代替鹵素?zé)艉蜑V光片輪組成的光源；選用擴(kuò)展InGaAs (銦鎵砷)探測器代替需要長積分時間的PbS (硫化鉛)探測器，只要InGaAs探測器的光譜響應(yīng)范圍覆蓋上述1.22um、l.45um、l.94um、2.1um這4個特定波段即可。
[0068]請參閱圖5所示，本發(fā)明近紅外水分儀包括控制器電路、LED陣列10、光學(xué)系統(tǒng)，以及InGaAs (銦鎵砷)探測器30。InGaAs探測器的光譜響應(yīng)范圍可以采用0.8?2.6um?？刂破麟娐愤B接LED陣列10和InGaAs探測器，LED陣列10發(fā)出的光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)射到待測樣品100上后的散射光線匯聚到InGaAs (銦鎵砷)探測器?？刂破麟娐飞峡梢栽O(shè)置人機(jī)接口，便于操作。
[0069]本發(fā)明近紅外水分儀的工作過程如下所述:控制器電路控制LED陣列10發(fā)出4個波段的LED光，4個波段的LED光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)先照射到待測樣品100上，然后將散射光線匯聚到InGaAs探測器30，InGaAs探測器30將探測得到的信號傳送到控制器電路進(jìn)行水分的分析。
[0070]所述LED陣列10選用水吸收峰附近的1.45um和1.94um波段LED作為測量光，
1.22um和2.1Oum波段LED作為參照光。作為一個具體的例子，LED陣列10包括4個LED，4個LED排成2x2矩陣。為保證出射光線的會聚，可以在LED燈珠上罩一層薄會聚透鏡，也可以直接選用出射角在±10°的LED成品。LED陣列安裝在氧化鋁基板上，基板緊貼半導(dǎo)體制冷器的頂面，以穩(wěn)定LED的溫度，從而穩(wěn)定光源的出射波長和輻射通量。采用氧化鋁是考慮到其兼具電氣絕緣和熱傳導(dǎo)性能好。
[0071]所述光學(xué)系統(tǒng)主要采用鏡面反射光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成沿待測樣品周圍表面法線對稱，以減少照射光與被測物的方向角度對測量結(jié)果的影響。即采用軸向光學(xué)設(shè)計(jì)，被測樣品周圍被沿著軸線傳播的窄光束照明，目標(biāo)的反射光由一個高NA (數(shù)值孔徑)數(shù)的傘鏡會聚到探測器上。具體的，所述光學(xué)系統(tǒng)包括會聚透鏡22、均勻混合4個波段LED光的光積分棒24、平面反射鏡26以及聚光鏡28。所述會聚透鏡22收集4個波段的LED光將其耦合到光積分棒24,4波段光在光積分棒24中混合、均勻化后,可以被視為從一個位于光積分棒24末端的光源發(fā)出的光，平面反射鏡26偏轉(zhuǎn)光軸附近的調(diào)制光，將其透射到待測樣品100上，形成照明光斑，聚光鏡28的作用是將待測樣品100散射的調(diào)制光聚集到擴(kuò)展型探測器30上。更具體的，會聚透鏡22采用球面透鏡，會聚透鏡22、光積分棒24與LED陣列10發(fā)出的光束同軸，平面反射鏡26的軸與光軸以及待測樣品周圍表面法線均偏離一定的角度，這個角度通常為45°，所述聚光鏡28位于平面反射鏡26的正上方，InGaAs探測器30位于聚光鏡28和平面反射鏡26之間，聚光鏡28沿待測樣品周圍表面法線對稱，擴(kuò)展InGaAs探測器30位于聚光鏡28的聚光點(diǎn)上。
[0072]所述擴(kuò)展InGaAs探測器30工作在0.8um_2.6um的波長范圍內(nèi)，具有響應(yīng)時間快、一致性好，極好的靈敏度及長時間工作的穩(wěn)定性。
[0073]請參閱圖6所示，所述控制器電路包括光源處理單元、探測器信號采集單元、中央處理單元以及通訊單元。所述光源處理單元包括信號調(diào)制電路、LED驅(qū)動電路、LED溫度控制電路，所述信號調(diào)制電路和LED溫度控制電路一端連接到中央處理單元，信號調(diào)制電路的另一端通過LED驅(qū)動電路連接到LED陣列，LED溫度控制電路的另一端連接到LED陣列下方的半導(dǎo)體制冷器。所述探測器信號采集單元包括依次連接的鎖相放大器、濾波器以及AD采樣器，所述鎖相放大器的輸入端連接至擴(kuò)展InGaAs探測器30，輸出端連接到濾波器的輸入端，AD采樣器的輸入端連接到濾波器的輸出端，AD采樣器的輸出端連接到中央處理單元。通訊單元也連接到中央處理單元。中央處理單元負(fù)責(zé)產(chǎn)生光源調(diào)制信號，控制AD采集器的數(shù)據(jù)采集，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出水分含量，通訊處理等。中央處理單元可以是DSP、MCU或FPGA等嵌入式處理器。通訊單元可以是RS232，RS422，RS485收發(fā)電路或wif1、藍(lán)牙、usb 等。
[0074]本發(fā)明中采用的鎖相放大器又稱為鎖定放大器，是相關(guān)檢測的一種具體應(yīng)用，具有抑制噪聲和相敏檢波的雙重功能。其突出的優(yōu)點(diǎn)是可以將深埋在噪聲中的微弱調(diào)制信號檢測出來，是微弱信號檢測的一種有效手段，在光電檢測系統(tǒng)中廣泛使用。鎖相放大即利用信號與噪聲不相關(guān)這一特點(diǎn)，采用互相關(guān)檢測原理實(shí)現(xiàn)信號的檢測?？刂齐娐穼?shí)現(xiàn)的功能是是對LED光源進(jìn)行調(diào)制，用鎖相放大器實(shí)現(xiàn)解調(diào)，然后通過中央處理單元進(jìn)行水分含量的計(jì)算。這樣，可以有效消除背景光、探測器暗電流等因素的干擾，提高信噪比。
[0075]LED出射光的功率和頻譜與溫度有很大關(guān)系，在LED溫度控制方案上，作為本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案，本發(fā)明中的LED溫度控制電路采用PID (比例-積分-微分)控制，PID控制在工業(yè)、民用溫度控制領(lǐng)域大量采用，具有良好的控制效果。由于LED和制冷器緊貼在一起，LED的電流相對微弱而制冷器的驅(qū)動電流很大。制冷器驅(qū)動電流的通斷瞬間可能對LED產(chǎn)生干擾。為使驅(qū)動電流緩慢變化，避免制冷器工作在開關(guān)溫控狀態(tài)，使用模擬PID控制，使制冷器處于連續(xù)溫控狀態(tài)。具體的，如圖7所示，所述LED溫度控制電路包括溫度傳感器、溫度測量電路、比較電路、誤差放大電路、PID補(bǔ)償電路、H橋，所述溫度傳感器放置在制冷器的表面，溫度測量電路輸入端連接溫度傳感器，溫度測量電路輸出端以及設(shè)定溫度端連接到比較電路的輸入端，比較電路的輸出端連接誤差放大電路，誤差放大電路后依次連接PID補(bǔ)償電路、H橋，H橋的輸出端連接到制冷器。
[0076]在光學(xué)設(shè)計(jì)上，作為本發(fā)明優(yōu)化的技術(shù)方案，在擴(kuò)展InGaAs探測器30的探測窗口加裝紅外透射可見光吸收的光學(xué)玻璃，使得可見光被大量吸收，部分波長較短的紅外光大幅衰減，而對于測量用到的紅外波段能夠保持較高的透射率。
[0077]平面反射鏡26選用K9玻璃并鍍鋁膜，為使鍍層更精密，反射鏡的邊長比取1:2。
[0078]在信號處理與噪聲抑制上，作為本發(fā)明優(yōu)化的技術(shù)方案，在近紅外水分檢測儀中，自然光干擾和信噪比低是兩大主要困難。針對此兩大問題，我們采用正弦信號源對探測器的輸出信號進(jìn)行調(diào)制，然后采用相敏檢測技術(shù)濾除噪聲，提高信噪比。
[0079]通過對輸入信號的頻率進(jìn)行選擇，使得其它非調(diào)制信號的頻率經(jīng)過均值濾波后都為O。這些非調(diào)制頻率的信號經(jīng)過整數(shù)個周期采樣后，其對鎖相檢測輸出信號的貢獻(xiàn)為0，即對輸出沒有影響。均值濾波在這里是非常有效的，且數(shù)字均值濾波實(shí)現(xiàn)起來不需要乘法器和存儲計(jì)算系數(shù)。對白噪聲來說，均值濾波器是最佳的有限脈沖響應(yīng)濾波器。均值濾波可以是靜態(tài)濾波或移動均值濾波(如開窗)。對于計(jì)算能力有限的處理器，采用靜態(tài)濾波要好些，因?yàn)椴挥妹總€采樣值都進(jìn)行存儲。FPGA實(shí)現(xiàn)的話，在乘以參考頻率以后，檢測目標(biāo)信號的幅值，只需要I個寄存器和I個地址累加器就可以。
[0080]請參閱圖8所示，控制器電路的中央處理單元以及信號調(diào)制電路均采用FPGA，在發(fā)射端，中央處理單元并行產(chǎn)生4路正弦調(diào)制信號，通過信號調(diào)制電路同時送到4個DAC。每個DAC的輸出均經(jīng)過一個4階貝塞 爾低通濾波后進(jìn)入LED驅(qū)動電路。LED驅(qū)動電路采用V-I轉(zhuǎn)換，調(diào)制電流范圍為20~180mA。
[0081]在接收端，采用專為InGaAs探測器設(shè)計(jì)的低噪聲前置跨導(dǎo)放大器，擴(kuò)展型InGaAs探測器檢測到的信號低噪聲前置跨導(dǎo)放大器放大后，經(jīng)隔直電路、放大電路和抗混疊低通濾波后送到ADC。ADC采樣后的離散信息送到中央處理單元，中央處理單元計(jì)算水分含量。
[0082]所有4個波長同時解調(diào)。調(diào)制信號產(chǎn)生、DA和AD以及鎖相檢測都使用同一時鐘信號，這使得系統(tǒng)時序非常穩(wěn)定。鎖相檢測結(jié)果每64個采樣值后更新一次，即每Ims的更新速率。
[0083]大量的文獻(xiàn)指出，每個正弦周期取4到6個采樣值，能獲得最佳相敏檢測性能?？紤]到溫度的穩(wěn)定性，且濾波器的時間常數(shù)必須遠(yuǎn)大于或小于調(diào)制頻率。為盡量減少互調(diào)失真，4個調(diào)制頻率必須維持在一個八度（固定的頻率比率)。如Ik HZ的輸出頻率，則調(diào)制頻率需大于4K HZ。我們選用的探測器前置放大器最佳信噪比的帶寬范圍為2~IOk HZ，因此各波段LED的調(diào)制頻率設(shè)定如下表1所示。
[0084]表1LED調(diào)制頻率
[0085]
【權(quán)利要求】
1.一種近紅外水分測量儀，包括光源、光學(xué)系統(tǒng)以及探測器，其特征在于：還包括控制器電路，所述光源采用LED陣列（10)，所述探測器采用擴(kuò)展InGaAs探測器（30)，所述控制器電路連接LED陣列（10)和擴(kuò)展InGaAs探測器（30)，LED陣列（10)發(fā)出的光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)照射到待測樣品（100)上后的散射光線匯聚到擴(kuò)展InGaAs探測器，擴(kuò)展InGaAs探測器(30)將探測得到的信號傳送到控制器電路。
2.如權(quán)利要求1所述的近紅外水分測量儀，其特征在于：所述LED陣列（10)選用水吸收峰值波段的I. 45um和I. 94um波段LED作為測量光，吸收峰值波段左右兩側(cè)波段作為參照光，所述擴(kuò)展InGaAs探測器的光譜響應(yīng)范圍為O. 8~2. 6um。
3.如權(quán)利要求2所述的近紅外水分測量儀，其特征在于：所述光學(xué)系統(tǒng)包括會聚透鏡(22),均勻混合4個波段LED光的光積分棒（24)、平面反射鏡（26)以及聚光鏡（28)，所述會聚透鏡（22)收集4個波段的LED光將其耦合到光積分棒（24)，4波段光在光積分棒（24)中混合、均勻化后，從光積分棒（24)末端發(fā)出，平面反射鏡（26)偏轉(zhuǎn)光軸附近的調(diào)制光，將其透射到待測樣品（100)上，形成照明光斑，聚光鏡（28)的將待測樣品（100)散射的調(diào)制光聚集到擴(kuò)展InGaAs探測器（30)上。
4.如權(quán)利要求3所述的近紅外水分測量儀，其特征在于：所述會聚透鏡（22)采用球面透鏡，會聚透鏡（22 )、光積分棒（24)與LED陣列（10 )發(fā)出的光束同軸，平面反射鏡（26 )的軸與光軸以及待測樣品周圍表面法線均偏離一定的角度，所述聚光鏡（28)位于平面反射鏡(26)的正上方,擴(kuò)展InGaA s探測器（30)位于聚光鏡（28)和平面反射鏡（26)之間,聚光鏡(28)沿待測樣品周圍表面法線對稱，擴(kuò)展InGaAs探測器（30)位于聚光鏡（28)的聚光點(diǎn)上。
5.如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的近紅外水分測量儀，其特征在于：所述控制器電路包括光源處理單元、探測器信號采集單元、中央處理單元以及通訊單元； 所述光源處理單元包括信號調(diào)制電路、LED驅(qū)動電路、LED溫度控制電路，所述信號調(diào)制電路和LED溫度控制電路一端連接到中央處理單元，信號調(diào)制電路的另一端通過LED驅(qū)動電路連接到LED陣列，LED溫度控制電路的另一端連接到LED陣列底座的半導(dǎo)體制冷器； 所述探測器信號采集單元包括依次連接的鎖相放大器、濾波器以及AD轉(zhuǎn)換，所述鎖相放大器的輸入端連接至擴(kuò)展型InGaAs探測器（30)，輸出端連接到濾波器的輸入端，AD轉(zhuǎn)換的輸入端連接到濾波器的輸出端，AD轉(zhuǎn)換的輸出端連接到中央處理單元； 通訊單元連接到中央處理單元。
6.如權(quán)利要求5所述的近紅外水分測量儀，其特征在于：所述LED溫度控制電路包括溫度傳感器、溫度測量電路、比較電路、誤差放大電路、PID補(bǔ)償電路、H橋，所述溫度傳感器放置在LED底座的半導(dǎo)體制冷器表面，溫度傳感器測出的溫度值與內(nèi)部溫度設(shè)定值一起送到比較電路，經(jīng)比較和放大后送到PID溫度補(bǔ)償電路，PID輸出經(jīng)H橋驅(qū)動LED底座的半導(dǎo)體制冷器，使得LED溫度保持在恒定值。
7.如權(quán)利要求5所述的近紅外水分測量儀，其特征在于：控制器電路的中央處理單元以及信號調(diào)制電路采用嵌入式處理器，在發(fā)射端，中央處理單元并行產(chǎn)生4路正弦調(diào)制信號，通過信號調(diào)制電路同時送到4個DAC，每個DAC的輸出均經(jīng)過一個低通濾波后進(jìn)入LED驅(qū)動電路，在接收端，InGaAs探測器（30)檢測到的信號經(jīng)低噪聲前置跨導(dǎo)放大器放大后經(jīng)隔直電路、放大電路和低通濾波后送到ADC，ADC采樣后的離散信息送到中央處理單元。
8.如權(quán)利要求7所述的近紅外水分測量儀，其特征在于：所述InGaAs探測器3的低噪聲前置跨導(dǎo)放大器的信噪比的帶寬范圍為2~IOk HZ，各波段LED的調(diào)制頻率分別為：I. 22um 波段:6836HZ、L 45um 波段:7813HZ、L 94um 波段:5859HZ、2. IOum 波段:4833HZ。
9.如權(quán)利要求3所述的近紅外水分測量儀，其特征在于：所述擴(kuò)展型InGaAs探測器(30)的探測窗口裝有近紅外透射可見光吸收的光學(xué)玻璃。
10.如權(quán)利要求3所述的近紅外水分測量儀，其特征在于：所述平面反射鏡（26)選用K9玻璃并鍍鋁膜，所述平面反射鏡的邊長比取1:2。
【文檔編號】G01N21/359GK103528989SQ201310524750
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】王斯建, 董磊 申請人:安徽鴻譜光電科技有限公司