基于CCD便携式近红外光谱仪器总体设计.doc

基于CCD的便携式近红外光谱仪器总体设计 摘要 现代近红外光谱技术是90年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术，被誉为分析巨人。由于近红外光谱技术具有分析速度快、成本低、无损无污 染等优点，因而得到广泛应用。近红外光谱分析技术是利用反映原子和分子特征 的发射与吸收光谱进行物质的化学组成及含量分析的物理方法。主要用于有机物 质定性和定量分析的一种分析技术，特别是对于丰富的含氢基团（C-H、O-H、S-H、N-H等）有明显的光谱信息。近红外光谱分析技术综合了光谱学、化学计量学、计算机应用和基础测试技术等多学科知识，从而实现了近红外光谱仪的光、机、电、算一体化设计。 电荷耦合器件简称CCD，它的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。CCD是一种光电转换器件。它以电荷包的形式储存和传送信息，主要由光敏单元，输入结构和输出结构等部份组成。CCD工作过程包括电荷的产生、存储、转移和读出四个环节。 本文主要从工作原理和系统设计（包括确定仪器的工作原理、标准量的选择、信号转换与传输原理/方式的选择）、仪器的主要结构方案、主要参数和技术指标、系统简图、总体布局和总体精度分配来讲述了基于CCD的近红外光谱仪器的总体设计。 关键词：近红外、CCD、总体设计 1. 工作原理的选择 近红外光谱仪器提供准确反映被测样品物质成分及含量的吸收光谱。其基本 组成结构包括：光源系统、分光系统、检测系统、控制及数据处理分析系统。NIRS仪器，按应用场合，分为实验室仪器、现场仪器和在线仪器等；按测样方式分有透射、漫反射、光纤测量等三种仪器。按分光方式分为： （1）滤光片型：第一台近红外光谱仪的分光系统（20世纪50年代后期）是 滤光片分光系统。此类仪器只能在单一或少数几个波长下测定（非连续波长），灵活性差，而且波长稳定性、重现性差，如样品的基体发生变化，往往会引起较大的测量误差。“滤光片”被称为第一代分光技术。 （2）光栅型：20世纪70年代中期至80年代，光栅扫描分光系统开始应用， 但存在扫描速度慢、波长重现性差、内部移动部件多的不足。此类仪器最大的弱 点是光栅或反光镜的机械轴长时间连续使用易磨损，影响波长的精度和重现性， 不适合作为过程分析仪器使用。“光栅”被称为第二代分光技术。 （3）傅立叶变换型：20世纪80年代中后期至90年代中前期，应用“傅立叶变换”分光系统，但是由于干涉计中动镜的存在，仪器的在线可靠性受到限制， 特别是对仪器的使用和放置环境有严格要求，比如室温、湿度、杂散光、震动等。 “傅立叶变换”被称为第三代分光技术。 （4）二极管阵列型：20世纪90年代中期，出现应用二极管阵列技术的近红 外光谱仪。这种近红外光谱仪采用固定光栅，无机械移动部件、可靠性高、测量 速度快。但仪器的波长范围和分辨率有限，波长通常不超过1750nm。由于该波段检测到的主要是样品的三级和四级倍频，样品的摩尔吸收系数较低，因而需要的光程往往较长。“二极管阵列”被称为第四代分光技术。 （5）声光可调滤光器型：20世纪90年代末，来自航天技术的“声光可调滤 光器”（AOTF）技术的问世，被认为是“20世纪90年代近红外光谱仪最突出的进展”，AOTF是利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的光电器件，与通常的单色器相比，采用声光调制即通过超声射频的变化实现光谱扫描，光学系统无移动性部件，波长切换快、重现性好，程序化的波长控制使得这种仪器的应用具有更大的灵活性，尤其是外部防尘和内置的温、湿度集成控制装置，大大提高了仪器的环境适应性，加之全固态集成设计产生优异的防震性能，使其近年来在工业在线和现场（室外）分析中得到越来越广泛的应用。但分辨率相对较低，波长覆盖范围有限、通用性不好，核心部件价格贵。 综上比较各种类型的近红外光谱仪的优缺点，选择CCD二极管阵列型分光方式。 系统设计 光源发出的光经过光谱仪狭缝入射到光栅单色仪的光栅上，被光栅分成多条光谱谱线，成像在光谱探测器焦面上。通过产生的CCD驱动电路、集成运放组成的信号处理电路、数据采集系统，数据通过接口送入计算机，用上层测控软件进行进一步的处理、存储、计算等。 光谱仪器是进行光谱研究和物质的光谱分析的装置。它的基本作用是测定被研究的物质发射的、吸收的、散射的或受激发射的荧光等的光谱组成，包括它的波长、强度与轮廓等。为此光谱仪应该具有的功能是： （1）．把被研究的光信号按波长或波数分解开来： （2）．测定各波长的光所具有的能量，得到能量按波长的分布； （3）．把分解开的光波及其强度按波长或波数分布显示，记录下来，得到光谱图。 3. 主要结构方案 基于CCD的近红外光谱仪的基本组成有：光源、测样器件、分光系统、测控系统，图1给出了仪器的结构简图。 图1 基于CCD的近红外光谱仪的结构简