基于微型近紅外光譜傳感器的液體肥組分檢測儀研制

王 博

（1.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004；2.北京市農(nóng)林科學院 北京農(nóng)業(yè)信息技術研究中心，北京 100097）

隨著滴灌技術與水肥一體化的推進，液態(tài)肥也得到了 越來越廣泛的使用[1]。但是，如何對液態(tài)肥中的有效組分進行快速檢測，仍是一個亟待解決的關鍵問題。傳統(tǒng)的分析化學滴定法[2]、色譜法[3]等實驗室檢測方法，雖然可以較為精確地對液態(tài)肥的組分含量進行檢測[4]，但是樣品的制備費時費力、檢測花費高昂。

針對這一問題，本設計通過利用新型的MEMS近紅外傳感器研制了便攜式近紅外光譜檢測設備。新型的MEMS近紅外傳感器內(nèi)集成了法布里-珀羅諧振腔（FPI）、InGaAs光電二極管和溫度傳感器，可以有效簡化光路設計并減小設備體積，為研制便攜式的近紅外快速檢測設備提供了可能[5]。

1 MEMS-FPI檢測原理

1.1 朗伯-比爾定律

近紅外光譜是一種分子吸收光譜，其理論核心是朗伯-比爾定律。當一束平行單色光通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時，其吸光度與吸光物質(zhì)的濃度及吸光物質(zhì)的厚度成正比。其定律公式如下：

式（1）中，A為吸光度；I0為入射光強；Iα為吸收光強；K為比例常數(shù)（是由待測物的厚度、溫度及入射光的波長等因素所決定）；L為待測物的厚度；C為待測物的濃度。

檢測設備在實際測量中常常受到暗噪聲的影響。因此，在實際計算中需要先將入射光強和透射光強減去暗噪聲。

式（2）中，Ιt為檢測到的透射光強；Ιb為設備檢測到的暗噪聲，主要是由環(huán)境噪聲和設備噪聲所構(gòu)成。在物質(zhì)濃度檢測時，通常情況下在光源不打開并且不放入樣本的情況下，設備檢測到的信號為暗背景（暗噪聲）。但由于測量環(huán)境的不同，儀器工作狀態(tài)的不同都會導致暗背景不同。因此，在每次采集樣品光譜前，都需要重新對暗背景進行采集。

1.2 MEMS-FPI諧振腔濾光原理

法布里-珀羅諧振腔是一種濾光片型分光器件。其主要是由兩個平行的鏡片以及兩鏡片之間的諧振腔構(gòu)成，如圖1所示。在兩個玻璃鏡片的相對內(nèi)表面會鍍有高反射率的金屬膜。為了避免鏡片內(nèi)外表面平行時反射光的影響，常常將兩鏡片做成有很小棱角的梯形。其濾光原理如圖1所示。

當入射光滿足d=λ/2M（M為正整數(shù)）的諧振條件時，該波長的單色光具有較大的透過率。通過調(diào)節(jié)兩鏡片之間的距離d，可以對透過的不同波長的光進行選擇。

圖1 法布里-珀羅諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Fabry-Perot resonator structure diagram

圖2 整體外形圖Fig.2 Overall shape diagram

2 基于MEMS近紅外液體肥組分檢測器的總體設計

檢測器的設計主要包括3個部分：總體結(jié)構(gòu)與外型設計、儀器硬件電路設計和系統(tǒng)軟件設計。

2.1 總體結(jié)構(gòu)與外型設計

為了使用和攜帶的便利性，將設備外型設計為便攜式水杯結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在液體肥組分檢測時，省去了移液器、比色皿等實驗器材的使用，并且便于液體的更換與設備清理。將其分為上部杯體和下部杯托兩部分：上部杯體主要包括杯蓋和杯體兩部分，在杯蓋中放置電池、光源及其驅(qū)動電路，杯體用來盛放待檢測液；下半部杯托結(jié)構(gòu)主要是用來放置傳感器及其驅(qū)動電路。其整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，整體結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖3所示。

如圖3所展示的，在杯蓋中放入卡扣的光源燈柱，并把光源下放，杯底有直徑為9mm的開孔，并使用石英玻璃進行密封。這樣設計的主要是為了縮短光在液體中的照射光程，進而可以減少水對近紅外光的吸收。在杯托與杯底開孔對應的位置，都有直徑為9mm的開孔，用來將光源的光打在探測器上。杯托上有直徑6mm，深1mm的凹槽，用來固定杯子的位置，并且確保光源與探測器在一條直線上。

圖3 整體結(jié)構(gòu)爆炸圖Fig.3 Explosion diagram of the overall structure

圖4 系統(tǒng)框圖Fig.4 System block diagram

2.2 儀器硬件電路設計

儀器的硬件電路主要以MEMS-FPI近紅外傳感器為核心進行設計。本設計的系統(tǒng)框圖如圖4所示。

從圖4中可以看出，系統(tǒng)主要由FPI諧振腔控制電路、測溫電路、I/V運放及信號處理電路、AD采集電路及主控電路組成。

FPI諧振腔控制電路是該驅(qū)動電路的關鍵，F(xiàn)PI諧振腔是通過靜電力對上下兩鏡片之間的距離進行控制，從而透過不同波長的光。該探測器的控制電壓輸入范圍為0V～38V，其透過的光的不同波長與電壓的對應關系為：

式（3）中的αn為常數(shù)可以通過查表的方式得出，V為控制電壓；λ為對應的波長。本設計使用MCU輸出時序，控制D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出0V～5V的鋸齒波，而D/A轉(zhuǎn)換芯片是利用開關芯片進行控制。首先，驅(qū)動板讀取探頭溫度，并計算在該溫度下FPI諧振腔的控制電壓范圍。當MCU輸出時序所對應電壓達到該范圍最小值時，開關芯片控制D/A轉(zhuǎn)換打開；當輸出電壓到達該范圍最大值時，開關芯片關閉D/A轉(zhuǎn)換，輸出梯形鋸齒波。梯形鋸齒波經(jīng)過放大器放大后，作用在FPI諧振腔的下層鏡片。

圖5 LT3905升壓電路Fig.5 LT3905 Boost circuit

升壓部分采用AD公司的LT3905電流模式升壓芯片。通過fSEL引腳接地，設置芯片內(nèi)部的開關頻率為1MHz，放大器內(nèi)部基準電壓為1.248V，通過CTRL引腳輸入鋸齒波電壓可以對APD偏置電壓進行控制。其電路連接配置圖如圖5所示。

其輸出電壓進行溫度補償公式如下：

式（4）中，V0是在T0=25℃的情況下各個波長λ所對應的電壓值。λ所對應的V0可以通過查表可得。V為在溫度為T的情況下，由LT3905輸出的電壓。

MEMS-FPI近紅外傳感器內(nèi)部集成了熱敏電阻，通過熱敏電阻R1與一個低溫漂的高精度10K電阻R2進行串聯(lián)。在探頭內(nèi)輸入的5V標準電壓U0進行供電的情況下，只要讀取串聯(lián)的低溫漂電阻的分壓U2就可以知道探頭內(nèi)熱敏電阻與串聯(lián)電阻的阻值之比，得出熱敏電阻計算公式（5），從而得出探頭的熱敏電阻在該溫度下的阻值。再利用公式進行計算，得出熱敏電阻在輸出該阻值情況下的溫度：

該MEMS-FPI近紅外傳感器的感光窗口較小，直徑只有3mm。InGaAs光電二極管產(chǎn)生uA級的感應電流，需要I/V運放電路對信號進行放大。I/V運放電路使用ADG1612芯片對運放增益進行選擇，合理設置增益倍數(shù)，對信號進行放大，同時需要配合失調(diào)電壓補償電路對失調(diào)電壓進行補償。

圖6 系統(tǒng)軟件整體工作流程圖Fig.6 Overall workflow flow chart of the system software

主控電路使用意法半導體的stm32f407作為主控芯片，用芯片自帶的12位逐次逼近模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。在72MHz的工作頻率下，模數(shù)轉(zhuǎn)換時間僅為1.17us。STM32F407芯片是一種低功耗、高性能的微控制器，其內(nèi)核是Cortex-M4。由于其具有較小的體積，較強的處理能力和足夠的I/O口，所以本設計將其作為主控芯片。

2.3 儀器系統(tǒng)的軟件設計

本設計的軟件開發(fā)系統(tǒng)為Keil4 for ARM，使用C語言對軟件進行編寫，模塊化結(jié)構(gòu)設計。系統(tǒng)軟件整體工作流程圖如圖6所示，從中可以看出其主要由模式選擇模塊、光源控制模塊、驅(qū)動電路電壓控制模塊、光譜采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成。

3 實驗驗證

3.1 設備穩(wěn)定性驗證

在液體肥組分實驗之前，首先進行了系統(tǒng)的穩(wěn)定性實驗。打開光源照射空白比色皿，同時開啟探測器。在一個小時的時間內(nèi)，連續(xù)采集了50條光譜，檢測范圍為檢測器全波段（1550nm～1850nm）。將探測到的光譜數(shù)據(jù)進行處理，計算得出每一個波長處的相對標準差，并得到圖7。從圖7中可以看出，其相對標準偏差在1550nm處最大，最大為0.39%，整體的相對標準差基本可以穩(wěn)定在0.1%以下。因此，說明該光學系統(tǒng)是比較穩(wěn)定的，系統(tǒng)誤差較低，可以忽略。

相對標準差計算公式為：

圖7 系統(tǒng)穩(wěn)定性Fig.7 System stability

3.2 實驗結(jié)果與分析

本設計的近紅外光譜檢測設備主要是為對液態(tài)肥的組分進行檢測，為了驗證所研制的檢測系統(tǒng)的可行性，利用磷酸氫二銨來配置液體肥溶液，并利用該設備進行了檢測和建模分析。

3.2.1 實驗設計

將10mg～200mg的樣本溶于10mL的超純水中，配置成濃度范圍為0g/L～20g/L的樣品溶液，設置梯度為20個。磷酸氫二銨樣品為99%的分析純，購買于天津巴斯夫化工有限公司。

3.2.2 實驗步驟

1） 打開探測器，在無光源的條件下采集數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)為暗背景I1，即環(huán)境干擾光和設備的暗噪聲。

2） 打開光源，在不注入樣本的情況下采集數(shù)據(jù)。采集到的為實驗的白背景I0，即光源發(fā)出的光在通過空白時所被檢測到的光強。

3） 注入磷酸氫二銨溶液樣本，進行檢測，得出樣本光強I2。

4） 對前3步檢測到的數(shù)據(jù)利用公式（7），計算得出透過率和吸光度。

吸光度計算公式為：

每組數(shù)據(jù)采樣10次，對采集到的200條實驗光譜進行交叉驗證建模分析。

3.2.3 實驗結(jié)果

通過表1內(nèi)5種預處理方法的對比，發(fā)現(xiàn)一階求導之后的建模效果最好，其相關系數(shù)最大，并且均方根誤差也是最小的。因此，本文提出的建模方法得到的建模結(jié)果對磷酸氫二銨的含量預測結(jié)果較為精確，精度也比較高。

表1 常用的5種預處理方法經(jīng)過PLS建模后的結(jié)果對比Table 1 Comparison of the results of the 5 preprocessing methods commonly used after PLS modeling

4 總結(jié)

本設計是基于微型近紅外光譜傳感器研制的液體肥組分檢測儀，成功探測到了光譜信息。對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了驗證，得到了較好的結(jié)果，證明該系統(tǒng)較為穩(wěn)定，滿足了檢測的需要。通過對配制的液體肥進行檢測和建模分析，得到了較好的建模結(jié)果，證明了該設備對液態(tài)肥組分檢測的可行性。