微型近红外光谱仪的软件开发与实验

1、檱檱殗檱檱殗檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱殗仪器研制与改进微型近红外光谱仪的软件开发与实验冯帮陈斌颜辉（江 苏 大 学 机 械 工 程 学 院 ，镇 江 ；江苏科技大学 生物与化学工程学院 ，镇 江 ）摘 要 ：在 平 台 上 对 微型近红外光谱仪开发了便携式近红外光谱检 测 系 统 。 利 用 结合数据库开发的光谱仪测量分析处理程序 ，实现了光谱仪控制 、样 品 指 标 测 量 、样 品 信 息 管 理 和 系 统使用权维护等功能 。光 谱的重复性试验和幸水桃的可溶性 固形物含量实测试验表明 ，光 谱 仪 在 波 长 范围内具有较高的重复性 ，实测试验中定标模 型 的校正集和预测集的相关系数 分

2、别 为 和 ，均 方 根 误 差 和 分 别 为 ，系统能满足一般实际应用的需求 。 关 键 词 ：近 红 外 光 谱 仪 ；可 溶 性 固 形 物 ： ， （ ， ， ，； ， ， ，）： ， ， ， ， ：；近红 外 光 谱 分 析 技 术 是 发 展最快的高新绿色 分析技术，它具有 分 析 速 度 快 、样 品 准 备 简 单、从 单 个光谱可 进 行 多 种 组 分 分 析、无 损 检 测、没 有 化 学 污染等优点，广 泛 应 用 于 农 业、石 化、制 药、造 纸、食 品等领域。随着近红外光谱分析技术在各领域 应 用需求的提高和拓 展，发展了包括各式各样的实验 室光谱仪、在 线 光

3、 谱 仪、车 载 光 谱 仪 和 便 携 式 光 谱 仪等类 型 的 近 红 外 光 谱 仪 器 。 便 携 式 近 红 外 光 谱 仪因体积 小、重 量 轻 以 及 方 便 携 带 等 独 特 优 点 ，广 泛应用于各种分散 型 实 物 的 现 场 分 析 ，尤 其 在 农 业 和食品领域，。 近红外光谱仪是美 国 基 金 项 目 ：阵列式半导体激光器件的食品原料品质近红外快速检测方法的 研 究 ，国 家 自 然 基 金 项 目 （编 号 ：）；便携 式 水果品质无损检 测 仪 的 研 制 ，镇江市科技支撑 农 业 项 目（编 号 ：）。作 者 简 介 ：冯 帮 ，男 ，年 生 。 硕 士

4、研 究 生 ，研 究 方 向 ：测试计量技术及仪器 ，：。 通 讯 作 者 ：陈 斌 ，：。分 析 仪 器年第期公司推出的一款商品化的小 型近红外光谱仪 ，它 体 积小，重量 轻，但 其 配套软件只包含仪器控制和光 谱采集功能，需要 进行必要的应用 开发才能用于生 产实际。因 此，本 文 开 发 了 基 于 和 数 据 库的 近 红 外 光 谱 仪 器 的 光 谱 采 集 系统软件和建模应用软件。 近红外光谱仪简介近 红 外 光 谱 仪采 用 线 性 渐 变滤光片（，）作为分 光 器 件，实现了光谱 仪 的 小 型 化 （如 图 所 示 ）。 在 × 的体积 上 集 光 源、滤 光

5、片 和 检 测 器 等 于 一体，不需要任何移动部 件，重 量 仅 为 。 其 中 光 源 采用双集成真空钨灯，寿命为万小时，检测器采 用非制冷铟镓砷（）二 极 管 阵 列 检 测 器，波 长 范围，分辨率为，积分时间最 小为，仪 器 的 控 制 和 光谱 数据的采集由控制 终端上的软件触发，控制终端可采 用笔记本电脑和 基于 系 统 的 平 板 电 脑，便 于 现 场 采 样 和 实 时测量。在 采 集 样 品 光 谱 之 前，先 测 量 暗 电 流，测 量参照信号后采集样品的光谱 。图 光 谱 近红外光谱仪应用软件系统结构近红外光谱仪的应用软 件 是 在 平 台 上开发的，其系统结构如图所

6、示，主要包含样品检 测、样品数据查询 和 用 户 管 理 个 模 块。 其 中 样 品 检测模块主要负责 光 谱 仪 器 的 控 制 、样 品 成 分 的 检 测和光谱数据 管 理。 后 两 个 模 块 利 用 了 与数据库通信的功 能，其中样品数据查询模块实现 了包括测量者、样 品吸光度光谱存 储文件名和样品 指标值 等 样 品 信 息 的 查 询。 用户管理模块实现添 加新用户和删除已 有 用 户 两 个 功 能 ，在 进 入 系 统 主 界面之前，操 作 者 需 通 过 登 录 认 证，以 此 来 维 护 软 件系统使用权和控制权。图 近红外光谱仪应用软件系统结构图 样品检测模块 前面板

7、设计为了方便快速 地 实 现 光 谱 仪 控 制 、样 品 成 分 检 测和光谱数据管理 等 功 能 ，在 样 品 检 测 模 块 的 前 面 板设计了个选项栏，用来实现光源控制、光谱扫描 参数设定、测量操作和谱图实时显示等功能 。图 样品测量模块前面板 （）硬 件 控 制 栏：用 来 控 制 光 谱 仪 和 光 源 的 开 与关，并配以指 示灯显示光源的开关状态 。 指 示 灯 用红黄 两 种 颜 色 来 表 示 不 同 状 态 ，黄 色 表 示 状 态 “开”，红色表示状态“关”。（）光 谱 扫 描 参 数 设 定 栏 ：在 此 栏 中 可 合 理 设 置光谱扫描的各项参数 ，包括积分时间

8、（单位为 ） 和平均采样数，以便提高光谱信号的信噪比 。（）样 品 光 谱 采 集 栏：用 来 控 制 样 品 光 谱 采 集 过程。采集开 始和停止采集在此栏完成 。 系 统 暗 电流测量和参 照光谱测量开关也在其中 。 同 样，采 用右边 指 示 灯 来 显 示 各 自 的 状 态 。 采 集 状 态 指 示 灯黄色表示“采 集”，红 色 表 示 “停 止 ”。 暗 电 流 和 参 照测量指示灯红色表示 “未 测 量 ”，黄 色 表 示 “已 测 量”。（）成 分 检 测 栏：样 品 的 定 标 模 型 加 密 封 装 在年第期分 析 仪 器 文档中，系统可随时点击“导入模型”按 钮 导

9、入 定标模型存放在系 统 的 全 部 变 量 中 ，右 边 的 指 示 灯 显示模型 导 入 状 态，黄 色 表 示 “已 导 入 ”，红 色 表 示 “未导入”。模型导入后将采 集到的样品光谱 ，转 换 成模型中光谱的模 式 （通常为吸光度谱 ），与 定 标 模 型关联起来，即可实现快速、无损地检测样品成分 。（）谱图显示 栏：此 栏 中 有 一 个 显 示 器，根 据 显 示模式可 用 来 显 示 样 品 光 谱、系 统 暗 电 流、参 照 信 号等曲线。显示器下设计了 一个游标工具栏 ，利 用 该工具栏可对光谱 数 据 作 缩 放 、移 动和精确定位等 操作，便于对光谱数据进行分析 。（

10、）数 据 管 理 栏：用 来保 存光谱数据的文本格 式文件。当成分检 测 栏 中 的 “计 算 ”按 钮 被 按 下 时， 点击保存按钮，相 应的样品信息会 自动存入样品信 息数据库。样品检测模块前面板如图 所示。 程序框图设计按照样品检测的 流 程 （如 图 所 示 ），实 现 样 品 检测功能 的 程 序 框 图 采 用 平 铺 式顺序结构作为主 框架，共有帧。顺序结 构 外 面 是 一 个 循 环。图 样品检测流程图 吸光度计算公式如下： 通过 第 帧 的 仪 器 开 关 来 控 制 循 环 的 继 续 （ ）（）与否。第帧负责打 开 近 红 外 光 谱 仪 器 ，并 控 制 顺 序 结

11、构 外 部 的 循 环，将获得设备句柄传递 给 第 、帧。第帧负责控制光源。第帧负责设置光谱扫描参数 。第帧负责采集光谱数据和测量样品成分 。根 据公式（）先测量暗信号和参照 信 号，将 样 品 光 谱 转换为吸光度形式，然后将样品吸 光度和导入的定 标模型关联起来，实现样品指标的测量 。其中，、， 分 别 为 在 波 长 处 的 原 始 光 谱强度值、暗光谱强度值和参考光谱强度值 。第帧将所采 集 的 样 品 光 谱 数 据 存 储 为 格式，并将 样 品 信 息 包 括 实 验 者 、样 品 光 谱 数 据 所 存文件名以及样品指标值存入数据库 。 子程序的实现近 红 外 光 谱 仪 提

12、供 了 与上位机进 行 通 信 的 子 函 数，本 软 件 系 统 开发的光谱仪控制 和 光 谱 采 集 子 是 在 此 基 础 上 实现的。主要的子 函数如表所示。表 主 要 子 函 数 简 介 表子 函 数 名输 入 参 数输 出 参 数功 能 ， 负责打开光谱仪 负责关闭光谱仪 ， 负责给光谱仪发送 命 令 ：光 源 控 制 、光 谱 扫 描 参 数 设 置 等 ， 将光谱仪采集的数据传输到上位机上 分 析 仪 器年第期光源控制和光谱扫描参数设置的程序框图分别如图 （）、（）所示。图 光源控制与扫描参数设置程序 （）光源控制程序图 （）扫描参数设置程序图 与数 据 库 的 接 口，如 公

13、 司 的 附 加 工 具 包 样品数据库查询和用户管理模块 数据库的建立数据库可 以 用 多 种 数 据 库 工 具 生 成 ，选 用 建 立 了 一 个 近 红外光 谱仪信息管理数据 库 ，数据库中设计了两个表 ，其 中 “”表 用来 存 放 用 户 名 （）及 登 录 密 码 （）； 另一个表 “”用 来 存 放 实 验 者 （）、光 谱 数据存 储 文 件 名 （）、样 品 成 分 值 （ ）和测量时间（）。 与数据库的连接与访问在 编程 环 境 下，有多种方法可完成 、 的 功 能 等。这里通过第三方开发的 免 费 数 据 库 访 问 的 工 具 包 来 实 现 对 数 据 库 的 访

14、 问，其下载网址是 ：。在程 序 框 图 中 依 次 调 用 和 可 实 现 与 的连接，其中 参数设为“ （ ）； ： ”。如图所示。图 使 用 实现数据库连接 与 数 据 库 成 功 连 接 后，调 用 ，将 语句写 入 参 数， 如 、和 等 数 据 库 查 询、插 入 和 删 除命令语句，即可 实现对近红外光 谱仪信息管理数 据库 的访问与操作。 模块功能介绍样品数据库查询模块的前 面 板 如 图 （）所 示，在该模块 中，可 将 实 验 者、样 品 值 范 围 和 测 量 时 间 设为筛选条件对样 品 信 息 数 据 库 进 行 筛 选 ，筛 选 结 果信息出 现 在 样 品 信 息

15、 表 格 内 。 图 （）的 样 品 信 息是根据样品值范围筛选出来的 。用户管理模块的前面板 如 图 （）所 示，在 该 模 块中可添加新的用户和删除已有用户 。年第期分 析 仪 器 图 程序设计前面板 （）样品数据库查询前面板 （）用 户 管 理 模 块 光谱检测系统测试为了验证 便 携 式 光 谱 检 测 系 统 的 可 行 性 与 实 用 性，首先对标准白板进行光谱检测的重复性试验，然后 对样品桃的可溶性固形物含量进行了实测试验。 光谱重复性试验光谱的重复性试验是指 在相同的条件下 ，包 括程序、人员、仪 器、环 境等因素均不改变 ，按 一 定 的 时间间隔进行 重 复 测 量。 评

16、价 光 谱之间的一致性 ， 通常用整 个 光 谱 区 间 的 吸 光 度 最大偏差或标准偏 差来衡量。本 文 的 重 复 性 试 验 是 在 温 度 为 的 恒温实验室进行 的，扣 除 暗 电 流 之 后 的 采 用 白 板 的 线进行试验的，每隔保存一次光谱数据，共 采集了。各波长点处的吸光度最大偏差和标准 偏差如图、图所示，在波长为 范围内，最大偏差最 大 值 为 ，标 准 偏 差 最 大 值 为，具有较高 的 重 复 性 精 度，能 满 足 一 般 精 度 要 求检测的需要。图 各波长处吸光度最大偏差 图 各波长处吸光度标准偏差 样品桃可溶性固形物实测试验 样品的准备试验共选 用 个 不

17、同成熟度的幸水桃 ， 年月日晨采于镇江市句容某果园 ，保存在温度 为的恒温实验室。 样品光谱的采集光 谱采集过程是在 的 恒 温 下 进 行 的。 根 据预试验结 果，光 谱 仪 打 开 后 预 热 ，设 定 光 谱 仪积分时间为，采样次数为。将个幸 水桃从分别 编 号，然 后 在 每 个 桃 子 的 赤 道 上 间隔画 个 直 径 大 约 为 的 圆 圈。 在 采 集 样品光谱 时，将 桃 紧 贴 光 谱 仪 ，采 集 每 个 圆 圈 处 的 光谱，总计个样本。样品 的 吸 光 度 谱 图 如 图 所示。分 析 仪 器年第期图 个幸水桃的近红外吸光度谱 样品桃可溶性固形物的测量样品光谱采集

18、完 后，在每个桃子的圆圈处切取 厚的桃 块，放 在 阿 贝折光 仪 棱镜表面中央挤 出 滴 汁 液，读 出 桃 子 可 溶 性固形物的具体数 值。其中桃 子 的 可 溶 性 固 形 物 的 最 大 值 为 ， 最小值为，平均值为。 结果分析对样品吸光度谱依次采用卷积平滑法（，窗口为）和 标 准 正 态 变 量 变 换 （）进 行 预 处 理。 按校 正 集 与 预 测 集 ： 的 比 例，采 用 方法划分样品集，。 其 中 个 样 品 作 为 校正集， 个 作 为 预 测 集。 对 校 正 集 采 用 方 法建立校正模 型，并对预测集进行预测 。 模 型 结 果 如表 所 示，其 校 正 集 和 预 测 集 的 相 关 系 数 分 别为 和 ，均 方 根 误 差 和 分 别 为 、。 模 型 预 测 结 果 如 图 所示。图 预 处 理 的 模 型 结 果表 模 型 结 果 图校 正 集预 测 集模 型最 大 误 差平 均 误 差 结论本文设计 的 “便 携式近红外光谱检测系 统 ”是 在 系统下 实 现 的，功 能 基 本 完 整、稳 定 实 用。光谱的 重 复 性 测试和样品 桃可溶性固形物的 测试结果 表 明，该 系 统 是 可 行 的，能满足生产实际 的