近紅外譜區(qū)(1)是指位于可見(jiàn)譜區(qū)與中紅外譜區(qū)之間的一段電磁波譜，即介于780-2526nm的光區(qū),。近紅外光譜（Near-infrared Spectroscopy, NIRS）可劃分為短波長(zhǎng)近紅外波段和長(zhǎng)波長(zhǎng)近紅外波段,，其波段范圍分別為780-1100nm和1100-2526nm,。由于頻率較高,，NIR譜區(qū)分子對(duì)其吸收主要是分子振動(dòng)的倍頻與合頻吸收。NIRS分析技術(shù)是通過(guò)被分析物質(zhì)中的含氫基團(tuán),，如OH,、CH、NH,、SH,、PH等在近紅外區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)有特征吸收，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)及化學(xué)計(jì)量學(xué)方法,，對(duì)掃描測(cè)試樣品的光學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的分析處理,，最后完成該樣品有關(guān)成分的定量分析任務(wù)。由于它具有不破壞樣品且快速,、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),，是20世紀(jì)90年代以來(lái)發(fā)展最快,、最引人注目的光譜分析技術(shù) [2，3],。目前它在谷物檢測(cè)領(lǐng)域已有著廣泛的應(yīng)用,，如水分、蛋白,、脂肪和纖維等指標(biāo)的測(cè)定,，近紅外檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為了一種公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法[4]。但是現(xiàn)有的近紅外光譜分析儀器大多體積龐大,，價(jià)格昂貴,，不利于現(xiàn)場(chǎng)分析；或者功能單一,，不易擴(kuò)展和維護(hù),。
虛擬儀器[5]的概念，是美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments Corp.簡(jiǎn)稱NI）于1986年提出的,，它是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上,，其功能由用戶設(shè)計(jì)和定義，具有虛擬面板,，其測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng),。本文結(jié)合虛擬儀器技術(shù)和近紅外光譜分析技術(shù)，搭建了一個(gè)快速無(wú)損檢測(cè)整粒小麥成分含量的系統(tǒng),。
基于虛擬儀器的近紅外整粒小麥成分測(cè)量系統(tǒng)主要包括儀器軟,、硬件和建模軟件。儀器軟,、硬件均采用模塊化設(shè)計(jì),。硬件模塊化主要由光路、檢測(cè)器及信號(hào)調(diào)理電路和虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集板卡組成,；軟件模塊化主要由信號(hào)獲取模塊,、I/O控制模塊、數(shù)據(jù)分析模塊,、數(shù)據(jù)保存和顯示模塊組成,。軟件平臺(tái)采用的是圖形化的編程語(yǔ)言LabVIEW，建模采用逐步回歸分析[6]方法,。
1.硬件設(shè)計(jì)
1.1光路設(shè)計(jì)
光源部分由14個(gè)近紅外發(fā)光二極管(LED)組成,，每個(gè)發(fā)光二極管對(duì)應(yīng)通過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)位于890nm～1050nm之間的近紅外窄帶干涉濾光片，形成單色的近紅外光,，近紅外光經(jīng)菲涅爾透鏡匯聚到被測(cè)樣品上,，在樣品中被散射吸收后，由檢測(cè)器接收,，由于LED的電流決定了它的光強(qiáng),，每支LED都有單獨(dú)可以調(diào)節(jié)的恒流電路,，以保證光源的穩(wěn)定。
窄帶干涉濾光片的帶寬為10nm,，所使用的范圍為890nm～1050nm,。測(cè)量的時(shí)候，先用各個(gè)波長(zhǎng)依次照射樣本,，得到各波長(zhǎng)樣本的光譜數(shù)據(jù),，然后通過(guò)逐步回歸算法挑出對(duì)待測(cè)成分有顯著影響的波長(zhǎng)。預(yù)測(cè)的時(shí)候,，只需將所挑出波長(zhǎng)的吸光度帶入模型計(jì)算,。
本系統(tǒng)采用單一的檢測(cè)器，將14個(gè)波長(zhǎng)的窄帶濾光片盡可能緊密地排布在圓形的支架上,，在通過(guò)同樣電流的情況下LED在不同波長(zhǎng)處的光強(qiáng)不同,，因此，將LED發(fā)光較弱波長(zhǎng)的濾光片（即波長(zhǎng)與890nm和940nm相差較大的濾光片）排布在接近圓心的位置,，以增強(qiáng)有效光強(qiáng),。
菲涅爾透鏡的焦距是20mm，透鏡距離支架是40mm,，距檢測(cè)器是20mm,。菲涅爾透鏡、支架,、檢測(cè)器垂直固定在通過(guò)它們中心的一條直線上,。樣品池厚度為20mm（扣除樣品池壁后），樣品池透光的兩側(cè)為磨砂面,，以進(jìn)一步增強(qiáng)光源的均勻性,。樣品池在測(cè)量范圍內(nèi)對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)近紅外的透過(guò)率近似一致。因此由樣品池引起的誤差對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)近似一樣,。
1.2光源部分電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的光源采用近紅外發(fā)光二極管,，因?yàn)槠涔鈴?qiáng)小，對(duì)樣品不會(huì)造成損壞,，適用于無(wú)損檢測(cè),，且使用壽命達(dá)到十年以上。選用波長(zhǎng)分別為890nm,、940nm，帶寬為40nm~50nm,。通過(guò)調(diào)整每支LED的電流,，使各個(gè)波長(zhǎng)通過(guò)窄帶濾光片以后的光強(qiáng)近似一致。用電路控制LED輪流發(fā)光,，以分時(shí)獲得樣品在單一波長(zhǎng)下的光度值,。為保證LED的電流穩(wěn)定可調(diào),，采用恒流源電路。
1.3信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
檢測(cè)器選擇在短波近紅外區(qū)相應(yīng)敏感的硅光電池,。由于光電池產(chǎn)生的短路電流與光強(qiáng)有良好的線性關(guān)系,，通過(guò)I/V轉(zhuǎn)換，可以得到提供AD轉(zhuǎn)換的電壓,。由于光源LED的發(fā)光角度較小,，有較好的單向性，可近似于平行光源,。將LED放在菲涅爾透鏡的2倍焦距處,，檢測(cè)器放在另一側(cè)1倍焦距處，選用圓形的硅光電池,，與濾光片的排布相對(duì),。
光電池工作在零偏置即光伏模式，實(shí)現(xiàn)精確的線性工作,。光電池偏置由運(yùn)算放大器的虛地維持在零電位上,，短路電流被轉(zhuǎn)換成電壓。切換增益電阻的開(kāi)關(guān)選擇小型5V繼電器,，由數(shù)據(jù)采集卡中的I/O口通過(guò)一個(gè)三極管來(lái)控制通斷,，在測(cè)量空白光路的時(shí)候選擇較小電阻，測(cè)量樣品時(shí),，由于樣品的吸收,，光強(qiáng)較弱，選擇較大電阻,，獲得較高的增益,。
1.4數(shù)據(jù)采集卡
本系統(tǒng)采用的采集板為微機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展卡形式，數(shù)據(jù)采集卡是NI公司的PCI-6040E,，用到的還有它的附件CB-68LP,，其中CB-68LP是用來(lái)將PCI卡上的引腳引到主機(jī)外面方便連線的。
軟件設(shè)計(jì)
虛擬儀器技術(shù)的核心思想是利用計(jì)算機(jī)的硬/軟件資源,，使本來(lái)需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化(即虛擬化),，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈活性,?；谲浖赩I系統(tǒng)中的重要作用，美國(guó)NI公司提出了“軟件就是儀器”的口號(hào),。本系統(tǒng)所用的程序模塊以及它們之間的層次關(guān)系如下圖所示：
2.1程序前面板設(shè)計(jì)
前面板相當(dāng)于真實(shí)儀器可操作的面板,，可以通過(guò)操作此面板來(lái)完成需要的任務(wù)，此前面板包括：開(kāi)始運(yùn)行按鈕,，數(shù)字I/O線控制按鈕,，通道選擇,，輸入采集次數(shù)控制量，顯示均值和圖形顯示幾個(gè)控件,。
2.2程序框圖設(shè)計(jì)
在LabVIEW中,，程序框圖相當(dāng)于真實(shí)儀器內(nèi)部的器件和連線，這才是軟件編程中的靈魂,。這部分主要包括信號(hào)獲取模塊,，I/O控制模塊，信號(hào)分析模塊,，數(shù)據(jù)獲取模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊,。
圖2為系統(tǒng)框圖程序，其中包括所用到的各種控制器和顯示器及各種函數(shù)和它們對(duì)應(yīng)的設(shè)置,。
應(yīng)用實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
本系統(tǒng)掃描了40個(gè)已知粗蛋白含量的整粒小麥樣品,，得到40個(gè)光譜圖數(shù)據(jù)（如圖3）。
然后用36個(gè)樣品(4個(gè)被剔除)的光譜數(shù)據(jù)對(duì)整理小麥粗蛋白含量進(jìn)行建模和預(yù)測(cè),，其中26個(gè)作為校準(zhǔn)集,，用于建立小麥粗蛋白含量與光譜數(shù)據(jù)之間的校準(zhǔn)模型；10個(gè)作為預(yù)測(cè)集,，用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)能力,。
校準(zhǔn)集樣品的建模模型為：
C=4.77-60.24A890+122.17A910-40.63A940+83.83A1020-89.66A1050
其中，C為整粒小麥樣品粗蛋白的含量,，A890,，A910，A940,，A1020,，A1050為對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)點(diǎn)的吸光度。
根據(jù)此關(guān)系模型,，將掃描到的光譜圖中對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的吸光度值代入,，即可得到某一整粒小麥粗蛋白含量值。其中校準(zhǔn)集中預(yù)測(cè)值與化學(xué)值的相關(guān)系數(shù)為R=0.845,，標(biāo)準(zhǔn)差為SEC=0.84,。預(yù)測(cè)集中預(yù)測(cè)值與化學(xué)值的相關(guān)系數(shù)為R=0.834，標(biāo)準(zhǔn)差為SEP=0.93,。
由于建模樣品量少以及儀器本身掃描光譜也存在一定的誤差,，其預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)化學(xué)值之間存在一定偏差，由上面的圖可以看出,，盡管如此,，在精度要求不很精密的場(chǎng)合（如現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、快速檢測(cè)等）,，已經(jīng)可以用于對(duì)整粒小麥粗蛋白含量進(jìn)行快速無(wú)損檢測(cè)了,。
本文結(jié)合虛擬儀器技術(shù)和近紅外光譜分析技術(shù)，搭建了一個(gè)定量測(cè)量近紅外整粒小麥成分（粗蛋白含量）的系統(tǒng),，系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試,、軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三部分。此系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源,，實(shí)現(xiàn)了部分硬件的軟件化,，節(jié)省了物質(zhì)資源，其硬件和軟件都采用標(biāo)準(zhǔn)化,、模塊化和系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)原則,，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，調(diào)試,、擴(kuò)展和維護(hù)方便,，人機(jī)界面友好，增加了系統(tǒng)的靈活性,，能直接實(shí)時(shí)地對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,。同時(shí)將本軟件程序打包成可執(zhí)行程序，可在沒(méi)有安裝LabVIEW軟件的電腦上運(yùn)行,，使其不依賴于編程軟件來(lái)執(zhí)行,，增加了它的適用范圍和靈活性。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：將虛擬儀器技術(shù)和近紅外光譜技術(shù)這兩種新技術(shù)結(jié)合起來(lái)搭建的測(cè)量整粒小麥成分的系統(tǒng),。