基于数字微镜器件的近红外水分仪设计-厦门理工学院学报.PDF

　 第２６ 卷　 第１ 期 厦门理工学院学报 Ｖｏｌ． ２６　 Ｎｏ． １ 　 　 ２０１８ 年２ 月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉａｍｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｆｅｂ． ２０１８ ｄｏｉ ：１０ ． １９６９７／ ｊ ． ｃｎｋｉ． １６７３⁃４４３２ ． ２０ １８０ １０ １２ 基于数字微镜器件的近红外水分仪设计 １ ，２ ，３ １ ，２ ，３ 黄新栋 ， 左石凯 （１． 厦门理工学院光电与通信工程学院， 福建 厦门３６１０２４ ； ２ ． 福建省光电技术与器件重点实验室， 福建 厦门３６１０２４ ； ３． 厦门市ＬＥＤ 照明应用工程技术研究中心， 福建 厦门３６１０２４ ） ［摘　 要］ 传统的近红外水分仪采用滤光轮选择光谱， 存在干扰大、 速度无法提高并且灵活性不高等 问题。 提出用数字微镜器件 （ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏ⁃ｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ ， ＤＭＤ ） 作为近红外水分仪的核心光调制器。 待测 物体的近红外光经过分光后分布在ＤＭＤ 表面， 通过控制数字微镜的偏转角度实现光谱选择， 然后由红外 传感器分时采集， 并采用现场可编程门阵列＋ 数字信号处理的架构来进行水分数据的处理和计算， 该方案 比起传统水分仪具有速度快、 精度高和稳定可靠的优点。 从实验结果可以看到， 该水分仪系统工作稳定可 靠， 精度上优于现有水分仪。 ［关键词］ 红外水分仪； 数字微镜器件； 数字信号处理； 现场可编程门阵列； 数据采集 ［中图分类号］ ＴＰ７３２ ２　 ［文献标志码］ Ａ　 ［文章编号］ １６７３ － ４４３２ （２０１８ ） ０１ － ００６５ － ０５ 红外水分仪是一种非接触式物质水分测量仪器， 其利用水分子对特定波长的近红外光具有强吸收 的特征， 通过计算待测物中不同物质成分对红外线的吸收能力， 得出待测物的水分含量［１ － ３ ］ 。 近红外 光谱仪需要采集多个光学谱段， 通常的做法是采用分光计进行分光， 然后进行采集。 目前的采集方法 主要有两种， 一种是采用阵列探测器同时采集多个谱段信号， 这种方法探测器成本高； 另一种是采用 电机带动滤光轮的方式来采集光谱数据， 其存在的主要问题在于： （１ ） 电机运行会在系统中引入干 扰； （２ ） 电机的转速在６ ０００ ｒ／ ｍｉｎ 左右， 难以再提高速度； （３ ） 光谱的选择灵活性不高， 一旦选定 滤光片， 其数量和波段难以改变［４ － ６ ］ 。 本设计采用数字微镜器件来代替滤光轮， 通过微镜的翻转来选择近红外光谱波段， 可克服以上提 到的几个问题， 并在红外水分仪中采用了现场可编程门阵列（ｆｉｅｌｄ⁃ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ ，ＦＰＧＡ ） ＋ 数 字信号处理 （ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ， ＤＳＰ ） 的结构， 发挥了ＦＰＧＡ 灵活性强和ＤＳＰ 芯片运算速度快 的优点， 提高了系统的稳定性。 １　 系统设计 １ １　 水分仪系统方案 在水分仪系统中， ＤＭＤ 起到光谱选择的作用。 待测物体的红外光经过分光棱镜的分光后， 各段 光谱分布在ＤＭＤ 表面， 数据采集板控制ＤＭＤ 表面微镜的翻转实现光谱选择， 同步光谱分时进入红 　 　 收稿日期：２０１８ － ０１ － ０５　 　 　 　 修回日期：２０１８ － ０１ － １７ 基金项目： 福建省自然科学基金项目 （２０１５Ｊ０１６７ １） 作者简介： 黄新栋 （１９８０ － ） ， 男， 副教授， 博士， 研究方向为数字微镜系统、 高速电路与系统方面， Ｅ⁃ｍａｉｌ ： ｈｕａｎｇｘｉｎｄｏｎｇ＠ ｘｍｕｔ． ｅｄｕ． ｃｎ 。 引文格式： 黄新栋， 左石凯． 基于数字微镜器件的近红外水