恒流源对近红外光谱传感器测量不确定度的影响

方立德, 徐潇潇, 赵计勋, 韦子辉

(1.河北大学 质量技术监督学院,河北 保定 071000；2.计量仪器与系统国家地方联合工程研究中心,河北 保定 071000；3.河北省计量仪器与系统工程实验室,河北 保定 071000；4.保定市计量仪器与系统工程技术研究中心,河北 保定 071000)

1 引 言

近红外光具有不受电磁干扰,穿透能力强,传输距离远,不受光强影响,可在零照度下工作等诸多优点。随着研究的深入,方法原理也日益成熟[1]。近红外技术被应用到众多领域,比如环境监测、石油勘探与分析、地质矿物的鉴定、农业生物学、医学等[2～17]。在近红外光谱技术的研究过程中发现,近红外发射探头发出射线的稳定性是近红外光谱技术的关键[2,3],对于近红外光谱技术的可靠性、重复性和准确性有着较大影响。文献[4～9]将近红外技术应用到气液两相流方面,并取得了一些成果，然而也存在一些问题,比如近红外光源的稳定程度对实验影响较大。根据Beer-lambert光吸收定律,发射探头发出近红外光,被流体吸收一部分后,光强信号被接收探头采集并转化为电压信号,经过数据采集板放大后发至电脑。近红外探头之间的气液两相流流型的不同会导致有不同的输出电压值,而近红外光源稳定性的提升能使输出电压值的准确性与可靠性提高。王帅等[2]提出并研究了一种软硬件相结合的方法来进行近红外光源的稳定性校准；孙玉洋等[3]设计了近红外光源稳定控制系统,根据不同的应用,使用不同的控制方式,最终使得光源输出光强稳定均匀。目前存在的提高探头准确性与可靠性方法大多是在原来光源的特性参数确定的情况下,通过改进或修正的方法提高近红外光源的稳定性[2,3,10,11],或是加入新算法[12],没从根本上解决光源的稳定性问题。

本文通过使用高精密的恒流源为近红外探头供电,得到高稳定性的近红外信号。采用的精密1 A高稳定度恒流源,电流的稳定性达到10-6量级,在一定程度上可提高近红外发射探头光源的稳定性,为以后近红外光源稳定性的科研工作提供了一个新思路。同时为后续近红外在气液两相流的应用实验提供了技术依据。

2 理论分析

近红外光谱传感器发射探头的核心器件是红外发光二极管。红外发光二极管与普通发光二极管类似,主要的不同是掺杂的半导体材料。红外二极管的导通电压和电流分别表示为UD和ID,反向饱和电流表示为IS,红外二极管两端的导通电压与电流的关系如式(1)所示。UT表示温度电压当量,常温下约等于26 mV。

ID=IS(eUD /UT-1)

(1)

假设近红外光源供电电压U对红外二极管导通电压UD的影响成正比,设a1为比例系数,则：

UD=a1·U

(2)

红外发光二极管的伏安特性曲线如图1所示,在导通后曲线十分陡峭,即使电压有微小变化,二极管两端电流值也会受到较大影响。红外二极管两端电压达到导通电压后,二极管导通,这时导通电流ID与二极管发出的光照强度Ei的平方成正比，a2为比例系数。

图1 红外发光二极管正向导通特征曲线示意图

(3)

近红外光谱技术在气液两相流应用时,常常将发射探头与接受探头的电压比换算为Beer-lambert定律中的透光比来计算。Beer-lambert定律不仅仅适用于红外吸收光谱法,原子吸收光谱法,还适用于可见光和紫外线吸光光度法、比色分析法和光电比色法。

(4)

式中：A为吸光度；Ei为入射光强(二极管发出的光照强度)；Eo为透射光强；τ为透光比；k为摩尔吸光系数；b为透过光的溶液厚度；c为透过光的溶液浓度。使用Beer-lambert定律需要满足吸光溶液均匀同时非散射,且要求光源是平行单色光。

在气液两相流系统中,光程b可测。摩尔吸光系数k是由入射光的波长和气液两相流的吸光特性决定,同时受到温度的影响。在实际分析中,可在气液两相流体中测得k。通过式(4)可求出c,进一步求得气液两相流的含气率。下面讨论,当透光比τ有较小变化会对浓度c产生多大影响。

透光比τ是透射光强与入射光强的比值。所以τ的取值范围在0到1之间。为便于研究,假设τ=0.5。

(5)

假设透光比变化值Δτ=0.02,则

(6)

(7)

由此可见,当Δτ=0.02时,会引起Δc的系统误差,根据系统误差的消除减弱原则,应尽量降低Δτ的变化量。提高近红外光源稳定性是较为直接有效的方法,接下来探索恒流源对近红外光谱传感器测量不确定度的影响。

建立输出电压U的测量模型。

U=f(u,t,s)

(8)

(9)

得到关于电源电压U与溶液浓度c的隐函数 F(U,c)=0,在(0,+∞)上连续,所以在(0,+∞)上可导。

(10)

对F(U,c)=0隐函数求一阶导：

(11)

F(c)=-kb

(12)

(13)

因此,电源电压U对溶液浓度c的求解有较大影响,所以为近红外发射探头供电的电源波动会影响实验结果。

3 实验系统的设计

3.1 实验装置选择

3.1.1 近红外接收发射探头

根据实验室前期开展的实验,发现水对970 nm红外线有较强的吸收效果,为了便于后续气液两相流研究工作,本次研究采用970 nm近红外发射、接收探头。

3.1.2 数据采集卡

为了便于数据采集与传输选择USB接口,同时考虑到后续试验的连续性,需要支持多个平台,选用USB-1616HS高速计算机数据采集卡并配以开发的软件采集完成。该数据采集卡具有16单端和8差分模拟输入,采样频率为106/s,24路数字I/O口,4个计数器,实验采用单端模拟输入。该信号采集模块,具有放大信号的功能外,同时还具有驱动近红外发射和接收探头工作的功能。

3.1.3 数据采集卡板

电路板通过光电转换效应,将采集到的近红外光强值采集后以电压模式输出,该电路板在进行一路近红外接收与输入时可以起到很好的采集作用。

3.1.4 固纬GPS-3303C直流电源

接收探头电源采用固纬GPS-3303C直流电源，具有3组独立直流电源输出，三位数显示器。电源变动率≤0.01%。恒流电源的负载系数为3.58×10-7Ω/W，温度系数为0.34×10-6/℃，长期稳定性为±0.48×10-6每3 000 h。

3.1.5 1 A恒流源

恒流源电路由基本稳流电路和提高电流稳定度的辅助电路2部分构成。其中基本稳流电路包括：基准电压、采样电阻、误差放大器和调整管。提高电流稳定性的辅助电路由反馈电路组成。恒流源电路总体设计框如图2所示。

图2 恒流源电路框图

3.1.6 TracerDAQ虚拟仪器套件

TracerDAQ是一种集成带状图、示波器、函数信号发生器和PWM信号发生器。其中Strip Chart：显示并记录模拟信号、温度、数字电平或计数器数值。Oscilloscope：显示模拟输入信号波形。Function Generator：设置模拟输出通道输出信号。Rate Generator：设置定时器输出信号。设置数据采集时间15 s,每秒采集1 000个输出电压值,即每组数据有15 000个数据点。

3.2 实验系统的搭建

3.2.1 实验系统搭建原理

近红外光信号穿过空气透射出去后,被近红外探头接收,接收探头将光强信号转换为感应电压信号后输出。用高频数据采集卡对数据进行采集。近红外接收探头与高速数据采集单元相接,近红外接收探头所输出的感应电压信号被数据采集单元所采集。数据采集单元对所采集的感应电压信号进行放大、解调、滤波及模数转换,得到电压信号,之后将所得数字电压信号发送给计算机,再由origin软件对收集到的数据进行处理，系统示意图如图3所示。

图3 实验系统示意图

3.2.2 搭建实验系统

调节固纬电源,红外接收探头信号正极接数据采集卡的Led+,信号负极接数据采集卡的Led-。选用970 nm的发射光源以及对应的红外接收探头,方便调节距离l,分别将光源和接收探头固定在游标卡尺的外径测量脚上,如图4所示。数据采集卡USB接口与计算机连接进行数据的传输。将数据采集卡的0 H和8 L端口分别与数据采集板的AbsOUT端口和GND连接。

图4 近红外探头的安装

为近红外探头供电的电源采用稳定性10-4量级固纬GPS-3303C直流电源,电流为40 mA。为近红外探头供电的电源采用稳定性为10-6量级的1 A恒流源,电流为40 mA。

3.3 实验过程

3.3.1 准确性实验

为了验证恒流源供电比普通电源供电可信度更高,效果更好。采用单影响因素法,即分别采用较低稳定性的固纬电源与较高稳定性的恒流源为近红外探头提供40 mA的驱动电流。为了提高实验的可靠性,将近红外发射探头和近红外接收探头之间的距离l分别设置为0,30,60,90 cm。同时采用三程双拐点测量方法,每1个距离值处取3组测量值,每组15 000个数据点。

3.3.2 稳定性实验

为了验证恒流源供电比普通电源供电稳定性更高,更能满足后续高精度实验的要求。同样分别使用固纬电源和恒流源供电,近红外探头之间的距离分别设置为0 cm和50 cm,采集时间30 min,每3 min采集一组数据,每组15 000个数据点。将以上2组实验采集到的数据进行处理分析,从而验证恒流源的可信度。

4 实验数据处理与分析

4.1 实验数据处理

4.1.1 测得电压值的实验数据处理与分析

使用origin软件进行数据处理,对每一列数据进行统计。固纬GPS-3303C直流电源测得的输出电压值的统计数据如表1所示,使用1 A恒流源测得的输出电压值统计数据如表2所示。

1)固纬电源A类测量不确定度评定

以2探头距离为0 cm的第1组数据为例进行测量不确定度的评定。

包含因子是数据分布模型,置信水准以及自由度的函数。因为测量次数较多,各类影响的变化较小,可确定为正态分布。查正态分布情况下置信水准与包含因子关系表可知,正态分布的置信水准：

2)固纬电源B类测量不确定度评定

则B类标准不确定度为：

式中k为对应于置信水准的包含因子。由于数值过小可省略不计。

4.1.2 准确性对比实验数据处理与分析

由表1和表2数据可知：每个距离值的每次采样点均为15 000个,无缺失值,3组均值在正常范围。表1表2的偏度系数均小于零,说明2组数据重尾均在左侧。

表1的标准差不超过0.03,表2的标准差不超过0.009。表1均值标准误差数和方差量级均在10-4,表2均值标准误差数和方差量级均在10-5。表1的极差不低于0.141 9,表2极差不高于0.141 9。说明表2数据更加集中、稳定、可靠。

表1 固纬GPS-3303C直流电源测得的输出电压值的统计数据

表2 1 A恒流源测得的输出电压值统计数据

实验结果的不确定度和固纬电源测量不确定度评定结果如表3所示。

表3 实验结果

为了更加明确,将所得数据进行分析,绘制统计直方图和箱线图。考虑到稳定性,对于2种电源均采用第三程数据绘图。0,30,60,90 cm数据的统计直方图分别如图5～图8所示,箱线图如图9,图10所示。

图5 探头相距0 cm时电压分布直方图

图6 探头相距30 cm时电压分布直方图

图7 探头相距60 cm时电压分布直方图

图8 探头相距90 cm时电压分布直方图

图9 固纬电源供电时电压分布箱线图

图10 恒流源供电时电压分布箱线图

从图5～图8中能够非常清晰地看出：固纬电源为近红外探头供电时,接收到的输出电压值数据更为分散；而恒流源供电时,输出电压值的分布更为收敛和集中。为避免偶然性,选取同型号的探头进行一致性实验,输出电压值结果分布类似。

4.1.3 稳定性对比实验数据处理与分析

使用origin软件进行数据处理,对每一组数据求取平均值,然后绘制2维Multi-Panel折线图。如图11所示。从图11中能够看出,电压曲线均呈现下降后平缓的趋势。0 mm恒流源和50 mm恒流源1 000 s后呈现平缓,而0 mm固纬电源和50 mm固纬电源20 min后趋于平缓,但是波动仍然较大。恒流源供电时探头的输出电压更迅速地趋于平稳,且波动较小。

图11 2种电源工作电压走势图

使用Origin进行具体的列描述性统计,统计范围在1 001～1 600 s,即适合实验的时间段大致在15～25 min之间,数据共600个点,如表4所示。在整个实验系统稳定后,探头相距0 cm和50 cm时,固纬电源供电的系统输出电压的方差分别为0.029 41和0.037 12,而恒流源供电的系统输出电压的方差分别为0.009 15和0.006 02。置信水平p取95%,自由度为∞,根据t分布查t分布的置信因子数值表得到k95=1.960。

表4 稳定后输电压的描述性统计

计算探头相距50 cm时,固纬电源和恒流源电压值的扩展不确定度分别为：

固纬电源和恒流源的测量结果表示为：

因此,输出电压值在高稳定性电源供电的情况下集中程度更高,分散程度更低,可信度更强。同时绘制箱线图,能够清晰地看出精密恒流源为近红外探头供电后,所得红外信号转化为的电压信号更加的集中在均值附近,有效地减小近红外信号的波动。同时进行了稳定性实验,系统持续工作1 h。统计15～25 min数据发现固纬电源的扩展不确定度不大于0.073,恒流源的扩展不确定度不大于0.012。

5 结 论

近红外技术可以应用在各个领域,其中近红外探头的光源稳定性受到很多因素影响,包括工作的环境温度,电源电压的稳定性等等。保证光源的稳定性有利于近红外技术的复现性,对于近红外技术的应用和发展有重要作用。

对比量级在10-4较低稳定性的电源和量级在10-6高稳定性的电源2种供电方式发现,高稳定性电源使得电脑采集的输出电压值更加集中和稳定。

高精密恒流源系统为近红外探头供电,1 000 s 后信号平缓稳定,可用于后续高精度实验。

实验过程在室温的环境进行,并未探求温度及噪声的影响。

经过实验验证,精密恒流源在近红外技术上的应用,能降低近红外信号的波动,提高稳定性,有利于后续近红外技术在气液两相流上的应用。