《基于近红外光谱技术的无损检测系统设计》文献综述
1 前言
姚胜、蒲俊文等[13]指出，近红外光谱（near infrared reflectance spectroscopy, NIR)分析技术是一项新的无损检测技术,能够快速、准确,低成本地对固体、液体、粉末状等有机物样品的各种性质进行无损检测。同时,由于近红外光在样品内部经过多次反射、折射、衍射和吸收，在此一系列过程中,近红外光谱负载了样品丰富的结构和组成信息可以作为获取组成或性质信息的有效载体。同时，近红外光是波长范围为780-2500nm的电磁波，且780-900nm波长范围内的近红外光可用于对许多类型的非金属材料的内部结构进行成像，是一种有效的获取材料内部信息的载体。因此，利用近红外光来进行无损检测是可行的。近红外无损检测技术可以克服传统检测方式及常规无损检测方式的不足之处，研究近红外无损检测技术对于检测技术领域的发展意义深远[1]。
2 现状与发展
近红外无损检测技术在国外的应用起始于上个世纪60年代初，Dull等人第一次利用近红外技术对谷物中的水分、脂肪、糖分、蛋白质等含量进行了检测，但是其检测结果并不理想，在操作方法和测验精度等方面均有不足之处[2]。Wright等研究人员应用近红外检测技术对特定木材样品的内部缺陷情况进行了预测，实验表明，近红外检测技术可以较为准确地预测木材样品的内部缺陷情况[3]。Behon等人利用傅立叶近红外显微镜和漫反射方法检测了多种果蔬样品的细胞壁，并与前人的研究方法做了比对，发现近红外技术对于果蔬样品细胞壁的检测效果更佳，可以更好地区别不同种类的果蔬[4]。Pallav等人详细阐述了近红外用于无损检测的情况，并表示近红外信号可以用来对聚合物、陶瓷及包装材料等多种非金属材料的内部结构进行成像[5]。Ziadi等人研究试验了一种基于近红外技术的无损检测方法，用于对牛肉中雪花花纹的成像，研究表明近红外无损检测方法可以对牛肉中雪花花纹进行成像，但是成像效果不佳，该方法需要继续完善 [6]。Gavrilov等研究人员对近红外技术应用于绘画无损检测的适用性进行了研究比较，相较于常规的用于无损评估绘画的方法，近红外技术检测速度更快，效率更高，精度更高[7]。Tien等人研究了近红外技术在静脉成像领域的应用，详细描述了利用近红外技术进行静脉成像的实验方法，并对实验结果进行分析比较，提出近红外技术可以用于静脉成像[8]。Barbin等人研究了近红外技术用于检测识别新鲜与冻融猪肉的情况，近红外检测技术克服了传统识别方法的缺陷，可以快速准确地对肉质情况进行识别[9]。
近红外无损检测技术在国内的应用始于上个世纪90年代末，在近十几年来发展迅速，起初主要应用于木材行业中，如刘亚娜等利用近红外技术对用作造纸制浆工艺原材料的木材进行快速分类，随后发展到对纸浆中木素的含量进行检测[10]。杨甜军等基于LabVIEW和近红外无损检测技术研究设计了一款苹果缺陷程度检测装置，装置能够对苹果样品的尺寸、外形、缺损以及硬度等品质指标进行检测，具有快速无损的特点[11]。李庆波等研究了基于可见-近红外光的木材无损检测方法，利用可见-近红外光的光谱特性，设计了一种新型的木材无损检测方法，对于今后实现利用可见-近红外光无损检测木材具有重要指导意义[12]。姚胜等利用近红外技术结合多变量数据分析技术预测了我国湿地松木材的纤维素含量，预测结果较好，表明该项技术在湿地松木材的纤维素含量预测方面有很好的适用性[13]。谢丽娟等研究人员描述了近红外分析技术在非金属材料的无损检测中的应用，近红外光可用于对多种非金属材料的内部结构进行成像，此项技术在非金属材料的无损检测方面应用广泛[14]。袁雷明等人研究设计了一种基于可见-近红外光技术的便携式分析仪，用于对水果内部品质进行无损检测，对大量样品的检测表明，设计的便携式分析仪可以对水果内部品质进行快速无损检测[15]。孙浩开展了基于近红外技术的木材材性快速无损检测方法及便携分析仪的研究，通过实验验证了方法可行性，设计的装置可以对木材材性进行初步检测，检测技术仍需改进[16]。彭玉魁等人利用近红外技术检测了多种农作物的水分、纤维和蛋白含量，检测结果符合预期情况，实验表明近红外技术可对农作物的水分、纤维和蛋白含量进行快速无损检测[17]。李龙等人设计了苹果内外品质在线无损检测分级系统，该系统利用了近红外无损检测技术，可以对苹果内外品质进行精准分级[18]。李桂峰等研究人员将傅立叶变换近红外技术应用于苹果硬度的无损检测，苹果不同硬度的部分对近红外光的吸收情况不同，研究表明，该项技术可用于苹果硬度的无损检测[19]。近红外无损检测技术在多种材料的无损检测方面应用广泛，且将来可以与很多技术相结合，比如指纹分析技术、网络技术及核磁共振技术等，以不断提高其检测范围、检测速度及检测精度[20]。
3 总结
此研究选用发光波长为850nm的发光二极管，由1kHz正弦信号驱动，信号穿透测试样品时被大幅衰减，光电二极管接收到的信号包含衰减信号以及大量噪声信号。以上部分工作在一个半封闭式的装置内。利用锁相技术将接收信号和1kHz正弦信号相乘，最终得到一个和衰减信号的幅值成比例的电平信号。单片机采集电平信号并进行模数转换，得到的数字量作为样品最终成像的灰度值，采集样品一个矩形区域内的数据，用Matlab对数据做成像处理，可以得到样品的灰度图，图像上会显示样品内部有无缺陷或有无异物等。
基于近红外光谱技术的无损检测系统系统，包括硬件设计与软件设计两个部分。硬件设计包括信号发射电路、接收电路、信号处理、模数转换等电路部分，软件设计包括分别为电压采样、A/D转换以及串口通讯。理论成熟，方案可行。
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