近红外水分测量仪
阅读：572发布：2024-02-13
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1.一种近红外水分测量仪，包括光源、光学系统以及探测器，其特征在于：还包括控制器电路，所述光源采用LED阵列(10)，所述探测器采用扩展InGaAs探测器(30)，所述控制器电路连接LED阵列(10)和扩展InGaAs探测器(30)，LED阵列(10)发出的光经过光学系统照射到待测样品(100)上后的散射光线汇聚到扩展InGaAs探测器，扩展InGaAs探测器(30)将探测得到的信号传送到控制器电路；
所述LED阵列(10)选用水吸收峰值波段的1.45μm和1.94μm波段LED作为测量光，吸收峰值波段左右两侧波段作为参照光，所述扩展InGaAs探测器的光谱响应范围为0.8～2.6μm；
所述光学系统包括会聚透镜(22)、均匀混合4个波段LED光的光积分棒(24)、平面反射镜(26)以及聚光镜(28)，所述会聚透镜(22)收集4个波段的LED光将其耦合到光积分棒(24)，4波段光在光积分棒(24)中混合、均匀化后，从光积分棒(24)末端发出，平面反射镜(26)偏转光轴附近的调制光，将其透射到待测样品(100)上，形成照明光斑，聚光镜(28)的将待测样品(100)散射的调制光聚集到扩展InGaAs探测器(30)上；
所述会聚透镜(22)采用球面透镜，会聚透镜(22)、光积分棒(24)与LED阵列(10)发出的光束同轴，平面反射镜(26)的轴与光轴以及待测样品周围表面法线均偏离一定的角度，所述聚光镜(28)位于平面反射镜(26)的正上方，扩展InGaAs探测器(30)位于聚光镜(28)和平面反射镜(26)之间，聚光镜(28)沿待测样品周围表面法线对称，扩展InGaAs探测器(30)位于聚光镜(28)的聚光点上。
2.如权利要求1所述的近红外水分测量仪，其特征在于：所述控制器电路包括光源处理单元、探测器信号采集单元、中央处理单元以及通讯单元；
所述光源处理单元包括信号调制电路、LED驱动电路、LED温度控制电路，所述信号调制电路和LED温度控制电路一端连接到中央处理单元，信号调制电路的另一端通过LED驱动电路连接到LED阵列，LED温度控制电路的另一端连接到LED阵列底座的半导体制冷器；
所述探测器信号采集单元包括依次连接的锁相放大器、滤波器以及AD转换，所述锁相放大器的输入端连接至扩展型InGaAs探测器(30)，输出端连接到滤波器的输入端，AD转换的输入端连接到滤波器的输出端，AD转换的输出端连接到中央处理单元；
通讯单元连接到中央处理单元。
3.如权利要求2所述的近红外水分测量仪，其特征在于：所述LED温度控制电路包括温度传感器、温度测量电路、比较电路、误差放大电路、PID补偿电路、H桥，所述温度传感器放置在LED底座的半导体制冷器表面，温度传感器测出的温度值与内部温度设定值一起送到比较电路，经比较和放大后送到PID温度补偿电路，PID输出经H桥驱动LED底座的半导体制冷器，使得LED温度保持在恒定值。
4.如权利要求3所述的近红外水分测量仪，其特征在于：控制器电路的中央处理单元以及信号调制电路采用嵌入式处理器，在发射端，中央处理单元并行产生4路正弦调制信号，通过信号调制电路同时送到4个DAC，每个DAC的输出均经过一个低通滤波后进入LED驱动电路，在接收端，InGaAs探测器(30)检测到的信号经低噪声前置跨导放大器放大后经隔直电路、放大电路和低通滤波后送到ADC，ADC采样后的离散信息送到中央处理单元。
5.如权利要求4所述的近红外水分测量仪，其特征在于：所述InGaAs探测器3的低噪声前置跨导放大器的信噪比的带宽范围为2～10k HZ，各波段LED的调制频率分别为：1.22μm波段：6836HZ、1.45μm波段：7813HZ、1.94μm波段：5859HZ、2.10μm波段：4833HZ。
6.如权利要求1所述的近红外水分测量仪，其特征在于：所述扩展型InGaAs探测器(30)的探测窗口装有近红外透射可见光吸收的光学玻璃。
7.如权利要求1所述的近红外水分测量仪，其特征在于：所述平面反射镜(26)选用K9玻璃并镀铝膜，所述平面反射镜的边长比取1:2。
近红外水分测量仪
技术领域
[0001] 本发明涉及水分测量仪，尤其涉及一种近红外水分测量仪。
背景技术
[0003] 近红外水分测量利用了水分对几个波长（1.19um，1.45um，1.94um，2.95um）的近红外光有着很强的吸收特性原理。在这些吸收峰中，1.19um波长处的吸收率小，一般用于大于50%的湿度测量，对微水分含量的测量不算理想；2.95um波长处的吸收率过大，测量的范围窄，一般用于小范围高精度测量。而1.45um、1.94um波长的吸收率较为适当，能提供合适的测量范围。大量的文献表明，1.94um波长比1.45um波长的灵敏度高，线性更好，考虑到探测器的测量范围和灵敏度，以及相关光学元件的透射光谱范围，大部分水分测量仪选用
1.94um波长作为测量波长。水分在红外波段的特征谱线如图1所示。
1.94um波长作为测量波长。水分在红外波段的特征谱线如图1所示。
[0004] 近红外水分测量的分析基础是Lamber-Beer定律
[0005] I=I0e-εcd或E=ln(I0/I)=εcd
[0006] 式中，I0为入射光强，I为反射光强，c为被测物的浓度，ε为吸收系数，d为被测物吸收层厚度，E为吸光度。由上式可以发现，吸光度E与待测物品的浓度c成正比。不同结构的分子有着自己独特的近红外吸收光谱，根据水在红外区的吸收谱，通过测得水的吸光度E来确定被测物水的含量。
[0007] 由于被测物表面状态（黑度系数，表面粗糙程度等）对测量影响大，在测量中，一般采用参比光束与测量光速进行比较，来消除被测物体表面状态的影响。为此，在测量中有采用双波段、三波段以及四波段的测量方法。即采用除水吸收峰的波长测量水含量外，还使用吸收峰两侧不吸收水的波长作为参比波长。由于参比波长基本不受水分的吸收，把水分吸收波长的反射光强与参比波长的反射光强相比就可以得到物体的吸收率，并由此求出该物体的水分含量。
[0009] 现有的两种近红外水分仪的结构以及特点如下所述。
[0010] 1、单光路双探测器结构
[0011] 如图2所示，单光路双探测器红外水分仪中包括光源1’、立轴聚光镜2’、滤光片转盘3’、透镜4’、分光反射镜5’、主探测器6’、变焦聚光镜7’、基准探测器8’、反射镜9’。
[0012] 光源1’发出的光经过立轴聚光镜2聚光后通过滤光片转盘3’的通孔以及透镜4’后到达分光反射镜5’，经分光反射镜5’后光分为两路，一路反射后投射到被测物上，另一路折射后又经过反射镜9’的反射后进入基准探测器8’，从被测物上反射回的光束经过变焦聚光镜7’后被主探测器6’吸收。
[0013] 该水分仪中含有两个探测器：基准探测器8’和主探测器6’。两个探测器经过光谱匹配，具有相同的红外特性，而且都安装在相同的热环境中，以此来确保它们在同一温度条件下工作。主探测器6’用于收集被被测物中水分吸收后的光信号，基准探测器8’只检测探头内部、受探头内部因素影响的信号。通过基准探测器8’输出信号和主探测器6’输出的信号的比照，就会输出一个与仪器自身性能变化无关，仅与产品中被测物质有关的信号。
[0014] 上述单光束双探测器型红外水分仪有以下特点：
[0015] 1）有较强的抗干扰能力
[0016] 基准探测器和主探测器紧贴在一起，保证了两个探测器的温度同时升降，这样两个探测器的输出信号相对值几乎不受温度变化的影响。
[0017] 基准探测器密封在主探测器下面，探头内部的光以外的光不能进入，有效地防止了外部光对基准测量的干扰。
[0018] 2）测量速度取决于滤光片转盘的转速以及滤光片数量
[0019] 滤光片转盘旋转一周，每个探测器输出的信号个数等于滤光片数量。探测器的信号频率等于滤光片转盘转速乘以滤光片数。
[0020] 采用此种结构，在水分仪中将各个波长的红外光在基准探测器和主探测器上产生的信号逐个比较，可有效消除仪器本身的各种漂移（如温漂）现象。
[0021] 单光路双探测器结构多见于进口仪器，所用探测器多为双色探测器。
[0023] 2、双光路单探测器结构
[0024] 这种结构的红外水分仪只有一个探测器。当测量物料水分时，至少有两个红外波长被选用，一个是不受背景或水分强烈吸收的参照波长，另一个是受水分强烈吸收而不受背景强烈吸收的测量波长。
[0025] 请参阅图3，该双光路单探测器结构包括包括光源10’、球面反射镜20’、滤光片转盘30’、内部光学系统、单探测器60’、球面聚光镜70’。仪器的工作过程是：首先光源10’发出的光经过滤光片转盘30’形成的基准光束投射到被测物上，测出基准反射光的信号，这个信号仅仅包括被测物质的本底信息（如反射率，测量距离）；然后光源10’发出的光经过滤光片转盘30’形成的测量光束投射到被测物上，测出它的反射信号，这个信号包括物料的本底信息和水分信息。另外，仪器上面的光源10’还会通过内部光学系统直接投射到单探测器单探测器60’上，以检测探头内部的信息，例如光源和光学系统的漂移信息。
[0026] 来自单探测器60’的两个外在光束信号（参考信号和测量信号）组合成一个比率。不同试品的比率与它的水分含量有关，经过一定的信号处理，水分仪就可以直接显示物料的水分。
[0027] 当今，这种结构的红外水分仪一般还使用一个附加光束来稳定仪器和消除漂移。这个附加光束与参照和测量波长相同，但光束完全在仪器内部传输而不透射到试品上。内在光束与外在光束来自同一光源10’，穿过相同的滤光片转盘30’，透射到单探测器60’上。
这就是通常所说的四光束红外水分仪。
这就是通常所说的四光束红外水分仪。
[0028] 四光束红外水分仪有以下特点：
[0029] 1）结构简单、成本较低
[0030] 四光束红外水分仪在光路和电路设计方面，都较单光束双探测器系统简单，它仅需要一个探测器和一套信号处理系统，而不像双探测器系统那样需要两套独立的探测器和相关信号处理电路。
[0031] 2）难以实现多波长快速测量
[0032] 因为使用一个探测器输出检测信号和基准信号，所以滤光片转盘旋转一周，探测器输出信号的个数是滤光片数量的2倍，同样对于有8片滤光片，100r/s的滤光片转盘，探测器的信号频率将是f=100x8x2=1600HZ，这对于不适用于高频的PbS硫化铅探测器是不利的，所以单探测器红外水分仪总是采用低转速滤光片电机，而且滤光片数量一般不超过5片。
[0033] 结构特点也限制了单探测器红外水分仪使用多波长测量。因为要求上下两个光束必须交替出现，所以滤光片在转盘上的分布就有严格要求：滤光片间的间隔必须大于滤光片的有效直径，而且两个滤光片不能分布在同一条直径上。这样滤光片的数量就不能是偶数。如果一定要使用偶数个滤光片，则必须添加一些不透光的无用滤光片。典型的双光路单探测器红外水分仪滤光片转盘如图4所示，滤光片转盘中包括两片红外滤光片和一片不透红外的可见光滤光片。
[0034] 3）抗干扰能力较弱
[0035] 因为使用一个探测器测量基准信号和测量信号，故测量基准信号时，外界的光线会混进来，干扰基准测量。所以在存在干扰光的环境中使用时，往往需要加装遮光罩。
[0037] 上述传统的多波长近红外水分仪基于卤素灯和旋转滤光片轮组成的光源，存在机械运动部件，意味着设备尺寸较大，结构复杂，有噪音，易损坏，因此可靠性降低并且需要频繁的维护，限制了系统的测量速度。采用滤光片轮结构还必须解决转盘转动的同步检测、滤光片转动位置定位、滤光片的粘接、固定等技术、工艺问题。卤素灯光源照射的方式，随着温度波动和光源老化，最终需要某种补偿。测量环境中的背景噪声、电路电子噪声以及温度漂移等又对测量结果的产生影响。传统的PbS探测器，虽然在1.94um水分敏感吸收波段有很好的峰值响应，但PbS探测器存在积分时间长，对温度变化非常敏感，一般需配备制冷装置，这也限制了基于PbS探测器的水分仪测量速度提高以及体积缩小。
发明内容
[0038] 本发明的所要解决的技术问题在于提供一种可靠性高、系统测量速度不受机械转速限制的高速近红外水分测量仪。
[0039] 本发明采用以下技术方案解决上述技术问题的：一种近红外水分测量仪，包括光源、光学系统以及探测器，还包括控制器电路，所述光源采用LED阵列（10），所述探测器采用扩展InGaAs探测器（30），所述控制器电路连接LED阵列（10）和扩展InGaAs探测器（30），LED阵列（10）发出的光经过光学系统照射到待测样品（100）上后的散射光线汇聚到扩展InGaAs探测器，扩展InGaAs探测器（30）将探测得到的信号传送到控制器电路。
[0040] 作为一种具体的方案，所述LED阵列（10）选用水吸收峰值波段的1.45um和1.94um波段LED作为测量光，吸收峰值波段左右两侧波段作为参照光，例如1.22um和2.10um波段LED，所述扩展InGaAs探测器的光谱响应范围为0.8～2.6um。
[0041] 优化的，所述光学系统包括会聚透镜（22）、均匀混合4个波段LED光的光积分棒（24）、平面反射镜（26）以及聚光镜（28），所述会聚透镜（22）收集4个波段的LED光将其耦合到光积分棒（24），4波段光在光积分棒（24）中混合、均匀化后，从光积分棒（24）末端发出，平面反射镜（26）偏转光轴附近的调制光，将其透射到待测样品（100）上，形成照明光斑，聚光镜（28）的将待测样品（100）散射的调制光聚集到扩展InGaAs探测器（30）上。
[0042] 优化的，所述会聚透镜（22）采用球面透镜，会聚透镜（22）、光积分棒（24）与LED阵列（10）发出的光束同轴，平面反射镜（26）的轴与光轴以及待测样品周围表面法线均偏离一定的角度，所述聚光镜（28）位于平面反射镜（26）的正上方，扩展型InGaAs探测器（30）位于聚光镜（28）和平面反射镜（26）之间，聚光镜（28）沿待测样品周围表面法线对称，扩展InGaAs探测器（30）位于聚光镜（28）的聚光点上。
[0043] 优化的，所述控制器电路包括光源处理单元、探测器信号采集单元、中央处理单元以及通讯单元；
[0044] 所述光源处理单元包括信号调制电路、LED驱动电路、LED温度控制电路，所述信号调制电路和LED温度控制电路一端连接到中央处理单元，信号调制电路的另一端通过LED驱动电路连接到LED阵列，LED温度控制电路的另一端连接到LED阵列基座下方的半导体制冷器；
[0045] 所述探测器信号采集单元包括依次连接的锁相放大器、滤波器以及AD转换，所述锁相放大器的输入端连接至扩展InGaAs探测器（30），输出端连接到滤波器的输入端，AD采样器的输入端连接到滤波器的输出端，AD采样器的输出端连接到中央处理单元；
[0046] 通讯单元连接到中央处理单元。
[0047] 优化的，所述LED温度控制电路包括温度传感器、温度测量电路、比较电路、误差放大电路、PID补偿电路、H桥，所述温度传感器放置在制冷器的表面，温度测量电路输入端连接温度传感器，温度测量电路输出端以及设定温度端连接到比较电路的输入端，比较电路的输出端连接误差放大电路，误差放大电路后依次连接PID补偿电路、H桥，H桥的输出端连接到LED制冷器。
[0048] 优化的，控制器电路的中央处理单元以及信号调制电路采用嵌入式处理器，在发射端，中央处理单元并行产生4路正弦调制信号，通过信号调制电路同时送到4个DAC，每个DAC的输出均经过一个低通滤波后进入LED驱动电路，在接收端，InGaAs探测器（30）检测到的信号经低噪声前置跨导放大器放大后经隔直电路、放大电路和低通滤波后送到ADC，ADC采样后的离散信息送到中央处理单元。
[0049] 优化的，所述InGaAs探测器30的低噪声前置跨导放大器的信噪比的带宽范围为2～10k HZ，各波段LED的调制频率分别为：1.22um波段：6836HZ、1.45um波段：7813HZ、1.94um波段：5859HZ、2.10um波段：4833HZ。
[0050] 优化的，所述扩展InGaAs探测器（30）的探测窗口装设红外透射可见光吸收的光学玻璃。
[0052] 本发明的优点在于：
[0053] 1）无机械运动部件，降低了结构复杂度和系统维护次数，提高了可靠性；可以缩小设备尺寸；系统测量速度不再受机械转速限制；
[0054] 2）卤素灯光源照射的方式，随着温度波动和光源老化，最终需要某种补偿。相比之下，LED的输出功率和频谱可以通过半导体制冷器的温度调控而长时间保持稳定；
[0055] 3)对光源进行调制，降低了测量环境中的背景噪声、电路电子噪声以及温度漂移等对测量结果的影响；
[0057] 图1为水分在红外波段的特征谱线图。
[0058] 图2为现有单光路双探测器结构图。
[0059] 图3为现有四光束单探测器结构图。
[0060] 图4为典型双光路单探测器水分仪滤光片转盘结构图。
[0061] 图5是本发明近红外水分测量仪的结构原理图。
[0062] 图6是本发明中控制电路原理框图。
[0063] 图7是LED温度控制电路原理框图。
[0064] 图8是本发明中控制电路的细化电路框图。
具体实施方式
[0065] 以下结合附图对本发明进行详细的描述。
[0066] 此方案是基于LED光源调制和单点扩展InGaAs探测器。选用1.22um、1.45um、1.94um、2.1um这4个特定波段的LED作为光源，其中1.22um和2.1um作为参考光束，1.45um、
1.94um作为测量光束。利用LED调制代替卤素灯和滤光片轮组成的光源；选用扩展InGaAs（铟镓砷）探测器代替需要长积分时间的PbS(硫化铅)探测器，只要InGaAs探测器的光谱响应范围覆盖上述1.22um、1.45um、1.94um、2.1um这4个特定波段即可。
1.94um作为测量光束。利用LED调制代替卤素灯和滤光片轮组成的光源；选用扩展InGaAs（铟镓砷）探测器代替需要长积分时间的PbS(硫化铅)探测器，只要InGaAs探测器的光谱响应范围覆盖上述1.22um、1.45um、1.94um、2.1um这4个特定波段即可。
[0067] 请参阅图5所示，本发明近红外水分仪包括控制器电路、LED阵列10、光学系统，以及InGaAs（铟镓砷）探测器30。InGaAs探测器的光谱响应范围可以采用0.8～2.6um。控制器电路连接LED阵列10和InGaAs探测器，LED阵列10发出的光经过光学系统射到待测样品100上后的散射光线汇聚到InGaAs（铟镓砷）探测器。控制器电路上可以设置人机接口，便于操作。
[0068] 本发明近红外水分仪的工作过程如下所述：控制器电路控制LED阵列10发出4个波段的LED光，4个波段的LED光经过光学系统先照射到待测样品100上，然后将散射光线汇聚到InGaAs探测器30，InGaAs探测器30将探测得到的信号传送到控制器电路进行水分的分析。
[0069] 所述LED阵列10选用水吸收峰附近的1.45um和1.94um波段LED作为测量光，1.22um和2.10um波段LED作为参照光。作为一个具体的例子，LED阵列10包括4个LED，4个LED排成2x2矩阵。为保证出射光线的会聚，可以在LED灯珠上罩一层薄会聚透镜，也可以直接选用出射角在±10°的LED成品。LED阵列安装在氧化铝基板上，基板紧贴半导体制冷器的顶面，以稳定LED的温度，从而稳定光源的出射波长和辐射通量。采用氧化铝是考虑到其兼具电气绝缘和热传导性能好。
[0070] 所述光学系统主要采用镜面反射光学系统。光学系统设计成沿待测样品周围表面法线对称，以减少照射光与被测物的方向角度对测量结果的影响。即采用轴向光学设计，被测样品周围被沿着轴线传播的窄光束照明，目标的反射光由一个高NA（数值孔径）数的伞镜会聚到探测器上。具体的，所述光学系统包括会聚透镜22、均匀混合4个波段LED光的光积分棒24、平面反射镜26以及聚光镜28。所述会聚透镜22收集4个波段的LED光将其耦合到光积分棒24，4波段光在光积分棒24中混合、均匀化后，可以被视为从一个位于光积分棒24末端的光源发出的光，平面反射镜26偏转光轴附近的调制光，将其透射到待测样品100上，形成照明光斑，聚光镜28的作用是将待测样品100散射的调制光聚集到扩展型探测器30上。更具体的，会聚透镜22采用球面透镜，会聚透镜22、光积分棒24与LED阵列10发出的光束同轴，平面反射镜26的轴与光轴以及待测样品周围表面法线均偏离一定的角度，这个角度通常为45°，所述聚光镜28位于平面反射镜26的正上方，InGaAs探测器30位于聚光镜28和平面反射镜26之间，聚光镜28沿待测样品周围表面法线对称，扩展InGaAs探测器30位于聚光镜28的聚光点上。
[0071] 所述扩展InGaAs探测器30工作在0.8um-2.6um的波长范围内，具有响应时间快、一致性好，极好的灵敏度及长时间工作的稳定性。
[0072] 请参阅图6所示，所述控制器电路包括光源处理单元、探测器信号采集单元、中央处理单元以及通讯单元。所述光源处理单元包括信号调制电路、LED驱动电路、LED温度控制电路，所述信号调制电路和LED温度控制电路一端连接到中央处理单元，信号调制电路的另一端通过LED驱动电路连接到LED阵列，LED温度控制电路的另一端连接到LED阵列下方的半导体制冷器。所述探测器信号采集单元包括依次连接的锁相放大器、滤波器以及AD采样器，所述锁相放大器的输入端连接至扩展InGaAs探测器30，输出端连接到滤波器的输入端，AD采样器的输入端连接到滤波器的输出端，AD采样器的输出端连接到中央处理单元。通讯单元也连接到中央处理单元。中央处理单元负责产生光源调制信号，控制AD采集器的数据采集，对采集到的数据进行处理，计算出水分含量，通讯处理等。中央处理单元可以是DSP、MCU或FPGA等嵌入式处理器。通讯单元可以是RS232，RS422，RS485收发电路或wifi、蓝牙、usb等。
[0073] 本发明中采用的锁相放大器又称为锁定放大器，是相关检测的一种具体应用，具有抑制噪声和相敏检波的双重功能。其突出的优点是可以将深埋在噪声中的微弱调制信号检测出来，是微弱信号检测的一种有效手段，在光电检测系统中广泛使用。锁相放大即利用信号与噪声不相关这一特点，采用互相关检测原理实现信号的检测。控制电路实现的功能是是对LED光源进行调制，用锁相放大器实现解调，然后通过中央处理单元进行水分含量的计算。这样，可以有效消除背景光、探测器暗电流等因素的干扰，提高信噪比。
[0074] LED出射光的功率和频谱与温度有很大关系，在LED温度控制方案上，作为本发明进一步优化的技术方案，本发明中的LED温度控制电路采用PID（比例-积分-微分）控制，PID控制在工业、民用温度控制领域大量采用，具有良好的控制效果。由于LED和制冷器紧贴在一起，LED的电流相对微弱而制冷器的驱动电流很大。制冷器驱动电流的通断瞬间可能对LED产生干扰。为使驱动电流缓慢变化，避免制冷器工作在开关温控状态，使用模拟PID控制，使制冷器处于连续温控状态。具体的，如图7所示，所述LED温度控制电路包括温度传感器、温度测量电路、比较电路、误差放大电路、PID补偿电路、H桥，所述温度传感器放置在制冷器的表面，温度测量电路输入端连接温度传感器，温度测量电路输出端以及设定温度端连接到比较电路的输入端，比较电路的输出端连接误差放大电路，误差放大电路后依次连接PID补偿电路、H桥，H桥的输出端连接到制冷器。
[0075] 在光学设计上，作为本发明优化的技术方案，在扩展InGaAs探测器30的探测窗口加装红外透射可见光吸收的光学玻璃，使得可见光被大量吸收，部分波长较短的红外光大幅衰减，而对于测量用到的红外波段能够保持较高的透射率。
[0076] 平面反射镜26选用K9玻璃并镀铝膜，为使镀层更精密，反射镜的边长比取1:2。
[0077] 在信号处理与噪声抑制上，作为本发明优化的技术方案，在近红外水分检测仪中，自然光干扰和信噪比低是两大主要困难。针对此两大问题，我们采用正弦信号源对探测器的输出信号进行调制，然后采用相敏检测技术滤除噪声，提高信噪比。
[0078] 通过对输入信号的频率进行选择，使得其它非调制信号的频率经过均值滤波后都为0。这些非调制频率的信号经过整数个周期采样后，其对锁相检测输出信号的贡献为0，即对输出没有影响。均值滤波在这里是非常有效的，且数字均值滤波实现起来不需要乘法器和存储计算系数。对白噪声来说，均值滤波器是最佳的有限脉冲响应滤波器。均值滤波可以是静态滤波或移动均值滤波（如开窗）。对于计算能力有限的处理器，采用静态滤波要好些，因为不用每个采样值都进行存储。FPGA实现的话，在乘以参考频率以后，检测目标信号的幅值，只需要1个寄存器和1个地址累加器就可以。
[0079] 请参阅图8所示，控制器电路的中央处理单元以及信号调制电路均采用FPGA，在发射端，中央处理单元并行产生4路正弦调制信号，通过信号调制电路同时送到4个DAC。每个DAC的输出均经过一个4阶贝塞尔低通滤波后进入LED驱动电路。LED驱动电路采用V-I转换，调制电流范围为20～180mA。
[0080] 在接收端，采用专为InGaAs探测器设计的低噪声前置跨导放大器，扩展型InGaAs探测器检测到的信号低噪声前置跨导放大器放大后，经隔直电路、放大电路和抗混叠低通滤波后送到ADC。ADC采样后的离散信息送到中央处理单元，中央处理单元计算水分含量。
[0081] 所有4个波长同时解调。调制信号产生、DA和AD以及锁相检测都使用同一时钟信号，这使得系统时序非常稳定。锁相检测结果每64个采样值后更新一次，即每1ms的更新速率。
[0082] 大量的文献指出，每个正弦周期取4到6个采样值，能获得最佳相敏检测性能。考虑到温度的稳定性，且滤波器的时间常数必须远大于或小于调制频率。为尽量减少互调失真，4个调制频率必须维持在一个八度（固定的频率比率）。如1k HZ的输出频率，则调制频率需大于4K HZ。我们选用的探测器前置放大器最佳信噪比的带宽范围为2～10k HZ，因此各波段LED的调制频率设定如下表1所示。
[0083] 表1LED调制频率
[0084]通道 LED波长 调制频率
[0085]LED21 2100nm 4833HZ
LED19 1940nm 5859HZ
LED12 1220nm 6836HZ
LED14 1450nm 7813HZ
LED19 1940nm 5859HZ
LED12 1220nm 6836HZ
LED14 1450nm 7813HZ
[0086] 锁相检测性能如下表2所示。
[0087] 表2锁相检测性能
[0088]参数名称 参数值
采样率 62.5kHZ
采样周期 16us
均值滤波深度 64个采样值
测量周期 1.0ms
采样率 62.5kHZ
采样周期 16us
均值滤波深度 64个采样值
测量周期 1.0ms
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