Модернизация приборов и методики спектральной идентификации пород древесины

УДК 543.424.4, 543.424.2

Воронин А. А., канд. техн. наук, директор по проектированию и научным исследованиям, главный метролог ЗАО «НПЦ "ИТТ"» Герасимов В. А., ассистент Кострин Д. К., ассистент

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)» Смирнов П. Е., генеральный директор Турубаров А. В., инженер-электронщик ЗАО «НПЦ "ИТТ"»

Ухов А. А., канд. техн. наук, доцент

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)»

Модернизация приборов и методики спектральной идентификации пород древесины

Ключевые слова: рамановская спектроскопия, спектрофотометр. Keywords: the Raman spectroscopy, spectrophotometer.

Рассмотрены способы повышения надежности идентификации пород древесины за счет модернизации методики и прибора идентификации. Предложена конструкция модуля регистрации спектров, позволяющая обеспечить лучшие метрологические характеристики прибора при меньших габаритах. Предложено использование методов рамановской спектроскопии для повышения надежности идентификации пород древесины.

Введение

Лабораторные приборы для спектрального анализа с успехом используются во многих областях научных исследований и технического контроля. Существует целый ряд задач, которые можно решить с помощью спектрального анализа, но пока это не сделано, поскольку возможно только при условии «полевого» исполнения прибора: далеко не всякий объект исследования может быть доставлен в лабораторию. Одной из таких важных областей является идентификация пород древесины для таможенного контроля. Первый образец прибора «Кедр», решающий данную задачу [1], был создан на базе прибора с зарядовой связью (ПЗС) TCD1304 (Toshiba). Опыт эксплуатации серии приборов показал, что для повышения уверенности идентификации требуется увеличение соотношения «сигнал / шум» фотоприемника, поскольку отличия регистрируемых спектров древесины разных пород незначительны.

Для преодоления выявленных недостатков была проведена модификация прибора:

• применен новый ПЗС фотоприемника;

• модифицирована оптическая схема прибора;

• разработана усовершенствованная методика идентификации пород древесины.

Конструкция системы регистрации

ПЗС фотоприемника ТСБ1304 обладает высокой чувствительностью, но имеет динамический диапазон 300, что и послужило основной причиной отказа от него. Вместо него был выбран специально разработанный для спектральных приборов ПЗС S10420-1106 (Hamamatsu) с динамическим диапазоном не менее 12 000, который существенно улучшает метрологические параметры приборов на его основе. Схема управления данного ПЗС требует большего количества напряжений питания и управляющих импульсов по сравнению с ТСБ1304, что может привести к увеличению энергопотребления и размеров электронных блоков системы регистрации. Для сохранения энергетических и массогабаритных параметров прибора для идентификации пород древесины были разработаны новые принципы конструирования системы регистрации сигнала с ПЗС.

ПЗС имеют повторяющуюся тактовую диаграмму с относительно короткими, порядка микросекунд и менее, временами отдельных импульсов. Для формирования тактовой диаграммы ПЗС обычно применяются программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Кроме того, ПЛИС обычно

Рис. 1 Структура усовершенствованной системы регистрации сигнала ПЗС

также управляют работой аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Результат преобразования выходного сигнала ПЗС в цифровую форму с помощью микроконтроллера должен быть передан в персональный компьютер (ПК) для дальнейшей обработки. В данной системе микроконтроллер выполняет вспомогательные, в основном транспортные, функции. Однако наличие достаточно производительных и недорогих микроконтроллеров семейства ARM позволяет коренным образом изменить подход к конструированию систем регистрации сигналов ПЗС. Такие микроконтроллеры имеют в своем составе несколько 32-разрядных счетчиков и широтно-импульсных модуляторов. При достижении некоторого, заранее определенного состояния счетчика существует возможность изменять состояние отдельных выводов микроконтроллера либо генератора широтно-импульсных модуляторов. Таким образом, можно сформировать тактовую диаграмму ПЗС исключительно с помощью внутренних периферийных модулей микроконтроллера. Другой неотъемлемой частью системы является ОЗУ. Например, для регистрации сигнала с ПЗС, имеющего 2048 пикселей, размер ОЗУ должен составлять 4 Кб. Между тем микроконтроллеры ARM имеют внутреннее ОЗУ 16 Кб и более, что позволяет использовать для этих целей собственное ОЗУ микроконтроллера. Тактовая частота микроконтроллера 70 МГц и выше также позволяет достаточно просто реализовать программный ввод данных с АЦП напрямую, через порты ввода/вывода (рис. 1).

Таким образом конструкция системы регистрации значительно упрощается, а уменьшение общего количества компонентов положительно сказывается на энергопотреблении системы. Кроме того, снижение энергопотребления уменьшает разогрев системы регистрации и ПЗС фотоприемника, что также позволяет снизить тепловые шумы фотоприемника. Еще одним важным свойством системы с большим объемом ОЗУ и программным считыванием данных с АЦП является возможность усреднения информации по нескольким последовательным кадрам непосредственно в микроконтроллере, до передачи в компьютер. Такое усреднение в отношении стацио-

нарных сигналов позволяет существенно снизить уровень шума [2], что особенно важно при сравнении сигналов, имеющих достаточно малое отличие по амплитуде.

Первый вариант модернизации прибора

Спектрофотометр диффузного отражения для идентификации пород древесины «Кедр-М» (рис. 2) содержит источник сплошного спектра (галогеновую лампу накаливания), излучение которого диффузно падает на исследуемый образец при помощи фотометрической сферы. Через щель отраженный свет освещает диспергирующий элемент (дифракционную решетку), который раскладывает падающее излучение по длинам волн в спектре на фотоприемнике. Для получения фонового (темнового) сигнала в схему введен управляемый оптический затвор. Также для минимизации погрешности измерений спектрального коэффициента диффузных отраже-

Рис. 2

Внутренняя конструкция прибора «Кедр-М»

к й?

3 >3 » 3

и> а о а.

* I

о Я

>3

А

к

А §

I

а

е о

А

К

«

•е.

3

80 70 60 50 40 30 20 10

г-/2

1 \ Л -

> /О'—..•

ф

Л* ]

// У / / "" ......

К--""

400 450 500 550 600 650

Длина волны, нм

700

750

800

Рис. 3

Фрагменты спектров некоторых пород древесины: 1 — ель; 2 — сосна; 3 — береза; 4 — ясень

ний реализована алгоритмическая (цифровая) компенсация, ориентирующаяся на показания датчиков температуры, расположенных в различных областях приборов [3].

Прибор предназначен для идентификации пород древесины, аттестован как средство измерений оптико-физических величин (регистрационный номер в реестре средств измерений № 46157-10). Фрагменты спектров некоторых пород древесины приведены на рис. 3. Спектры диффузного отражения пород древесины сплошные. Для разных пород невозможно выделить отдельные полосы поглощения, однако по уровню отражения и по крутизне спектральной функции возможно построение алгоритма идентификации [4]. Применение прибора сопряжено с ограничениями при подготовке образцов. Для уве-

ренной идентификации срезы торцов бревен должны подвергнуться механической обработке для достижения малой шероховатости. Также для уверенной работы алгоритма следует предусмотреть наличие и регулярное пополнение библиотеки спектральной информации. Указанные факторы не позволяют применять прибор достаточно эффективно в полевых условиях, поэтому в настоящее время ведется разработка нового прибора.

Второй вариант модернизации прибора

Суть методов рамановской спектрометрии заключается в том, что исследуемому веществу энергия сообщается посредством облучения монохроматическим излучением. Ее большая часть поглощается

Рис. 4 Прототипрамановской модификации прибора

А

е

ш 3> и

о

в §

*

3 и л К

О &

1400

1200

1000

800

600

400

200

V

\ \

лУ

\\\

\ \ N V 2

о

.....

800 850 900 950 1000

Длина волны, нм

1050

1100

Рис. 5

Спектры различных пород древесины при облучении лазером 785 нм: 1 — сосна; 2 — береза; 3 — ель; 4 — осина

или рассеивается, однако небольшая часть преобразуется веществом в излучение, характеристики которого связаны с химическим составом вещества и с параметрами падающей на вещество энергии. При применении лазера с длиной волны 532 нм для регистрации рамановского излучения необходим прибор со спектральной областью чувствительности от 532 до 650 нм (это соответствует смещению от 0 до 3400 см-1 относительно падающего излучения). Если используется лазер с длиной волны 1064 или 785 нм, возможно исследование спектров в сторону уменьшения длин волн, от 1064 до 750 нм (соответствует рамановскому смещению от 0 до 3900 см-1). С возрастанием волнового числа увеличивается спек-

тральная чувствительность фотоприемника, что дает возможность регистрировать спектр рамановского излучения в широком диапазоне, а это соответствует большему количеству различных веществ, доступных для идентификации.

Прототип новой рамановской модификации прибора приведен на рис. 4 (кожух спектрометра изображен прозрачным для наглядности). Представлены те же электронные модули, однако оптико-механическая часть отличается. Для более узкой спектральной области применена другая дифракционная решетка, а также изменено юстировочное приспособление. Для отделения отраженного излучения в случае применения лазера с длиной волны 532 нм

Рис. 6

Разность рамановского спектра и тренд-линии: 1 — береза; 2 — ель; 3 — осина; 4 — сосна

21

Оптоэлектроника в медицине

допустимо использовать фильтр из стекла ОС-13 или ОС-14. В случае использования лазера 1064 нм предполагается использование МОТОИ-фильтра ^ешгоек) (ОТ03-532/1064Е-25).

Вместо лампы накаливания (как в приборах «Кедр» и «Кедр-М») применяется лазерный диод, который также включен по схеме стабилизации тока импульсного преобразователя. Величина тока программируется при помощи соответствующих команд с ПК. Управление уровнем тока необходимо, когда излучение лазера способно разогревать исследуемые образцы до температур горения.

Применение различных лазеров связано со способностью веществ флуоресцировать под действием мощного монохроматического излучения. Если облучать вещество в области, близкой к максимуму поглощения, то флуоресценция будет максимальной, а ее величина будет на несколько порядков превышать величину рамановского излучения. На рис. 5 приведены спектры различных пород древесины при облучении лазером с длиной волны 785 нм. Спектры также близки к сплошным, однако у них есть небольшие местные экстремумы. Если к каждому из спектров подобрать полиномиальную тренд-линию невысокого порядка, а затем построить пронормированную по максимальному значению разность спектра и тренд-линии, можно рассмотреть частные экстремумы (рис. 6): различия спектров пород более выражены, чем при анализе спектров диффузного отражения.

Для минимизации влияния флуоресценции на спектры возможно применение источников возбуждения — лазеров с различными длинами волн, например 532, 633, 785 и 1064 нм.

Заключение

Таким образом, можно констатировать, что примененный новый подход к конструированию системы регистрации сигналов ПЗС позволил создать компактную универсальную систему, пригодную для использования как в обычном, так и в рама-новском спектрометре. Кроме того, применение принципов рамановской спектроскопии дало возможность повысить надежность идентификации пород древесины по сравнению со спектральным анализом диффузного отражения.

1. Колгин Е. А., Ухов А. А., Воронин А. А. Спектрометрическое устройство для идентификации пород древесины // Петербургский журнал электроники. 2008. № 2-3. С. 116-120.

2. Юдин Р. В., Кострин Д. К., Шишов Д. И. и др. Повышение точности и воспроизводимости результатов колориметрических измерений светоизлучающих диодов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. № 3. С. 8-13.

3. Воронин А. А., Смирнова Е. В., Фаизов И. Н. Алгоритмическая коррекция погрешностей портативного спектрофотометра // Известия вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 1. С. 74-78.

4. Воронин А. А., Смирнова Е. В., Смирнов А. П. К вопросу идентификации пород древесины с применением методов анализа спектров // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2010. № 2. С. 5-11.

Г X

Как оформить подписку?

• В любом отделении связи по каталогам «Роспечать» (по России) — индекс № 45886, через агентства «Урал-Пресс», «Гал», «Интер-почта 2003», «Информнаука».

• Через редакцию (с любого номера текущего года), отправив по факсу (812) 312-57-68 или электронной почте bts@polytechnics.ru заполненный запрос счета на подписку:

Запрос счета для редакционной подписки на журнал «Биотехносфера»

Полное название организации_

Юридический адрес_

Банковские реквизиты. Адрес доставки_

Срок подписки_Кол-во экз..

Тел._Факс-e-mail_

Ф.И.О. исполнителя_

Стоимость одного номера журнала при подписке через редакцию — 550 руб. с добавлением стоимости доставки (простой бандеролью). К каждому номеру журнала будут приложены накладная и счет-фактура. Журнал выходит 6 раз в год. Отдельные номера можно заказать с получением наложенным платежом. Информация о журнале — www.polytechnics.ru.

Журнал «Биотехносфера» распространяется только по подписке в России и странах СНГ.