NI 策略伙伴 Mink Hollow Systems 公司建立整合式的光譜水分析系統

Author(s):
Eric Lyness - Mink Hollow Systems

Industry:
Water/Wastewater, Life Science

Products:
LabVIEW

The Challenge:
以不同的波長分析光譜水特徵 (Signature)，並以不同的角度進行光散射 (Light scattering)，進一步檢測海水中的多種生物與化學物質含量。

The Solution:
我們以 NI LabVIEW 控制單一的多功能資料擷取卡，並透過此介面卡調變 3 組雷射的波長，進一步使用光學偵測器、海洋光學光譜儀 (Spectrometer)，與多通道的客制 Kaitech 光譜儀，以量測海水的光譜響應。我們以獨立的 NI LabVIEW 應用整合並分析所有資料，找出海水物質與光學特徵的相互關係。

識別多種成分元素

現有的光譜水物質量測儀器，往往只能用相對低解析度的感測器，檢測單一成分或物質。若要檢測多種污染物，則必須攜帶多種儀器入水。Kaitech 公司則設計了可識別多種污染物質的儀器，並以單一機箱容納 3 組雷射光源機、2 組光譜儀，與 2 組光感測器 (Photo detector)。每組雷射均以不同的方法擾動 (Stimulate) 受測的樣本水，以產生不同的螢光 (Fluoresce) 反應。所形成的螢光特徵即可界定樣本水中的元素。針對雷射路徑前端、兩側，與後端的散射，光感測器將量測其光功率 (Optical power)。每個方向所散射的光功率比，即代表水中微粒的大小尺寸。

Kaitech 整合式光譜水分析器為作業原型 (Operational prototype)，可產生相關特性資料，並提供分析資料的完整使用者介面。此組實驗室儀器正於美國阿拉巴馬州的多芬島海洋實驗室 (Dauphin Island Sea Lab)，進行 Beta 階段的測試。透過該分析功能，科學家可使用儀器所定義的特徵，進一步判斷水中物質的相互關係。使用單一機箱整合多種儀器所取得的資料集，亦多於分散儀器擷取資料的總和。科學家可使用不同頻率取得散射與光譜響應之間的關係，以定義更複雜的物質特徵。

量測設計：精確度
在 1 項實驗中，我們讓水流過小型的球狀量測容器，並使用光纖將雷射光投射至容器。當雷射光將穿過量測容器中的水、透鏡、鏡子，與光纖，並接著導引至感測器、海洋光學光譜儀，與 Kaitech 客制化光譜儀。

系統並使用 NI PCI-6025E 多功能 DAQ 資料擷取卡的 5 項功能 – 數位輸入、數位輸出、類比輸入、類比輸出，與計時器輸出。針對 Kaitech 客制化光譜儀的部分，則使用附加至 NI PCI-BUS 的 P-CAM 相機驅動程式，與附加至 USB 埠的海洋光學光譜儀。
相對於整體的訊號功率來說，此系統所產生的獨立水成分特徵功率可能極小。因此我們必須進行更為精確的量測作業。而進行精確光譜特徵與散射特徵量測的要點，即為校準與同步化作業。校準作業 (Calibration) 可降低外部光線，以提升精確度。同步化作業 (Synchronization) 可提高訊噪比，進一步提升準確性。透過 LabVIEW 與多功能的 PCI-6025E，我們即可執行量測所需的校準與同步化作業。

我們在關閉所有雷射光時，量測周圍光源以進行校準。於測試開始時，LabVIEW 應用即可校準每組光譜儀與偵測器，並將校準資料儲存為輸出資料，讓我們可追蹤回量測結果的原始數值。針對光學感測器而言，當關閉光源刺激而讓感測器接收暗影像 (Dark image) 時，則可降低訊噪比。當啟動光源時，同步化作業則可確保僅有光學感測器暴露於光源之下。透過 PCI-6025E 的彈性，數位 I/O 與計數器輸出通道則可進行同步化。

我們並使用 3 個類比輸入讀取光感測器。我們最需要的資料，則是每方向光功率的光感測器特徵 (前散射光 vs. 側散射光；前散射光 vs. 後散射光；側散射光 vs. 後散射光)。當整體功率訊號極強時，則訊噪比將趨小，而此步驟將需要更為精確的量測。同樣的，我們也需要所有偵測器同時進行讀取作業，才能夠確定每筆讀取資料的相對數值，均是穿過相同的水樣本而來。

為了進行最精確的量測作業，我們將 PCI-6025E 類比輸入觸發通道 (於執行時間為動態性質) 連接至輸出調變通道，因此系統僅於啟動雷射時，才會讀取類比輸入通道。我們啟動雷射 A，並設定該類比輸入可觸發 PF1 輸入通道，並將該通道接至可調變雷射 A 的計時器輸出。當啟動雷射 B，亦同樣觸發 PF2；依此類推。此同步化可改善訊噪比，以進行精確的散射量測。

雷射調變頻率並不會影響較低響應速率的光譜儀 CCD。必須注意的一點：在雷射達到全功率之前，光譜儀不可接觸到光源；而在雷射關閉之前，就必須先截斷光源。在調變雷射的暖機時間之後，我們使用多功能 DAQ 介面卡的數位輸出通道，以硬體觸發每組光譜儀。當完成光源照射並可關閉雷射之後，則會顯示數位輸入通道。

由於水中產生的氣泡或水流情況，均可能造成量測誤差，因此測試程序均必須以每組雷射重複 50次量測作業。我們使用非阻斷式 (Nonblocking) 狀態機器，於 LabVIEW 中建置作業次序，因此可於任何時間點中斷測試作業。

我們的基礎量測次序包含：
1. 初始化 I/O 與儀控。
2. 校準光感測器與光譜儀。
3. 設定類比 I/O 與光譜儀進行同步化。
4. 啟動並調變雷射。
5. 等待延遲時間。
6. 觸發光譜儀。
7. 等待光譜儀完全接觸光源。
8. 關閉雷射。
9. 讀取緩衝區。
10. 儲存資料。
11. 每組雷射均重複步驟 3 至步驟 12。
12. 重複步驟 3 至步驟 12 達 50 次，以完成量測作業。

單次測試順序可獲得 150 筆資料檔案 (每組雷射各 50 筆檔案)，每筆資料約 35 kB，而全部資料約超過 5 M。這些資料過於龐大，而且並無使用價值。透過絕佳的 LabVIEW 資料呈現功能，我們撰寫了可壓縮資料的獨立後處理 (Postprocessing) 程式，並協助我們瀏覽且整合資料，以定義更清楚的特徵。

此 3D 介面可迅速進行辨識作業，而可調整的積分平均 (Boxcar-averaging) 技術，可平均鄰近執行作業的結果，以有效降低訊噪比。

當辨識乾淨樣本水的內容特徵時，我們即可匯出圖像檔與包含圖表資料的試算表 (Spreadsheet) 檔案。

NI 產品提供彈性並降低成本
透過 LabVIEW 與 DAQ 硬體，我們可迅速開發軟體並使用光譜技術進行精確校準的同步化水中成分量測，進一步呈現並分析所得的資料。我們以單一儀器取代多種儀器，進一步省下數千美元的成本。同時高解析度的光譜儀搭配彈性的資料分析軟體，所獲得的資料量遠高於多種儀器的作業效能。

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Eric Lyness
Mink Hollow Systems
Tel: (301) 854-1579
Fax: (310) 854-9746

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