基于线阵CCD检测器的芝麻油掺假速测仪

　　1 引 言

　　芝麻油，俗称“香油”，是日常生活中常用的调味品。近期市场上出现了一些掺假芝麻油，严重损害了消费者的利益，并威胁到消费者的身体健康。为此，本文研制了一种采用固定光栅分光，线阵CCD 检测器检测的新型芝麻油掺假速测仪。该仪器体积小，重量轻，整体无可动部件，可用于现场快速测定。仪器的测定原理是分光光度法，将被测样品中的芝麻油与专用显色剂反应生成粉红色络合物，该络合物对可见光有选择性吸收，测量其吸光度后，应用Beer 定律(在一定条件下，吸光度与被测物质浓度成正比，A = abc)可计算样品中的芝麻油含量。

　　2 仪器软硬件结构

　　2.1 硬件结构

　　芝麻油掺假速测仪由比色池、基于线阵CCD 的小型光谱检测模块和PC 机(可选)构成，硬件结构见图1。小型光谱检测模块是仪器的核心，由光栅、线阵CCD检测器、缓冲/ 驱动电路、微处理器、USB 控制器、按键(可选)和LCD 显示模块(可选)构成。图1 中虚线框中部分为基于线阵CCD 的小型光谱检测模块。

　　2.1.1 电荷耦合器件(CCD)

　　CCD是20世纪70年代由Bell实验室的W. S. Boyle和G. E. Smith最先构想出来的新型半导体器件[1]。第一块成像CCD是1974年由Fairchild电子公司生产的，当时CCD 电荷传输效率非常低，一般低于0.5%。经过多年的发展，CCD 已经成为具有高灵敏度、高空间分辨率、宽波带响应以及宽动态响应范围等优点的理想光学检测器，在多个学科领域得到了广泛的应用，例如在星系探测[2]、太空生物效应研究[3]、海洋工程[4]、资源探测[5]中作传感器或摄像头，在荧光[6]、拉曼[7-8]、原子发射[9-10]、红外[11]等多种光谱仪以及紫外可见分光分光计的换能器[12]。随着分析仪器微型化，CCD 越来越成为与其匹配的理想检测器。

　　仪器中 CCD 器件采用日本索尼(SONY)公司生产的线阵CCD图像传感器——ILX511[13]，具有2048个像素，内置时钟驱动器和采样-保持电路，可简化时钟驱动电路和A/D 转换电路的设计。ILX511 在整个可见光区都有较高的灵敏度，光谱灵敏度曲线如图 2 所示，最大驱动时钟频率为2MHz，整体传输效率为98%。

　　2.1.2A/D 转换器

　　A/D 转换器是将CCD 输出的模拟信号转换成数字信号，因此，有2个要求(1)采样频率应大于等于CCD的最大时钟频率，才能在CCD 的最小积分时间内将CCD所有像素的信号电荷转化成数字量，使CCD 的最小积分时间达到其理论值;(2)转换出的数字量位数最好在8 位以上，否则弱光谱峰的分辨率会很差。综合考虑上述要求和价格等因素后，本文采用了美国模拟器件公司(Analog Devices Inc.)生产的AD9220型A/D转换器[14]，具有以下特点：(1)单芯片12位A/D转换器;(2)最大采样频率10 MSPS;(3)转换数据以二进制方式输出并具有溢出指示功能;(4)三级流水结构。