分光光度计外界杂散光自适应实时校正算法研究

论文摘要

分光光度计是物质定量分析常用的仪器之一,仪器分析过程中会不同程度的受到外界杂散光干扰。现有的分光光度计一般只在系统初始化时对杂散光进行校正,后续的测量中不能根据外界杂散光的变化实时校正杂散光值,导致测量结果存在误差;尤其是在现场或野外在线检测中,杂散光时变特性明显,传统的校正方式已不能满足分光光度计在测量准确性和野外快速部署能力方面的需求。为提高分光光度计抗杂散光干扰能力,本文提出了光源脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)与最小均方误差(Least Mean Square,LMS)自适应滤波技术相结合的外界杂散光实时校正方法。采用PWM技术对光源信号进行调制,分时获取外界杂散光参考信号与含杂散光原始信号；参考信号经过自适应预测器,估计出原始信号中的外界杂散光信号;最后由自适应噪声抵消器实现对原始信号中外界杂散光信号的实时校正。仿真结果表明,本文提出的外界杂散光实时校正方法能够很好的抑制原始信号中的外界杂散光信号,使最终的输出光强值与期望值的相对误差控制在0.15%以内。另外,为保证分光光度计在强外界杂散光干扰下仍能正常工作,提出了一种光源强度自动调整策略。在取得外界杂散光参考信号的基础上,通过分析外界杂散光的变化范围和分光光度计能正常工作的约束条件得出光源强度的最佳调整区间,最后依据最大信噪比准则得出对最优光源光强值。软件仿真结果表明,光源强度自动调整策略能在约束条件范围内实现对光源强度的最佳调整。为进一步验证方法有效性,本文构建了一套便携式野外分光光度计系统,单片机产生PWM信号对光源进行恒流调制,并通过改变驱动电流实现光强控制调整;上位机经16位数据采集卡对光电检测器输出信号的采集与传输,采用校正算法实现对数据的处理以及结果的显示。经过在不同外界杂散光干扰情况下对标准磷酸盐溶的测量分析结果表明,加载了校正算法的系统使标准工作曲线的拟合度R2从0.99提升到0.999以上,且当外界杂散光实时变化时,其光强测量值的相对误差在0.23%以内。与成熟商用仪器在相同实验条件下做整体性能对比的结果显示,加载了校正算法的系统性能优良,能够达到对未知溶液浓度测定的标准,并满足野外快速部署能力。本文提出的方法简便、高效、易实现,提高了分光光度计的测量准确性和稳定性,具有很强的实用性和推广性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   §1.1 课题的研究背景与意义
•   §1.2 国内外研究现状及发展趋势
•     §1.2.1 分光光度计杂散光及来源
•     §1.2.2 杂散光的硬件抑制
•     §1.2.3 杂散光的软件校正
•     §1.2.4 杂散光处理方法的发展趋势
•   §1.3 本文的主要工作和结构安排
• 第二章 外界杂散光对分光光度计性能的影响研究
•   §2.1 分光光度计基本原理
•     §2.1.1 相关理论
•     §2.1.2 结构组成
•     §2.1.3 性能指标
•   §2.2 外界杂散光对测量结果的影响
•   §2.3 本章小结
• 第三章 分光光度计外界杂散光自适应实时校正算法
•   §3.1 自适应滤波器及LMS算法介绍
•     §3.1.1 自适应滤波器简介
•     §3.1.2 自适应LMS算法研究
•   §3.2 光度检测中杂散光参考信号的获取
•     §3.2.1 现有参考信号的获取方法
•     §3.2.2 基于PWM的参考信号获取
•   §3.3 外界杂散光自适应实时校正算法设计与仿真
•     §3.3.1 算法功能设计
•     §3.3.2 算法性能仿真
•   §3.4 本章小结
• 第四章 分光光度计光源强度自动调整方法设计
•   §4.1 光源强度调整需求分析和解决方案
•     §4.1.1 需求分析
•     §4.1.2 解决方案
•   §4.2 分光光度计光源强度自动调整方法
•     §4.2.1 光源强度调整约束条件
•     §4.2.2 光源强度调整最佳准则
•   §4.3 光源强度调整方法的程序仿真
•     §4.3.1 仿真信号生成
•     §4.3.2 仿真结果分析
•   §4.4 本章小结
• 第五章 便携式野外分光光度计实验平台构建
•   §5.1 实验平台总体设计
•   §5.2 实验平台下位机系统设计
•     §5.2.1 样品检测模块
•     §5.2.2 恒流源电路模块
•     §5.2.3 数据采集模块
•     §5.2.4 其他相关电路
•   §5.3 实验平台上位机系统设计
•     §5.3.1 数据采集程序界面
•     §5.3.2 数据处理程序设计
•     §5.3.3 吸光度与工作曲线程序界面
•     §5.3.4 未知溶液浓度测量程序设计
•   §5.4 本章小结
• 第六章 实验平台调试与算法性能验证
•   §6.1 实验平台上下位机功能调试
•     §6.1.1 下位机性能测试
•     §6.1.2 上位机性能测试
•   §6.2 不同外界干扰源下算法性能测试
•     §6.2.1 主要仪器与试剂
•     §6.2.2 无外界杂散光干扰
•     §6.2.3 有外界杂散光干扰
•     §6.2.4 突变外界杂散光干扰
•   §6.3 与成熟仪器UH5300 分光光度计对比
•     §6.3.1 无外界杂散光干扰
•     §6.3.2 有外界杂散光干扰
•   §6.4 本章小结
• 第七章 总结和展望
•   §7.1 总结
•   §7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士期间的主要研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 石鹍

导师: 郭庆

关键词: 自适应算法,脉冲宽度调制,光源强度调整,杂散光校正,分光光度计

来源: 桂林电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,仪器仪表工业

单位: 桂林电子科技大学

基金: 广西自动检测技术与仪器重点实验室 2017 年度主任基金(YQ15116),广西自然科学青年基金(No.2016GXNSFBA380117),厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室开放课题(201601)

分类号: TH744.12;O436

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