藍偉威，符　蓉，余　璇，朱珊瑩

(中南民族大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢　430074)

0　引言

眾所周知，氧是人類維持生命的基礎(chǔ)，人體組織細胞的正常生理活動需要連續(xù)而充足的氧供應(yīng)。但在某些惡劣環(huán)境中，氧的過度缺乏會使人窒息，嚴重的還會威脅到人的生命，所以有必要實時檢測惡劣環(huán)境中氧的濃度。另一方面，人體血液中氧濃度的監(jiān)測在臨床上也具有重要的意義，是判斷人體呼吸系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)是否缺氧的重要指標。

光纖氧傳感器具有檢測精度高、不受外界電磁場干擾、使用安全、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，近年來，其研究越來越受得到人們的重視[3]。熒光光纖氧傳感器通常以釕絡(luò)合物作為指示劑，在一定波長光(475 nm)的激發(fā)下指示劑產(chǎn)生熒光，氧氣對熒光具有猝滅作用，而淬滅的程度與氧的濃度或薄膜(溶膠-凝膠基質(zhì))中氧的分壓有關(guān)。通過檢測釕絡(luò)合物的熒光被猝滅程度，則可達到檢測氧濃度的目的。產(chǎn)生的信號通過LabVIEW采集及處理得出在不同混合氣體中氧含量的關(guān)系式。

文中采用熒光淬滅法測量不同混合氣體中的氧濃度，并結(jié)合LabVIEW強大的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理功能，將采集的信號進行濾波處理及計算，得到的氧濃度能夠在圖形界面上顯示，并進行保存[2]。

1　基本原理

熒光光纖氧傳感器采用溶膠—凝膠法，使用釕絡(luò)合物的傳感膜來測量氧的分壓或氧濃度。脈沖藍色LED發(fā)射波長為475 nm的光，通過光纖傳輸給光纖探頭。而探頭尖端由耐水溶膠—凝膠材料制成的釕絡(luò)合物傳感膜，溶膠—凝膠基質(zhì)可以固定和保護內(nèi)部的釕絡(luò)合成物。在探測器的尖端，LED光激發(fā)釕絡(luò)合物發(fā)出熒光，發(fā)射波長為600 nm．如果被激發(fā)的釕絡(luò)合物遇到一個氧分子，通過非輻射轉(zhuǎn)化，把多余的能量轉(zhuǎn)移給氧分子，減少或猝滅熒光信號，也就是熒光強度的減弱。猝滅的程度與氧的濃度水平或薄膜中氧的分壓有關(guān)，在樣品中實現(xiàn)與氧的動力平衡。根據(jù)熒光強度變化即可計算出氧的含量和氧分壓。

熒光光纖氧傳感器基于氧氣對熒光物質(zhì)的猝滅作用，當(dāng)氧氣接觸到光纖探頭時，引起化學(xué)傳感膜(釕絡(luò)合物)熒光強度的降低和熒光壽命的縮短。這一現(xiàn)象可由Stern-Volmer方程定量表達：

式中：I0、I分別為無氧氣和有氧氣條件下的熒光強度；τ0、τ分別為無氧氣和有氧氣條件下的熒光壽命；x(O2)為氧氣的濃度；K為Stern-Volmer常量[3]。

由Stern-Volmer方程得知，熒光光強變化率I0/I和氧氣濃度呈線性關(guān)系。熒光信號經(jīng)光電檢測、信號放大器放大等處理后傳輸?shù)絇C機上，由LabVIEW對實時數(shù)據(jù)進行采集和處理，并顯示氧的濃度值。

2　硬件系統(tǒng)設(shè)計

2．1光纖傳感系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于LabVIEW的熒光光纖氧傳感器的原理如圖1所示。脈沖藍色LED發(fā)射波長為475 nm的光，通過Y型光纖傳輸給光纖探頭。在探測器的尖端，LED光激發(fā)釕絡(luò)合物發(fā)出熒光，發(fā)射波長為600 nm．被激發(fā)的釕絡(luò)合物遇到氧分子，發(fā)生熒光猝滅現(xiàn)象，猝滅的熒光經(jīng)過光纖探頭和Y型光纖發(fā)送到光電探測器上，由光電探測器轉(zhuǎn)換為微弱電壓信號。微弱信號經(jīng)過前置處理模塊放大等處理后由NI數(shù)據(jù)采集卡采集，在LabVIEW設(shè)計的信號處理系統(tǒng)中對實時信號進行分析和處理，及對最后的結(jié)果進行顯示并輸出O2濃度。

圖1　光纖傳感系統(tǒng)原理圖

2．2信號處理系統(tǒng)設(shè)計

LabVIEW是一款圖形化編程語言，它不同于文本編程語言的文本編程方式，采用的是圖形化編程。VI(Virtual Instrument，虛擬儀器)由兩部分組成，前面板和程序框圖。前面板窗口是VI的用戶界面，可以根據(jù)程序的需要在上面放控件。程序框圖是圖形化源代碼，創(chuàng)建前面板窗口后，需為代碼添加圖形化函數(shù)，用于控制前面板對象。程序框圖對象包括接線端、子VI、函數(shù)、常量、結(jié)構(gòu)和連線，連線可在其它的程序框圖對象間傳遞數(shù)據(jù)。LabVIEW按照數(shù)據(jù)流(dataflow)模式運行VI，當(dāng)所有需要的輸入都存在時，程序框圖節(jié)點將運行。 節(jié)點在運行時產(chǎn)生輸出端數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)流路徑中的下一個節(jié)點。 數(shù)據(jù)流經(jīng)節(jié)點的過程決定了程序框圖上VI和函數(shù)的執(zhí)行順序。

LabVIEW是當(dāng)前用于數(shù)據(jù)采集、信號處理和虛擬儀器開發(fā)的一個標準工具，而且是一個基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具設(shè)計者通過LabVIEW可便捷地建立自己的虛擬儀器程序而無需復(fù)雜的程序代碼編寫。

該信號處理系統(tǒng)采用LabVIEW設(shè)計，總體流程圖如圖2所示。熒光氧傳感器產(chǎn)生熒光，產(chǎn)生的熒光被送入光電轉(zhuǎn)換裝置中，轉(zhuǎn)換成微弱的電信號。然后將產(chǎn)生的電信號送入NI采集卡USB-9215，在LabVIEW中顯示。之后再根據(jù)采集到的信號實際情況，選擇相應(yīng)的濾波器進行濾波處理，可以對處理后的波形進行保存。最后對處理完的信號計算RMS(均方根)值，從而推導(dǎo)出氧濃度與RMS值之間的關(guān)系式。信號處理系統(tǒng)的前面板如圖3所示

圖2信號處理系統(tǒng)流程圖

圖3　信號處理系統(tǒng)前面板

3　LabVIEW程序設(shè)計

3．1數(shù)據(jù)采集程序

NI(National Instrument 美國國家儀器)公司為對應(yīng)版本LabVIEW的數(shù)據(jù)采集提供了相應(yīng)的DAQmx驅(qū)動和一系列的數(shù)據(jù)采集卡(根據(jù)實際需要進行選擇)。利用LabVIEW進行數(shù)據(jù)采集需安裝對應(yīng)版本的DAQmx驅(qū)動，在使用DAQmx函數(shù)編程，配合事先選定的采集卡即可進行數(shù)據(jù)的采集。程序中使用的采集卡為NI-USB-9215，單通道采集電壓。

程序設(shè)計過程在Functions選項板上依次選擇Measurement I/O>>NI-DAQmx>>Data Acquisition．其中DAQmx Create Virtual Channel．VI中依次選擇Analog Input>>Voltage．DAQmx Read．VI中依次選擇Analog>>Single Channel>>Multiple Samples>>Waveform．?dāng)?shù)據(jù)采集程序的流程如圖4所示，程序框圖如圖5所示。

圖4數(shù)據(jù)采集程序流程圖

圖5　數(shù)據(jù)采集程序框圖

3.2濾波程序

濾波是信號處理中重要的組成部分，其程序設(shè)計也是整個程序設(shè)計的重點。濾波就是保留信號中有用的成分，濾除無用的信號，如：噪聲等。濾波器按頻率特性可分為：低通、高通、帶通、帶阻等類型。沖激響應(yīng)的特征有可分為FIR和IIR兩大類，其中主要的IIR濾波器有Butterworth(巴特沃斯)、Bassel(貝塞爾)、Chebyshev(切比雪夫)等類型。系統(tǒng)中信號的濾波，分別設(shè)計了Butterworth(巴特沃斯)、Bassel(貝塞爾)、Chebyshev(切比雪夫)3種濾波器[1]。

在LabVIEW中設(shè)計虛擬的濾波器，關(guān)鍵問題是要知道濾波器圖標的調(diào)用路徑和合理設(shè)置濾波器的有關(guān)參數(shù)。Butterworth(巴特沃斯)濾波器的設(shè)計過程在Functions選項板中依次選擇Signal Processing>>Filters>>Butterworth Filter．VI．然后設(shè)置Butterworth Filter．VI(如圖6所示)的相關(guān)參數(shù)，左邊為輸入?yún)?shù)，右邊為輸出參數(shù)。其中filter type：濾波器類型，按下列值指定：0：Lowpass低通；1：Highpass高通；2：Bandpass帶通；3：Bandstop帶阻；X：待處理的信號；Sampling frep：fs產(chǎn)生X序列時的采樣頻率，必須大于0，缺省值時1。如果它小于等于0，則輸出序列filreredX為空，并返回一個錯誤。采樣頻率的設(shè)置應(yīng)符合采樣定理；High cutoff freg：fh高頻截止頻率。當(dāng)濾波器類型為0(lowpass)或1(highpass)時忽略該參數(shù)，當(dāng)濾波器類型為2(lowpass)或3(highpass)時，fh必須大于fl且滿足Nyquist(奈奎斯特)準則；Low cutoff freg：fl低頻截止頻率。它必須滿足Nyquist(奈奎斯特)準則，根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號頻率的2倍，反過來說，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做奈奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半，所以0≤fl<0．5fs．如果該條件不滿足，則輸出序列FileredX為空，并返回一個錯誤，fl的缺省值是0．125；Order：濾波器的階次，其值必須為大于0的整數(shù)，缺省值是2；Filtered X：濾波后的數(shù)據(jù)。按照這幾個參數(shù)即可設(shè)計前面板，主要用于設(shè)置輸入信號(信號的采集)和觀察輸出信號，用于模擬真實濾波器的面板。前面板如圖7所示

圖6　Butterworth Filter．VI

圖7　濾波前面板

程序框圖即為濾波器的編程語言，與前面板對應(yīng)的圖形程序，程序框圖如圖8所示。程序框圖中采用了while循環(huán)和case結(jié)構(gòu)，while循環(huán)用于保持程序的連續(xù)運行，而case結(jié)構(gòu)則用于濾波器的選擇。Filter為Enum(枚舉型)控件，通過下拉框可以選擇Butterworth(巴特沃斯)、Bassel(貝塞爾)、Chebyshev(切比雪夫)等濾波器，選擇了之后即可運行相應(yīng)的程序，即對應(yīng)的濾波器。

圖8　濾波程序框圖

采集到的信號為帶有噪聲的正弦信號，經(jīng)過濾波后的效果如圖9所示，其中濾波器為Lowpass(低通)5階的Butterworth(巴特沃斯)濾波器，fl為23.95 Hz，fs為1 000 Hz．

圖9　濾波前后的效果圖

3．3氧濃度算法程序

對于采集到的信號進行濾波后，還要知道其對應(yīng)波形的氧濃度為多少。為此，分別把光纖探頭放在0%、5%、15%、20%的氧氣中，對采集到的信號進行處理之后。在LabVIEW 中的Functions選項卡中依次選擇Express>>Signal Analysis>>Statistics，Statistics VI中選擇Root mean square(RMS)，即計算各氧濃度信號波形的RMS(均方根)值。在把各氧濃度與對應(yīng)的RMS(均方根)值，如表1所示。利用Excel進行曲線擬合，得到如圖10所示的擬合曲線，公式如下所示。

y=-1.7151x2+1.2241x-0.016

式中：y為氧的濃度；x為信號的RMS(均方根)值。

當(dāng)RMS值為0.601時，測量的氧濃度10.015%，理想的氧濃度10%，誤差0.015，相對誤差0.15%。在誤差允許范圍內(nèi)，公式可行。

LabVIEW的Functions選項卡中依次選擇Programming>>Structures>>FormulaNode，把得到的公式寫入FormulaNode(公式節(jié)點)。算法程序框圖如圖11所示。

表1　氧氣濃度與RMS的對應(yīng)值

圖10　氧濃度與RMS的擬合曲線

4　結(jié)束語

圖11　算法程序框圖

文中設(shè)計了一個操作簡單、便捷、易讀的光纖氧傳感器信號處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合應(yīng)用了傳感器、數(shù)據(jù)采集、虛擬儀器技術(shù)和信號處理等多種技術(shù)，集數(shù)據(jù)采集和信號處理于一體，構(gòu)建了一個完整的光纖氧傳感器信號處理系統(tǒng)。

參考文獻：

[1]田浩，段麗君．基于LabVIEW多功能數(shù)字濾波器設(shè)計．電子測量與技術(shù)，2011(3)：66-70．

[2]王玉田，王宴婷．基于LabVIEW的熒光光纖氣體傳感器的研究．傳感器與微系統(tǒng)，2009(4)：21-22．

[3]黃俊，張建標，姜德生，等．高性能熒光淬滅式光纖氧傳感器．傳感器技術(shù)，2001(3)：9-11．

[4]洪天星，陳天文．溶膠-凝膠法制備基于熒光淬滅原理的光纖氧傳感器在線監(jiān)測水中溶解氧．福建分析測試，2002(3)：1541-1544．

[5]文華，朱玉琛，張玉廣，等．氧傳感器的發(fā)展和應(yīng)用．艦船防化，2008(3)：15-18．