藍(lán)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(lèi)維持生命的基礎(chǔ)，人體組織細(xì)胞的正常生理活動(dòng)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(guò)度缺乏會(huì)使人窒息，嚴(yán)重的還會(huì)威脅到人的生命，所以有必要實(shí)時(shí)檢測(cè)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(cè)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(biāo)。

光纖氧傳感器具有檢測(cè)精度高、不受外界電磁場(chǎng)干擾、使用安全、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，其研究越來(lái)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(zhǎng)光(475 nm)的激發(fā)下指示劑產(chǎn)生熒光，氧氣對(duì)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(guò)檢測(cè)釕絡(luò)合物的熒光被猝滅程度，則可達(dá)到檢測(cè)氧濃度的目的。產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)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(cè)量不同混合氣體中的氧濃度，并結(jié)合LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理功能，將采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理及計(jì)算，得到的氧濃度能夠在圖形界面上顯示，并進(jìn)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(lái)測(cè)量氧的分壓或氧濃度。脈沖藍(lán)色LED發(fā)射波長(zhǎng)為475 nm的光，通過(guò)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(hù)內(nèi)部的釕絡(luò)合成物。在探測(cè)器的尖端，LED光激發(fā)釕絡(luò)合物發(fā)出熒光，發(fā)射波長(zhǎng)為600 nm．如果被激發(fā)的釕絡(luò)合物遇到一個(gè)氧分子，通過(guò)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(hào)，也就是熒光強(qiáng)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(shí)現(xiàn)與氧的動(dòng)力平衡。根據(jù)熒光強(qiáng)度變化即可計(jì)算出氧的含量和氧分壓。

熒光光纖氧傳感器基于氧氣對(duì)熒光物質(zhì)的猝滅作用，當(dāng)氧氣接觸到光纖探頭時(shí)，引起化學(xué)傳感膜(釕絡(luò)合物)熒光強(qiáng)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(dá)：

式中：I0、I分別為無(wú)氧氣和有氧氣條件下的熒光強(qiáng)度；τ0、τ分別為無(wú)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(qiáng)變化率I0/I和氧氣濃度呈線性關(guān)系。熒光信號(hào)經(jīng)光電檢測(cè)、信號(hào)放大器放大等處理后傳輸?shù)絇C機(jī)上，由LabVIEW對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，并顯示氧的濃度值。

2　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(lán)色LED發(fā)射波長(zhǎng)為475 nm的光，通過(guò)Y型光纖傳輸給光纖探頭。在探測(cè)器的尖端，LED光激發(fā)釕絡(luò)合物發(fā)出熒光，發(fā)射波長(zhǎng)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(guò)光纖探頭和Y型光纖發(fā)送到光電探測(cè)器上，由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為微弱電壓信號(hào)。微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)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(jì)的信號(hào)處理系統(tǒng)中對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，及對(duì)最后的結(jié)果進(jìn)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(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LabVIEW是一款圖形化編程語(yǔ)言，它不同于文本編程語(yǔ)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(duì)象。程序框圖對(duì)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(duì)象間傳遞數(shù)據(jù)。LabVIEW按照數(shù)據(jù)流(dataflow)模式運(yùn)行VI，當(dāng)所有需要的輸入都存在時(shí)，程序框圖節(jié)點(diǎn)將運(yùn)行。 節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)。 數(shù)據(jù)流經(jīng)節(jié)點(diǎn)的過(guò)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(hào)處理和虛擬儀器開(kāi)發(fā)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工具，而且是一個(gè)基于圖形化編程語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具設(shè)計(jì)者通過(guò)LabVIEW可便捷地建立自己的虛擬儀器程序而無(wú)需復(fù)雜的程序代碼編寫(xiě)。

該信號(hào)處理系統(tǒng)采用LabVIEW設(shè)計(jì)，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(hào)。然后將產(chǎn)生的電信號(hào)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(hào)實(shí)際情況，選擇相應(yīng)的濾波器進(jìn)行濾波處理，可以對(duì)處理后的波形進(jìn)行保存。最后對(duì)處理完的信號(hào)計(jì)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(hào)處理系統(tǒng)的前面板如圖3所示

圖2信號(hào)處理系統(tǒng)流程圖

圖3　信號(hào)處理系統(tǒng)前面板

3　LabVIEW程序設(shè)計(jì)

3．1數(shù)據(jù)采集程序

NI(National Instrument 美國(guó)國(guó)家儀器)公司為對(duì)應(yīng)版本LabVIEW的數(shù)據(jù)采集提供了相應(yīng)的DAQmx驅(qū)動(dòng)和一系列的數(shù)據(jù)采集卡(根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇)。利用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集需安裝對(duì)應(yīng)版本的DAQmx驅(qū)動(dòng)，在使用DAQmx函數(shù)編程，配合事先選定的采集卡即可進(jìn)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(jì)過(guò)程在Functions選項(xiàng)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(hào)處理中重要的組成部分，其程序設(shè)計(jì)也是整個(gè)程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。濾波就是保留信號(hào)中有用的成分，濾除無(wú)用的信號(hào)，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(lèi)型。沖激響應(yīng)的特征有可分為FIR和IIR兩大類(lèi)，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(lèi)型。系統(tǒng)中信號(hào)的濾波，分別設(shè)計(jì)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(jì)虛擬的濾波器，關(guān)鍵問(wèn)題是要知道濾波器圖標(biāo)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(jì)過(guò)程在Functions選項(xiàng)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(lèi)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(hào)；Sampling frep：fs產(chǎn)生X序列時(shí)的采樣頻率，必須大于0，缺省值時(shí)1。如果它小于等于0，則輸出序列filreredX為空，并返回一個(gè)錯(cuò)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(lèi)型為0(lowpass)或1(highpass)時(shí)忽略該參數(shù)，當(dāng)濾波器類(lèi)型為2(lowpass)或3(highpass)時(shí)，fh必須大于fl且滿足Nyquist(奈奎斯特)準(zhǔn)則；Low cutoff freg：fl低頻截止頻率。它必須滿足Nyquist(奈奎斯特)準(zhǔn)則，根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號(hào)頻率的2倍，反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號(hào)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(gè)錯(cuò)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(gè)參數(shù)即可設(shè)計(jì)前面板，主要用于設(shè)置輸入信號(hào)(信號(hào)的采集)和觀察輸出信號(hào)，用于模擬真實(shí)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(yǔ)言，與前面板對(duì)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(yùn)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(guò)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(yùn)行相應(yīng)的程序，即對(duì)應(yīng)的濾波器。

圖8　濾波程序框圖

采集到的信號(hào)為帶有噪聲的正弦信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波后的效果如圖9所示，其中濾波器為L(zhǎng)owpass(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(duì)于采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波后，還要知道其對(duì)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(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理之后。在LabVIEW 中的Functions選項(xiàng)卡中依次選擇Express>>Signal Analysis>>Statistics，Statistics VI中選擇Root mean square(RMS)，即計(jì)算各氧濃度信號(hào)波形的RMS(均方根)值。在把各氧濃度與對(duì)應(yīng)的RMS(均方根)值，如表1所示。利用Excel進(jìn)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(hào)的RMS(均方根)值。

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

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

表1　氧氣濃度與RMS的對(duì)應(yīng)值

圖10　氧濃度與RMS的擬合曲線

4　結(jié)束語(yǔ)

圖11　算法程序框圖

文中設(shè)計(jì)了一個(gè)操作簡(jiǎn)單、便捷、易讀的光纖氧傳感器信號(hào)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(hào)處理等多種技術(shù)，集數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理于一體，構(gòu)建了一個(gè)完整的光纖氧傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

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