分光光度计外界杂散光自适应实时校正算法研究

作     者：石鹍 

作者单位：桂林电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭庆

授予年度：2019年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：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 

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。