基于LabVIEW的荧光光纤氧传感器的信号处理系统

蓝伟威，符　蓉，余　璇，朱珊莹

(中南民族大学生物医学工程学院，湖北武汉　430074)

0　引言

众所周知，氧是人类维持生命的基础，人体组织细胞的正常生理活动需要连续而充足的氧供应。但在某些恶劣环境中，氧的过度缺乏会使人窒息，严重的还会威胁到人的生命，所以有必要实时检测恶劣环境中氧的浓度。另一方面，人体血液中氧浓度的监测在临床上也具有重要的意义，是判断人体呼吸系统和循环系统是否缺氧的重要指标。

光纤氧传感器具有检测精度高、不受外界电磁场干扰、使用安全、应用范围广等优点，近年来，其研究越来越受得到人们的重视[3]。荧光光纤氧传感器通常以钌络合物作为指示剂，在一定波长光(475 nm)的激发下指示剂产生荧光，氧气对荧光具有猝灭作用，而淬灭的程度与氧的浓度或薄膜(溶胶-凝胶基质)中氧的分压有关。通过检测钌络合物的荧光被猝灭程度，则可达到检测氧浓度的目的。产生的信号通过LabVIEW采集及处理得出在不同混合气体中氧含量的关系式。

文中采用荧光淬灭法测量不同混合气体中的氧浓度，并结合LabVIEW强大的数据采集和数据处理功能，将采集的信号进行滤波处理及计算，得到的氧浓度能够在图形界面上显示，并进行保存[2]。

1　基本原理

荧光光纤氧传感器采用溶胶—凝胶法，使用钌络合物的传感膜来测量氧的分压或氧浓度。脉冲蓝色LED发射波长为475 nm的光，通过光纤传输给光纤探头。而探头尖端由耐水溶胶—凝胶材料制成的钌络合物传感膜，溶胶—凝胶基质可以固定和保护内部的钌络合成物。在探测器的尖端，LED光激发钌络合物发出荧光，发射波长为600 nm．如果被激发的钌络合物遇到一个氧分子，通过非辐射转化，把多余的能量转移给氧分子，减少或猝灭荧光信号，也就是荧光强度的减弱。猝灭的程度与氧的浓度水平或薄膜中氧的分压有关，在样品中实现与氧的动力平衡。根据荧光强度变化即可计算出氧的含量和氧分压。

荧光光纤氧传感器基于氧气对荧光物质的猝灭作用，当氧气接触到光纤探头时，引起化学传感膜(钌络合物)荧光强度的降低和荧光寿命的缩短。这一现象可由Stern-Volmer方程定量表达：

式中：I0、I分别为无氧气和有氧气条件下的荧光强度；τ0、τ分别为无氧气和有氧气条件下的荧光寿命；x(O2)为氧气的浓度；K为Stern-Volmer常量[3]。

由Stern-Volmer方程得知，荧光光强变化率I0/I和氧气浓度呈线性关系。荧光信号经光电检测、信号放大器放大等处理后传输到PC机上，由LabVIEW对实时数据进行采集和处理，并显示氧的浓度值。

2　硬件系统设计

2．1光纤传感系统总体结构

基于LabVIEW的荧光光纤氧传感器的原理如图1所示。脉冲蓝色LED发射波长为475 nm的光，通过Y型光纤传输给光纤探头。在探测器的尖端，LED光激发钌络合物发出荧光，发射波长为600 nm．被激发的钌络合物遇到氧分子，发生荧光猝灭现象，猝灭的荧光经过光纤探头和Y型光纤发送到光电探测器上，由光电探测器转换为微弱电压信号。微弱信号经过前置处理模块放大等处理后由NI数据采集卡采集，在LabVIEW设计的信号处理系统中对实时信号进行分析和处理，及对最后的结果进行显示并输出O2浓度。

图1　光纤传感系统原理图

2．2信号处理系统设计

LabVIEW是一款图形化编程语言，它不同于文本编程语言的文本编程方式，采用的是图形化编程。VI(Virtual Instrument，虚拟仪器)由两部分组成，前面板和程序框图。前面板窗口是VI的用户界面，可以根据程序的需要在上面放控件。程序框图是图形化源代码，创建前面板窗口后，需为代码添加图形化函数，用于控制前面板对象。程序框图对象包括接线端、子VI、函数、常量、结构和连线，连线可在其它的程序框图对象间传递数据。LabVIEW按照数据流(dataflow)模式运行VI，当所有需要的输入都存在时，程序框图节点将运行。 节点在运行时产生输出端数据并将该数据传送给数据流路径中的下一个节点。 数据流经节点的过程决定了程序框图上VI和函数的执行顺序。

LabVIEW是当前用于数据采集、信号处理和虚拟仪器开发的一个标准工具，而且是一个基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具设计者通过LabVIEW可便捷地建立自己的虚拟仪器程序而无需复杂的程序代码编写。

该信号处理系统采用LabVIEW设计，总体流程图如图2所示。荧光氧传感器产生荧光，产生的荧光被送入光电转换装置中，转换成微弱的电信号。然后将产生的电信号送入NI采集卡USB-9215，在LabVIEW中显示。之后再根据采集到的信号实际情况，选择相应的滤波器进行滤波处理，可以对处理后的波形进行保存。最后对处理完的信号计算RMS(均方根)值，从而推导出氧浓度与RMS值之间的关系式。信号处理系统的前面板如图3所示

图2信号处理系统流程图

图3　信号处理系统前面板

3　LabVIEW程序设计

3．1数据采集程序

NI(National Instrument 美国国家仪器)公司为对应版本LabVIEW的数据采集提供了相应的DAQmx驱动和一系列的数据采集卡(根据实际需要进行选择)。利用LabVIEW进行数据采集需安装对应版本的DAQmx驱动，在使用DAQmx函数编程，配合事先选定的采集卡即可进行数据的采集。程序中使用的采集卡为NI-USB-9215，单通道采集电压。

程序设计过程在Functions选项板上依次选择Measurement I/O>>NI-DAQmx>>Data Acquisition．其中DAQmx Create Virtual Channel．VI中依次选择Analog Input>>Voltage．DAQmx Read．VI中依次选择Analog>>Single Channel>>Multiple Samples>>Waveform．数据采集程序的流程如图4所示，程序框图如图5所示。

图4数据采集程序流程图

图5　数据采集程序框图

3.2滤波程序

滤波是信号处理中重要的组成部分，其程序设计也是整个程序设计的重点。滤波就是保留信号中有用的成分，滤除无用的信号，如：噪声等。滤波器按频率特性可分为：低通、高通、带通、带阻等类型。冲激响应的特征有可分为FIR和IIR两大类，其中主要的IIR滤波器有Butterworth(巴特沃斯)、Bassel(贝塞尔)、Chebyshev(切比雪夫)等类型。系统中信号的滤波，分别设计了Butterworth(巴特沃斯)、Bassel(贝塞尔)、Chebyshev(切比雪夫)3种滤波器[1]。

在LabVIEW中设计虚拟的滤波器，关键问题是要知道滤波器图标的调用路径和合理设置滤波器的有关参数。Butterworth(巴特沃斯)滤波器的设计过程在Functions选项板中依次选择Signal Processing>>Filters>>Butterworth Filter．VI．然后设置Butterworth Filter．VI(如图6所示)的相关参数，左边为输入参数，右边为输出参数。其中filter type：滤波器类型，按下列值指定：0：Lowpass低通；1：Highpass高通；2：Bandpass带通；3：Bandstop带阻；X：待处理的信号；Sampling frep：fs产生X序列时的采样频率，必须大于0，缺省值时1。如果它小于等于0，则输出序列filreredX为空，并返回一个错误。采样频率的设置应符合采样定理；High cutoff freg：fh高频截止频率。当滤波器类型为0(lowpass)或1(highpass)时忽略该参数，当滤波器类型为2(lowpass)或3(highpass)时，fh必须大于fl且满足Nyquist(奈奎斯特)准则；Low cutoff freg：fl低频截止频率。它必须满足Nyquist(奈奎斯特)准则，根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的2倍，反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做奈奎斯特频率，它是采样频率的一半，所以0≤fl<0．5fs．如果该条件不满足，则输出序列FileredX为空，并返回一个错误，fl的缺省值是0．125；Order：滤波器的阶次，其值必须为大于0的整数，缺省值是2；Filtered X：滤波后的数据。按照这几个参数即可设计前面板，主要用于设置输入信号(信号的采集)和观察输出信号，用于模拟真实滤波器的面板。前面板如图7所示

图6　Butterworth Filter．VI

图7　滤波前面板

程序框图即为滤波器的编程语言，与前面板对应的图形程序，程序框图如图8所示。程序框图中采用了while循环和case结构，while循环用于保持程序的连续运行，而case结构则用于滤波器的选择。Filter为Enum(枚举型)控件，通过下拉框可以选择Butterworth(巴特沃斯)、Bassel(贝塞尔)、Chebyshev(切比雪夫)等滤波器，选择了之后即可运行相应的程序，即对应的滤波器。

图8　滤波程序框图

采集到的信号为带有噪声的正弦信号，经过滤波后的效果如图9所示，其中滤波器为Lowpass(低通)5阶的Butterworth(巴特沃斯)滤波器，fl为23.95 Hz，fs为1 000 Hz．

图9　滤波前后的效果图

3．3氧浓度算法程序

对于采集到的信号进行滤波后，还要知道其对应波形的氧浓度为多少。为此，分别把光纤探头放在0%、5%、15%、20%的氧气中，对采集到的信号进行处理之后。在LabVIEW 中的Functions选项卡中依次选择Express>>Signal Analysis>>Statistics，Statistics VI中选择Root mean square(RMS)，即计算各氧浓度信号波形的RMS(均方根)值。在把各氧浓度与对应的RMS(均方根)值，如表1所示。利用Excel进行曲线拟合，得到如图10所示的拟合曲线，公式如下所示。

y=-1.7151x2+1.2241x-0.016

式中：y为氧的浓度；x为信号的RMS(均方根)值。

当RMS值为0.601时，测量的氧浓度10.015%，理想的氧浓度10%，误差0.015，相对误差0.15%。在误差允许范围内，公式可行。

LabVIEW的Functions选项卡中依次选择Programming>>Structures>>FormulaNode，把得到的公式写入FormulaNode(公式节点)。算法程序框图如图11所示。

表1　氧气浓度与RMS的对应值

图10　氧浓度与RMS的拟合曲线

4　结束语

图11　算法程序框图

文中设计了一个操作简单、便捷、易读的光纤氧传感器信号处理系统。该系统综合应用了传感器、数据采集、虚拟仪器技术和信号处理等多种技术，集数据采集和信号处理于一体，构建了一个完整的光纤氧传感器信号处理系统。

参考文献：

[1]田浩，段丽君．基于LabVIEW多功能数字滤波器设计．电子测量与技术，2011(3)：66-70．

[2]王玉田，王宴婷．基于LabVIEW的荧光光纤气体传感器的研究．传感器与微系统，2009(4)：21-22．

[3]黄俊，张建标，姜德生，等．高性能荧光淬灭式光纤氧传感器．传感器技术，2001(3)：9-11．

[4]洪天星，陈天文．溶胶-凝胶法制备基于荧光淬灭原理的光纤氧传感器在线监测水中溶解氧．福建分析测试，2002(3)：1541-1544．

[5]文华，朱玉琛，张玉广，等．氧传感器的发展和应用．舰船防化，2008(3)：15-18．