一種可視化陣列傳感器的信號表征方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可視化陣列傳感器的信號表征方法，特指一種利用高光譜成像技術(shù)對可視化陣列傳感器進(jìn)行信號表征，進(jìn)而改善其檢測效果的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]可視化陣列傳感技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型傳感技術(shù)，它利用多種具有一定特異識別能力的卟啉、金屬卟啉、pH指示劑等化學(xué)顯色劑與氣體反應(yīng)產(chǎn)生特征性響應(yīng)信號，通過信號處理系統(tǒng)獲取待測樣品的特征圖譜，進(jìn)而進(jìn)行定性或定量分析。
[0003]作為可視化陣列傳感器傳感單元的化學(xué)顯色劑與被檢測對象作用前后顏色會發(fā)生變化，其基本原理是被檢測氣體與顯色劑發(fā)生分子吸附、氫鍵結(jié)合、共價結(jié)合等作用，弓丨起顯色劑分子結(jié)構(gòu)變化從而對特定波長光的吸收發(fā)生改變。
[0004]通常，這種變化可以通過兩種方法進(jìn)行表征，即紫外-可見光譜技術(shù)和三原色成像技術(shù)。由于紫外-可見光譜技術(shù)可以獲取更為豐富的光譜信息，因此具有較大的應(yīng)用潛力。但紫外-可見光譜技術(shù)需要對傳感陣列中的傳感單元逐個采集光譜信息，對采用傳感單元較多的傳感陣列進(jìn)行檢測時費時、費力，甚至難以實施，且操作誤差較大。此外，紫外-可見光譜技術(shù)通常僅適用于液體傳感陣列，對于固態(tài)傳感陣列及氣體檢測無能為力。相對于紫外-可見光譜技術(shù)，三原色成像技術(shù)則可以快速獲取整個傳感陣列的顏色變化。然而，其代價是三原色成像技術(shù)僅能夠獲取紅、綠、藍(lán)三個變量值，信息量較少。此外，用于三原色成像的相機(jī)、掃描儀等設(shè)備的三種成像單元的敏感光譜范圍相互交叉，導(dǎo)致紅、綠、藍(lán)三個變量包含較多的冗余信息。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在無法同時兼顧精度和操作方便性的問題。
[0005]高光譜成像技術(shù)在獲取被檢測對象光譜信息的同時，還可以獲取其空間信息，兼顧了紫外-光譜技術(shù)和三原色成像技術(shù)的優(yōu)點。此外，高光譜成像技術(shù)還可將可視化陣列傳感器的光譜采集范圍拓展至紅外譜區(qū)。因此，將高光譜成像技術(shù)應(yīng)用于可視化陣列傳感技術(shù)，預(yù)計可以提高可視化陣列傳感器的檢測精度和穩(wěn)定性，且操作方便，省時省力。另外，其不僅適用于液體傳感陣列，也適用于具有非透明基底的固體傳感陣列。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種可視化陣列傳感器的信號表征方法，以提高模型預(yù)測結(jié)果的穩(wěn)定性和精度。
[0007]為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明利用高光譜成像技術(shù)對可視化陣列傳感器進(jìn)行信號表征，具體技術(shù)方案如下:
[0008]一種可視化陣列傳感器的信號表征方法，其特征在于包括以下步驟:
[0009]步驟一，利用可視化陣列傳感器與被檢測對象反應(yīng)，并使用高光譜成像系統(tǒng)獲取可視化陣列傳感器與被檢測對象反應(yīng)前的高光譜圖像Ib和反應(yīng)后的高光譜圖像I a;
[0010]步驟二，由高光譜圖像Ib和I 3分別逐一提取第X傳感單元的原始光譜，分別記為Sb_x和S a_x;對原始光譜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正太變量變換和移動平均預(yù)處理，從而獲得預(yù)處理后的反應(yīng)前光譜sb_x_p和反應(yīng)后光譜S a_x_p;X為可視化傳感器上的傳感單元總數(shù)，KxSX;
[0011]步驟三，對第X傳感單元反應(yīng)前光譜Sb_x_p和反后光譜S a_x_p光譜作差，獲得第X傳感單元的差譜 sd_x= S a_x_p - sb_x_p;
[0012]步驟四，根據(jù)光譜差值與被檢測對象實際濃度之間的相關(guān)系數(shù)，對第X傳感單元選取前η個與被檢測對象相關(guān)性最大的特征波長Ax+ λχ_2，…，λ x_n；I ^ η ^ 6 ；
[0013]步驟五，以優(yōu)選出的所述特征波長Xx+ λχ_2，…，Ax_(n_D，λ χ_η下的光譜差值R η，Rx-2，…，Rx-(^1), Rx-n表征第X傳感單元的顏色信號變化；對所有傳感單元的顏色信號變化值Rh，R1-2，…，R1-n進(jìn)行主成分分析后，選取前m個主成分PC j, PC2,…，PCm表征整個傳感陣列的顏色信號變化;m = 1，2，…，7 ;
[0014]步驟六，將不同濃度待檢測對象所對應(yīng)的主成分PC1, PC2,…，PC1Jt為輸入變量，濃度值作為輸出變量，建立待檢測對象的定量預(yù)測模型Y = F(PC1,PC2,…，PCm);對樣品進(jìn)行測定時，將按以上步驟處理所得主成分值代入上述模型實現(xiàn)定量預(yù)測。i = l，2，…，X;m = 1，2，…，7ο
[0015]本發(fā)明具有有益效果。
[0016]1.本發(fā)明利用高光譜成像技術(shù)，能快速、簡便地獲取整個可視化陣列傳感器的全光譜信息，可顯著提高可視化陣列傳感器的檢測穩(wěn)定性和精度。
[0017]2.本發(fā)明高光譜數(shù)據(jù)塊中豐富的光譜信息，能針對性的獲取各傳感單元與待檢測對象相關(guān)的特征波長下的顏色信號變化，為更為實用方便的多光譜設(shè)備開發(fā)奠定基礎(chǔ)。
[0018]3.本發(fā)明通過拓展光譜采集范圍，可獲取陣列傳感器在近紅外區(qū)域的光譜信息變化，信息表征更為豐富、全面。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明用于可視化陣列傳感器檢測的高光譜成像系統(tǒng)示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明基于高光譜信息的可視化陣列傳感器信號表征流程圖。
[0021]圖3Α為本發(fā)明基于高光譜圖像的檢測結(jié)果。
[0022]圖3Β為基于三原色圖像的檢測結(jié)果。
[0023]圖中外殼，2高光譜相機(jī)，3光纖，4線光源，5光源，6反應(yīng)室，7電控平移臺，8氣體入口，9可視化陣列傳感器，10高光譜圖像，11計算機(jī)，12氣體出口。
【具體實施方式】
[0024]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例，基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0025]本實施例以氨氣檢測為例，利用4X4陣列傳感器對氨氣濃度進(jìn)行預(yù)測，所用設(shè)備如圖1所示，信息處理過程如圖2所示。本發(fā)明包括以下步驟:
[0026](I)將優(yōu)選的卟啉和pH指示劑使用氯仿或乙醇配成0.05mol/L的溶液，采用毛細(xì)管點樣法點到反相硅膠板基底上制成4X4陣列傳感器，室溫晾干后，密封、避光保存、備用；
[0027](2)所述高光譜系統(tǒng)開機(jī)預(yù)熱30min，并依次進(jìn)行白板和黑暗校正。將所述可視化陣列傳感器9放入頂部為透明石英玻璃的反應(yīng)室6，由氣體入口通入純凈氮氣20分鐘以清洗整個氣路系統(tǒng)和傳感器。
[0028](3)清洗結(jié)束后，使電控平移臺7以1.25mm/s的速度帶動反應(yīng)室6縱向移動，高光譜相機(jī)2中的線陣探測器沿光學(xué)焦面垂直方向進(jìn)行橫向掃描，獲取條狀空間每個像素在各波長處的光譜信息；隨著傳感陣列縱向前進(jìn)，線陣探測器即可完成整個傳感陣列數(shù)據(jù)的采集。光譜采集間隔為0.858nm，采集范圍為430?960nm，采集得到618個波長下的圖像，最終得到一個大小為618X1628X618的高光譜圖像數(shù)據(jù)塊10 (Ib)，并儲存至計算機(jī)11。
[0029](4)由氣體入口 8通入所需濃度氨氣，持續(xù)20分鐘使氨氣與傳感陣列上的敏感色素充分反應(yīng)。然后按照步驟(3)獲取可視化陣列傳感器反應(yīng)后的高光譜圖像Ia。所述氨氣濃度共設(shè)置0.5，1，2，3.5，5，7.5，1ppm共7個梯度，每個濃度測定12個陣列傳感器，共84個。
[0030](5) Ib和I a經(jīng)黑白校正后，使用ENVI4.5逐一提取第x傳感單元的原始光譜S b_x和Sa_x，對原始光譜進(jìn)行移動平均和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換預(yù)處理，從而獲得預(yù)處理后的反應(yīng)前光譜sb_x_p和反應(yīng)后光譜S a_x_p。
[0031](6)對第X傳感單元反應(yīng)前后的光譜作差，獲得第X傳感單元的差譜Sd_x =S -S
^a-χ-ρ ^b-χ-ρ ο
[0032](7)利用第X傳感單元不同濃度下的差譜分別計算各波長下光譜差值與氨氣濃度值之間的相關(guān)系數(shù)(；_λ。選取3個具有局部最大I Cx] I的波長(λ η，λχ_2，λχ_3)作為該傳感單元的特征波長。以Xx-P λχ_2，λ Χ_3對應(yīng)的光譜差值R表征該傳感單元的顏色信號變化。
[0033](8)對所有傳感單元的顏色信號變化值Rh，札_2，Rh，R2+…，R16_3進(jìn)行主成分分析后，選取前3個主成分PC1, PC2,卩(:3表征整個傳感陣列的顏色信號變化。
[0034](9)將不同濃度氨氣所對應(yīng)的主成分PC1, PC2，PCdt為輸入變量，濃度值作為輸出變量，建立氨氣的定量預(yù)測模型Y = F(PCpPC2^C3);對具體樣品進(jìn)行分析時將樣品所對應(yīng)的PCpPC2,PC^入上述模型進(jìn)行定量預(yù)測。本發(fā)明基于高光譜圖像的檢測結(jié)果如圖3A所示；而三原色圖像的氨氣濃度預(yù)測結(jié)果如圖3B所示。對照圖3A和圖3B可見，基于高光譜圖像的模型預(yù)測結(jié)果明顯得到改善，其穩(wěn)定性和精度均得到明顯提高。
【主權(quán)項】
1.一種可視化陣列傳感器的信號表征方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一，利用可視化陣列傳感器與被檢測對象反應(yīng)，并使用高光譜成像系統(tǒng)獲取可視化陣列傳感器與被檢測對象反應(yīng)前的高光譜圖像Ib和反應(yīng)后的高光譜圖像I a; 步驟二，由高光譜圖像Ib和I 3分別逐一提取第X傳感單元的原始光譜，分別記為S b_x和Sa_x;對原始光譜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正太變量變換和移動平均預(yù)處理，從而獲得預(yù)處理后的反應(yīng)前光譜sb_x_p和反應(yīng)后光譜S a_x_p;X為可視化傳感器上的傳感單元總數(shù)，KxSX; 步驟三，對第X傳感單元反應(yīng)前光譜sb_x_p和反后光譜S a_x_p光譜作差，獲得第X傳感單元的差譜 Sd_x= S a_x_p - Sb_x_p; 步驟四，根據(jù)光譜差值與被檢測對象實際濃度之間的相關(guān)系數(shù)，對第X傳感單元選取前η個與被檢測對象相關(guān)性最大的特征波長Xx+ λχ_2，…，λ χ_η；I彡η彡6 ; 步驟五，以優(yōu)選出的所述特征波長λ^，λχ_2，…，Ax_(n_D，λ χ_η下的光譜差值R η，Rx-2，…，Rx-(^1), Rx-n表征第X傳感單元的顏色信號變化；對所有傳感單元的顏色信號變化值Rh，R1-2，…，R1-n進(jìn)行主成分分析后，選取前m個主成分PC PC2,…，PCm表征整個傳感陣列的顏色信號變化;m = 1，2，…，7 ; 步驟六，將不同濃度待檢測對象所對應(yīng)的主成分PC1, PC2,…，PCj為輸入變量，濃度值作為輸出變量，建立待檢測對象的定量預(yù)測模型Y = F(PC1,PC2,…，PCm);對樣品進(jìn)行測定時，將按以上步驟處理所得主成分值代入上述模型實現(xiàn)定量預(yù)測。i = l，2，…，X;m =1，2，…，7ο
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可視化陣列傳感器的信號表征方法，采用高光譜成像技術(shù)獲取可視化陣列傳感器的全光譜信息，并從中提取特征波長下的光譜差值用于可視化陣列傳感器的信號表征。本發(fā)明提高了可視化陣列傳感器的檢測精度和穩(wěn)定性，可應(yīng)用于多組分氣體檢測、食品檢驗等領(lǐng)域。
【IPC分類】G01N21-78, G01N21-31
【公開號】CN104880422
【申請?zhí)枴緾N201510227959
【發(fā)明人】鄒小波, 李志華, 黃曉瑋, 石吉勇, 申婷婷
【申請人】江蘇大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年5月6日