一種可視化陣列傳感器的信號(hào)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(hào)表征方法，特指一種利用高光譜成像技術(shù)對(duì)可視化陣列傳感器進(jìn)行信號(hào)表征，進(jìn)而改善其檢測(cè)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(shí)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(hào)，通過信號(hào)處理系統(tǒng)獲取待測(cè)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(cè)對(duì)象作用前后顏色會(huì)發(fā)生變化，其基本原理是被檢測(cè)氣體與顯色劑發(fā)生分子吸附、氫鍵結(jié)合、共價(jià)結(jié)合等作用，弓丨起顯色劑分子結(jié)構(gòu)變化從而對(duì)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(duì)傳感陣列中的傳感單元逐個(gè)采集光譜信息，對(duì)采用傳感單元較多的傳感陣列進(jìn)行檢測(cè)時(shí)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，甚至難以實(shí)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(duì)于固態(tài)傳感陣列及氣體檢測(cè)無能為力。相對(duì)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(gè)傳感陣列的顏色變化。然而，其代價(jià)是三原色成像技術(shù)僅能夠獲取紅、綠、藍(lán)三個(gè)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(gè)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(shí)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(cè)對(duì)象光譜信息的同時(shí)，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(diǎn)。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(jì)可以提高可視化陣列傳感器的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性，且操作方便，省時(shí)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(hào)表征方法，以提高模型預(yù)測(cè)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(duì)可視化陣列傳感器進(jìn)行信號(hào)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(hào)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(cè)對(duì)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(cè)對(duì)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(duì)原始光譜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正太變量變換和移動(dòng)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(duì)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(cè)對(duì)象實(shí)際濃度之間的相關(guān)系數(shù)，對(duì)第X傳感單元選取前η個(gè)與被檢測(cè)對(duì)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(hào)變化；對(duì)所有傳感單元的顏色信號(hào)變化值Rh，R1-2，…，R1-n進(jìn)行主成分分析后，選取前m個(gè)主成分PC j, PC2,…，PCm表征整個(gè)傳感陣列的顏色信號(hào)變化;m = 1，2，…，7 ;
[0014]步驟六，將不同濃度待檢測(cè)對(duì)象所對(duì)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(cè)對(duì)象的定量預(yù)測(cè)模型Y = F(PC1,PC2,…，PCm);對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)定時(shí)，將按以上步驟處理所得主成分值代入上述模型實(shí)現(xiàn)定量預(yù)測(cè)。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(gè)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(cè)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(duì)性的獲取各傳感單元與待檢測(cè)對(duì)象相關(guān)的特征波長下的顏色信號(hào)變化，為更為實(shí)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(cè)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(hào)表征流程圖。
[0021]圖3Α為本發(fā)明基于高光譜圖像的檢測(cè)結(jié)果。
[0022]圖3Β為基于三原色圖像的檢測(cè)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(tái)，8氣體入口，9可視化陣列傳感器，10高光譜圖像，11計(jì)算機(jī)，12氣體出口。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)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(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例，基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0025]本實(shí)施例以氨氣檢測(cè)為例，利用4X4陣列傳感器對(duì)氨氣濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，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(diǎn)樣法點(diǎn)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?dú)?0分鐘以清洗整個(gè)氣路系統(tǒng)和傳感器。
[0028](3)清洗結(jié)束后，使電控平移臺(tái)7以1.25mm/s的速度帶動(dòng)反應(yīng)室6縱向移動(dòng)，高光譜相機(jī)2中的線陣探測(cè)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(gè)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(cè)器即可完成整個(gè)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(gè)波長下的圖像，最終得到一個(gè)大小為618X1628X618的高光譜圖像數(shù)據(jù)塊10 (Ib)，并儲(chǔ)存至計(jì)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(gè)梯度，每個(gè)濃度測(cè)定12個(gè)陣列傳感器，共84個(gè)。
[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(duì)原始光譜進(jìn)行移動(dòng)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(duì)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(jì)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(gè)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(duì)應(yīng)的光譜差值R表征該傳感單元的顏色信號(hào)變化。
[0033](8)對(duì)所有傳感單元的顏色信號(hào)變化值Rh，札_2，Rh，R2+…，R16_3進(jìn)行主成分分析后，選取前3個(gè)主成分PC1, PC2,卩(:3表征整個(gè)傳感陣列的顏色信號(hào)變化。
[0034](9)將不同濃度氨氣所對(duì)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(cè)模型Y = F(PCpPC2^C3);對(duì)具體樣品進(jìn)行分析時(shí)將樣品所對(duì)應(yīng)的PCpPC2,PC^入上述模型進(jìn)行定量預(yù)測(cè)。本發(fā)明基于高光譜圖像的檢測(cè)結(jié)果如圖3A所示；而三原色圖像的氨氣濃度預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3B所示。對(duì)照?qǐng)D3A和圖3B可見，基于高光譜圖像的模型預(yù)測(cè)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(xiàng)】
1.一種可視化陣列傳感器的信號(hào)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(cè)對(duì)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(cè)對(duì)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(duì)原始光譜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正太變量變換和移動(dòng)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(duì)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(cè)對(duì)象實(shí)際濃度之間的相關(guān)系數(shù)，對(duì)第X傳感單元選取前η個(gè)與被檢測(cè)對(duì)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(hào)變化；對(duì)所有傳感單元的顏色信號(hào)變化值Rh，R1-2，…，R1-n進(jìn)行主成分分析后，選取前m個(gè)主成分PC PC2,…，PCm表征整個(gè)傳感陣列的顏色信號(hào)變化;m = 1，2，…，7 ; 步驟六，將不同濃度待檢測(cè)對(duì)象所對(duì)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(cè)對(duì)象的定量預(yù)測(cè)模型Y = F(PC1,PC2,…，PCm);對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)定時(shí)，將按以上步驟處理所得主成分值代入上述模型實(shí)現(xiàn)定量預(yù)測(cè)。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(hào)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(hào)表征。本發(fā)明提高了可視化陣列傳感器的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性，可應(yīng)用于多組分氣體檢測(cè)、食品檢驗(yàn)等領(lǐng)域。
【IPC分類】G01N21-78, G01N21-31
【公開號(hào)】CN104880422
【申請(qǐng)?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(qǐng)人】江蘇大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年5月6日