采用虚拟仪器的种子呼吸测量系统设计

发布时间：2021-07-25 12:34

　　在种子呼吸CO₂检测系统中,为了解决传统方法无法对种子呼吸CO₂浓度实时测量的难题,本文根据种子呼吸CO₂的特点,基于可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）技术设计了基于虚拟仪器LabVIEW的种子呼吸检测系统。该系统主要包括激光光源及其控制器、基于多次反射池结构的种子呼吸容器、数据采集模块。上位机软件中主要设置了数据采集、信号处理、浓度反演等功能模块,其中浓度反演采用正交矢量的锁相放大算法,避免了参考信号与待测信号相位差产生的误差。实验结果表明,采用虚拟仪器软件实现的种子呼吸CO₂检测系统,能够有效检测种子呼吸变化,抗干扰性和稳定性都较优,为后续的实验开展研发奠定了基础。 

【文章来源】：光电工程. 2019,46(11)北大核心CSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

种子呼吸检测容器Fig.2Seedbreathdetectioncontainer

光电工程DOI:10.12086/oee.2019.190051190051-4的２倍，两路参考信号分别与吸收信号相乘，经低通滤波提取其直流成分，将两通道滤波后信号分别进行平方求和、开方运算，最终获得二次谐波信号。其中低通滤波模块采用IIR结构巴特沃斯滤波器，数字锁相部分程序如图5所示。从锁相放大检测算法可知，相位差对解调结果影响也较大，实际测量中，往往由于信号发生器和数据采集卡采用不同时钟信号源，存在微弱的相位差，随着时间的积累，可能会造成相位差累积，即使采用正交矢量锁相算法，也可能导致结果的偏差。因此，为了准确锁定相位，最佳方法是使用同频信号源准确进行同步，除此之外成本较低的办法是在软件设置中采用算法调整，进行一定的相位补偿。4实验与数据处理4.1二次谐波提取与浓度反演本系统设计中，在浓度反演之前，首先进行浓度标定[15]，再依据标定信号利用气体比值法计算出待测量气体浓度值，将百分比浓度为0.1%至0.5%的CO2气体充入种子呼吸容器，分别测量其二次谐波幅值，并按照二次谐波信号的峰值进行数据拟合，扣除系统误差后，得到拟合结果如图6所示，其线性拟合优度为0.9993，系统具有良好的线性度。实验中可以将采集的0.1%0.5%浓度气体的二次谐波信号作为标定信号，虚拟仪器软件可设置标定参数值，即可进行浓度实时反演计算。图4种子呼吸检测系统流程Fig.4FlowofseedrespirationdetectionsystemStartLabVIEWuppercomputersoftwareParametersettingsStartdataacquisitionReadNdatapointsDatapreprocessingSecondharmonicextractionConcentrationcalibrationDatapreservationandoutputEndConcentrationinversion图3上位机软件前面板Fig.3Frontpanelofcomputersoftware

先，利用高纯氧气(气体浓度百分比为99.999%)对种子呼吸容器进行冲洗5min左右，排除空气中CO2。然后立刻密封种子呼吸容器的气体入口、出口，随后进行数据采集和记录8h左右，将记录数据导入OriginPro8.5软件中进行处理，获得玉米种子呼吸曲线如图8所示，采用4次多项式数据拟合，其相关度为0.99974。选取8h内的1h，2h，……，8h共8个时刻，分别计算这8个时刻种子的呼吸强度值，再分别取01h时段，1h2h时段，……，7h8h时段共8个时间段，计算种子的呼吸速率，得到种子呼吸强度和呼吸速率值如表1所示。图6信号强度和CO2浓度的线性拟合关系Fig.6LinearfittingrelationbetweensignalintensityandCO2concentration0.00.10.20.30.40.5Concentration/%Secondharmonicsignalintensity/V0.00.20.30.50.70.10.40.80.6ExperimentalLinearfitofexperimentaldataEquationy=a+bxResidualsumofsquares1.72256E-4Pearsonsr0.9997Adj.R-square0.9992ValueStandarderrorIntercept0.00530.00688Slope1.69120.02396图5正交矢量锁相放大算法程序图Fig.5Programdiagramoforthogonalvectorphase-lockedamplificationalgorithmsLowcutofffreq:flHighcutofffreq:fhReferencesignal2Referencesignal1Normalize0fh4fl4fl3fh3fcos_outyout8400012000fsin_out2Highcutofffreq:fh2Lowcutofffreq:fl2OrderFiltertype01fsin_out

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本文编号：3302041