在種子呼吸CO₂檢測(cè)系統(tǒng)中,為了解決傳統(tǒng)方法無(wú)法對(duì)種子呼吸CO₂濃度實(shí)時(shí)測(cè)量的難題,本文根據(jù)種子呼吸CO₂的特點(diǎn),基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器LabVIEW的種子呼吸檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括激光光源及其控制器、基于多次反射池結(jié)構(gòu)的種子呼吸容器、數(shù)據(jù)采集模塊。上位機(jī)軟件中主要設(shè)置了數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、濃度反演等功能模塊,其中濃度反演采用正交矢量的鎖相放大算法,避免了參考信號(hào)與待測(cè)信號(hào)相位差產(chǎn)生的誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用虛擬儀器軟件實(shí)現(xiàn)的種子呼吸CO₂檢測(cè)系統(tǒng),能夠有效檢測(cè)種子呼吸變化,抗干擾性和穩(wěn)定性都較優(yōu),為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)開(kāi)展研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。 

【文章來(lái)源】：光電工程. 2019,46(11)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)

【部分圖文】：

種子呼吸檢測(cè)容器Fig.2Seedbreathdetectioncontainer

光電工程DOI:10.12086/oee.2019.190051190051-4的２倍，兩路參考信號(hào)分別與吸收信號(hào)相乘，經(jīng)低通濾波提取其直流成分，將兩通道濾波后信號(hào)分別進(jìn)行平方求和、開(kāi)方運(yùn)算，最終獲得二次諧波信號(hào)。其中低通濾波模塊采用IIR結(jié)構(gòu)巴特沃斯濾波器，數(shù)字鎖相部分程序如圖5所示。從鎖相放大檢測(cè)算法可知，相位差對(duì)解調(diào)結(jié)果影響也較大，實(shí)際測(cè)量中，往往由于信號(hào)發(fā)生器和數(shù)據(jù)采集卡采用不同時(shí)鐘信號(hào)源，存在微弱的相位差，隨著時(shí)間的積累，可能會(huì)造成相位差累積，即使采用正交矢量鎖相算法，也可能導(dǎo)致結(jié)果的偏差。因此，為了準(zhǔn)確鎖定相位，最佳方法是使用同頻信號(hào)源準(zhǔn)確進(jìn)行同步，除此之外成本較低的辦法是在軟件設(shè)置中采用算法調(diào)整，進(jìn)行一定的相位補(bǔ)償。4實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理4.1二次諧波提取與濃度反演本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在濃度反演之前，首先進(jìn)行濃度標(biāo)定[15]，再依據(jù)標(biāo)定信號(hào)利用氣體比值法計(jì)算出待測(cè)量氣體濃度值，將百分比濃度為0.1%至0.5%的CO2氣體充入種子呼吸容器，分別測(cè)量其二次諧波幅值，并按照二次諧波信號(hào)的峰值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，扣除系統(tǒng)誤差后，得到擬合結(jié)果如圖6所示，其線性擬合優(yōu)度為0.9993，系統(tǒng)具有良好的線性度。實(shí)驗(yàn)中可以將采集的0.1%0.5%濃度氣體的二次諧波信號(hào)作為標(biāo)定信號(hào)，虛擬儀器軟件可設(shè)置標(biāo)定參數(shù)值，即可進(jìn)行濃度實(shí)時(shí)反演計(jì)算。圖4種子呼吸檢測(cè)系統(tǒng)流程Fig.4FlowofseedrespirationdetectionsystemStartLabVIEWuppercomputersoftwareParametersettingsStartdataacquisitionReadNdatapointsDatapreprocessingSecondharmonicextractionConcentrationcalibrationDatapreservationandoutputEndConcentrationinversion圖3上位機(jī)軟件前面板Fig.3Frontpanelofcomputersoftware

先，利用高純氧氣(氣體濃度百分比為99.999%)對(duì)種子呼吸容器進(jìn)行沖洗5min左右，排除空氣中CO2。然后立刻密封種子呼吸容器的氣體入口、出口，隨后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄8h左右，將記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)入OriginPro8.5軟件中進(jìn)行處理，獲得玉米種子呼吸曲線如圖8所示，采用4次多項(xiàng)式數(shù)據(jù)擬合，其相關(guān)度為0.99974。選取8h內(nèi)的1h，2h，……，8h共8個(gè)時(shí)刻，分別計(jì)算這8個(gè)時(shí)刻種子的呼吸強(qiáng)度值，再分別取01h時(shí)段，1h2h時(shí)段，……，7h8h時(shí)段共8個(gè)時(shí)間段，計(jì)算種子的呼吸速率，得到種子呼吸強(qiáng)度和呼吸速率值如表1所示。圖6信號(hào)強(qiáng)度和CO2濃度的線性擬合關(guān)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圖5正交矢量鎖相放大算法程序圖Fig.5Programdiagramoforthogonalvectorphase-lockedamplificationalgorithmsLowcutofffreq:flHighcutofffreq:fhReferencesignal2Referencesignal1Normalize0fh4fl4fl3fh3fcos_outyout8400012000fsin_out2Highcutofffreq:fh2Lowcutofffreq:fl2OrderFiltertype01fsin_out

【參考文獻(xiàn)】：
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