【摘 要】
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中药作为中华文明的演化和发展过程中的宝贵结晶之一,在中国乃至全球范围内的需求量不断扩大和增加,在国际上的应用和受欢迎程度得到了进一步的扩大和提高。然而,目前中药产品在质量一致性的管理中仍存在着许多关键性的问题,其中,中药制药过程水分含量的测量是中药产品质量一致性管理中的重要环节之一。利用近红外吸收光谱技术和方波信号具有丰富的时域和频域的特征信息,研制了一种基于方波激励的近红外发光二极管(LED)的
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中药作为中华文明的演化和发展过程中的宝贵结晶之一,在中国乃至全球范围内的需求量不断扩大和增加,在国际上的应用和受欢迎程度得到了进一步的扩大和提高。然而,目前中药产品在质量一致性的管理中仍存在着许多关键性的问题,其中,中药制药过程水分含量的测量是中药产品质量一致性管理中的重要环节之一。利用近红外吸收光谱技术和方波信号具有丰富的时域和频域的特征信息,研制了一种基于方波激励的近红外发光二极管(LED)的中药水分含量在线传感器,其主要工作如下:1.从近红外光谱技术的基础理论出发,介绍了近红外吸收光谱的原理,分析了不同形态样品的近红外光谱信号采集方法,调研了国内外关于中药水分含量在线检测技术的发展现状,为本文研究提供了理论基础。2.传感器的光学部分设计。根据水分子在近红外波段的吸收线位置,以及LED的发射功率、瞬态响应等工作参数要求,对传感器的光源和探测器进行了优化和选型,根据所选光源的驱动参数对方波激励信号的参数进行了优化,确定了最优化的方波参数,并设计了圆台型的传感器外壳,根据LED出射光的发散角确定了安装角度,从而确保光谱信号被高效率的收集。3.外围硬件电路设计。根据LED的工作条件,设计了一种超低纹波噪声的恒流源电路。根据光电二极管的工作原理,设计了一个带有一级低频高通滤波和偏置电压的光电探测器信号处理电路,并在偏压电路至单片机(MCU)对模拟信号采集之间,设计了一个二阶有源低频滤波处理电路和一个无源高频滤波处理电路从而成功构建了一个带通滤波处理电路,对探测器模拟信号滤进行二次降噪滤波处理,大大提高了探测器模拟信号的信噪比。4.软件算法研究。本文提出方波激励的方法驱动LED,探测器的响应信号即携带了中药水分含量信息的方波信号,小波变换方法用于模数转换器(ADC)后的探测器信号滤波处理,大幅抑制探测器方波响应信号的纹波噪声。为了更加方便的提取与中药水分含量信息相关的特征量,采用快速傅里叶指数变换(FFT)分析算法对经过滤波后的带有中药水分含量信息的数字信号进行从时域到频域的转换,从频域的角度进行特征量提取。采用主成分分析(PCA)算法分析频域中的与中药水分含量相关的主要谐波分量,大大提高了传感器的灵敏度和准确性。5.中药水分含量定量测量实验。实验样品为江西中医药大学提供的中药肚痛丸,采用《中国药典》中规定的烘干法和本文研究的传感器进行了对比测试。采用8组不同水分含量的实验样品对传感器进行定标实验,将水分含量与提取特征量进行线性拟合,频谱分析得到的拟合线性度和PCA算法拟合线性度分别为0.992和0.993。对比验证实验中,本文研究的传感器测量结果相对烘干法的测量结果,最大相对误差小于7.7%,最小相对误差为1%,从而说明本文研究的中药水分含量传感器具有一定的应用前景。
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