基于物联网平台的紫外可见分光光度计自动测量系统研究

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

分光光度计是利用分光光度法检测物质对单色光的吸收，并根据朗伯-比尔定律对物质定性定量分析的光谱仪器。自 1945 年美国 Beackman 公司推出第一台成熟紫外可见分光光度计商品仪器后，紫外可见分光光度计的应用得到飞速发展[1]。由于每种物质有其特有的、固定的吸收光谱曲线，因此可根据吸收光谱上的某些特征波长处的吸光度高低判别物质的性质或测定该物质的含量，从而进行定性和定量分析[2]。在各行业应用中，分光光度计最主要的用途是测定物质的含量，即定量分析。而做定性分析时，一般不能简单地只用紫外可见分光光度计来判别，还需要配合其它的分析仪器如红外、质谱、色谱甚至波普等仪器共同检测分析[1]。目前，紫外可见分光光度计在生物医药、卫生防疫、食品安全、化学化工、环境检测以及农业、林业、冶金、石油等诸多领域的科研与生产上都有广泛应用，主要有定量分析、纯度检查、参与结构分析、参与定性分析、络合物组成及稳定常数的测定等，尤其在有机分析中有广泛应用[3~4]。同时，紫外可见分光光度计具有价格低廉、分析精度高、测量范围大、速度快等优点，，随着紫外可见分光光度计的不断发展，其应用范围也将越来越广泛。

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1.2 国内外发展现状与分析

自美国第一台紫外可见分光光度计推出以来，随着检测技术、自动化等方面的发展，紫外可见分光光度计被不断改进，很快在各个领域的分析工作中得到广泛应用。近年来，随着智能化、信息化的发展，又相继出现自动记录、自动打印、数字显示、微机控制等各种类型的仪器，使分光光度计的灵敏度和准确度也不断提高，其应用范围也不断扩大[7,8]。紫外可见分光光度计的发展主要体现在光度计结构形式、分光技术、检测技术以及物联网几个方面，本节将从以上几个方面分别对国内外紫外可见分光光度计发展进行分析，了解各方面的发展及优势，为紫外分光光度计的设计提供参考。

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第二章 物联网平台的分光光度计自动测量系统总体设计

2.1 物联网平台的紫外可见分光光度计总体结构

本文研究设计的基于物联网平台的紫外可见分光光度计自动测量系统，设计分光光度计自动测量检测样品溶液数据，并通过 WIFI 模块及路由器将数据传输给远程监控服务器搭建物联网平台。基于检测理论基础，设计紫外可见分光光度计自动测量系统，并在此基础上设计分光光度计物联网模块。物联网体系结构是设计和实现物联网应用系统的基础，目前在物联网研究领域，习惯上将物联网的体系架构分为感知层、网络层和应用层三层，如图 2-1 所示。

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2.2 分光光度计自动测量系统总体设计

紫外可见分光光度计是基于朗伯比尔定律，根据物质对单色光的吸收程度进行检测分析。由于每种物质不同的分子和原子及不同的分子空间结构，其吸收光能量的情况也不相同。因此，每种物质有其特有的、固定的吸收光谱曲线，可根据吸收光谱上的某些特征波长处的吸光度的高低判别或测定该物质的含量[1]。朗伯比尔定律讨论了有色溶液对单色光的吸收程度与溶液的浓度及液层厚度间的定量关系[1,4]。朗伯比尔定律是比色分析法、吸光光度法和光电比色法的定量基础[10]。

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第三章 分光光度计波长电机伺服系统................24

3.1 波长电机位置伺服系统模型.................24

3.2 波长电机位置伺服算法................26

第四章 分光光度计控制系统设计.................33

4.1 控制系统硬件电路设计................33

4.2 控制系统软件设计..................36

第五章 数据管理系统应用层设计与实现...............45

5.1 物联网硬件模块.................45

5.2 监控服务器软件...................46

第六章 实验与分析

6.1 紫外可见分光光度计实验平台

紫外可见分光光度计自动测量系统实验平台主要是对物质进行检测，同时将检测数据通过 WIFI 模块发送至服务器。系统设计搭建的紫外可见分光光度计实验平台如图 6-1 所示。氘灯、钨灯产生的复色光经光源反射镜选择后，通过聚光镜的作用将光经入射狭缝进入光度室，灯源反射镜由步进电机驱动。为消除其他杂散光的影响，光度室为不透光室。光度室中主要有分光元件光栅及截止滤光片以及配和光栅的物镜及准直镜。经光栅分光后的单色光通过出射镜进入样品室进行样品吸收检测。

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6.2 紫外可见分光光度计节点测量实验

为检测紫外可见分光光度计的检测性能及检测精度，针对分光光度计的各项性能指标及要求，设计分光光度计检测实验进行测试。波长准确度及波长重复性是紫外可见分光光度计的重要性能指标，系统通过扫描检测各波长氧化钬玻璃的吸收光谱线，在特征波长处用正弦函数拟合校正实现对波长的标定。为提高动态扫描检测过程中检测精度，系统采用了中值平均滤波与一阶滞后滤波相结合的软件滤波方法。在扫描检测过程中，波长每增加0.5nm 检测采集 8 组数据，在每组数据采集中，连续采样 18 次，去掉最大值与最小值，取平均值，再根据上一组数据，采用一阶滞后滤波，得到当前数据。

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结论

本文在结合分光光度法检测理论、嵌入式系统应用、物联网设计、ASP.NET技术的基础上，研究设计了一种基于物联网平台的紫外可见分光光度计自动测量系统，其中主要包括紫外可见分光光度计自动测量系统的开发和远程数据管理系统的开发，同时，为提高紫外可见分光光度计检测节点的检测精