CN113899704B - 一种基于光学条形码直接测量湿度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于光学条形码直接测量湿度的方法，属于湿度直接识别相关技术领域。本发明实现方法为：预先获取由多个确定湿度情况下的反射光谱组成的光谱数据库，获取未知湿度情况下光纤传感器的光谱作为样本光谱，通过使用数据处理模块获取样本光谱和光谱数据库各个元素之间的规整路径距离组成序列，将规整路径距离序列转换为光学条形码，即根据样本光谱与光谱数据库中各个元素的规整路径距离序列构建光学条形码，基于规整路径距离序列构建的光学条形码，通过人眼识别条形码的最小路径距离位置来确定湿度值，实现湿度的直接测量。本发明具有可人眼直接识别、重复性好、应用广泛等优点，有效克服单谐振峰波长跟踪具有的非线性和拐点等缺点。
Description
技术领域
本发明属于湿度直接识别相关技术领域，涉及一种基于光纤传感器的光学湿度条形码直接读取方法，尤其涉及一种基于光学条形码直接测量湿度的方法。
背景技术
湿度在许多物理、化学和生物过程中起着至关重要的作用。持续监测和控制环境中的湿度对于控制新冠病毒COVID-19在气溶胶中的传播至关重要(Frontiers ofEnvironmental Science&Engineering,2021,15(3):1-12.Science of The TotalEnvironment,2020,768:144578.European Respiratory Review,2021,30(159):200242.)。近年来科研和工业界已经开发了大量的湿度传感技术和设备。但是，其中大多数电化学类湿度传感器是易燃易爆的，易受大量电磁干扰。特别是传统的湿度传感器其相对巨大的体积很难满足湿度传感器小型化日益增长的需求。
光纤湿度传感器因其体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、多路复用和远程控制能力，最近引起了广泛关注(Science,2010,330(6007):1081-1084.Optics Letters,2021,46(6):1209-1212.Analyst,2020,146:244-252.ACS Sensors,2020,5(12):3678-3709.Optics Express,2019,27(24):35609-35620.IEEE Photonics TechnologyLetters,2019,31(5):393-396.Sensors and Actuators B:Chemical,2019,284:323-329.)。尽管光纤湿度传感器具有良好的灵敏度和分辨率性能，但传统的基于跟踪特定谐振峰的解调方法仍存在一些局限性。首先，湿度值不能直接从反射或透射光谱中获得。只能通过湿度变化引起的谐振峰特征参数相对于原始状态的相对变化以反映湿度值。因此，在不知道初始湿度的情况下，不可能仅从光谱中获得湿度值。其次，特定谐振峰的监测参数可能具有非线性变化或拐点，尤其是在基于多模干涉的光纤传感器中。虽然可以通过增加监测的谐振峰的数量来解决此问题，但它显著增加了光谱解调的难度和工作量，并降低了频谱谐振峰的利用率。因此，迫切需要找到一种合适的传感解决方案以实现湿度的直接测量。
发明内容
本发明目的是提供一种基于光学条形码直接测量湿度的方法，根据样本光谱与光谱数据库中各个元素的规整路径距离序列构建光学条形码，基于规整路径距离序列构建的光学条形码实现湿度的直接测量。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种基于光学条形码直接测量湿度的方法，包括如下步骤：
构建光纤传感器的光谱数据库，所述光谱数据库由多个在已知湿度情况下获取的光纤传感器光谱组成，且所述光谱数据库的元素是在湿度等间隔的条件下测量的。
测量光纤传感器在未知湿度情况下的光谱作为样本光谱。
通过数据处理模块逐一获取样本光谱和光谱数据库各个元素的相似性，即规整路径距离，并组成规整路径距离序列。规整路径距离序列中规整路径距离和湿度具有一一对应关系，且按照湿度大小顺序排列，即使用规整路径距离表示样本光谱和光谱数据库单个元素之间的相似性，规整路径距离参数越小，表示光谱之间相似性越高。
用光学条形码色条的颜色表征规整路径距离序列的每个元素大小。人眼搜索光学条形码代表规整路径距离最小值的颜色区域，对应于颜色区域的湿度值即为样本光谱所对应的湿度值，即基于光学条形码实现湿度的直接测量。
为了获得具有谐振峰随传感参量非线性变化和拐点的光谱之间的相似性，作为优选，逐一获取样本光谱和光谱数据库各个元素的相似性的数据处理模块选用动态时间规整算法实现。
作为优选，所述规整路径距离表示为
其中m和n是数据库中测量序列(Q)和单个序列(C)的元素数。DPk是定义Q和C之间映射的连续矩阵元素集的第k个元素。d(Qm,Cn)是Qm和Cn之间的欧氏距离。
为了方便人眼观察光学条形码，作为优选，所述矩形区域的颜色越深代表规整路径距离值越小，所述矩形区域的颜色越浅达标规整路径距离值越大。
为了条形码一致性，作为优选，光谱数据库中光谱所对应的湿度是等间隔采集的。
通过更换样本光谱和光谱数据库为相应的等传感器光谱，即能够进行物理类和化学类传感参量或物质的直接测量，拓展本发明的应用范围。
所述物理类包括温度、应变、扭转、弯曲、折射率、湿度。
所述化学类包括挥发性有机化合物、抗原抗体、重金属离子、疾病标志物。
将本发明公开的一种基于光学条形码直接测量湿度的方法，作为具有多谐振峰特性的光传感器的传感参量直接识别通用方法。
有益效果：
1、本发明公开的一种基于光学条形码直接测量湿度的方法，预先获取由多个确定湿度情况下的反射光谱组成的光谱数据库，获取未知湿度情况下光纤传感器的光谱作为样本光谱，通过使用数据处理模块获取样本光谱和光谱数据库各个元素之间的规整路径距离组成序列，将规整路径距离序列转换为光学条形码，即根据样本光谱与光谱数据库中各个元素的规整路径距离序列构建光学条形码，基于规整路径距离序列构建的光学条形码，通过人眼识别条形码的最小路径距离位置来确定湿度值，实现湿度的直接测量。
2、本发明公开的一种基于光学条形码直接测量湿度的方法，基于动态时间规整算法构建数据处理模块逐一获取样本光谱和光谱数据库各个元素的相似性，基于规整路径距离序列构建的光学条形码不涉及复杂运算，运算效率高、重复性好，能够实现传感参量的实时监测。
3、本发明公开的一种基于光学条形码直接测量湿度的方法，通过更换样本光谱和光谱数据库为相应的温度、应变、扭转、弯曲、折射率、湿度、挥发性有机化合物、抗原抗体、重金属离子、疾病标志物传感器光谱，即能够进行温度、应变、扭转、弯曲、折射率、湿度、挥发性有机化合物、抗原抗体、重金属离子、疾病标志物多种传感参量的直接测量，拓展本发明的应用范围。
4、本发明公开的一种基于光学条形码直接测量湿度的方法，可以作为具有多谐振峰特性的光谐振传感器的传感参量直接识别通用方法，例如回音壁模式光纤传感器、马赫-增德尔干涉仪型光纤传感器、迈克尔逊干涉仪型光纤传感器、法布里-珀罗干涉仪型光纤传感器和多模干涉仪型光纤传感器。
附图说明
图1是本发明提出的一种基于光学条形码直接测量湿度的方法流程图；
图2是本发明实施例中具有多个谐振峰的光纤湿度传感器反射光谱图；
图3是图2中标识的多个谐振峰的中心波长随湿度变化的趋势图；
图4是本发明实施例中环境湿度为67.8％RH的反射光谱获取光条形码流程图；
图5是本发明实施例中提高判别光学条形码湿度的拟合图。
其中，1—样本光谱，2—光谱数据库，3—数据处理模块，4—光学条形码。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明。同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
为了证明本发明的适用性和有效性，首先构建一种具有多个谐振峰的光纤传感器，这种光纤传感器的反射光谱如图2所示。所述光纤传感器是基于多模干涉原理的干涉型传感器，构建多模干涉型传感器是本领域技术人员熟知的方法，因而不属于本发明的范围，在此不做具体论述。在20-90％RH范围内，湿度间隔为10％RH情况下，光纤传感器的谐振峰中心波长随湿度的变化如图3所示。从图3中可以看出，不同谐振峰随湿度增长变化趋势不一致，且上述谐振峰只在一定湿度范围内线性且单调，无法通过跟踪任何一个谐振峰实现在整个湿度测量范围内对湿度进行监测。此外，监测特定谐振峰只能得到波长随湿度的变化无法直接获取湿度值，为得到湿度值需要事先对光纤传感器进行标定。
如图4所示，本实施例公开的一种基于光学条形码直接测量湿度的方法，具体实现方法如下：
步骤一：获取光纤传感器在已知环境湿度值情况下的反射光谱组成光谱数据库2。
优选地，所述光谱数据库2由8个反射光谱组成，上述反射光谱是处在20％RH，30％RH，40％RH，50％RH，60％RH，70％RH，80％RH，90％RH环境湿度下获取的，湿度间隔为10％RH。
步骤二：获取某未知环境湿度情况下光纤传感器的反射光谱作为样本光谱1。
为了验证本发明提出方法的有效性，本实施例中所指的未知湿度环境是将光纤传感器放置在常规湿度计示值为67.8％RH环境中进行测试的。
步骤三：使用数据处理模块3逐一获取样本光谱和光谱数据库各个元素的相似性，即规整路径距离，并组成规整路径距离序列。规整路径距离序列中规整路径距离和湿度具有一一对应关系，且按照湿度大小顺序排列。所述合适的算法为动态时间规整算法。
所述规整路径距离可以表示为
其中m和n是数据库中测量序列(Q)和单个序列(C)的元素数。DPk是定义Q和C之间映射的连续矩阵元素集的第k个元素。d(Qm,Cn)是Qm和Cn之间的欧氏距离。
步骤四：将规整路径距离序列转换为光学条形码4。光学条形码4由多个矩形色块组成，色块的个数取决于规整路径距离序列的元素数量，规整路径距离的值决定矩形区域的颜色。光学条形码4可以是灰度图也可以是彩色图。
为了方便人眼观察光学条形码4，所述矩形区域的颜色越深代表规整路径距离值越小，所述矩形区域的颜色越浅达标规整路径距离值越大。
步骤五：人眼对光学条形码4进行识别，通过判别光学条形码4颜色最深的位置对应的湿度值，就可以直接判别出光纤传感器所处的环境湿度值。从图4的光学条形码可以看出，最深的位置处在60-70％RH之间，从人的直觉判断颜色最深的位置可能更倾向于70％RH。所以最终预估环境湿度在65-70％RH之间。
从图4中可以看出，通过光学条形码4判断规整路径距离的最小值，人眼获得的湿度值只是光纤传感器环境湿度的近似估计值。为了提高测量精度，本发明在具体实施例中给出的一种可以提高湿度测量精度的方法，即使用高阶多项式来拟合规整路径距离序列来提高湿度测量精度。
具体的实施例如下：
针对光纤传感器环境湿度下获取的规整路径距离序列进行多项式拟合，多项式的系数可以表示为：
其中Dat是湿度点的集合，RHi是中的元素，Dis(RHi)是规整路径距离序列，pj是多项式系数，n是多项式的次数。
所述多项式次数n的值为6.
湿度和规整路径距离序列的拟合曲线如图5所示。拟合曲线生成的光学条形码如图5所示。通过常规寻峰算法得到的湿度值约为64.99％RH，而使用相对湿度计测量的湿度值为67.8％相对湿度。这种轻微的偏差可能是由于测量误差或数据库中的元素太少造成的。增加预校准光谱数据库中反射光谱的数量可以提高测量精度。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于光学条形码直接测量湿度的方法，其特征在于：包括如下步骤：
构建光纤传感器的光谱数据库（2），所述光谱数据库由多个在已知湿度情况下获取的光纤传感器光谱组成，且所述光谱数据库（2）的元素是在湿度等间隔的条件下测量的；
测量光纤传感器在未知湿度情况下的光谱作为样本光谱（1）；
通过数据处理模块（3）逐一获取样本光谱（1）和光谱数据库（2）各个元素的相似性，即规整路径距离，并组成规整路径距离序列；规整路径距离序列中规整路径距离和湿度具有一一对应关系，且按照湿度大小顺序排列，即使用规整路径距离表示样本光谱和光谱数据库单个元素之间的相似性，规整路径距离参数越小，表示光谱之间相似性越高；
用光学条形码（4）色条的颜色表征规整路径距离序列的每个元素大小；人眼搜索光学条形码（4）代表规整路径距离最小值的颜色区域，对应于颜色区域的湿度值即为样本光谱所对应的湿度值，即基于光学条形码实现湿度的直接测量。
2.如权利要求1所述的一种基于光学条形码直接测量湿度的方法，其特征在于：为了获得具有谐振峰随传感参量非线性变化和拐点的光谱之间的相似性，逐一获取样本光谱和光谱数据库各个元素的相似性的数据处理模块（3）选用动态时间规整算法实现。
3.如权利要求1所述的一种基于光学条形码直接测量湿度的方法，其特征在于：所述规整路径距离表示为
其中m和n是数据库中测量序列（Q）和单个序列（C）的元素数；DP k 是定义Q和C之间映射的连续矩阵元素集的第k个元素；d(Q m ,C n )是Q m 和C n 之间的欧氏距离。
4.如权利要求1所述的一种基于光学条形码直接测量湿度的方法，其特征在于：为了方便人眼观察光学条形码（4），矩形区域的颜色越深代表规整路径距离值越小，所述矩形区域的颜色越浅达标规整路径距离值越大。
5.如权利要求1所述的一种基于光学条形码直接测量湿度的方法，其特征在于：为了条形码一致性，光谱数据库（2）中光谱所对应的湿度是等间隔采集的。
6.如权利要求1所述的一种基于光学条形码直接测量湿度的方法，其特征在于：通过更换样本光谱（1）和光谱数据库（2）为相应的传感器光谱，即能够进行物理类和化学类传感参量或物质的直接测量；
所述物理类包括温度、应变、扭转、弯曲、折射率、湿度；
所述化学类包括挥发性有机化合物、抗原抗体、重金属离子、疾病标志物。
7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种基于光学条形码直接测量湿度的方法，其特征在于：作为具有多谐振峰特性的光传感器的传感参量直接识别通用方法。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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