CN105548075A - 一种玻璃药瓶内氧气含量的检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻璃药瓶内氧气含量的检测装置与方法，所采用的技术方案是通过对DFB激光器进行电流调谐，使激光的光频率全面扫过氧气的吸收谱线附近，激光器配以TO5封装配件，经过准直透镜组件输出高能量密度的激光光束，开放单光路短光程穿透被检测的玻璃药瓶后，经聚焦透镜组件，被光电二极管转换成电信号。在弱信号检测部分，以高精度的锁相放大器为核心，选用二次谐波的数字信息输出，由通信模块送往工控机进行数据平滑滤波和开放空间的背景扣除，提取特征值送往已建立的浓度反演模型中处理，准确测量出玻璃药瓶内氧气含量。本发明是单光路气体吸收系统，可实现直径大于16mm的无色玻璃药瓶内残氧量检测。

Description

一种玻璃药瓶内氧气含量的检测装置与方法

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，特别涉及一种玻璃药瓶内氧气含量的检测装置和方法。

背景技术

药瓶内氧气是影响药品保质期的主要因素，而药瓶在抽成真空或填充气体的过程中不可避免会有少量空气残存，如果药瓶密封不好会引起瓶内氧气比例进一步增加，一旦超出行业标准，药品将很有可能在保质期内变质，给病人的身体带来非常严重的影响。

目前98％以上的制药企业主要通过抽样检测来判断该批产品含氧量是否合格，对于抽样的药瓶可用粗略的物理方法或通过相关氧气分析仪检测。而市场上的氧气分析仪主要依靠化学比色法、气相色谱法、电化学法、磁氧分析法等传统方法，这些传统的分析系统需要复杂的预处理，无法实现非破坏性检测，且测量误差大，分析时间长，系统维护工作量大。

发明内容

为了克服目前药瓶含氧量监测不便的技术问题，本发明提供一种能够准确方便的对药瓶内含氧量进行检测的玻璃药瓶内氧气含量的检测装置与方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种玻璃药瓶内氧气含量的检测装置。包括激光发生装置和激光接收装置。所述的激光发生装置设置于待测药瓶的一侧。所述的激光接收装置设置于待测药瓶的另一侧并接收激光发生装置所发射的激光。所述的上位机通信连接激光接收装置。

激光发生装置包括：

用于给出经调整过低频调谐信号幅度和频率参数的锯齿波信号的锯齿波信号发生器。

用于累加锯齿波信号和正弦波信号的加法器。

用于调整激光器的工作温度参数的激光二极管调制及温度控制器。

用于产生激光的激光器。

所述的锯齿波信号发生器、加法器、激光二极管调制及温度控制器和激光器依次连接。

激光接收装置包括：

用于会聚穿过待测药瓶的激光的聚焦透镜组件。

用于接收会聚后的激光并将光信号转换为电信号的光电探测器组件。

用于接收并对电信号进行相敏检波。选用二次谐波的数字信息输出的锁相放大器。

用于接收数字信息并输出至上位机的通信模块。

所述的光电探测器组件、锁相放大器和通信模块依次连接。

锁相放大器同时产生经调整过时间常数、高频调制信号幅度和频率后的高频调谐正弦波信号送至加法器。

所述的一种玻璃药瓶内氧气含量的检测装置。所述的激光器所产生的光频率覆盖氧气的吸收谱线。

所述的一种玻璃药瓶内氧气含量的检测装置。还包括用于使激光准直发射以穿过待测药瓶的准直透镜组件和用于会聚穿过待测药瓶的激光的聚焦透镜组件。所述的准直透镜设置于激光器与待测药瓶之间。所述的聚焦透镜组件设置于待测药瓶与光电探测器组件之间。

所述的一种玻璃药瓶内氧气含量的检测装置。准直透镜和聚焦透镜的表面镀有700-800nm带通镀膜。

所述的一种玻璃药瓶内氧气含量的检测装置。还包括用于减少激光在玻璃药瓶中折射过多导致的光学噪声的第一光阑和用于消除杂散光进入光电探测器导致的光学噪声的第二光阑。所述的第一光阑设置于准直透镜组件和被测密封玻璃药瓶之间。所述的第二光阑设置于聚焦透镜组件和光电探测器组件之间。

一种玻璃药瓶内氧气含量检测方法。包括以下步骤：

步骤一：采集已知氧气含量的玻璃药瓶标准品作为初始建模样本。

步骤二：对每瓶标准品进行检测得到以二次谐波为表达形式的检测结果。并对检测结果进行数据预处理。以得到二次谐波半高谱峰面积作为特征值。

步骤三：对预处理后的各二次谐波半高谱峰面积和对应浓度进行线性最小二乘拟合。得到氧气浓度反演模型。

步骤四：对被测玻璃药瓶和真空药瓶进行现场检测。数据平均、滤波、特征值提取和实时扣除现场背景处理后。将检测数据送往步骤三中建立的氧浓度反演模型。获取氧气含量预测结果。

所述的一种玻璃药瓶内氧气含量检测方法。在执行步骤一之前。首先设置激光器工作参数。分别改变激光器的工作温度和工作电流。用波长计记录激光器的发射光束波长。同时观测光电转换后的吸收信号波形。最终使吸收峰处于吸收信号中心处。

所述的一种玻璃药瓶内氧气含量检测方法。在执行步骤一之前。首先优化系统参数。依次改变低频锯齿波信号的扫描幅度和扫描频率、高频正弦波信号的调制幅度和调制频率、锁相器的延时时间。进行多次测试。提取二次谐波幅值及求出相应标准差。确定相应的参数值。

所述的一种玻璃药瓶内氧气含量检测方法。所述的步骤一中。标准品至少包括氧含量为0％在内的两个以上已知氧气含量的玻璃药瓶。

所述的一种玻璃药瓶内氧气含量检测方法。所述的步骤二中的数据预处理包括以下步骤：

步骤1：对每个建模样本采样得到所有二次谐波信号进行平均。得到一列二次谐波数据。

步骤2：移动平滑滤波快速处理。采集当前的数据点左右的多个数据点。将这些点用3次多项式进行最小二乘拟合。用拟合得到的多项式计算出该测量点的值。作为平滑结果。

步骤3：提取半高谱峰面积。用梯形积分法求出以二次谐波的半峰宽所对应的采样区域为波长范围。此范围内二次谐波的谱峰面积。作为二次谐波信号特征值。

步骤4：背景扣除。将步骤三中得到的特征值减去初始建模样本中的0％样本所对应的特征值。

本发明的技术效果在于，针对光学系统噪声，采用准直透镜组件和聚焦透镜组件，在其表面带通镀膜，同时在准直透镜组件后及光电探测器前都设置光阑，最大限度消除光学噪声。针对开放空间的高强噪声背景，通过系统参数优化实验，确定了相应的参数值，同时采用高精度锁相器，由GPIB接口直接输出数字信息，使系统能在开放单光路短光程下也能精确获取二次谐波信息。本发明的定量预测模型中，所取二次谐波特征值是其半高谱峰面积，有利于抑制光谱漂移影响，减少剩余幅度调制及其他干扰波动带来的影响，区分度更大，更适合短光程、痕量气体浓度的精确定量处理。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图；

图2为本发明装置的光路结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本实施例由锯齿波信号发生器1、加法器2、激光二极管调制及温度控制器3、激光器4、准直透镜组件5、被测密封玻璃药瓶6、聚焦透镜组件7、光电探测器组件8、锁相放大器9、GPIB接口卡10、计算机11、第一光阑12和第二光阑13组成。激光二极管调制及温度控制器3保持激光器4的工作温度恒定，锯齿波信号发生器1产生低频锯齿波工作电流，叠加锁相放大器9产生的高频调谐信号，送往激光二极管调制及温度控制器3，使激光器4的光输出波长覆盖氧气的吸收谱线760nm附近。激光器4配以TO5封装配件，经过准直透镜组件5可输出高能量密度的激光光束。单光路穿过被检测的玻璃药瓶6后，经聚焦透镜组件7，由光电探测器组件8将光信号转换成电信号输出至锁相放大器9，选用二次谐波数字信息输出，由GPIB接口卡10送往计算机11进行数据处理，准确快速测量含氧量。

本实施例在激光发生装置中采用了使激光准直发射以穿过待测药瓶的准直透镜组件5，以及减少激光在玻璃药瓶中折射过多导致的光学噪声的第一光阑12，在激光接收装置中采用了用于会聚穿过待测药瓶的激光的聚焦透镜组件7，以及用于消除杂散光进入光电探测器导致的光学噪声的第二光阑13，这些装置的引入可有效提高实际使用时的测量精度，有助于工业应用。

本实施例的通信模块采用了GPIB接口卡作为与上位机通信的装置，实际运用中可根据实际需要选择相应的通信模块，包括且不限于各种通信接口，或者以有线及无线形式来实现。

本实施例采用的激光器是连续方式工作的DFB激光器，中心波长是氧气的吸收谱线760.885nm，TO5封装，5cm处的光斑直径为2.5mm，输出光功率达1毫瓦。实验处理后的优化参数有：激光器工作温度为28.25℃，直流工作电流为36.1mA，低频锯齿波信号频率为5Hz，幅度为14mV，高频调谐信号频率为10KHz，幅度为12mV。

激光光源发出的光频率和光强是受其注入电流控制，在WMS系统中将受到直流偏置电流、低频锯齿波电流和高频正弦波电流共同影响，激光器的输出波长和光强是随注入电流强度近似成线性变化。忽略相位调制，设v₀为氧气吸收峰的中心频率，由注入电流的直流偏量引起的，K_v为低频锯齿波电流-光频率关系，A为锯齿波电流幅度，高频正弦波调制信号频率为f，调制幅度为v_m，也称之为调制深度，则激光器的输出频率v(t)为：

v(t)＝v₀+AK_vt+v_msin(wt)(1)

令v_c＝v₀+AK_vt，则(1)式变为：

v(t)＝v_c+v_msin(wt)(2)

激光器的输出光强I₀(t)为：I₀(t)＝I'₀(t)[1+αsin(wt)](3)

I'₀(t)表示由低频电流引起的输出光强的平均变化，α代表高频正弦波引起的光强调制系数。

根据比尔-朗伯定律，频率为v，强度为I₀(t)的入射光经过气体吸收后的透射光强为：

I(v,t)＝I₀(t)exp[-S(T)NLPg(v)](4)

S(T)为吸收线线强，仅为温度T的函数，单位为(cm-1/(molecule*cm-2))，N为吸收气体的体积浓度，单位为1，L为吸收光程长，单位为cm，P为气体的静态总压强，单位为atm，g(v)为吸收线线型函数。

将通过气体吸收后的光强按傅立叶级数展开：

$I(v,t)=\underset{n=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{H}_n\left(v_c\right)sin\left(nwt\right)\]---\left(5\right)$

每个谐波分量H_n可以通过锁相器相敏检波得到：

$H_n\left(v_c\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}{I}_0\left(t\right)\exp \[-S\left(T\right)NLPg(v_c+v_{m}sin(wt\left)\right)\]\sin \left(nwt\right)d\left(wt\right)---\left(6\right)$

因为-S(T)NLPg(v)远小于1，所以每个谐波分量H_n为：

$H_n\left(v_c\right)=\frac{2I_{0}S\left(T\right)NLP}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}-g(v_c+v_{m}sin(wt\left)\right)sin\left(nwt\right)d\left(wt\right)---\left(7\right)$

上式表明，检测信号的每个谐波分量幅值是与气体浓度成正比，也是系统相关参数如气体的中心波长、低频扫描电流的幅度和频率、高频调制信号的幅度和频率等，一般选用二次谐波信号输出。而对于每个选定的谐波信号，在吸收区域内的所有位置，其幅值都与浓度呈正比例关系。所以，以二次谐波的半峰宽所对应的采样区域为波长范围，此范围内二次谐波的半高谱峰面积S为：

$\begin{array}{ccc}S=\∫(h_1+h_2+...+h_n)& dx=(h_1+h_2+...+h_n)& \mathrm{\Δ}v=C(\frac{1}{k_1}+\frac{1}{k_2}+...+\frac{1}{k_n})\mathrm{\Δ}v=CK\end{array}---\left(8\right)$

其中，Δv为二次谐波的半峰宽所对应的采样区域的波长范围，h为半高谱峰面积内各点高度，k为各点对应的浓度比例因子。

上式表明，二次谐波的半高谱峰面积也与相应气体浓度呈线性关系。所以，在实验条件确定后，用二次谐波分量的半高谱峰面积来代表信号整体的幅值水平，有利于抑制光谱漂移影响，减少剩余幅度调制及其他干扰波动带来的影响，区分度更大，更适合短光程痕量气体浓度的精确定量处理。

本实施例中，取一个完整周期的二次谐波采样点数为500point，每个测量对象(包括被测玻璃药瓶和真空药瓶)都取样10次谐波进行数据平均等预处理，处理步骤具体如下：

步骤一：10次二次谐波信号进行平均，减少随机噪声。即将10列采样数据进行平均处理，得到一列二次谐波数据。

步骤二：移动平滑滤波快速处理，抑制系统周期性干扰。即采集数据点x_i左右共15个点，将这些点用3次多项式进行最小二乘拟合，用拟合得到的多项式计算出该测量点的值，作为平滑结果。

步骤三：半高谱峰面积的提取。用梯形积分法求出以二次谐波的半峰宽所对应的采样区域为波长范围，此范围内二次谐波的谱峰面积，作为二次谐波信号特征值。

步骤四：背景扣除，消除开放光程中空气中的氧气影响及减少系统光谱漂移。即将步骤三中的特征值减去现场真空药瓶样本所对应的特征值。

最后，将步骤四中的数据送往氧气浓度反演模型，获取氧气含量预测结果并实时显示在计算机上，氧气浓度反演模型是通过对预处理后的各二次谐波半高谱峰面积和对应浓度进行线性最小二乘拟合所得到。

Claims (10)

1.一种玻璃药瓶内氧气含量的检测装置，其特征在于，包括激光发生装置和激光接收装置，所述的激光发生装置设置于待测药瓶的一侧，所述的激光接收装置设置于待测药瓶的另一侧并接收激光发生装置所发射的激光，

激光发生装置包括：

用于给出经调整过低频调谐信号幅度和频率参数的锯齿波信号的锯齿波信号发生器(1)，

用于累加锯齿波信号和正弦波信号的加法器(2)，

用于调整激光器的工作温度参数的激光二极管调制及温度控制器(3)，

用于产生激光的激光器(4)，

所述的锯齿波信号发生器(1)、加法器(2)、激光二极管调制及温度控制器(3)和激光器(4)依次连接，

激光接收装置包括：

用于会聚穿过待测药瓶的激光的聚焦透镜组件(7)，

用于接收会聚后的激光并将光信号转换为电信号的光电探测器组件(8)，

用于接收并对电信号进行相敏检波，选用二次谐波的数字信息输出的锁相放大器(9)，

用于接收数字信息并输出至上位机的通信模块(10)，

所述的光电探测器组件(8)、锁相放大器(9)和通信模块依次连接，

锁相放大器(9)同时产生经调整过时间常数、高频调制信号幅度和频率后的高频调谐正弦波信号送至加法器(2)。

2.根据权利要求1所述的一种玻璃药瓶内氧气含量的检测装置，其特征在于，所述的激光器(4)所产生的光频率覆盖氧气的吸收谱线。

3.根据权利要求1所述的一种玻璃药瓶内氧气含量的检测装置，其特征在于，还包括用于使激光准直发射以穿过待测药瓶的准直透镜组件(5)和用于会聚穿过待测药瓶的激光的聚焦透镜组件(7)，所述的准直透镜设置于激光器(4)与待测药瓶之间，所述的聚焦透镜组件(7)设置于待测药瓶与光电探测器组件(8)之间。

4.根据权利要求3所述的一种玻璃药瓶内氧气含量的检测装置，其特征在于，准直透镜(5)和聚焦透镜(7)的表面镀有700-800nm带通镀膜。

5.根据权利要求4所述的一种玻璃药瓶内氧气含量的检测装置，其特征在于，还包括用于减少激光在玻璃药瓶中折射过多导致的光学噪声的第一光阑(12)和用于消除杂散光进入光电探测器导致的光学噪声的第二光阑(13)，所述的第一光阑(12)设置于准直透镜组件(5)和被测密封玻璃药瓶(6)之间，所述的第二光阑(13)设置于聚焦透镜组件(7)和光电探测器组件(8)之间。

6.一种玻璃药瓶内氧气含量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：采集已知氧气含量的玻璃药瓶标准品作为初始建模样本；

步骤二：对每瓶标准品进行检测得到以二次谐波为表达形式的检测结果，并对检测结果进行数据预处理，以得到二次谐波半高谱峰面积作为特征值；

步骤三：对预处理后的各二次谐波半高谱峰面积和对应浓度进行线性最小二乘拟合，得到氧气浓度反演模型；

步骤四：对被测玻璃药瓶和真空药瓶进行现场检测，数据平均、滤波、特征值提取和实时扣除现场背景处理后，将检测数据送往步骤三中建立的氧浓度反演模型，获取氧气含量预测结果。

7.根据权利要求6所述的一种玻璃药瓶内氧气含量检测方法，其特征在于，在执行步骤一之前，首先设置激光器工作参数，分别改变激光器的工作温度和工作电流，用波长计记录激光器的发射光束波长，同时观测光电转换后的吸收信号波形，最终使吸收峰处于吸收信号中心处。

8.根据权利要求7所述的一种玻璃药瓶内氧气含量检测方法，其特征在于，在执行步骤一之前，首先优化系统参数，依次改变低频锯齿波信号的扫描幅度和扫描频率、高频正弦波信号的调制幅度和调制频率、锁相器的延时时间，进行多次测试，提取二次谐波幅值及求出相应标准差，确定相应的参数值。

9.根据权利要求7所述的一种玻璃药瓶内氧气含量检测方法，其特征在于，所述的步骤一中，标准品至少包括氧含量为0％在内的两个以上已知氧气含量的玻璃药瓶。

10.根据权利要求9所述的一种玻璃药瓶内氧气含量检测方法，其特征在于，所述的步骤二中的数据预处理包括以下步骤：

步骤1：对每个建模样本采样得到所有二次谐波信号进行平均，得到一列二次谐波数据；

步骤2：移动平滑滤波快速处理，采集当前的数据点左右的多个数据点，将这些点用3次多项式进行最小二乘拟合，用拟合得到的多项式计算出该测量点的值，作为平滑结果；

步骤3：提取半高谱峰面积，用梯形积分法求出以二次谐波的半峰宽所对应的采样区域为波长范围，此范围内二次谐波的谱峰面积，作为二次谐波信号特征值；

步骤4：背景扣除，将步骤三中得到的特征值减去初始建模样本中的0％样本所对应的特征值。