非对称模糊算法在微量紫外光度计中的应用

Application of Asymmetric Fuzzy Algorithm in M icro UV/VISSpectrophotometerCHEN Zheng-wei ，FEI Xin-hua ，ZHU Jian-hua(1.Center of Engineering Practice，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 3 10023，China；2.Changxing Center of Science and Technology Information，Huzhou 313100，China)Abstract：Compared with the traditional UV/VIS spectrophotometer.the micro UV/VIS spectrophotometer hassome advantages of its smallsize，fast test procedure，the capability of measuring small sample size and easy totest high concentration solution.According to Lambert-Beer law，the relationship between absorbance relativeerror and transmittance eror is given.The optical path distance of the light passing the sample under test is ad-justed to improve the precision and expand test range.The asymmetric fuzzy algorithm is used to choose a mostappropriate outcome in different results of the same sample measured in diferent optical path distance。

Key words：applied optics；UV/VIS spectrophotometer；fuzzy algorithm；Lambert-Beer law紫外可见分光光度计是-种很重要的分析仪器，在分析领域中的应用已经有数十年的历史，至今仍是应用最广泛的分析设备之-。紫外可见分光光度计无论是在物理学、化学、生物学、医学、材料学、环境科学等科学研究领域，还是在化工、医药、环境检测、冶金等现代生产与管理部门都有广泛而重要的应用。随着分光元器件及分光技术、检测器件与检测技术的发展，以及计算机信息处理技术的广泛应用，紫外可见分光光度计的性能指标不断提高，并朝着自动化、智能化、高速化和小型化的方向发展 J。目前，大部分的紫外收稿日期：2012-07-26作者简介：陈正伟(1983-)，男，浙江青田人，硕士，工程师，主要研究方向为电工电子技术；费新华(1966-)，男，浙江长兴人，本科，高级教师，主要研究方向为电子信息技术；朱建华(1964-)，男，浙江杭州人 ，本科，高级工程师，主要研究方向为电工电子技术。

可见分光光度计都采取比色皿的结构，这种结构光程固定，从而限制了光度计的测试范围和精度，本文设计了-种光程可调的结构，并应用非对称模糊算法提高了仪器的测试范围和精度。

1 原理和系统方案紫外可见分光光度计的原理是基于朗伯 -比尔(Lambert.Beer)定律。该定律的内容：当-束平行单色光通过均匀的样品时，其吸光度与吸光组分的浓度和吸收池的厚度乘积成正比。定律示意图如图 1所示。

. L. . . . . . . . . . . . . ./入射光 - i 透射光·黜必 %蝴幽蹦础嘲 蹦 躺 糊鼬岛啦I - 图1 朗伯-比尔定律示意图非对称模糊算法在微量紫外光度计中的应用 ·147·朗伯-比尔定律用数学公式描述为A：lg了Io：sCL (1)式中， 为待测溶液的厚度(即溶液吸光的光程)，单位为 cm；C为待测溶液的浓度，单位为 mol/L； 为摩尔吸光系数，单位为L·(mol·cm)～，其取值和溶液性质、入射光波长以及温度有关。

目前，大部分的紫外可见分光光度计都是采取比色皿的结构，让光线垂直射入并经过距离固定(-般为 10 mm)的比色皿，通过分别测试入射光和透射光光强，然后根据朗伯 -比尔定律算出相应的吸光度。这种结构存在以下不足：① 溶液是放置在比色皿中的，每次测试结束都要仔细清洗比色皿，如果清洗不彻底，残留物会污染下次测试的待测液；② 每次测量需要将几毫升的溶液倒人比色皿测试，在溶液比较珍贵的分子生物学领域，提取的待测液- 般只有几微升或者几十微升，无法进行正常测试；③ -般比色皿厚度为 10 mm，无法直接测试高浓度的溶液，需要对这些高浓度溶液进行稀释。

为了改进这些不足，笔者提出-种根据溶液浓度不同，光线经过溶液的距离可变的结构，以提高光度计的测试范围和精度。所设计分光光度计的结构如图 2所示，其中距离可调承液台放大图如图3所示。

图2 微量紫外可见分光光度计结构图图 3 距离可调的承液台该结构可以测试待测溶液的在不同光程下的吸光度，然后根据吸光度相对误差和透射比误差之间的关系，应用非对称模糊算法，在不同测试光程下的测试结果中选择出最合适的测试结果作为最终的测试结果。

最后，根据式(1)将测试结果按比例折算成光程为10mm时的吸光度。

2 紫外可见分光光度计性能分析光度准确度(photometric accuracy)是分光光度计的-个核心的技术指标。目前，国际上对紫外可见分光光度计光度准确度的表示方法主要有两种 J：① 吸光度准确度(absorbance accuracy)或吸光度误差(absorbance eror)，用 △A表示。

② 透射比准确度(transmitance accuracy)或透射比误差(transmitance eror)，用 AT表示。

虽然 和 △r，都能表示-台分光光度计的性能，但是两者是有区别的，△ 是 △A产生的本质原因，是AT的直观表现，△A是仪器使用者最关心的，也是最直接的性能指标。本文从 AT和 的关系出发，根据不同浓度的待测溶液，选择不同的光程( )来测量，在 AT-定的情况下，使 △A旧能地小，从而提高测量的准确度。

吸光度误差和透射比误差的关系较为复杂，比如：当 △ 0.5%时，在 T10%处对应的 △A为 ±0.022；在 T90%对应的 △ 为 ±0.0024。表 1给出了光度计绝对误差为 1%时，测定结果的相对误差和透射 比之间的关系表 1 相对误差和透射比之间的关系 单位：%T 95 90 80 70 60 5O 40 3O 2O 10 5相对误差 20.8 10.7 5.6 4 3.3 2.9 2.7 2.8 3.2 4.3 6.5由表 1可知，紫外可见分光光度计测定结果的相对误差最小 的最佳透射率为 T37% 左右 (A0.434)。对于有些光线在溶液中的光程(，J)连续可调的系统来讲，可以不断调节 的值，先求得使待测溶液的吸光度值为A0.434时的距离 ，然后折算求得待测溶液在 10 mm光程距离下的吸光度。但是对于有些光线在溶液中的光程( )分级可调的系统，就需要根据待测溶液的吸光度，来选择-个合适光程进行测量。本文提出应用非对称模糊算法，在同-待测溶液的不同测试光程下的测试结果中选择出最合适的测试结果作为最终的测试结果。

3 模糊控制模糊控制是根据精确量转化来的模糊输入信息，按照总结人工经验控制策略取得的语言控制规则进行模糊推理，给出模糊输出判决，再将其转化为精确量，作为反馈送到被控对象(或过程)的过程。本文将模糊算法应用到紫外可见分光光度计的光程( )选择过程中 。以光程为 1 mm和 0.2 mm两挡可调的系统为例，输入待测溶液在 1 mm光程下的吸光度测量值A(1 mm)和待测溶液在0.2 mm光程下的吸光度测· 148· 《测控技术)2013年第32卷第7期量值A(0.2 mm)，通过模糊推理输出待测溶液在 1mm光程下测量数据的置信度 (1 mm)和待测溶液在0.2 mm光程下测量数据的置信度 (0.2 mm)。

3.1 模糊控制器的输入量和输出量模糊控制器的输入量为待测溶液在 l mm光程下的吸光度测量值A(1 mm)和待测溶液在0.2 mm光程下的吸光度测量值 A(0.2 mm)。模糊控制器的输出量为待测溶液在 1 mm光程下测量数据的置信度(1 mm)，而 (0.2 mm)由公式 (0.2 mm)1-卢(1mm)求得。

3.2 模糊控制器的量化因子和比例因子为便于控制，对A(1 mm)和A(0.2 mm)的实际值分别用量化因子K(1 mm)和 K(O.2 mm)进行量化，映射到模糊集合论域 -m，-m1，，0，，m1，m。用 比例因子 把模糊控制器的输 出转为(1 mm)。根据表 1中的数据，本文设计的输入变量 A(1 mm)和A(0.2 mm)的隶属度函数如图4所示，输出变量的隶属度函数如图5所示。

图4 输入变量的隶属度函数图5 输出变量的隶属度函数3.3 模糊决策表模糊规则的建立需符合人的操作经验，即当待测溶液浓度高时，光程为 0.2 mm的光程挡位测量的结果较为准确；当待测溶液浓度低时，光程为 1 mm的光程挡位的测量结果较为准确”。其控制决策表如表2所示。

4 仪器性能测试参照国家计量检定规程 JJG 178-2007对紫外、可见分光光度计的性能检测方法，对研制的微量紫外可见分光光度计进行了波长最大允许误差和波长重复表2 控制决策表性、基线平直度、最小光谱带宽、光度准确度、光度重复性等性能进行测试。

4.1 波长最大允许误差和波长重复性将汞灯的光入射到单色器的入射狭缝，选取仪器光强测量模式，得到汞灯特性谱线周围的峰值波长，记录为 A ，连续测量3次。得到波长示值误差：AA -A ，其中A为3次测量的平均值，A 为波长标准值；波长重复性： A -A 其中A 、/min分别为3次测量波长的最大值和最小值。实验测得本系统的 AA<1 nm， <0.5 nm。

4.2 基线平直度仪器进行基线校正后 ，在 200-800 nm波长之间进行吸光度的全波长扫描，其起始点的吸光度与偏离起始点的最大吸光度之差即为基线平直度。测试结果如图6所示，基线平直度为 ±0.03。

g昌2餐图6 基线平直度4.3 光谱带宽以汞灯的光射入仪器的入射狭缝，应用光强测量模式测量得到汞灯在 250-260 nm波长下的发射光谱，以253.7 nm的特征谱线作为参照，求得半带宽如图7所示。经测试，本系统的半带宽小于 1 nm。

4.4 光度准确度光度准确度是-个根本性的技术指标，本文参照国家标准配置相应浓度的重铬酸钾溶液进行测试，在260 nm波长下同-浓度溶液测试 10次取平均值与溶液的真实值比较得出测试结果如表3所示(其中ID为样品编号)。