【正文】 參考文獻 ...............................................................44 附錄 ...................................................................46太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 液體的濃度是一個重要的物理量，在工業(yè)生產(chǎn)如化工、醫(yī)藥、輕工、食品、飲料、環(huán)保等各個部門以及科研國防各領(lǐng)域，有著十分廣泛的應(yīng)用，尤其對環(huán)境保護、水質(zhì)資源的監(jiān)測等方面，具有重要的研究背景和科學(xué)意義。 濃度的變化會引起液體折射率的變化，對于固定的入射光線，折射率的變化會導(dǎo)致出射光線發(fā)生偏移，利用光電位置敏感器件檢測出光線偏移量的大小，便可得到液體的折射率，進而計算出液體濃度?；谝陨侠碚摚疚奶岢隽艘环N采用雙隔離窗的光透射液體濃度檢測系統(tǒng) [27]。 課題設(shè)計的目的意義 濃度是衡量工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的一項非常重要的指標(biāo)，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)企業(yè)除了在化驗室對產(chǎn)品的濃度進行檢驗外，還要求在生產(chǎn)線上對產(chǎn)品的濃度進行監(jiān)控，化驗室檢驗只是抽樣檢驗，步驟繁瑣，實時性差，不易控制產(chǎn)品質(zhì)量，僅僅依靠這種方法很難滿足生產(chǎn)要求。在線檢測系統(tǒng)可以使操作人員在生產(chǎn)過程中隨時掌握產(chǎn)品濃度的變化情況，及時采取措施，實現(xiàn)實時控制，使產(chǎn)品的濃度控制在要求的范圍內(nèi)這對提高產(chǎn)品質(zhì)量有很重要的意義 [26]。 目前液體濃度的檢測方法雖然很多，但大部分采用接觸式檢測方法，接觸式方法對某些有害液體有一定危險性。 本新型 濃度檢測系統(tǒng)利用光電敏感器件 PSD 作為光敏元件，使用比較簡單的光學(xué)系統(tǒng)和電子電路便可以非常穩(wěn)定地檢測液體的濃度，大大節(jié)省成本，并且由于 PSD 只對光斑能量中心敏感，因而對光源的變化影響可忽略不計，降低了對準直聚焦光學(xué)系統(tǒng)的要求，更具有現(xiàn)實意義 [27]。 國內(nèi)外同類課題研究現(xiàn)狀 位置敏感探測器 (PSD)國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 半導(dǎo)體位置敏感器件 (Position Sensitive Detector 簡稱 PSD)是一種對其感光面上的入射光點位置敏感的光電器件，即當(dāng)入射光點落在器件感光面的不同位置時，將對應(yīng)輸出不同的信號。通過對輸出信號的處理，即可確定入射光點在器件感光面上的位置。 PSD 可分為一維 PSD 和二維 PSD。一維可以測定光點的一維位置坐標(biāo)，而二維PSD 可以檢測出光點的平面二維位置坐標(biāo)。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 2 美國、日本、英國等發(fā)達國家在 PSD 的研究和制造方面已經(jīng)具有相當(dāng)高的水平，其產(chǎn)品性能日趨完善。日本浜松光子學(xué)株式會社（ HAMAMATSU）、瑞典 SiTek 和美國 UDT 等廠商都開發(fā)出了多種結(jié)構(gòu)、規(guī)格、能滿足不同需求的一維和二維的 PSD 系列產(chǎn)品及相應(yīng)的處理電路。不同結(jié)構(gòu)、規(guī)格的 PSD 有不同的位置分辨率、響應(yīng)速度和位置誤差，響應(yīng)靈敏度 —，位置分辨率 —7μ m，響應(yīng)速度 —13μ s，尺寸 1х 3mm2—27х 27mm2，典型位置誤差十幾μ m—mm。最近，瑞典 SiTek 開發(fā)了一種響應(yīng)靈敏度增強型 PSD（ Enhance Sensitivity PSD， ESPSD），響應(yīng)靈敏度是普通 PSD 的 5 倍。 在國內(nèi)， PSD 的發(fā)展比較晚。有關(guān) PSD 的報告出現(xiàn)在 70 年代，當(dāng)時也只是一些關(guān)于 PSD 原理及特性方面的報道，且大部分是些譯文 ， PSD 本身及其應(yīng)用方面的研究比較緩慢，只是近年來才引起重視， 90 年代應(yīng)用方面的報道就比較多了。在研制方面，目前有電子 44 所研制的 aSi:H 一維 PSD 和單晶硅雙面結(jié)構(gòu)二維 PSD；機電部 214所主要研制一維 PSD 和枕形結(jié)構(gòu)的二維 PSD；上海技術(shù)物理研究所和西南技術(shù)物理研究所也正在展開這方面的研究。國內(nèi)市場的總情況是對 PSD 的了解和認識不足，產(chǎn)品性能還不完善。此外，缺乏配套的信號處理電路、成本高都是約束 PSD 在國內(nèi)發(fā)展的重要因素。 從七十年代后期 PSD 出現(xiàn)以來，由于 PSD 越來越體現(xiàn)出它體積小，高靈敏度，線性范圍大，噪聲小，分辨率高，光譜響應(yīng)范圍大，響應(yīng)速度快，價格低及應(yīng)用電路簡單等優(yōu)點，受到了各界人士的矚目。其在工業(yè)生產(chǎn)、核輻射環(huán)境、醫(yī)療衛(wèi)生環(huán)境以及軍事環(huán)境、航空航天等環(huán)境中都有廣泛的應(yīng)用 [19]。 液體濃度測量的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，工業(yè)生產(chǎn)中檢測液體濃度的方法有很多種，有比重法、化學(xué)分析法、超聲波法以及光學(xué)法等。這些方法的工作原理及裝置結(jié)構(gòu)各不相同，適應(yīng)的部門和場合也不同，并且各有其優(yōu)點與不足。 比重法，較方便，但在工業(yè)濃度檢測中，經(jīng)常需要檢測大槽或大池中 的不同深度處的溶液濃度，由于比重計采用浮力原理，它只能檢測上層表面的溶液濃度，無法適應(yīng)這種工業(yè)檢測需要。另外在多組分溶液的裝置中，用比重法也無法進行控制。 化學(xué)分析法，雖然可以做到較高的檢測精度，但它需要耗費許多昂貴的化學(xué)試劑，又需要較長的分析周期，甚至需要價格很高的特種分析儀器，成本比較高。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 3 以上傳統(tǒng)的液體濃度檢測方法各有其局限性，同時它們都需要人工取樣，不能實現(xiàn)實時在線檢測，由于取樣費時費事，滯后性大，分析出的結(jié)果已經(jīng)不是當(dāng)時的狀況了，而且在取樣間隔內(nèi)溶液濃度的變化又是未知的，這樣就影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和自 動化控制，所以它們的應(yīng)用范圍有限，不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的實際要求。 國外已報道的有： Bergman 制作了一個光纖探頭來檢測各種液體的鹽度；Narayanan 使用一個基于激光的棱鏡糖度計檢測含糖液體的濃度； Longtin and Fan 在一個矩形單元中測量靜止液體的折射率和濃度。其他提出來的技術(shù)包括平面熒光技術(shù)、熱標(biāo)記技術(shù)和干涉測量法技術(shù)等。國內(nèi)已報道的包括：浮力法、重力法、靜壓法、折光法、振動法、同位素法、勢力學(xué)法及電導(dǎo)法等。然而，這些技術(shù)都需要復(fù)雜和昂貴的實驗裝置，不能用于流動液體濃度的檢測 [26]。 采 用光學(xué)傳感方法進行溶液濃度的檢測具有快捷、簡便、不污染待測液體、易于進行信號轉(zhuǎn)換實現(xiàn)自動化控制等特點，并有助于解決在線檢測及選擇性測量等問題，適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對液體濃度測量的要求，所以越來越受到重視，有關(guān)的研究和應(yīng)用也越來越多。光學(xué)傳感方法測量液體濃度的出發(fā)點是光線透過待測溶液或者在待測溶液的界面上進行反射時，溶液濃度的變化會引起光的偏振方向，溶液的吸光度、折射率等物理參量的變化，如果能在它們之間建立起對應(yīng)的關(guān)系，就可以通過測量這些物理參量的變化來測量液體的濃度 [2]。 本文采用的是光透射方法，設(shè)計了雙隔離 窗和雙平面鏡的獨特光學(xué)系統(tǒng)，利用光電位置敏感器件檢測出光線偏移量的大小，得到液體的折射率，進而計算出液體濃度。 課題設(shè)計的主要內(nèi)容 (1) 系統(tǒng)總體設(shè)計方案及框圖 (2) 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計 (3) 信號調(diào)理電路的設(shè)計 (4) 硬件設(shè)計及軟件設(shè)計 (5) 軟件仿真 與系統(tǒng)誤差分析 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 4 第 2 章 總體方案 濃度的變化會引起液體對光的折射率的變化，對于由激光器發(fā)出的固定傾斜入射的光線，折射率的變化會導(dǎo)致出射光線發(fā)生偏移，利用位置敏感器件（ PSD）將得到的電流信號經(jīng)過放大處理后檢測出偏移量的大小，將這個模擬量經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后發(fā)送給 AT89C52 單片機，以單片機為核心對濃度檢測系統(tǒng)進行控制處理，最后由顯示系統(tǒng)顯示液體的濃度。 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 新型濃度檢測系統(tǒng)主要包括以下幾部分：半導(dǎo)體激光器、光學(xué)系統(tǒng)、信號調(diào)理電路、 AT89C52 單片機、 A/D 轉(zhuǎn)換電路和顯示電路等。液體濃度檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖 ： 圖 液體濃度檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)工作原理為：半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光，通過光學(xué)系統(tǒng)（內(nèi)裝有參考液體和待測液體）照射到一維 PSD 感光面上，經(jīng)過一維 PSD 信號調(diào)理電路將輸出的電流信號進行放大等處理，由 A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過適當(dāng)接口將其送入微處理器，以其為核心對濃度檢測系統(tǒng)進行控制，再由顯示系統(tǒng)顯示出待測液體濃度。 系統(tǒng)性能指標(biāo) 新型濃度檢測系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)有：系統(tǒng)分辨力、系統(tǒng)測量范圍、系統(tǒng)測量精 激 光 器 電 源 光 學(xué) 系 統(tǒng) P S D 傳 感 器 PSD 信號 調(diào)理 電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 89C 52 單 片 機 LED顯示系統(tǒng) 鍵盤輸入 驅(qū)動電路 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 5 度和體積質(zhì)量等 [28]。 （ 1）系統(tǒng)分辨力 系統(tǒng)理論可分辨 的折射率變化，但實際測量中，將會受放大器、單片機和 A/D 轉(zhuǎn)換電路后的影響，綜合分析，系統(tǒng)的分辨力可達 ，這相當(dāng)于 20 度NaCl 溶液的 %的濃度精度。 （ 2）系統(tǒng)測量范圍 系統(tǒng)中采用了日本濱松公司的 S3932 型，其有效敏感區(qū)為 112 2mm ，考慮到邊緣誤差太大，實際可用約 ，可測量折射率 ~。最大相當(dāng)于 20度 NaCl 溶液的 90%的濃度精度。如果增加 PSD 的長度，則測量范圍可進一步加大。 （ 3）系統(tǒng)測量精度 系統(tǒng)測量精度取決于系統(tǒng)誤差修正后的殘差 R? 和偶然誤差的總均方根值 R? 。若以 dS 表示濃度檢測系統(tǒng)的測量精度。則： 22 RS Rd ??? ? （ ） （ 4）系統(tǒng)的體積與重量 濃度檢測系統(tǒng)的體積與重量在使用中是一個非常突出的指標(biāo)，往往同其他指標(biāo)互相矛盾。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 6 第 3 章 新型濃度檢測系統(tǒng)設(shè)計 基 于 PSD 的新型濃度檢測系統(tǒng)主要由激光器、光學(xué)系統(tǒng)、 PSD 信號調(diào)理電路、單片機系統(tǒng) 、 A/D 轉(zhuǎn) 換電路和顯示電路組成。 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 光源的選擇 光電式液體濃度測量系統(tǒng)的光源有鈉燈、發(fā)光二極管、氦氖激光器、半導(dǎo)體激光器可以選擇。選擇的要求是單色性好、方向性比較好、穩(wěn)定性比較高、結(jié)構(gòu)簡單、體積比較小、結(jié)實堅固、價格低廉及使用方便等。 （ 1）鈉光燈 鈉光燈工作時，在可見光區(qū)域發(fā)射處兩條極強的黃色譜線 (又稱 D 線 )，它們的波長分別為 589nm 及 ，通常取它們的中心近似值 作為黃光的標(biāo)準參考波長，很多光學(xué)常數(shù)常以它作基準，因此鈉燈是比較重要的單色光源之一。鈉燈的光源質(zhì)量比較好，為標(biāo)準參考波長，所以測量出來的數(shù)值不需要修正，但體積比較大，需要限流器，啟動電壓也比較高。 （ 2）發(fā)光二極管 發(fā)光二極管 LED 作為光源出現(xiàn)在有關(guān)的報導(dǎo)中，可以使用新型黃色超高亮度的發(fā)光二極管 LED，它是一種直接注入電流的發(fā)射器件，是晶體內(nèi)部受激電子從高能級回復(fù)到低能級時，發(fā)射出光子的結(jié)果。 LED 具有體積比較小、堅固耐用、使用電壓低、壽命比較長等優(yōu)點。暨南大學(xué)研制的飲料中糖含量在線測量系統(tǒng)就是使用超高亮度 的黃色發(fā)光二極管作為光源的，但是 LED 的單色性較差，強度較弱，方向性也不理想。 （ 3）氦氖激光器 氦氖激光器是一個氣體放電管，管內(nèi)充有氦、氖混合氣體，兩端用鍍有多層介質(zhì)膜的反射鏡封固，構(gòu)成諧振腔。光在兩鏡面間多次反射，形成持續(xù)振蕩，發(fā)射出激光。激光單色性好 (波長為 )、方向性比較好、激光束產(chǎn)生的光斑質(zhì)量也比較好。但氦氖激光器的激光管體積比較大，需要很高的電源電壓(2020~3000V 的直流電 )。 （ 4）半導(dǎo)體激光器 (激光二極管 ) 半導(dǎo)體激光器 (激光二極管 LD)具有單色性好，方向性比較好，體積比較小太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 7 (采用 TO 封裝 )，工作電源電壓比較低 ( 左右 )，使用比較方便等優(yōu)點。本系統(tǒng)使用中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 (海特光電子技術(shù)公司 )生產(chǎn)的 HTL67T05 型5mw 輸出 670nm 基橫模量子阱激光器。 激光二極管的芯片結(jié)構(gòu)基本上與側(cè)面發(fā)光的 LED 芯片結(jié)構(gòu)基本相同，但要制造出與 PN 結(jié)垂直的兩個相對平行的光學(xué)平面作為光學(xué)諧振腔，當(dāng) PN 結(jié)通以電流并超過閥值時，引起高強度的電致發(fā)光，最終在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生了激光。激光的產(chǎn)生是光在半導(dǎo)體內(nèi)通過時，引發(fā)受激發(fā)射而獲得放大的結(jié)果 [11][12]。 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計 （ 1）濃度檢測的基本光學(xué)原理 液體濃度檢測的基本原理如圖 所示，被測液體濃度的改變，會引起入射光線折射角的變化，通過檢測光線折射角度的變化（這一變化幾乎與濃度成正比），經(jīng)過分析計算可以求得待測液體的濃度 [12]。 圖 液體濃度檢測的基本原理圖 測量水槽分為兩部分，一部分裝有參考液體（蒸餾水），另一部分就是待測的液體，中間用一塊傾斜放置的光學(xué)透射窗隔開，這樣，光線的折射角度就會隨兩部分液體折射率差值的變化而不同。當(dāng)光線如圖 31 所示的情況入射，那么兩種液體折射率之差 n? 與光線偏移量 d（相當(dāng)于參考液體與被測液體都是蒸餾水的情況）之間存在下列關(guān)系 kdnnnn ???????? 2/c o t 20 ? () 其中， ? 為光線出射角， ? 為光線入射角， k 為與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常量。 （ 2）濃度檢測的光學(xué)系統(tǒng)圖 基于濃度檢測的基本光