【正文】 search of a new type of liquid concentration detection system is of great significance. The proportion of liquid concentration detected in the industrial production method, chemical analysis, optical method. However, these methods are timeconsuming and tedious manual to take sampling lag, can not achieve realtime online detection of the liquid concentration, in view of the above problems, this paper designs a new type of concentration detection system based on position sensitive detector. In the chemical and pharmaceutical, light industry and beverage and environmental protection departments and the various fields of scientific research and national defense are to detect and control the parameters of the liquid concentration. At present, the proportion of liquid concentration detected in the industrial production method, chemical analysis, ultrasonic and optical method. However, these methods are timeconsuming and tedious manual to take sampling lag, can not achieve realtime online detection of the liquid concentration, in view of the above problems, the designs a new type of concentration detection system based on position sensitive detector. Concentration change can cause the change of liquid refractive index, the fixed incident light, the refractive index change will cause a shift of the emerge nt light, using photoelectric position sensitive device detect the size of the deviation of the light, the refractive index liquid is obtained, to calculate the liquid concentration, displayed by LED. This system is mainly posed of semiconductor laser window, double isolation optical system, PSD signal processing circuit, based on 51 single chip microputer A/D acquisition operation control circuit and display circuit, etc. Double isolation optical system consists of two separate window bends light after two, make more accurate measurement results。I ABSTRACT 1 課題設(shè)計(jì)的目的意義 1 液體濃度測量的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 第二章 總體方案 7 第四章 基于 8051 單片機(jī)的 PSD 信號處理電路的設(shè)計(jì) 10 PSD 的主要性能參數(shù) 15 背景干擾及暗電流消除 31 第六章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 36 位置敏感器件對系統(tǒng)的影響 對溶液濃度的測量與控制在化工、制糖、乳制品等行業(yè)中有著廣泛的作用 ,它是提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)手段 。 國內(nèi)外研究現(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 中 分 一維 PSD 和 二維 PSD。 1960 年 Lucovskey 推導(dǎo)出了描述橫向光電效應(yīng)的 Lucovskey 方程，奠定了 PSD 的理論基礎(chǔ)。 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 許 多種，有 化學(xué)分析法、 比重法、光學(xué)法等。 以上傳統(tǒng)液體濃度檢測 的 方法各有其 不足 ，同時(shí)它們都需要人工取樣，不能實(shí)時(shí)在線檢測，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 都很 有限，不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際 需 求。然而，這些技術(shù)都需要復(fù)雜和昂貴的實(shí)驗(yàn)裝置，不能用于流動液體濃度的檢測。 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本 濃度檢測系統(tǒng)主要 分 以下幾 個(gè) 部分：半導(dǎo)體激光器、光學(xué)系統(tǒng)、 PSD 信號調(diào)理電路、 8051 單片機(jī) 系統(tǒng) 、 A/D 轉(zhuǎn)換電路 、 顯示電路 等 等。 （ 2） 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 與 偶然誤差的總均方根值R? 。若 PSD 長度 增加 ，則測量范圍加大。 （ 1） 鈉光燈 鈉光燈工作時(shí)，在可見光區(qū)域發(fā)射處兩條極強(qiáng)的黃色譜線，通常取 作為 鈉光燈光線 的參考波長 。 發(fā)光二級管 具有體積小、堅(jiān)固 、 耐用、使用電壓低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。激光單色性好、方向性比較好、激光束產(chǎn)生的光斑質(zhì)量好。 半導(dǎo)體激光器 的芯片結(jié)構(gòu) 幾乎 與側(cè)面發(fā)光的 LED 芯片相同，但 需要制造與 PN 結(jié) 相互 垂直的兩個(gè)光學(xué)平面作為光學(xué)諧振腔，當(dāng) PN 結(jié)通電 且電流大于 閥值時(shí)，引起高強(qiáng)度的電致發(fā)光， 最后在 諧振腔內(nèi)產(chǎn)生了激光。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 之間存在下列關(guān)系 kdnnnn ???????? 2/c o t 20 ? (31) 其中， Ω 為光線出射角， θ 為光線入射角 ， k 為與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常量。在裝有蒸餾水 2 的水槽裝有一個(gè) 雙平面鏡 ，光線經(jīng)過 雙平面鏡 的反射后， 再次進(jìn)入 待測液體 ，同樣 入射光線 待測液體 ? d ? n 蒸餾水 第三章 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 圖 32 光學(xué) 系統(tǒng)圖 會 ?產(chǎn)生一個(gè)入射角 ，再次進(jìn)入裝有蒸餾水的水槽 1，最后 通過窄帶 濾 光片投射在 位置敏感器件 的光敏面上，當(dāng) 待測液體 的 濃度 改變 時(shí)， 光線 透射 后到位置敏感器件 光敏面上的光斑位置也發(fā)生變化， 而 PSD 此時(shí) 就會線性的輸出這一變化，從而實(shí)現(xiàn)濃度的 檢測 。 圖 33 光線幾何光學(xué)軌跡 根據(jù)圖 33 所示幾何關(guān)系和光學(xué)折射定律有： d=d1+d2 (32) nx nx α－ β d1 d2 α－ β s1 s1 d d1 d2 蒸餾水 2 蒸餾水 1 水槽 雙平面鏡 待測液體 光學(xué)透射窗 2 光學(xué)透射窗 1 PSD 濾光片 激光器 第三章 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 ? ? ? ??? ??? tan111 dsd (33) ? ? ? ??? ??? tan212 dsd (34) 和 ?? sinsin0 gnn ? (35) ?? sinsin gx nn ? (36) 式中， s1為兩隔離窗 的間 距。 PSD 的工作原理 若有一輕微摻雜的 N 型半導(dǎo)體和一重?fù)诫s的 P+型半導(dǎo)體構(gòu)成 PN 結(jié)，當(dāng) 內(nèi)部載流子擴(kuò)散 、 漂移 后 達(dá)到平衡 穩(wěn)定 時(shí)，就 形成 一個(gè)由 N 指向 P 區(qū)的結(jié)電場。由于 P 區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)大于 N 區(qū)， 這樣導(dǎo)致 P 區(qū)的電導(dǎo)率 也會 遠(yuǎn)大于 N 區(qū)，因此， P 區(qū)的空穴 將會 由 M 點(diǎn)迅速擴(kuò)散到整個(gè) P 區(qū)， 可以將整個(gè) P 區(qū)看成 等電位。底層的公共電極 用于 加反偏電壓。 假如 負(fù)載 RL 相對于 R1 和 R2 的大小來說 可以忽略，則有： 21II = xL xLRR ???12 (41) 第四章 基于 8051 單片機(jī)的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 在上 式中， L 為 PSD 中 心與 信號電極的距離， x 為入射光點(diǎn) 與 PSD 中 心 的距離。 假如兩個(gè)信號電極的電流如式（ 44）處理： LxII IIPX ???? 12 12 （ 44） 則得到的結(jié)果只與光點(diǎn)的坐標(biāo) x 有關(guān)，與入射光無關(guān)，此時(shí) PSD 則是 僅對入射光點(diǎn)位置敏感的器件。 PSD 器件的光譜響應(yīng)一般 為 300— 1100nm 之間 ， 而其 峰值響應(yīng)波長 大約 在900nm 左右。 我們 應(yīng)盡量 讓 光點(diǎn) 擊 打 a 區(qū)域， 從而 提高位置檢測精度。但當(dāng)入射光強(qiáng)增大時(shí)，信號電極的輸出光電流也 會隨之 增大，進(jìn)而器件的位置分辨率 會有所提高 。但當(dāng)光點(diǎn)位置接近有效感光面邊緣時(shí)，一部分光就會落到感光面之外，使落在有效感光面內(nèi)的光電中心位置偏離實(shí)際光點(diǎn)的中心位置，從而使 輸出產(chǎn)生誤差。 （ 4）環(huán)境溫度 對 PSD 的 影響 溫度 的變大導(dǎo)致器件 暗電流的增大，暗電流的存在 導(dǎo)致 誤差和噪聲 的產(chǎn)生 ，而且 不利于 背景光 的 產(chǎn)生。 主要 由 前置 濾波 部分 、 主放大電路 、減法器 部分、 除法器 部分 等 組 成 ，其中 IC IC IC IC3 為高精度運(yùn)放 電路 ， IC1 和 IC2 是前置運(yùn)放電路， IC3 和 IC4 分別形成加法器 、 減法器，AD538 是 模擬除法器，入射光強(qiáng) 決 定 Rf 大小 。因?yàn)榍爸?濾波 器 對 增益 和信噪比都有嚴(yán)格 要求，所以 我們選擇低噪聲的前置 濾波 器 。 RF、 CF 由 系統(tǒng)頻響決定。 此處 選用 OP07 運(yùn)放，其開環(huán)單位增益帶寬 1? =，差模輸入阻抗?? mZi 50 ，又 ?? kRd 50 ， pFCd 1200? ， di RZ ?? 。 +IC2OP07R0R1R2 R3GNDGNDVinV0 圖 47 主放大電路圖 圖中 Vin 為前置放大器的輸 入 電壓，前置放大器輸出電阻 R0 數(shù)值 很 小 直接第四章 基于 8051 單片機(jī)的 PSD 信號處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 19 忽略。3V，則 A0 的取值 為 300 左右 。激光調(diào)整技術(shù)可使乘 /除運(yùn)算誤差控制在輸入幅值的 %的范圍之內(nèi)。 背景干擾及暗電流消除