【文章內(nèi)容簡介】 。 36 位置敏感器件對(duì)系統(tǒng)的影響 36 溫度對(duì)系統(tǒng)測(cè)量的影響 37 結(jié) 論 39 參考文獻(xiàn) 40 致 謝 42 第一章 緒論 1 第一章 緒論 液 體 濃度測(cè)量在工業(yè)中占有 非常 重要的地位。對(duì)溶液濃度的測(cè)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 。 課題設(shè)計(jì)的目的意義 濃度是一項(xiàng)重要的衡量工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的指標(biāo) ，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)企業(yè)除了在 實(shí)驗(yàn) 室對(duì)產(chǎn)品濃度進(jìn)行 檢測(cè) 外，還要在生產(chǎn)線上對(duì)產(chǎn)品 濃度進(jìn)行監(jiān)督和控制 ， 實(shí) 驗(yàn)室檢驗(yàn)只是抽樣檢驗(yàn) ， 實(shí)時(shí)性差， 難以 控制產(chǎn)品質(zhì)量，僅僅依靠這種方法 難以 滿足生產(chǎn) 需求 。 而實(shí)時(shí) 在線檢測(cè)可使 工作 人員在生產(chǎn)過程中 及時(shí)掌握濃度變化 并 采取措施， 從而 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，使產(chǎn)品的濃度控制在 生產(chǎn)所需的范圍內(nèi) 。 本檢測(cè)系統(tǒng) 應(yīng)用高精度的 PSD 作為 信號(hào) 接收器，有效解決 了 光線偏離 而 產(chǎn)生的誤差 ， 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(cè)液體的濃度，大大節(jié) 約 成本，并且由于 PSD 只對(duì)光斑能量中心敏感，因而對(duì)光源的變化影響可忽略不計(jì)，降低了對(duì)準(zhǔn)直聚焦光學(xué)系統(tǒng)的要求， 這 更具現(xiàn)實(shí)意義。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 位置敏感探測(cè)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。一維可以測(cè)定光點(diǎn)的一維位置坐標(biāo)，而二維可以檢測(cè)出光點(diǎn)的平面二維位置坐標(biāo)。 1930 年， 肖特基 將 銅 一氧化碳 金屬半導(dǎo)體結(jié)的 一氧化碳 表面邊緣的 金 電極通過 電流 表短接于 銅 層，發(fā)現(xiàn)當(dāng)用一束光照射 一氧化碳 表面時(shí)，外電流隨光入射位置與電極之間的距離的增加指數(shù)下降，這 便 是橫向光電效應(yīng)的 第一次 發(fā)現(xiàn)。 1957 年 瓦爾馬克 在 InGe 結(jié)上重新發(fā)現(xiàn)了 橫向光電 效應(yīng)，并用載流子復(fù)合理論對(duì)此現(xiàn)象做了 解釋，提出可用來檢測(cè)光點(diǎn)位置。 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)。 PSD 在 20 世紀(jì)第一章 緒論 2 60 年代迅速 發(fā)展 并逐漸成熟； 70 年代發(fā)展了表面分割型 與 兩面分割型器件； 80年代 的 改進(jìn) 型 分割型器件，改善了器件的性能 及 參數(shù)； 90 年代改進(jìn)表面分割型器件進(jìn)一步發(fā)展，使結(jié)構(gòu)更加完善，性能 及 參數(shù)進(jìn)一步提高。 而在國內(nèi)， PSD 的發(fā)展比較晚，有關(guān) PSD 的報(bào)告出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 70 年代，當(dāng)時(shí)也是一些關(guān)于 PSD 原理及性能方面的報(bào)道，且大部分是些譯文， PSD 本身及其應(yīng)用方面的研究緩慢 ，只是近 幾 年來才引起重視。在研究方面，目前中國電子科技集團(tuán) 44 研究所研制的 aSi:H 一維 PSD 和單晶硅雙面結(jié)構(gòu)二維 PSD；浙大和中科院成都光電所合作研制二維 PSD 陣列來代替 CCD 和四象限位置探測(cè)器。 液體濃度測(cè)量的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，工業(yè)生產(chǎn)中檢測(cè)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。這些方法的工作原理及裝置結(jié)構(gòu)各不同，適應(yīng)場(chǎng)合也不同，并且各有其優(yōu) 缺 點(diǎn)。 化學(xué)分析法，雖可以做到較高的檢測(cè)精度，但它需要 消耗 許多昂貴的化學(xué)試劑，又需要較長的分析周期， 因此 成本高。 比重法， 雖然 方便，但在工業(yè)濃度檢測(cè)中，常需檢測(cè)大槽或大池中的不同深度處的溶液濃度，由于比重計(jì)采用浮力原理，它只能檢測(cè)上層表面的溶液濃度，無法適應(yīng)工業(yè)檢測(cè) 的 需 求 。 以上傳統(tǒng)液體濃度檢測(cè) 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(cè)，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(dòng)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。 國外已報(bào)道的有： 伯格曼 制作了一個(gè)光纖探頭來檢測(cè)各種液體的 濃 度； 納拉亞南 使用一個(gè)基于激光的棱鏡糖度計(jì) 來 檢測(cè)液體濃度。其他提出來的技術(shù)包括平面熒光 法 、 干涉測(cè)量法、 熱標(biāo)記 法 等 等。國內(nèi)已報(bào)道的 有 ：浮力法、靜壓法、折光法、振動(dòng)法、同位素法、勢(shì)力學(xué)法等。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(dòng)液體濃度的檢測(cè)。 第一章 緒論 3 課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 1．系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及框圖 2． PSD 特性分析 3．光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4．信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì) 6． LED 顯示電路設(shè)計(jì) 7．濃度檢測(cè)系統(tǒng)圖設(shè)計(jì) 8．系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 9．系統(tǒng)誤差分析 5． A/D 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 本文的研究重點(diǎn)在光學(xué)系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 、 PSD 信號(hào)處理及單片機(jī)控制系統(tǒng)的研究，相比以往的濃度檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了新 型的光學(xué)系統(tǒng)、選 用 位置敏感探測(cè)器PSD 并建立相應(yīng)的單片機(jī)軟硬件系統(tǒng)。 本系統(tǒng)采用雙隔離窗透射法，利用光 在 液體濃度變化 時(shí) 引起折射率變化的原理，對(duì)濃度測(cè)量，通過引入高精度的位置敏感器件 PSD 作為接受傳感器，同時(shí)采用外圍設(shè)備豐富的 8051 系列 單片機(jī)作為核心處理芯片，從而簡化了檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，使得安裝調(diào)試更為簡便，同時(shí)減少了許多誤差來源，保證了測(cè)量值的較高精度。 第二章 總體方案 4 第二章 總體方案 濃度的變化會(huì)引起液體對(duì)光的折射率的變化， 而 由激光器發(fā)出的固定傾斜入射 的 光線 ， 折射率的變化導(dǎo)致出射光線發(fā)生偏移 ， 利用 PSD 將得到 的電流信號(hào)經(jīng)過放大處理后檢測(cè)出偏移量的大小，將這個(gè) 模擬 量經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后發(fā)送給8051 單片機(jī)，以 單片機(jī) 為核心對(duì)濃度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行控制 處理，最后由 LED 顯示液體的濃度 。 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本 濃度檢測(cè)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(hào)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。 液體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如 下 圖： 圖 21 濃度檢測(cè)系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)工作原理為： 由 半導(dǎo)體激光器發(fā) 射出 激光， 經(jīng)過 光學(xué)系統(tǒng)照射到 PSD感光面 上 ， PSD 信號(hào) 經(jīng)處理電路 ，由 A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬量 變 轉(zhuǎn)為數(shù)字量，通過 某些 接口送入 單片機(jī) ，以其為核心對(duì)濃度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，再由顯示系統(tǒng)（ LED） 顯示液體濃度。 激 光 器 電 源 光 學(xué) 系 統(tǒng) P S D 傳 感 器 PSD 信號(hào) 調(diào)理 電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 80 51 單 片 機(jī) LED 顯示系統(tǒng) 鍵盤輸入 驅(qū)動(dòng)電路 第二章 總體方案 5 系統(tǒng)性能指標(biāo) 新型濃度檢測(cè)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)有：系統(tǒng)分辨力、系統(tǒng)測(cè)量精度 、系統(tǒng)測(cè)量范圍 和體積 與 質(zhì)量等 。 （ 1） 系統(tǒng)分辨力 系統(tǒng)理論 來說 可分辨 1／ 100000 的折射率變化，但實(shí)際測(cè)量 時(shí) ，會(huì)受放大器、單片機(jī) 、 A/D 轉(zhuǎn)換電路影響， 因此，綜合來說 系統(tǒng)的分辨力可達(dá) 3／ 100000。 （ 2） 系統(tǒng)測(cè)量精度 系統(tǒng)測(cè)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? 。若以 Sd 表示濃度檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。則： 22 RS Rd ??? ? （ 3） 系統(tǒng)測(cè)量范圍 系統(tǒng)中采用了濱松公司的 S3932 型，考慮到邊緣誤差， 有效敏感區(qū) 實(shí)際約 ， 其 可測(cè)量折射率 ~。最大相當(dāng)于 20 度氯化鈉溶液的 90%的濃度精度。若 PSD 長度 增加 ，則測(cè)量范圍加大。 （ 4） 系統(tǒng)的體積與重量 濃度檢測(cè)系統(tǒng)的體積與重量在使用中是一個(gè)突出指標(biāo)， 但是 往往同其他指標(biāo)互相矛盾。第三章 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 第三章 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 光源的選擇 光源有鈉 光 燈、發(fā)光二極管、氦氖激光器、半導(dǎo)體激光器可以選擇。而 選擇的要求是單色性好、方向性好、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小 且耐用 、使用方便 且便宜 等。 （ 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 。 因此鈉燈是比較重要的單色光源之一。鈉燈的光源質(zhì)量好，所以 用鈉燈作為光源后 測(cè)出來的 數(shù)據(jù) 并不需要去修正，但 其設(shè)備 體積大， 且需要限制電流 ，啟動(dòng)電壓也比較高。 （ 2） 發(fā)光二極管 LED LED 作為光源 的，是 使用 一種 黃 色超高亮度的 LED，它是 直接注入電流的 一種 發(fā)射 設(shè)備 ，是晶體內(nèi)部 的 受激電子從高能級(jí)到低能級(jí)時(shí)，發(fā)射光子的結(jié)果。 發(fā)光二級(jí)管 具有體積小、堅(jiān)固 、 耐用、使用電壓低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。但 發(fā)光二級(jí)管的單色性差，強(qiáng)度較弱，方向性也不好 。 （ 3） 氦氖激光器 氦氖激光器是一個(gè)氣體放電管，管內(nèi)充有氦 氣 、氖氣，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， 從而 發(fā)射出激光。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。但氦氖激光器的激光管體積 相對(duì)太 大， 且 需很高的電源電壓。 （ 4） 半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器具有單色性好，方向性好，體積小，工作電源電壓 約為，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)使用 HTL67T05 型輸出基橫模量子阱 半導(dǎo)體 激光器。 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。第三章 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 激光產(chǎn)生是 因?yàn)楫?dāng) 光 通過 半導(dǎo)體時(shí)， 所 引發(fā)受激發(fā)射 后 放大的結(jié)果。 3. 2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) （ 1） 濃度檢測(cè)的基本光學(xué)原理 濃度檢測(cè)的基本原理如圖 31 所示，被測(cè)液體濃度的改變， 導(dǎo) 致折射率發(fā)生變化，從而 引起入射光折射 角的變化，通過檢測(cè) 折射角 的變化 ，經(jīng)分析計(jì)算可求待測(cè)液體濃度。 圖 31 液體濃度檢測(cè)的基本原理圖 水槽分為兩部分，一部分裝蒸餾水，另一部分 裝 待測(cè)液體，中間用一塊傾斜的光學(xué)透射窗隔 離 開，這樣，光線的折射角度就會(huì)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 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。 （ 2） 濃度檢測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)圖 本文提 出了采用雙隔離窗的光透射液體濃度檢測(cè)的實(shí)驗(yàn) 設(shè)備 。 如圖 32所示。 光學(xué)系統(tǒng)由 兩個(gè) 內(nèi)盛 蒸餾水的水槽和 一個(gè)盛有 待測(cè)液體的測(cè)量水槽組成 ，三個(gè)水槽間 由 兩個(gè)平行的光學(xué)透射窗隔開，水平入射的光線在 由 光學(xué)透射窗 1 進(jìn)入待測(cè)液體時(shí) ?產(chǎn)生一個(gè)入射角 。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(cè)液體 ，同樣 入射光線 待測(cè)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(huì) ?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(cè)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(huì)線性的輸出這一變化，從而實(shí)現(xiàn)濃度的 檢測(cè) 。濾波片 的作用 是 濾 除大部分環(huán)境雜 散光對(duì) 檢測(cè)的影響。 光線的 幾何軌跡 如圖 33 所示。在圖 33 中用 d 來表示 PSD 所測(cè)得的被測(cè)液體是待測(cè)液體（實(shí)光線）和蒸餾水（虛光線）時(shí)的光線偏移量。 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(cè)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。從式中 看出 ，當(dāng)入射角、 參考 液體和兩隔離窗 之間的距離 選定后， α 、 n0 和 s1 就是固定值，將（ 32）、（ 33）式代入（ 31）式得到光線偏移量為 ? ?? ? ? ?? ??? ???? ?? ?? ???? ???? tan1 tantan1 tan 1121 ssddd ? ?