【文章內容簡介】 。 36 位置敏感器件對系統(tǒng)的影響 36 溫度對系統(tǒng)測量的影響 37 結 論 39 參考文獻 40 致 謝 42 第一章 緒論 1 第一章 緒論 液 體 濃度測量在工業(yè)中占有 非常 重要的地位。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 ,它是提高產品質量的重要技術手段 。 課題設計的目的意義 濃度是一項重要的衡量工業(yè)產品質量的指標 ，為了提高產品質量，生產企業(yè)除了在 實驗 室對產品濃度進行 檢測 外，還要在生產線上對產品 濃度進行監(jiān)督和控制 ， 實 驗室檢驗只是抽樣檢驗 ， 實時性差， 難以 控制產品質量，僅僅依靠這種方法 難以 滿足生產 需求 。 而實時 在線檢測可使 工作 人員在生產過程中 及時掌握濃度變化 并 采取措施， 從而 實現(xiàn)實時控制，使產品的濃度控制在 生產所需的范圍內 。 本檢測系統(tǒng) 應用高精度的 PSD 作為 信號 接收器，有效解決 了 光線偏離 而 產生的誤差 ， 使用比較簡單的光學系統(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) 約 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系統(tǒng)的要求， 這 更具現(xiàn)實意義。 國內外研究現(xiàn)狀 位置敏感探測器 (PSD)國內外發(fā)展狀況 半導體位置敏感器件 中 分 一維 PSD 和 二維 PSD。一維可以測定光點的一維位置坐標，而二維可以檢測出光點的平面二維位置坐標。 1930 年， 肖特基 將 銅 一氧化碳 金屬半導體結的 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)當用一束光照射 一氧化碳 表面時，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 是橫向光電效應的 第一次 發(fā)現(xiàn)。 1957 年 瓦爾馬克 在 InGe 結上重新發(fā)現(xiàn)了 橫向光電 效應，并用載流子復合理論對此現(xiàn)象做了 解釋，提出可用來檢測光點位置。 1960 年 Lucovskey 推導出了描述橫向光電效應的 Lucovskey 方程，奠定了 PSD 的理論基礎。 PSD 在 20 世紀第一章 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 型 分割型器件，改善了器件的性能 及 參數(shù)； 90 年代改進表面分割型器件進一步發(fā)展，使結構更加完善，性能 及 參數(shù)進一步提高。 而在國內， PSD 的發(fā)展比較晚，有關 PSD 的報告出現(xiàn)在 20 世紀 70 年代，當時也是一些關于 PSD 原理及性能方面的報道，且大部分是些譯文， PSD 本身及其應用方面的研究緩慢 ，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 44 研究所研制的 aSi:H 一維 PSD 和單晶硅雙面結構二維 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 和四象限位置探測器。 液體濃度測量的國內外研究現(xiàn)狀 目前，工業(yè)生產中檢測液體濃度的方法有 許 多種，有 化學分析法、 比重法、光學法等。這些方法的工作原理及裝置結構各不同，適應場合也不同，并且各有其優(yōu) 缺 點。 化學分析法，雖可以做到較高的檢測精度，但它需要 消耗 許多昂貴的化學試劑，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)濃度檢測中，常需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，無法適應工業(yè)檢測 的 需 求 。 以上傳統(tǒng)液體濃度檢測 的 方法各有其 不足 ，同時它們都需要人工取樣，不能實時在線檢測，而且在取樣間隔內溶液濃度的變化又是未知的，這樣就影響了產品的質量和自動化控制，所以它們的應用范圍 都很 有限，不能適應現(xiàn)代工業(yè)生產的實際 需 求。 國外已報道的有： 伯格曼 制作了一個光纖探頭來檢測各種液體的 濃 度； 納拉亞南 使用一個基于激光的棱鏡糖度計 來 檢測液體濃度。其他提出來的技術包括平面熒光 法 、 干涉測量法、 熱標記 法 等 等。國內已報道的 有 ：浮力法、靜壓法、折光法、振動法、同位素法、勢力學法等。然而，這些技術都需要復雜和昂貴的實驗裝置，不能用于流動液體濃度的檢測。 第一章 緒論 3 課題設計的主要內容 1．系統(tǒng)總體設計方案及框圖 2． PSD 特性分析 3．光學系統(tǒng)的設計 4．信號處理電路的設計 6． LED 顯示電路設計 7．濃度檢測系統(tǒng)圖設計 8．系統(tǒng)程序設計 9．系統(tǒng)誤差分析 5． A/D 轉換電路的設計 本文的研究重點在光學系統(tǒng)的 設計 、 PSD 信號處理及單片機控制系統(tǒng)的研究，相比以往的濃度檢測系統(tǒng)，設計了新 型的光學系統(tǒng)、選 用 位置敏感探測器PSD 并建立相應的單片機軟硬件系統(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 引起折射率變化的原理，對濃度測量，通過引入高精度的位置敏感器件 PSD 作為接受傳感器，同時采用外圍設備豐富的 8051 系列 單片機作為核心處理芯片，從而簡化了檢測系統(tǒng)的整體結構，使得安裝調試更為簡便，同時減少了許多誤差來源，保證了測量值的較高精度。 第二章 總體方案 4 第二章 總體方案 濃度的變化會引起液體對光的折射率的變化， 而 由激光器發(fā)出的固定傾斜入射 的 光線 ， 折射率的變化導致出射光線發(fā)生偏移 ， 利用 PSD 將得到 的電流信號經過放大處理后檢測出偏移量的大小，將這個 模擬 量經過 A/D 轉換后發(fā)送給8051 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 LED 顯示液體的濃度 。 系統(tǒng)總體方案設計 本 濃度檢測系統(tǒng)主要 分 以下幾 個 部分：半導體激光器、光學系統(tǒng)、 PSD 信號調理電路、 8051 單片機 系統(tǒng) 、 A/D 轉換電路 、 顯示電路 等 等。 液體濃度檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如 下 圖： 圖 21 濃度檢測系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)工作原理為： 由 半導體激光器發(fā) 射出 激光， 經過 光學系統(tǒng)照射到 PSD感光面 上 ， PSD 信號 經處理電路 ，由 A/D 轉換電路將模擬量 變 轉為數(shù)字量，通過 某些 接口送入 單片機 ，以其為核心對濃度檢測系統(tǒng)進行控制，再由顯示系統(tǒng)（ LED） 顯示液體濃度。 激 光 器 電 源 光 學 系 統(tǒng) P S D 傳 感 器 PSD 信號 調理 電路 A/D 轉換電路 80 51 單 片 機 LED 顯示系統(tǒng) 鍵盤輸入 驅動電路 第二章 總體方案 5 系統(tǒng)性能指標 新型濃度檢測系統(tǒng)的主要技術指標有：系統(tǒng)分辨力、系統(tǒng)測量精度 、系統(tǒng)測量范圍 和體積 與 質量等 。 （ 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，但實際測量 時 ，會受放大器、單片機 、 A/D 轉換電路影響， 因此，綜合來說 系統(tǒng)的分辨力可達 3／ 100000。 （ 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? 。若以 Sd 表示濃度檢測系統(tǒng)的測量精度。則： 22 RS Rd ??? ? （ 3） 系統(tǒng)測量范圍 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) 實際約 ， 其 可測量折射率 ~。最大相當于 20 度氯化鈉溶液的 90%的濃度精度。若 PSD 長度 增加 ，則測量范圍加大。 （ 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突出指標， 但是 往往同其他指標互相矛盾。第三章 光學系統(tǒng)的設計 6 第三章 光學系統(tǒng)的設計 光源的選擇 光源有鈉 光 燈、發(fā)光二極管、氦氖激光器、半導體激光器可以選擇。而 選擇的要求是單色性好、方向性好、穩(wěn)定性高、結構簡單、體積小 且耐用 、使用方便 且便宜 等。 （ 1） 鈉光燈 鈉光燈工作時，在可見光區(qū)域發(fā)射處兩條極強的黃色譜線，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。鈉燈的光源質量好，所以 用鈉燈作為光源后 測出來的 數(shù)據(jù) 并不需要去修正，但 其設備 體積大， 且需要限制電流 ，啟動電壓也比較高。 （ 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 設備 ，是晶體內部 的 受激電子從高能級到低能級時，發(fā)射光子的結果。 發(fā)光二級管 具有體積小、堅固 、 耐用、使用電壓低、壽命長等優(yōu)點。但 發(fā)光二級管的單色性差，強度較弱，方向性也不好 。 （ 3） 氦氖激光器 氦氖激光器是一個氣體放電管，管內充有氦 氣 、氖氣，兩端用鍍有多層介質膜的反射鏡封固，構成諧振腔。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、激光束產生的光斑質量好。但氦氖激光器的激光管體積 相對太 大， 且 需很高的電源電壓。 （ 4） 半導體激光器 半導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。本系統(tǒng)使用 HTL67T05 型輸出基橫模量子阱 半導體 激光器。 半導體激光器 的芯片結構 幾乎 與側面發(fā)光的 LED 芯片相同，但 需要制造與 PN 結 相互 垂直的兩個光學平面作為光學諧振腔，當 PN 結通電 且電流大于 閥值時，引起高強度的電致發(fā)光， 最后在 諧振腔內產生了激光。第三章 光學系統(tǒng)的設計 7 激光產生是 因為當 光 通過 半導體時， 所 引發(fā)受激發(fā)射 后 放大的結果。 3. 2 光學系統(tǒng)設計 （ 1） 濃度檢測的基本光學原理 濃度檢測的基本原理如圖 31 所示，被測液體濃度的改變， 導 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 折射角 的變化 ，經分析計算可求待測液體濃度。 圖 31 液體濃度檢測的基本原理圖 水槽分為兩部分，一部分裝蒸餾水，另一部分 裝 待測液體，中間用一塊傾斜的光學透射窗隔 離 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 為與結構有關的常量。 （ 2） 濃度檢測的光學系統(tǒng)圖 本文提 出了采用雙隔離窗的光透射液體濃度檢測的實驗 設備 。 如圖 32所示。 光學系統(tǒng)由 兩個 內盛 蒸餾水的水槽和 一個盛有 待測液體的測量水槽組成 ，三個水槽間 由 兩個平行的光學透射窗隔開，水平入射的光線在 由 光學透射窗 1 進入待測液體時 ?產生一個入射角 。在裝有蒸餾水 2 的水槽裝有一個 雙平面鏡 ，光線經過 雙平面鏡 的反射后， 再次進入 待測液體 ，同樣 入射光線 待測液體 ? d ? n 蒸餾水 第三章 光學系統(tǒng)的設計 8 圖 32 光學 系統(tǒng)圖 會 ?產生一個入射角 ，再次進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 待測液體 的 濃度 改變 時， 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 就會線性的輸出這一變化，從而實現(xiàn)濃度的 檢測 。濾波片 的作用 是 濾 除大部分環(huán)境雜 散光對 檢測的影響。 光線的 幾何軌跡 如圖 33 所示。在圖 33 中用 d 來表示 PSD 所測得的被測液體是待測液體（實光線）和蒸餾水（虛光線）時的光線偏移量。 圖 33 光線幾何光學軌跡 根據(jù)圖 33 所示幾何關系和光學折射定律有： 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 光學透射窗 2 光學透射窗 1 PSD 濾光片 激光器 第三章 光學系統(tǒng)的設計 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 ? ?