李新光-第七章補充水分檢測應(yīng)用舉例

應(yīng)用例：基于三波長六光束的反射式近紅外水分儀設(shè)計0.近紅外水分測量原理介紹單色平行光經(jīng)過均勻介質(zhì)的微小單元厚度dx被吸收的輻射通量dP，與入射的輻射通量P、介質(zhì)的厚度dx及該介質(zhì)的物質(zhì)濃度c成正比。這樣式中，比例系數(shù)——均勻介質(zhì)單位厚度對波長為的光的吸收百分數(shù)，稱為線衰減系數(shù)或線性吸收系數(shù)，其與物質(zhì)的性質(zhì)及波長有關(guān)；c---物質(zhì)濃度。朗伯-比耳定律東北大學(xué)自動化儀表研究所朗伯-比耳定律示意圖

入射光的輻射通量為P0

（指光經(jīng)過某個面積的輻射功率，單位為W）；經(jīng)過厚度x后輻射通量減弱為P

東北大學(xué)自動化儀表研究所透射率與吸光度的概念

吸光度定義為

透射率（也叫透光率或透光度）定義為東北大學(xué)自動化儀表研究所濾光片

按作用原理可分為：吸收式干涉式反射式組合式按濾光片的光譜特性，可分為：帶狀濾光片截止濾光片兩類

東北大學(xué)自動化儀表研究所

帶狀濾光片的光譜特性

為光譜的半寬度，也叫做透射率的帶寬

為光譜寬度

為最大透射率

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短波截止濾光片的光譜特性

為截止波長

截止陡度：

為最大透射率

東北大學(xué)自動化儀表研究所氣體吸收濾光器

氣室里充以濾光的氣體，并加以嚴格的密封

窗口為玻璃或其他晶體

氣室內(nèi)壁鍍金增加反射系數(shù)

東北大學(xué)自動化儀表研究所固體吸收濾光片

在近紫外、可見和近紅外區(qū)，固體吸收濾光片的材料一般采用玻璃。在紅外區(qū)固體吸收濾光片主要采用晶體、陶瓷等材料。有色玻璃濾光片的光譜特性可以做成帶狀的，也可以做成截止的。用其他固體材料做成的濾光片的光譜特性主要是截止的

東北大學(xué)自動化儀表研究所紅外線水分測量原理紅外線水分儀是基于水對近紅外有特征吸收光譜，被吸收能量與物質(zhì)含水量有關(guān)，吸收規(guī)律符合朗伯-比爾定律。傳統(tǒng)的測量水分的方法是烘干失重法。設(shè)被測樣品的重量為W1，按規(guī)定時間、溫度及烘干條件進行烘干，烘干后樣品重量為W2，于是用下式計算含水量

G＝((W1－W2)/W1)×100%

東北大學(xué)自動化儀表研究所水的近紅外吸收光譜特性

水的特征吸收波長：1.2微米1.43微米1.94微米2.95微米通常使用1.94微米作為測量波長東北大學(xué)自動化儀表研究所三波長三光束紅外線水分儀光學(xué)系統(tǒng)示意圖

東北大學(xué)自動化儀表研究所采用雙探測器的三波長六光束紅外線水分儀光學(xué)系統(tǒng)示意圖

東北大學(xué)自動化儀表研究所使用單波長測量存在的問題一般物料的表面形狀不平滑，因此它的表面反射率也不固定，同時，在生產(chǎn)過程中測量距離經(jīng)常變化，因而到達探測器的輻射能量也經(jīng)常變化。若只利用吸收波長進行測定，這些變化就會形成干擾，引起水分測量的誤差。

東北大學(xué)自動化儀表研究所二波長水分儀測量被測物料水的特征吸收波長和相鄰的不易被水吸收的參比波長兩者的輻射能量反射率比率，并據(jù)此得出物料的含水量。外界干擾對這兩種波長的影響基本相同，所以求出的這一比率可消除大部分外界干擾的影響。上述兩個紅外波段測量水分的方法稱為雙波段紅外線水分儀

東北大學(xué)自動化儀表研究所三波長水分儀三波長紅外線水分儀比雙波長水分儀增加了一個參比波長，位于測量波長另一側(cè)。該儀器把水吸收波長和其兩側(cè)難于被水吸收的兩個參比波長與物料作用后的信號進行運算，借以消除被測物的質(zhì)地（被測物的表面狀態(tài)、顏色和組分等）變化而引起的測量誤差

東北大學(xué)自動化儀表研究所信號示意圖東北大學(xué)自動化儀表研究所質(zhì)地影響引起傾斜時東北大學(xué)自動化儀表研究所比較雙波長時：三波長時：S0:測量波段信號；R1:參比波長1的信號；r:因質(zhì)地引起的傾斜誤差

R2:參比波長2的信號由上可見：與二波長相比，三波長消除了因質(zhì)地引起的傾斜誤差

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1.儀器總體設(shè)計

1.1

儀器設(shè)計原理與總體方案郎伯比爾定律：三波段六光束方案：抑制光源波動誤差消除質(zhì)地誤差東北大學(xué)自動化儀表研究所

1.儀器總體設(shè)計

1.2儀器系統(tǒng)總體組成東北大學(xué)自動化儀表研究所

1.儀器總體設(shè)計

工作過程示意圖東北大學(xué)自動化儀表研究所

1.儀器總體設(shè)計

切光盤示意圖東北大學(xué)自動化儀表研究所PbS探測器光譜響應(yīng)曲線1.儀器總體設(shè)計東北大學(xué)自動化儀表研究所HWB系列紅外透射可見吸收光學(xué)玻璃光譜性能圖1.儀器總體設(shè)計東北大學(xué)自動化儀表研究所(a)未裝紅外透射可見吸收光學(xué)玻璃前(b)加裝紅外透射可見吸收光學(xué)玻璃后紅外透射可見吸收光學(xué)玻璃對日光燈干擾信號的抑制

1.儀器總體設(shè)計東北大學(xué)自動化儀表研究所

1.儀器總體設(shè)計

熱噪聲偏置電壓與電流噪聲Pbs探測器1.3核心元件的降噪設(shè)計背景噪聲低噪聲電源與偏置電路恒溫制冷系統(tǒng)與帶通濾波電路a.結(jié)構(gòu)密封性與熱處理b.截止型光學(xué)鏡片c.信號提取方法東北大學(xué)自動化儀表研究所

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路總體組成圖東北大學(xué)自動化儀表研究所

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1

電源系統(tǒng)設(shè)計東北大學(xué)自動化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1.15V，2A通道東北大學(xué)自動化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1.2

低噪聲12V，0.5A通道東北大學(xué)自動化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1.2

低噪聲12V，0.5A通道東北大學(xué)自動化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1.312V，2A通道東北大學(xué)自動化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計2.2水分測量信號采集單元電路

探測器偏置與前置放大電路次級信號放大電路帶通濾波電路增益可調(diào)放大電路限幅保護電路12位AD模塊東北大學(xué)自動化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計2.2.1探測器偏置與低噪聲前置放大電路

前置放大電路要求在實現(xiàn)噪聲匹配的同時還要具有較高的輸入阻抗和溫度穩(wěn)定性，所以一般選擇用分立元件來進行設(shè)計。在本設(shè)計中根據(jù)Pbs探測器阻值在400K-500K的區(qū)間，選擇結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）作為前置級的放大管。

(1)與雙極型晶體管相比，結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）的等效輸入電流噪聲In要小很多，而其等效電壓噪聲En與雙極型晶體管相當或略高，這使得場效應(yīng)管的最佳源電阻較大。而且，場效應(yīng)管的低頻1/f噪聲只出現(xiàn)在等效輸入電壓噪聲中，而不出現(xiàn)在等效輸入電流噪聲中。這些特點是使得場效應(yīng)管用作低噪聲前置放大器比雙極型晶體管更為合適。(2)由于本設(shè)計中的水分測量信號是低頻信號，因此還要考慮最佳源電阻與頻率的關(guān)系。東北大學(xué)自動化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計2.2.1探測器偏置與低噪聲前置放大電路設(shè)計前置放大電路時，選用高輸入阻抗、低漏電流、頻率響應(yīng)好的結(jié)型場效應(yīng)管K435互導(dǎo)gm約為2000μs；電容器則用低頻特性好、性能穩(wěn)定的鉭電容；電阻選用金屬膜電阻，以滿足低噪聲、電阻容差小的要求。通過選擇合適的有源器件和無源器件，并采用低噪聲前置放大電路來實現(xiàn)噪聲指標要求，達到對紅外低頻小信號放大的目的。

東北大學(xué)自動化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計2.2.1探測器偏置與低噪聲前置放大電路東北大學(xué)自動化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計2.2.1探測器偏置與低噪聲前置放大電路根據(jù)電路的實際參數(shù)，得到前置級的增益Au和輸出阻抗R0以供后級設(shè)計使用。東北大學(xué)自動化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計2.2.2次級信號放大電路東北大學(xué)自動化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計2.2.3帶通濾波電路東北大學(xué)自動化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計2.2.4增益可調(diào)放大電路設(shè)計東北大學(xué)自動化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計2.2.5限幅保護電路東北大學(xué)自動化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計采集波形圖東北大學(xué)自動化儀表研究所3.系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1數(shù)據(jù)處理方法研究濾波降噪遞推式數(shù)字平均濾波東北大學(xué)自動化儀表研究所3.系統(tǒng)軟件設(shè)計定頻干擾的去除東北大學(xué)自動化儀表研究所4.性能測試與水分標定實驗4.1恒溫控制系統(tǒng)性能實驗東北大學(xué)自動化儀表研究所4.性能測試與水分標定實驗4.2穩(wěn)定性測試