基于PSD浓度检测系统设计与分析终极版.docx
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基于PSD浓度检测系统设计与分析终极版
SHANDONGUNIVERSITY OF TECHNOLOGY
毕业论文
基于PSD浓度检测系统设计与分析
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学生姓名:
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指导教师:
2011年6月
摘要
在化工制药、轻工食品饮料环保等各部门以及科研国防各个领域,都要求对液体浓度等参数进行检测与控制。
目前,工业生产中检测液体浓度的方法比重法、化学分析法、超声波法及光学法等。
但这些方法都需要费时和繁琐的人工取采样,滞后性大,无法实现液体浓度的实时在线检测,鉴于以上存在的问题,本文设计了一种基于位置敏感器件(PSD)的新型浓度检测系统。
本系统是利用当入射光线固定,液体的浓度发生变化将导致其折射率也跟着变化这一理论基础,利用位置敏感探测器测量出光线偏移量的大小,进而得出液体的折射率并计算出液体的浓度。
所以,基于PSD的浓度检测系统主要由半导体激光器、双隔离窗光学系统、PSD信号处理电路、基于MSP430单片机的A/D采集运算控制电路和显示电路等组成。
由激光器发出激光,经过光学系统照射在一维PSD上,PSD信号经处理电路,再由单片机A/D转换模块将模拟量转换为数字量,同时单片机处理数据后,由显示电路显示出待测液体的浓度。
基于PSD的浓度检测系统检测方法的准确性在理论分析和实验仿真中得到了验证,实验表明,该系统具有结构简单、灵敏度高、稳定性好、响应时间快以及自动化程度高等优点,能够方便、准确地实现液体浓度的实时在线检测。
关键词:
浓度检测,位置敏感器件(PSD),半导体激光器,MSP430单片机
ABSTRACT
Inthechemicalandpharmaceutical,lightindustryandfoodandbeverageandenvironmentalprotectiondepartmentsandthevariousfieldsofscientificresearchandnationaldefensearetodetectandcontroltheparametersoftheliquidconcentration.Atpresent,theproportionofliquidconcentrationdetectedintheindustrialproductionmethod,chemicalanalysis,ultrasonicandopticalmethod.However,thesemethodsaretime-consumingandtediousmanualtotakesamplinglag,cannotachievereal-timeonlinedetectionoftheliquidconcentration,inviewoftheaboveproblems,thispaperdesignsanewtypeofconcentrationdetectionsystembasedonpositionsensitivedetector(PSD).Inthechemicalandpharmaceutical,lightindustryandfoodandbeverageandenvironmentalprotectiondepartmentsandthevariousfieldsofscientificresearchandnationaldefensearetodetectandcontroltheparametersoftheliquidconcentration.Atpresent,theproportionofliquidconcentrationdetectedintheindustrialproductionmethod,chemicalanalysis,ultrasonicandopticalmethod.However,thesemethodsaretime-consumingandtediousmanualtotakesamplinglag,cannotachievereal-timeonlinedetectionoftheliquidconcentration,inviewoftheaboveproblems,thispaperdesignsanewtypeofconcentrationdetectionsystembasedonpositionsensitivedetector(PSD).
Thissystemisusedwhentheincidentlightisfixed,thedensityoftheliquidchangesitsrefractiveindexalsofollowedchangesinthetheoreticalbasisofthepositionsensitivedetectortomeasurethesizeofthelightoffset,andthendrawtheliquid'srefractiveindexandcalculateouttheconcentrationoftheliquid.Therefore,theconcentrationdetectionsystembasedonthePSDbythesemiconductorlaser,theopticalsystemofdoubleisolationwindow,thePSDsignalprocessingcircuit,basedontheMSP430microcontrollerA/Dacquisitionoperationcontrolcircuitanddisplaycircuitandothercomponents.Issuedbythelaserlaser,opticalsystemirradiationinone-dimensionalPSD,thePSDsignalbytheprocessingcircuit,andthenbythemicrocontrollerA/Dconvertermodulewillconvertanalogtodigital,single-chipprocessingthedatadisplayedbythedisplaycircuitundertesttheconcentrationoftheliquid.
ConcentrationdetectionaccuracyofthedetectionmethodbasedonthePSDhasbeenverified,thetheoreticalanalysisandsimulationexperimentsshowthatthesystemhasasimplestructure,highsensitivity,goodstability,fastresponsetimeandhighdegreeofautomation,tofacilitatetheaccuratereal-timeonlinedetectionoftheliquidconcentration.
Keywords:
concentrationdetector,positionsensitivedetector(PSD),semiconductorlasers,theMSP430microcontroller
第一章引言
1.1课题研究的目的和意义
浓度检测室是工业生产中至关重要的的一项工作,它直接关系着产品的质量,生产厂商一方面在化验室中对产品的浓度进行检验,另一方面还要求在生产线上对产品的浓度进行时时监控。
相比化验室步骤繁琐的抽样检验,在线实时检测更具有时效性,而且更易控制产品质量。
在在线时时检测系统中,操作人员在生产过程中可以随时掌握产品浓度的变化情况,及时采取措施,实现实时控制,从而使产品的浓度控制在要求的范围内,这对于保证产品的质量有很重要的意义。
目前液体浓度的检测方法虽然很多,但大部分采用接触式检测方法,此类方法对某些有害液体有一定危险性。
本文所设计的基于PSD的浓度检测系统利用位置敏感器件PSD作为光敏元件,使用比较简单的光学系统和更为集成的电子电路便可以非常稳定地检测液体的浓度,大大节省成本,并且由于PSD只对光斑能量中心敏感,因而对光源的变化影响可忽略不计,降低了对准直聚焦光学系统的要求,更具有现实意义。
1.2液体浓度测量的国内外研究现状
目前,工业生产中检测液体浓度的方法有很多,如比重法、化学分析法、超声波法及光学法等。
这些检测方法的原理和设备结构有着非常大的差异,其适用的部门和场合也各不相同,而且各有其优点与不足。
比重法,使用起来比较方便,但在工业生产中,经常要在大型的槽或池中检测不同深度处的溶液浓度,而且由于比重计采用的是浮力原理,因此它只能检测到表面上层溶液的浓度,不能满足检测需求。
另外在多组分溶液的装置中,用比重法也无法进行测量。
化学分析法,此种方法虽然具有较高的检测精度,但它在使用过程中所耗费许多化学试剂非常昂贵,而且又需要很长的分析周期,不能满足时时在线检测的要求,最重要的是成本比较高。
这些传统的液体浓度检测方法各有其局限性,它们都需要人工取采样,无法实现实时的在线检测,同时取样费时和繁琐,滞后性大,分析的结果又不是当时的情况,而且在时间间隔内,我们对的溶液浓度的变化是无法把握的,这就对工业生产的产品质量和自动化控制造成了很大的影响,所以它们的应用范围有限,不能适应现代工业生产的实际要求。
国外已报道的有:
伯格曼通过使用光纤探头来检测各种液体的浓度、折射率;纳拉亚南,通过利用激光的棱镜检测含糖液体的浓度;LongtinandFan以一个长方形单元为基础测量静止液体的浓度。
其他同类的检测技术有平面荧光技术、热标记技术和干涉测量法技术等。
国内已报道的有:
浮力法、重力法、静压法、折光法、振动法、同位素法、势力学法及电导法等。
然而,这些技术不是实验装置复杂就是所用材料价格昂贵,不能适用于流动液体浓度实时检测。
采用光电传感检测的方法对溶液浓度的进行检测具有方便、快捷、不污染待测液体、易于与电路系统进行连接实现信号的处理,系统的控制等。
从而更加适应现代工业生产的检测要求,具有广阔的应用前景,所以越来越受到重视,有关的研究和应用也越来越多。
光电传感检测的方法测量液体浓度的理论基础是光线透过待测溶液或者在待测溶液的界面上进行反射时,溶液浓度的变化会引起光线折射角度、偏振方向,溶液对光线的吸收率、折射率等物理量的变化,如果能将它们与溶液的浓度建立起关系,就可以通过测量这些物理量的变化来测量液体的浓度。
本文采用的是光透射方法,采用了双隔离窗和双平面镜的独特光学系统,利用光电位置敏感器件检测出光线偏移量的大小,得到液体的折射率,进而计算出液体浓度。
1.3本论文的主要研究内容
本论文从原理分析、硬件设计、软件设计及误差分析等方面对基于PSD浓度检测系统进行设计与分析,主要研究内容为:
(1)系统总体设计方案及框图
(2)PSD特性分析
(3)光学系统的设计
(4)信号处理电路的设计
(5)A/D转换及单片机控制电路设计
(6)显示电路设计
(7)浓度检测系统图设计
(8)系统程序设计
(9)系统误差分析
本文的研究重点在光学系统的确定、PSD信号处理及单片机控制系统的研究,相比以往的浓度检测系统,设计了新型的光学系统、选择了位置敏感探测器PSD并建立相应的单片机软硬件系统。
在传统的浓度检测系统中,比较用见的是比重法和化学分析法,采用光电系统检测浓度还是比较少见得。
在已了解到的利用激光透射方法进行浓度测量的系统中,系统结构比较复杂,造成误差来源较多,所用传感器敏感度不高,难以有效提高测量精度。
本系统采用了一种新的光学系统——双隔离窗透射法,利用光在液体浓度变化时引起折射率变化的原理,对浓度测量,通过引入高精度的位置敏感器件PSD作为接受传感器,同时采用外围设备丰富的MSP430系列单片机作为核心处理芯片,从而简化了检测系统的整体结构,使得安装调试更为简便,同时减少了许多误差来源,保证了测量值的较高精度,这是本文的创新之处。
第二章系统总体方案设计
浓度的变化会引起液体对光的折射率的变化,对于由激光器发出的固定倾斜入射的光线,折射率的变化会导致出射光线发生偏移,利用位置敏感器件(PSD)将得到的电流信号经过放大处理后检测出偏移量的大小,将这个模拟量经过A/D转换后发送给单片机,以单片机为核心对浓度检测系统进行控制处理,最后由显示系统显示液体的浓度。
2.1系统总体方案设计
基于PSD浓度检测系统主要包括以下几部分:
半导体激光器、光学系统、PSD信号处理电路、基于单片机的A/D转换与控制系统和显示电路等。
液体浓度检测系统的系统框图如图2-1:
半导体激光器
光学系统
P
S
D
传感器
P
SD
处理
电路
基于MSP430单片机的A/D转换采集与控制系统
显示电路系统
按键输入
图2-1液体浓度检测系统的系统框图
系统工作原理为:
由激光器发出激光,经过光学系统照射在一维PSD上,PSD信号经处理电路,再由单片机A/D转换模块将模拟量转换为数字量,同时单片机对数据处理后,由显示电路显示出待测液体的浓度。
在整个系统中,以单片机为核心处理控制器件,进行数据处理,控制A/D转换模块、LED显示系统与按键输入,对整个系统负责,使检测系统自动智能化。
2.2系统性能指标
基于PSD浓度检测系统的主要技术指标有:
系统分辨力、系统测量范围、系统测量精度等。
1、系统分辨力
系统理论可分辨0.00001的折射率变化,但实际测量中,将会受放大器、A/D转换采集和单片机处理的影响,综合分析,系统的分辨力可达0.0025。
2、系统测量范围
系统中采用了日本滨松公司的S3932型,其有效敏感区为1×12mm2,考虑到边缘误差太大,实际可用约11.6mm,可测量折射率1.22986~1.50137。
如果增加PSD的长度,则测量范围可进一步加大。
3、系统测量精度
系统测量精度取决于系统误差修正后的残差
和偶然误差的总均方根值
。
若以
表示浓度检测系统的测量精度。
则:
第三章光学系统设计
3.1光源的选择
光电测量系统的光源一般有钠灯、发光二极管、激光器等可以选择。
对于本文所选用光源的的要求是单色性好、方向性强、稳定性比较好、光亮度较高,结构简单、使用方便等。
1、钠灯
钠灯利用钠蒸汽放电产生可见光的电光源。
钠灯分别在589.0纳米和589.6纳米的两条双D谱线上集中了主要的放电辐射,它们与眼视觉曲线的最高值(555纳米)非常接近人,所以它的发光效率非常高,因此钠灯是比较重要的单色光源之一。
钠灯的光源质量比较好,为标准参考波长,所以测量出来的数值不需要修正,但体积比较大,需要限流器,启动电压也比较高。
2、发光二极管
发光二极管,常简写为LED。
它与普通二极管一样是由一个PN结组成,也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同,释放出的能量越多,则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
LED具有体积比较小、坚固耐用、使用电压低、寿命比较长等优点,但它的单色性较差,强度较弱,方向性也不理想。
3、激光器
激光光源是一种新型光源,与其他光源相比有单色性好、方向性强、光亮度极高的优点,因而在国防、科研、工农业生产和医疗方面得到广泛的应用。
半导体激光器(激光二极管LD)具有单色性好,方向性比较好,体积小、寿命长、转换效率高,而且其制造工艺和半导体电子器件和集成电路的生产工艺兼容,便于与其他器件实现单片光电子集成。
并且还可以用频率高达GHz的电流进行直接调制而获得高速调制的激光输出。
本系统使用中国科学院半导体研究所(海特光电子技术公司)生产的HTL67T05型5mw输出670nm基横模量子阱激光器。
3.2光学系统设计
1、基本光学原理
浓度检测的基本光学原理如图3-1所示,当待测液体浓度发生改变时,入射光线折射角也将变化,通过测量光线折射角度的偏移(这一偏移几乎与待测液体浓度成正比),经计算就可以得出待测液体的浓度。
入射光线
待测液体
d
n
蒸馏水
图3-1液体浓度检测的基本原理图
测量水槽由两部分组成,一部分装有参考液体(即蒸馏水),另一部分装有待测液体,中间倾斜放置一块透射的光学玻璃窗将两部分隔开,这样,当两部分液体折射率差值变化时入射光的折射角度也跟着变化。
当光线如图3-1所示的情况入射,则两种液体折射率之差
与光线偏移量d之间的关系可用如下表示:
(3-1)
其中,
为光线出射角,
为光线入射角,k为与结构有关的常量。
2、光学系统图
基于浓度检测的基本光学原理,本文采用了一种双隔离窗的光透射液体浓度检测的实验装置。
如图3-2所示。
蒸馏水2
蒸馏水1
水槽
双平面镜
待测液体
光学透射窗2
光学透射窗1
PSD
滤光片
激光器
图3-2双隔离窗光透射液体浓度检测实验装置
光学系统由两个装有蒸馏水的参考水槽和一个装有待测液体的测量水槽组成,用两个平行放置的光学透射窗将三个水槽隔开,水平入射的光线通过第一部分蒸馏水后经光学透射窗1进入待测液体,并产生入射角
。
在装有第二部分蒸馏水的水槽中装有两个互成90度的平面镜,光线经过两个平面镜的反射后,经由透射窗2再次进入待测液体,同样又产生一个入射角
,最后光线经由第一部分蒸馏水出射,通过滤光片投射在PSD的光敏面上,当待测液体浓度发生变化时,投射到PSD的光敏面上的光斑位置也发生变化,这一变化经PSD线性输出,又通过后续电路的处理计算最终实现浓度的检测。
加入滤波片的目的是为了滤除大部分环境杂散光对检测的影响。
光线的几何轨迹如图3-3所示。
在图3-3的几何光学光线轨迹中用d来表示PSD所测得的被测液体是待测液体(虚光线)和蒸馏水(实光线)时的光线偏移量。
根据图3-3所示几何关系和光学折射定律有:
(3-2)
(3-3)
(3-4)
和
(3-5)
(3-6)
式中,
为两隔离窗距离。
从式中可以看到,当入射角、参比液体和两隔离窗间距选定以后,
、
和
就是固定值,将(3-2)、(3-3)式代入(3-1)式得到光线偏移量为
(3-7)
第四章基于MSP430单片机的PSD信号处理电路设计
4.1PSD工作原理及选型
4.1.1PSD工作原理
光电位置敏感探测器PSD(PositionSensitiveDetector)是一种对其感光面上入射光斑位置敏感的光电器件。
即当入射光斑落在器件感光面的不同位置时,PSD将对应输出不同的电信号。
通过对此输出电信号的处理,即可确定入射光斑在PSD的位置。
入射光的强度和尺寸大小对PSD的位置输出信号均无关。
PSD可分为一维PSD和二维PSD。
一维PSD可以测定光点的一维位置坐标,二维PSD可测光点的平面位置坐标。
由于PSD是分割型元件,对光斑的形状无严格的要求,光敏面上无象限分隔线,所以对光斑位置可进行连续测量从而获得连续的坐标信号。
实用的一维PSD为PIN三层结构,其截面如图4-1(a)所示。
表面的P层为感光面,其两边各有一信号输出电极。
底层的公共电极是用来加反偏电压的。
当入射光点照射到PSD光敏面上某一点时,假设产生的总的光生电流为I
。
由于在入射光点到信号电极间存在横向电势,若在两个信号电极上接上负载电阻,光电流将分别流向两个信号电极,从而从信号电极上分别得到光电I
和I
。
显然,I
和I
之和等于光生电流I
,而I
和I
的分流关系取决于入射光点位置到两个信号电极间的等效电阻R
和R
。
如果PSD表面层的电阻是均匀的,则PSD的等效电路为图4-1〔b〕所示的电路。
由于R
很大,而C
很小,故等效电路可简化成图4-1(c)的形式,其中R
和R
的值取决于入射光点的位置。
假设负载电阻R
阻值相对于R
和R
可以忽略,则有:
=
(4-1)
式中,L为PSD中点到信号电极的距离,x为入射光点距PSD中点的距离。
式(4-1)表明,两个信号电极的输出光电流之比为入射光点到该电极间距离之比的倒数。
将I
=I
+I
与式(4-1)联立得:
图4-1PSD的结构及等效电路
(a)截面电路(b)等效电路(c)简化的等效电路
(4-2)
(4-3)
从以上两式可以看出,当入射光点位置固定时,PSD的单个电极输出电流与入射光强度成正比。
而当入射光强度不变时,单个电极的输出电流与入射光点距PSD中心的距离x呈线性关系。
若将两个信号电极的输出电流作如下处理:
(4-4)
则得到的结果只与光点的位置坐标x有关,而与入射光强度无关,此时PSD就成为仅对入射光点位置敏感的器件。
P
称为一维PSD的位置输出信号。
4.1.2PSD性能分析
为了选择一个合适的PSD器件,首先要对PSD的主要性能指标进行分析。
性能指标主要包括峰值响应灵敏度、响应速度、位置分辨率、位置线性度和暗电流。
(1)峰值响应灵敏度是PSD输出电流与入射光功率之比,即在单位光功率的作用下PSD的最大输出电流。
因为系统要进行远距离测量,由于光源能量的衰减,峰值响应灵敏度就成为选择PSD的重要参数。
选择较高的响应灵敏度,有利于提高系统的信噪比。
(2)响应速度是反映PSD瞬态特性的重要指标,PSD的结电容和极间电阻越小响应速度越快。
(3)位置分辨率是指最小可探测的光斑移动距离,它主要受器件尺寸、信噪比等因素影响。
一般规律是尺寸越大的器件其分辨率越低,提高信噪比可以提高位置分辨率。
(4)位置线性度是指光点沿着直线移动时PSD的位置输出偏离该直线的程度。
由于PSDN区材料的不均匀性和电极形状等因素而造成P区上电阻率不为恒量,导致PSD呈非线性,因此在使用过程中人为地将PSD敏感面划为A区和B区。
(5)暗电流由体漏电流和表面漏电流两部分组成,表面漏电流取决于材料质量、器件制作过程所采取的表面钝化工艺。
暗电流存在于所有工作在反偏状态下的结型器件中,因此在PSD中也存在。
由于存在暗电流,在设计信号放大器时必须选择具有适当偏置电流的运算放大器。
4.1.3PSD的选型
结合PSD的性能参数、系统测量范围和测量精度的分析,本文选用日本滨松公司的S3932型PSD产品,其响应速度为3
,分辨率为0.3
,有效
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