（通信与信息系统专业论文）基于光纤传感器的红外纸张水分仪.pdf

华东师范大学硕士论文 摘要 随着工业生产的不断发展，人们对产品的质量越来越关注，物质中水分含 量的检测就是其中一项。在造纸行业，为了不破坏纸张，常采用电阻式水分测 量仪或红外方式来检测纸张产品的水分含量。本文提出了一种采用光纤传感器 的近红外纸张水分测量仪，将红外水分仪的传统光学部分用组合式光纤束传感 器代替，使之成为发射和接受信号的光路，并采用双光源双光路方法对物体水分 进行测量，然后分别从光纤传感器中得到测试信号和参考信号，将两信号进行 比值运算，有效地消除了由于光源功率变化、光纤弯曲、表面不平整等干扰。 由于传送到探测光电二极管上的信号是一个微弱信号，需要用微弱信号检测理 论来对信号作放大处理，经分析采用锁定放大原理来设计接收信号处理电路。 采样得到的数据通过特定的分析，得到水分与比值的单调性拟合曲线，从而获 知被测纸张的水分数值。在满足了光路设计各项性能指标的前提下，既简化了 光路设计，又相对提高了电路的性能，而且大大降低了成本。 这种仪器的实现方法不仅仅能应用于水分测量领域，只要找到物质其他 成分的吸收光谱，应用现代光谱检测技术就能对其他成分进行检测，这也是研 究本课题的潜在意义。 关键词：纸张水分测量双光源双光路锁定放大原理 华东师范大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , p e o p l ec a r em o r ea n dm o r ea b o u tt h e q u a l i t yo ft h ep r o d u c t s ，w h i c hm o i s t u r et e s t i n go ni so n eo ft h er e q u i r e m e n ta n t h ei n d u s t r yo fp a p e r , p e o p l ea l w a y su s er e s i s t a n d a lo ri n f r a r e dr e f l e c t a n c et o d e t e c tt h em o i s t u r ec o n t e n to fp a p e rf o rn o td e s t r o y i n gt h ep a p e r t h ea r t i c l e p r o v i d e sa ni n f r a r e dm o i s t u r ed e v i c eo fp a p e rb yf i b e rs e m r ，w h i c hr e p l a c e so f t r a d i t i o n a lo p t i c a ld e p a r t m e n ba n di su s e df o rt r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n g s i g n a l t h i sd e v i c el a k e su s eo fd o u b l el e d a n dd o u b l el i g h tw a y st od e t e c tt h e m o i s t u r ec o n t e n to fp a p e r ，w h i c hs e p a r a t e st h es i g n a li n t od e t e c t i n gs i g n a la n d r e f e r e n c es i g n a l d i v i d e db yt h e s et w os i g n a l s , w ec a ne f f e c t i v e l ye l i m i n a t eo f d i s t u r b a n c es u c ha st h ec h a n g i n gp o w e ro f l e d 、t h eb e n to f o p t i c a lf i b e r 、r o u g h s u r f a c ea ds oo n t h ew e a ks i g n a ld e t e c t e db yt h ep h o t od i o d en e e d 幻b e a m p l i f i e db yu s i n gt h ep r i n c i p l eo fl o c k - i na m p l i f i e r a n a l y z i n gt h es a m p l e d d a t a w ec a ng e tt h em o n o t o n o u sr e l a t i o n s h i pb e t w e e nd a t aa n dm o i s t u r e t h u s , w ec a n t e s tt h em o i s t u r ec o n t e n to fu n k n o w np a p e ra f t e rt h o s ep r o c e s s e s u n d e rt h ec o n d i t i o no ff i t t i n gf o re v e r yq u a l i t yt a r g e t , t h i sd e t e c t o rc a nr e d u c e o p t i c sd e s i g na n di m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ec i r c u i tc o m p a r a t i v e l y , r e t r e n c ht h e c o s ts h a r p l y t h er e a l i z a t i o no ft h i si n s t r u m e n tc a nn o to n l yb eu s e di nm o i s t u r et e s t i n g , b u tc a nb ea p p l i e di no t h e rm a t e r i a ld e t e c t i n gb yu s i n gm o r d e ns p e c t r u m t e c h n o l o g yw h e nw ef i n dt h ea b s o r b i n gs p e c t r u ma n dt h er e f e r e n c i n g w a v e l e n g t ho fo t h e rc o m p o n e n t t h i si st h eu n d e r l y i n gm e a n i n go ft h et o p i c k e yw o r d s ：m o i s t u r et e s t i n go np a p e r ：d o u b l el e d a n dd o u b l ei i g h tw a y s ；t h e p r i n c i p l eo fl o c k - i na m p l i f i e r i v 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：! 量! !日期：三竺三! ：! 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留，使用学位论文的规定， 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数 据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学 位论文在解密后适用本规定 学位论文作者签名： f 亏雾 日期：竺! ! ：! 导师签名： 、芗加 日期：竺z 墨 华东师范大学硕士论文 第一章绪论 1 1 引言 随着科学研究的发展和生产技术的进步，水分的定量分析已被列为各类物质 理化分析的基本项目之一，作为各类物质的一项重要分析指标根据不同形式物 质中的不同水分含量提出了测定水分的不同要求。水分测定可以是工业生产的控 制分析，也可是工农业产品的质量鉴定；可以从成吨计的产品中测定水分也可在 实验室中仅用数微升试液进行水分分析；可以是含水量达百分之几至几十的常量 水分分析，也可是含水量仅为百万分之一以下的衡量水分分析等等。 水分测试方法一般可分为两大类，即物理分析法和化学分析法。目前存在的 水分测定方法主要有卡尔费休水分测定法、红外法、库仑法、微波干燥法、露 点水分测定方法。这些测定方法操作简便、灵敏度高、再现性好，并能连续测定， 自动显示数据。 卡尔费休法属经典方法，经过近年来改进，大大提高了准确度，扩大了测 量范围，已被列为许多物质中水分测定的标准方法。近年来在国内市场中较活跃 的进口卡尔费休水分测定仪有法国雷氏，瑞士万通，德国梅特勒一托利多，德 国s c h o t t ，日本京都电子；国产卡尔费休水分测定仪主要有海淀潮声，先驱威 锋，江苏江环分析仪器有限公司等。 红外水分测定法操作简单，耗时少，测量结果准确，故红外水分仪可广泛应 用于纸张、化工、医药、食品、烟草、粮食等行业的实验分析和过程检测主要 的红外纸张水分仪生产商包括美国o m n i m a r k 、美国f i s h e r 、美国r a y t e k 、德国 s a r t o r i u s 、日本k e t t ，上海精密科学仪器公司，核工业北京化工冶金研究院， 北京九如仪器有限公司等。 库仑水分测定法常用来测定气体中所含水分。此法操作简便，应答迅速，特 别适用于测定气体中的衡量水分。如果用一般的化学方法测定，则是非常困难的 事情。但电解法不宜用于碱性物质的测定。生产商包括成都仪器厂，江苏江环公 司，大庆日上等。 物理分析方法中的微波干燥法，通过快速干燥样品来测定样品中的水分，具有 测量时间短，操作方便，准确度高、适用范围广等特点，适用于粮食、造纸、木 材、纺织品和化工产品等的颗粒状、粉末状及粘稠性固体试样中的水分测定，还 可应用于石油、煤油及其他液体试样中的水分测定。生产商包括美国c e g 公司， 美国o m n i m a r k 公司，长沙友欣公司等。 露点水分测定方法操作简便，其仪器结构不复杂，所测结果一般令人满意， 常用于永久性气体中微量水分的测定但此法干扰较多，一些易冷换气体特别在 浓度较高时会比水蒸气先结露产生干扰。生产商包括英国s h a w 公司，a m e t e k 等。 华东师范大学硕士论文 1 2 立题意义 近红外分析技术( n i r ) 是近年来分析化学领域迅猛发展的高新分析技术， 与传统分析技术相比，近红外光谱分析技术具有诸多优点，它能在几分钟内，仅 通过对被测样品完成一次近红外光谱的采集测量，即可完成多项性能指标的测定。 光谱测量时不需要对分析样品进行事前处理；分析过程中也不消耗其它材料或破 坏样品性状；数据重现性好、成本低。对于经常的质量监控是十分经济且快速的 因此越来越引起国内外分析专家的注目，在分析化学领域被誉为分析“巨人”。近 年来，近红外光谱在工业领域中的应用全面展开，有关近红外光谱的研究及应用 文献几乎呈指数增长，成为发展最快、最引人注目的一门独立的分析技术由于 近红外光在常规光纤中具有良好的传输特性，使近红外光谱在在线分析领域也得 到了很好的应用，并取得良好的社会效益和经济效益，从此近红外光谱技术进入 一个快速发展的新时期。 本文研究的基于光纤传感器的红外纸张水分仪属于近红外水分测定法，并在 原有的红外法基础上提出一种改进型的水分测量仪，与传统的方法相比省去了复 杂的透镜类光学系统，而以光纤传感器代替其光路特性，此外用l e d 和调制电路 代替卤钨灯与斩光盘，不受斩光盘因为机械转速限制而调制频率不高的影响，方 便对信号调制频率进行各种调节因此本仪器具有结构简单、成本低廉、操作方 便、能实现多种样品测量的特点。其意义在予为今后研制通用型红外纸张水分测 量仪建立参照样本，并为测量物质中其他成分的提供铺垫 1 3 独特之处 1 3 1 测量光源 传统红外法是以发光谱线较宽的光源加以滤光片或光栅等分光器件，组成了 测量光路，但是通常光源的光功率密度和滤光片的透过率都比较低，从而对探测 器提出了很高的要求。本文采用l e d 作为光源，与光源加滤光片方式相比，其光 功率要强的多，从而降低了对探测器和后级信号处理的要求。 1 3 2 测量波长与参考波长的选择 根据同行业发表的论文，以及实际的研究情况，确定以近红外线测水波长为 1 4 5 0 r i m ，参考波长为1 3 1 0 r i m ，并采用双波长法测量。 1 3 3 光纤传感器的设计 光纤传感器由三类光纤束组成：测量光纤束、参考光纤束以及接受光纤束， 在排列上分为：栅状、同心圆、三随机等结构。通过对样品的测试比较，同心圆 2 华东师范大学硕士论文 结构的光路效果最好，故采用之。发射与接收光纤使用玻璃光纤束，排列方式为 同心圆式分布，内圆为随机分布的测量波长和参考波长光纤束，外环为接收光纤 束。同时内圆发射光纤引出部分光纤用于测量光源光功率的稳定性。本系统采用 光纤传感器作为收发光路，既简化了光路设计，又大大降低了成本。传感器多用 于位移测量和物质表面粗糙度测量，而用在测量水分则在国内外的论文或著作中 未见论述。 1 3 4 电路设计 为了使测量和参考l e d 发光功率稳定，使用恒流源是个比较好的方式，且为 了使测量和参考l e d 发光功率能稳定同样的状态下，我们采用同一个采用恒流源 对测量和参考l e d 稳定提供电流。但由于l e d 器件性能上的离散性差异，使得 信号的测量要有个参照系，所以采用主从光路同时对同一个l e d 光源的光功率测 量以消除功率漂移的影响。此外，被测信号是一个被噪声淹没的微弱电信号，用 一般的方法很难将有效信号的放大，因此采用锁定放大的原理来对信号进行调制 后，进行交流放大，并直流解调，利用这样的原理能改善信噪比，同时获得很高 的增益和灵敏度，大幅度的提高了测量精度。 1 3 5 抗干扰措施 为避免被测物的放置形状，距离，颜色等因素影响水分的测量，采用双波长 法，既除测量波长外增加一个不被水所吸收的又与测量波长很近的光波作为参考 波长，以消除除上述因素。 1 4 论文内容 本文共分六个章节。第一章绪论，主要介绍目前国内外水分仪的发展情况以 及红外分析技术的广泛应用，本课题的立题意义和独特之处；第二章红外检测法 原理，主要介绍近红外光谱检测法的原理及其在纸张水分检测中的应用；第三章 光纤传感器的设计，主要介绍本仪器的光纤传感器的设计；第四章硬件设计，主 要介绍本仪器硬件电路的制作；第五章软件设计，主要介绍本仪器整体系统软件 的工作流程；第六章实验数据分析，列举出实测数据，给出分析结果。最后的总 结与展望，总结基于光纤传感器的红外纸张水分仪的可行性，对今后的科研方向 提出参考建议。 3 华东师范大学硕士论文 第二章近红外光谱检测法及微弱信号检测原理 近红外光谱分析技术( n e a ri n 丘a r c dr e f l e c t a n c es p e c t r o s c o p y ，简称n i r s ) 是 2 0 世纪7 0 年代兴起的一种新的成分分析技术。该技术首先由美国农业部的被誉 为“近红外之父”的k a r ln o r r i s 开发，最早用于谷物中水分、蛋白质的测定。 2 0 世纪8 0 年代中后期，随着计算机技术的发展和分析化学研究的深入，加之自 动化仪器制造技术的日趋完善，促进了近红外光谱分析技术的极大发展。由于现 代n i r s 分析技术所独具的特点s i r s 已成为近年来发展最快的快速分析测试技 术，被广泛应用于各个领域，特别是欧美及日本等发达国家，已将许多近红外光 谱法作为标准方法。本章着重讨论近红外光谱检测技术在水分测量中的应用以及 依据该原理设计的纸张水分测量方案。 2 1 近红外光谱法的基本原理 近红外光谱的波长范围是7 8 0 2 5 0 0 l - i m ，通常分为近红外短波区( 7 8 0 1l o o n m 又称h e r s c h e l 光谱区) 和近红外长波长( 11 0 0 2 5 0 0 n a ) 【4 1 现代近红外光 谱分析是将光谱测量技术、计算机技术，建模技术与测试技术的有机结合是将 近红外光谱所反映的样品基团、组成或物态信息与用标准或认可的参比方法测得 的组成或性质数据采用化学计量学技术建立校正模型，然后通过对未知样品光谱 的测定和建立的校正模型来快速预测其组成或性质的一种分析方法 其工作原理是：如果样品的组成成分相同，则其光谱也相同，反之亦然。如 果我们建立了光谱特性与待测参数之间的对应关系( 称为分析模型) ，那么，只要 测得样品的光谱特性，通过光谱和上述待测参数对应关系，就能很快得到所需要 的参数数据。分析数据方法包括校正和预测两个过程： ( 1 ) 在校正过程中，收集一定量有代表性的样品，在测量其光谱图的同时， 根据需要使用有关标准分析方法进行测量，得到样品的各种质量参数，称之为参 考数据通过化学计量学对光谱进行处理，并将其与参考数据关联，这样在光谱 图和其参考数据之间建立起一一对应映射关系，通常称之为模型。虽然建立模型 所使用的样本数目很有限，但通过化学计量学处理得到的模型应具有较强的普适 性。 ( 2 ) 在预测过程中，首先使用近红外光谱仪测定待测样品的光谱图，通过软 件自动对模型库进行检索，选择正确模型计算待测参数。 红外法实现的具体过程主要包括以下几个步骤：一是选择有代表性的样品并 测量其近红外光谱；二是采用标准或认可的参考方法测定所关心的组分或性质数 据；三是将测量的光谱和基础数据，用适当的化学计量方法建立校正模型；四是 4 华东师范大学硕士论文 未知样品组分或性质的测定。由近红外光谱分析技术的工作过程可见，现代近红 外光谱分析技术包括了近红外光谱仪、化学计量学软件和应用模型三部分。三者 的有机结合才能满足快速分析的技术要求，是缺一不可的。 2 2 近红外光谱分析的优缺点 直接测量：近红外光谱测量方式有透射、反射和漫反射多种形式，适合测量 液体、固体和浆状等形式的样品，因此，用途很广最大的优点就是无须对样品 进行任何处理，比如纸张可以直接放置后将光纤探头面对纸张进行测量，操作非 常方便，几秒钟内完成光谱扫描。 光纤远距离测量：近红外光可以通过光纤进行远距离传输，可以实现距光谱 仪以外的远距离测量，可将测量探头或流通池直接安装到生产装置的管线，实现 在线测量，或环境苛刻现场测量 一台在线近红外光谱仪可以外接多路( 2 1 0 路) 光纤回路，实现同时对生产 装置的多个测量点的物料在线测量。在线近红外分析与d c s 连接，直接给控制系 统提供数据，据此进行生产优化得到的经济效益是巨大的；与其它在线仪表相比， 近红外光谱仪运行故障率和消耗均很低 近红外也有其固有的缺点：由于测定的是倍频及合频吸收，灵敏度差，一般 要求检测的含量小于1 ；建模难度大，定标模型的适用范围、基础数据的准确性 即选择计量学方法的合理性，都将直接影响最终的分析结果。 2 3 近红外光谱分析技术在纸张水分检测中的应用 近红外法是利用介于可见光与远红外之间的0 7 2 5 l im 近红外区域的吸收 其最大特点是既能用于成分等的化学特性的测定方面，又能用于密度和粒度等的 物理特性的特定方面。近红外分析法是以光散射条件下所得到的吸收光谱为基础， 为使近红外法向一般的分析法发展，要搞清楚影响温度等吸收光谱的主要原因， 近红外法中还必须灵活运用一些特殊光谱解析法 近红外法的被测目标从液体到固体有各种形态，大多数都是光学上不透明的 所以，被测物中所产生的光散射就影响了吸收光谱的测定，故一般不能采用以液 体为对象的光谱测定方法，液体内无光散射影响光束直线透过。当光散射影响时， 也可以测定透过光谱。但如果被测物象固体和粉状那样，光散射影响大时，可以 通过测定照射到被测物上的近红外光经多次散射后再放射出的漫反射光束获得。 另外，当被测物为液体时，可采取折衷的方法，即利用扩散透射反射光。即使在 存在光散射影响的情况下测定的吸收光谱中，也和朗伯一皮耳定律一样，能推导 出定量显现吸收强度和吸收物质含量之间关系的很多关系式。其中有获得散射光 物体中衰减的k u b e l k a - m u n k 式，此式是把近红外光谱用于定量分析时的理论依 5 华东师范大学硕士论文 据。 红外线水分传感器是一种利用近红外线照射被测物体时，由于水分的存在会 产生红外线的反射，测量反射光就可以测量水分含量的原理制成的。分析研究的 结果表明，红外线产生反射是由于水分子的振动引起的水分子的标准振动有三 种形式，即3 6 5 2 c m 负一次方的对称型伸缩振动和3 7 5 6 c m 负一次方的非对称型伸 缩振动以及1 5 9 5 c m 负一次方的变角振动。对称型伸缩振动是两种振动模式同时 为伸缩式；非对称型伸缩振动是一种为伸长振动模式，另一种则为压缩式；变角 振动是改变原子价角的振动。由于上述基本振动模式组合的源音或复音的存在， 在近红外区域则产生了其有能量吸收带的反射频谱特性。理论和实践都证明，被 测物体的含水率与吸收量的对数成正比实际上，若仅用一个波长的红外线测量， 由于被测物体的散射，会产生较大的误差，如果采用不被水分吸收的其它一种波 长的红外线( 称为参考光) 进行对比，就可以消除误差，实现精确的水分测量 用近红外分光光度测出物质的吸收曲线，在对曲线进行研究后，找出测量光 及参考光的最佳波长。以下是对不同物质水分含量的近红外吸收曲线的分析 扣畸1 i r a 枷 瑚日哆 图2 2 不同水分纸张红外吸收曲线图2 3 不同水分木材的红外吸收曲线 图2 2 是不同水分的纸张的吸收曲线从测试曲线上可以找出水的2 个吸收 蜂1 9 3 0 n m 、1 4 6 0 h m ，也可以找出2 2 1 8 r r r 、1 8 4 2 n m 、1 6 5 2 m 1 及1 2 8 2 n m ，4 个可以 做参考光的波长( 即与吸收峰靠近的谷点波长) 图2 3 是木材的近红外吸收曲线。可以在曲线上找到1 9 3 3 n m 及1 4 6 8 m n 水的 两个吸收峰。对于1 9 3 3 n m ，参考光波长可选2 2 2 3 n m 或1 8 5 9 n m ，对于1 4 6 8 n m ，参 考光可选1 6 6 9 n m 或1 2 9 3 n m 。 2 。4 红外纸张水分仪的系统设计总体框图 本系统在红外光谱检测技术的基础上设计了光路，并根据光路设计相应的电 路。系统包括光纤传感器、用于水分测量和参考的发光二极管及其驱动电路、接 6 华东师范大学硕士论文 收电路和微机处理系统。系统框图如图2 4 ，具体的设计方案将在随后的章节介 绍。 图2 4 整体系统设计总体框图 2 5 微弱信号检测基本原理 微弱信号不仅意味着信号的幅度很小，而且主要指是被噪声淹没的信号，所 以。微弱”是相对于噪声而言的要提取有用的微弱信号，必须抑制噪声。为使 信号不被淹没得更深，必须对噪声进行分析图4 1 示出了噪声频率的分布以及 各类噪声的大致频率范围嗍。 稻对幅度 f l h z 图4 1 噪声频谱分布 在对微弱信号进行处理时采取低噪声放大器是必要的。此时要根据传感器的 噪声阻抗特性设计前置放大器，特别是第一级放大器是信号通道中低噪声放大的 关键。此外，对传感器及前置放大器采取低温制冷、根据信号频谱特性尽量压缩 信号带宽、采用正确屏蔽接地技术也都是保证系统提高信噪比的有力措施。 微弱信号检测技术中的相关检测原理是从噪声中提取有用信号的有效方法。 在通信、雷达、自动控制等领域中早已获得充分证实，由于噪声与噪声、噪声与 信号均不相关，而信号与噪声均不相关，而信号与信号则完全相关。根据这一特 7 华东师范大学硕士论文 性，电路完成信号与参考信号的互相关运算，从而达到将强噪声中的信号振幅和 相位信息有效的检测出来。经分析可知，同步相关检测的输出特性等效为一中心 频率可变的频带极窄的梳状滤波器。它只允许信号中的基波及各奇次谐波通过， 滤除其他频率的信号和噪声。梳状滤波器的等效q 值高达1 0 8 ，几乎把噪声抑制 殆尽。 锁定放大器( l o c k - i n a m p l i f i e r ) 就是这一原理的典型应用。锁定放大器的出现 使检测电压的满量程灵敏度达到小于l n v ，信噪改善比优于1 0 s 。这一特性使它几 乎在所有的现代科技领域中获得广泛应用，成为检测噪声中周期信号振幅和相位 信息的最佳处理方式。 2 5 1 锁定放大基本原理阿 概述 对于幅度较小的直流信号或缓慢变化信号，为了防止1 f 噪声和直流放大的 直流漂移( 例如运算放大器输入失调电压的温度漂移) 的不利影响，一般都使用调 制器或斩波器将其变换成交流信号后，再进行放大和处理，用带通滤波器抑制宽 带噪声，提高信噪比，之后再进行解调和低通滤波，以得到放大了的被测信号， 假设带有噪声的正弦调制信号为 x ( o - s ( f ) + 撑( f ) 一屹s ( 。咿+ 日) + 甩( f ) ( 4 一1 ) 式中，s ( i ) 是正弦调制信号。v s 是被测信号，刀( f ) 是噪声对于微弱的直流或缓慢 变化信号，调制后的正弦信号必然也是微弱的要达到足够的信噪比，用于提高 信噪比的带通滤波器p f ) 的带宽必须非常窄，q 值( q b ，b 为带宽) ，必须 非常高，这在实际上往往会很难实现。而且q 值太高的带通滤波器往往不稳定， 温度、电源电压的波动均会使滤波器的中心频率发生变化。从而导致其通频带不 能覆盖信号频率，使得测量系统无法稳定可靠地进行测量。在这种情况下，利用 锁定放大器可以很好的解决上述问题。 锁定放大器的抑制噪声方式以及频谱迁移 锁定放大器抑制噪声有3 个基本出发点： ( 1 ) 用调制器将直流或缓慢变化信号的频谱迁移到调制频率处，再进行放 大，以避开1 f 噪声的不利影响。 ( 2 ) 利用相敏检测器实现调制信号和解调过程，可以同时利用频率和相角 口进行检测，噪声与信号同频又同相的概率很低。 ( 3 ) 用低通滤波器而不是带通滤波器来抑制噪声低通滤波器的频带可以做 8 华东师范大学硕士论文 得很窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也远远大于带通滤波器。 锁定放大器对信号频谱进行迁移的过程如图4 2 所示。调制过程将低频信号 v s 乘以频率为的正弦载波，从而将其频谱迁移到调制频率两边，之后进行 选频放大，这样就不会把1 f 噪声和低频漂移也放大了，如图4 2 ( a ) 所示。图中 的虚线表示1 f 噪声和白噪声的功率谱密度。经交流放大后，再用相敏检测器( p s d ) 将其频谱迁移到直流( 一0 ) 的两边，用窄带低通滤波器( l p f ) 滤除噪声就得到高 信噪比的放大信号，如图4 2 ( b ) 所示，图中虚线表示l p f 的频率响应曲线只要 l p f 的带宽足够窄就能有效的改善信噪比 j k k 到一奢 ( a ) 调制过程( b ) 相敏检测过程 图4 2 锁定放大罂对信号频谱的迁移过程 可见，锁定放大器继承了调制放大器使用交流放大，而不使用直流放大的原 理，从而避开了幅度较大的1 f 噪声；同时又用相敏检测器实现解调，用稳定性 更高的低通滤波器取代带通滤波器从而实现带宽的窄带化过程，使检测系统的性 能大为改善。 锁定放大器各组成部分的工作原理 锁定放大器的基本结构如图4 3 ，包括信号通道、参考通道、相敏检测器( p s d ) 和低通滤波器等。 信号输入 参考输入 图4 3 锁定放大器工作原理基本框图 信号通道对调制正弦输入信号进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相 敏检测器工作的电平，并且要滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测器的动态范 9 华东师范大学硕士论文 围。因为对不同的测量对象要采用不同的传感器，传感器的输出阻抗各不相同 为了得到最佳噪声特性，信号通道的输入阻抗要能与传感器输出阻抗相匹配。 信号通道中常用的滤波器是中心频率为载波频率的带通滤波器，在锁定放 大器中，常采用低通滤波器和高通滤波器的组合来实现带通滤波器。低通滤波器 的拐点频率f l 和高通滤波器的拐点频率f h 都可调，这样就可以根据被测信号的 情况来选择设定带通滤波器的中心频率岛和带宽b 需要注意的是，带通滤波器 的带宽不能太窄，否则当温度和放大器性能发生变化时，信号的中心频率和频谱 有可能偏离带通滤波器的通频带，导致较大的测量误差。 为了适应不同的输入信号幅度，信号通道中放大器的增益应该可调，或者增 益系数可变的衰减电路。为了不破坏系统的噪声特性，增益开关一般设置在前置 放大器后的某级中 参考输入一般是等幅正弦信号或方波开关信号，它可以是从外部输入的某种 周期信号，也可以是系统内原先用于调制的载波信号或用于斩波信号参考通道 对参考输入进行放大或衰减，以适应相敏检测器对幅度的要求。参考通道的另一 个重要功能是对参考输入进行移相处理，以使各种不同相移信号的检测结果达到 最佳。 参考信号，( f ) 可以是正弦波，也可以是方波。为了防止r 扛) 的幅度漂移影响锁 定放大器的精度，( f ) 最好采用方波开关信号，用电子开关实现相敏检测。在这 种情况下，要求，0 ) 方波的正负半周比为1 ：1 ，也就是占空比为5 嘶。 相敏检测器是锁定放大器的核心部件，在自动控制和相关检测中得到了广泛 应用相敏检测器既鉴幅又鉴相，它的输出不但取决于输入信号的幅度，而且取 决于输入信号与参考信号的相位差。常用相敏检测器有模拟乘法器式和电子开关 式，实际上电子开关式相敏检测器相当于参考信号为方波情况下的模拟乘法器。 锁定放大器改善信噪比的作用主要由低通滤波器( l p f ) 实现。低通滤波器的 时间常数r c 越大，锁定放大器的通频带宽宽度越窄，抑制噪声能力越强。即使 l p f 的拐点频率很低，其频率特性仍能保持相当稳定，这是用l p f 实现窄带化的 优点。 为了使l p f 的输出能与后级用于采样的a d 模数转换器匹配，常常使用直流 放大器对其输出进行放大，直流放大器的输入失调电压要小，温度漂移和时间漂 移也要小。l p f 的拐点频率常做成可调，以适应不同的被测信号频率特性的需要。 华东师范大学硕士论文 2 6 本章小结 本章先讨论了近红外光谱法的基本原理，以及其优缺点，同时给出纸张对光 波长的吸收峰曲线，通过纸张中含有水分的光谱曲线可以得出测量水分所需的测 量和参考波长，为之后的红外发光管选型提供依据。然后基于微弱信号检测理论， 给出整体系统设计思路，并在理论上为锁定放大器在微弱信号检测上的应用进行 分析。 1 1 华东师范大学硕士论文 第三章光纤传感器的设计 光纤是一种导光媒介，利用光纤制作的传感器有光路简单、导光效果好、便 于调试、造价低廉等优点。本章首先根据水分吸收波长和参考波长对红外l e d 进 行选型，然后讨论光纤传感器的制作结构，以及光路参数的简单计算。 3 1 红外l e d 光源和探测器的选择 3 1 1 红外l e d 光源的选择 根据2 3 节对水分子的红外吸收光谱可知，近红外光谱中水分的吸收峰有两 个，分别是1 9 3 0 n m 和1 4 6 0 h m 左右所以选用的是滨松公司生产的l 7 8 5 0 红外发 射l e d ，其特性如图3 1 所示。 懈t嗍 fl | ， | j 、 、 ouj ( b ) 正向电流和光功率的关系 藤： ，fi， ， | | 0雪? 壶霎毫 华东师范大学硕士论文 、 t 、 、 i l ( e ) 温度对光输出的影响( f ) 温度与允许正向电流的关系 ( g ) 调制占空比和正向电流的关系 图3 1l 7 8 5 0 特性图 由图3 1 ( a ) ，l 7 8 5 0 的峰值发光功率在1 4 5 0 h m 左右，位于水分的吸收峰处， 其发光功率3 d b 带宽约2 0 3 0 n m ，( b ) 是正向电流和发光功率的关系，在本系统 中选择了对l 7 8 5 0 加l o o m a 的平均正向导通电流，对照图( b ) 可知发光功率约为 1 8 m w 。其平均正向偏置电压由图( c ) 得到约为1 1 v 。图( d ) 显示其辐射角，由于 发光二极管前面自带有聚焦镜且与之耦合的发射光纤束的直径足够大，因此，采 用直接耦合便可以使得光能很好的耦会进入光纤。图( e ) 和( f ) 显示了温度对l e d 性能的影响，由于温度对l e d 影响比较大，所以我们测量时间控制很短，测量一 结束就关掉l e d ，这样l e d 中p n 结的结温对l e d 影响就相对较小。本系统需要对 l e d 进行占空比为l ：1 的载波调制，图( e ) 显示出l o o m a 的平均正向导通电流下， 基本可以对光波进行高达1 m h z 的调制，而本系统采用了4 0 1 r i t z 的频率，符合l e d 的工作条件。 除了上述的测量l e d 之外，还需要一个参考波长，当测量波长选定时，参考 波长就应选择在水分的波谷处，而且在光谱上越靠近测量波长其参考价值越大。 而由2 3 节可知，1 4 5 0 h m 波长附近的水分吸收波谷为1 2 9 0 r u n 左右所以，本系 华东师范大学硕士论文 统选择了滨松公司生产的l 7 8 6 6 红外发射l e d ，其工作特性如图3 2 所示 扣 i f f f 、 ( 8 ) 发光波长( b ) 正向电流和光功率的关系 l 叫讲 j”u枘 ( c ) 正向电压和正向电流的关系( d ) 辐射方向性 - ， f 舒 、 i l 、 l l i ( e ) 温度对光输出的影响( f ) 温度与允许正向电流的关系 1 4 柚 o f 材 付甜_ 膏 孵 村 帮 华东师范大学硕士论文 ( g ) 调制占空比和正向电流的关系 图3 2l 7 8 6 6 特性图 由图3 2 ( a ) ，l 7 8 6 6 的峰值发光功率在1 3 0 0 n m 左右，位于水分的吸收谷处， 其发光功率3 d b 带宽大约2 0 3 0 n m ，图( b ) 、( c ) 、( d ) 、( e ) 、( f ) ，( g ) 和l 7 8 5 0 的工作特性曲线基本一致，而且l 7 8 6 6 采用和l 7 8 5 0 相似的直接耦合方式和驱动 电路，因此2 个发射l e d 的工作情况大致相同，能够达到双波长测量时对光源的 要求。 3 1 2 红外探测器的选择 探测器的工作机理是利用光予与探测器中的电子相互作用以产生光电流，我 们把这类探测器称为光子探测器。由于不同波长的光子具有不同的能量，对于特 定的物质存在着特定的波长，如果光波长大于或者小于特定波长，光子与物质相 互作用的程度较弱，便无法有效探钡，这一特定波长就叫做探测器的响应截止波 长。因此，光子探测器一般都工作在特定的波段，表3 1 列举了一些目前常用的 各波段探测器 表3 1 常用的各波段探测嚣 波段( 波长)工作在该波段的典型红外光子探测器 短红外( o 7 1 1 胛)硅光电二极管( s i ) 近红外( 1 3 朋)铟镓砷( i n g a a s ) 、硫化铅探测器( p b s ) 中波红外( 3 5 朋1 )锑化铟( i n s b ) 、碲镉汞探测器( h g c ( 1 t e ) 长波红外、热红外( 8 1 4 i 矾) 碲锅汞探测器( h g c d t e ) 远红外( 1 6 加i 以上) 量子阱探测器( q w i p ) 选用的l e d 波长1 4 5 0 h m 和1 3 0 0 h m 属于近红外波长，由表3 1 可见要用铟镓 砷探测器( i n g a a s ) 或硫化铅探测器( p b s ) ，由于铟镓砷( i n g a a s ) 响应峰值在 华东师范大学硕士论文 1 6 0 0 n m - 1 7 0 0 n m 之间，而硫化铅探测器( p b s ) 响应峰值在2 2 0 0 n m 左右，所以选择 铟镓砷探测器( i n g a a s ) 。本系统使用的是中科院上海微系统所自行研制的i n g a a s 光电探测器，它的感应区域是# s m m ，t = 2 9 0 k 时，暗电流 1 9 9 r l a ，民- 1 3 1 k q ，掣- 1 0 3 q c m 2 ，d 二- 3 o e i o c m h z l 脍w ，其相应光谱响应 特性曲线如图3 3 所示。 o 5 o 、弦t a = 2 5 c 一， 、l ， 、 f l f 0 6o m1 01 2t 4t 61 8 2 0 ( p r o ) 图3 3 光电探测器的响应曲线 3 2 光纤传感器的设计思路 3 2 1 强度调制理论1 3 1 强度调制基本原理是待铡物理量引起光纤中的传输光光强变化，通过检测光 强的变化实现对待测物理量的测量，其原理如图3 4 所示。 s 图3 4 强度调制原理图 当一恒定光源发出的强度为i i 的光耦合光纤传感器的传感头中，经过光纤的 传输到达被测物体表面，光在被测物理量吸收作用下其强度发生变化，即受到了 外场的调制，使得输出光强p o 的包络线与被测信号有关，那么输出的光强在光电 华东师范大学硕士论文 探测器上所产生的输出电流i o 也同样为调制信号，信号处理电路再检测出调制信 号，就得到了被测信号。强度调制的特点是简单、可靠、经济，可采用多模光纤、 光纤连接器和耦合器。强度调制方式很多，大致可分为以下几种：反射式强度调 制、透射式强度调制、光模式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等等。 本文主要讨论反射式强度调制理论。本文所采用的光纤传感器是一种非功能 型光纤传感器，光纤本身只起传光作用这里光纤分为两部分：输入光纤和输出 光纤，即发送光纤和接收光纤该传感器是利用发送光纤将光源的光射向被测物 体表面，再从被测物体表面接受反射光到接收光纤中，其光强的大小和被测物体 表面性状、被测物理量、被测物体表面与光纤间的距离有关，而当距离一定和照 射在同一被测区域时，光强则与物质的被测物理量有关。 水分子对红外光的吸收性能随波长变化。在氢氧原子结合成水分子时形成一 系列原予键振动能级，这些振动能级的级差数值位于近红外光范围。当某波长光 子能量与水分子某能级差相近时候，最容易被吸收而引起能态跃迁，这就是近红 外波段存在多个水吸收谱峰的原因。由于水对光子吸收程度与水分子数量成正比， 所以用这种位于吸收峰波段的光能测量物质的含水量。 由库贝尔卡一蒙克理论( k u b e l k a - - m u n k 理论) ，有 l n 三墨+ 丑 ( 3 1 ) r5 式中r 为纸张样品的反射率；k 为其吸收系数；s 为其散射系数；而b 则为常数。 在一定的光强范围内，吸收系数k 与被测样品的水分含量c 之间呈如下关系 x-pc(3-2) 式中为比例常数。 考虑到反射率r 的定义 ， r-二(3-3) j o 式中i 。为人射光的强度；i 为反射光的强度。 将( 3 - 2 ) 、( 3 _ 3 ) 代入( 3 1 ) 式，我们可以得到 i n 生三c + 曰( 3 - 4 ) j5 所以水分值c 可以由下式得出 c f l n 量一口1 曼 ( 3 5 ) j ，g 因此只要测得i 、i 。和s 的值，就可知道样品的水分值。 1 7 华东师范大学硕士论文 3 2 2 光纤传感器的设计和分析 本文中光纤的导光作用可以用来设计系统的光路结构。在本系统研制过程 中，使用过单模光纤以及各种材质的多模光纤作为光纤传感器的传导介质，效果 较好的是玻璃光纤束制成的传感器，该传感器使用的是多模光纤。其技术参数如 表3 2 表3 2 玻璃光纤的技术参数 性能技术参数说明 光纤直径1 5 胛5 5 a n本系统采用5 5 a n 的光纤 数值孔径 o 6 0 光纤丝衰减3 0 0 6 0 0 d b k m 光纤强度 1 5 0 k g m m 传输光谱范围 3 8 0 n m 2 2 0 0 m n 1 瓣厂、， 光传输长度 5 0 m m 3 0 m 光透过率 t 5 0 血 t - - ( i i ) 1 0 0 其中：i 总光能量；i 通过传 光束后的光能量 端表面平面：光滑平整；通过光学冷加工处理传光束端表 环面：光滑及面形；面 斜 面：光滑及角度。 由表3 2 可见，光纤的直径为5 5 棚非常小，可以对其进行集束处理，由于 采用多模光纤其较大的数值孔径在集束的条件下，即使是直接耦合也能得到很好 的耦合效率和光斑面积。从表3 2 的传输光谱范围来看，红外l e d 所发射的1 4 5 0 r i m 和1 3 0 0 r i m 能很好的通过光纤，下面计算光透过光纤后的功率，也就是出纤功率： 由光纤丝的衰减参数得 3 0 0 + l s 口6 0 0 * l(db)(3-6) 式中口为衰减因子，单位是d b ，l 为光纤长度，单位是k m 。实际使用的光纤长度 华东师范大学硕士论文 为1 0 c m ，也就是1 0 。l a n ，那么有 0 0 3 口0 0 6( d b ) 计算最差情况有 。 口- 0 0 6 ( d b ) 又由光透过率有。 r - ( 手) * 1 0 0 潮 ， 假设参考光的发光功率为p i ，直接耦合的效率为c 1 ，并采用最差光透过率口= 5 0 ) 和衰减因子( 口- 0 0 6 ) ，那么可以得到出纤功率近似等于 - 1 0 - 。c j f z 0 4 9 3 c l p ( 3 - 8 ) 这里需要注明的是，由于采用两种波长来测量，因此其在光纤中的传输损耗 并不一致，虽然在长度非常短且是单根光纤的条件下这