（测试计量技术及仪器专业论文）液滴分析仪测试信号调理及其供液系统改进研究.pdf

中文摘要 液滴分析仪是利用液滴分析技术对液体进行综合分析的新型分析仪器，该仪 器在确定的测试系统条件下，在被测液体形成液滴的过程中，对被测液滴实施监 测，可获得有关该被测液体的物理、化学特性参数，对液体进行定性和量化识别。 与其它的分析仪器比较，液滴分析仪的特点是：可以直接或间接同时测出液体的 多种物理、化学特性的综合影响参数，进而可以对被测液体进行鉴别、检验的分 析作业。由于测量过程不存在任何化学反应，液滴分析仪是一种理想的“绿色仪 器”；液滴分析仪不仅综合功能强，而且容易用于在线测量，可应用在环境保护、 制药工艺、食品饮料等所有涉及液体检测的领域。 将光纤液滴分析技术得到的光强信号与电容液滴分析技术得到的有关液滴 体积的信号进行融合，可以获得“基于体积的液滴指纹图”，它表示的是光纤接 收端的光强信号随液滴瞬时体积变化的曲线。这种表达方式排除了供液速度和液 体挥发性等对液滴指纹图的影响，既提高了测量的重复性，也提高了指纹图的可 比性。 本课题旨在提高液滴分析装置的可靠性和实用性，并对典型样品进行实验分 析，为液滴分析仪的生产制造提供实用设计方案。课题的主要内容是在光纤、电 容液滴分析仪的基础上，解决及改进仪器中微量供液系统的控制，传感器信号采 集与调理等方面的问题。 本论文主要完成了以下工作： ( 1 ) 改进了由单个步进电机驱动的精密微量供液系统的控制方式，采用单片机 通过串口与步进电机驱动器相连，完全靠单片机程序完成步进电机的控 制，而不必使用原来控制方式中插在计算机插槽上的数字脉冲卡，使供液 装置脱离计算机成为一个相对独立的系统。 ( 2 ) 对光纤信号和电容信号的调理电路作了详细的分析，设计了改进后的光纤 信号调理电路并制作和调试电路板，提出了调频式、变压器电桥式两种对 电容信号进行测量的方法： ( 3 ) 对典型样品进行了测试实验，并对实验结果曲线“液滴指纹图”进行 了定性的比较分析。 关键词：液滴分析光纤、电容液滴分析仪液滴指纹图信号调理 a b s t r a c t t h ed r o pa n a l y z e ri san e wa n a l y t i c a li n s t r u m e n tw h i c hc a na n a l y z et h el i q u i d s y n t h e t i c a l l y t h ea n a l y z e rc a nm e o _ s i r ea n dd i s c r i m i n a t el i q u i d sq u a l i t a t i v e l ya n d q u a n t i t a t i v e l yb yt h ea f f e c t i o n so ft h e i rp h y s i c a la n dc h e m i c a lp a r a m e t e r s t h e m e a s u r e m e n ti so p e r a t e db ym o n i t o r i n gt h ed r o pf o r m a t i o np r o c e s su n d e rac e r t a i n m e a s u r i n gc o n d i t i o n c o m p a r i n gw i t ho t h e rl i q u i da n a l y s i si n s t r u m e n t s ，t h ed r o p a n a l y z e rg e t sm o r ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc o m p r e h e n s i v ep a r a m e t e r sd i r e c t l yo r i n d i r e c t l ys i m u l t a n e o u s l y t h ed r o pa n a l y z e ri st h ei d e a l g r e e ni n s t r u m e n t b e c a u s e t h e r ei s n ta n yc h e m i c a lr e a c t i o ni nt h et e s t i n gp r o c e s s ，t h ed r o pa n a l y z e rn o to n l yh a s t h es t r o n gs y n t h e s i st e s t i n gf u n c t i o n , b u ti ti se a s yf o ro n - l i n em e a s u r e m e n ta n dw i l l b ev e r yu s e f u li nt h el i q u i d sm e a s u r i n gf i e l d so fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，m e d i c i n e ， d r i n ka n ds o0 1 1 a r e p r e s e n t a t i o no fv o l u m e b a s e df i b e rd r o pt r a c e ( v f d t ) i st h e nd e v e l o p e db y m e r g i n gf i b e rd r o pa n a l y s i s ( f d a ) a n dc a p a c i t i v ed r o pa n a l y s i s ( c d a ) ，w h i c h s h o w st h er e l a t i o nb e t w e e nt h el i g h ti n t e m i t ya n dt h ei n s t a n td r o pv o l u m e ，i n s t e a do f t i m e i tm a k e st h ef d t i n d e p e n d e mf r o mt h es p e e do f d r o pg r o w t ha n dt h ev o l a t i l i t y o fl i q u i d s a n da c c o r d i n g l ye n s u f e st h er e p r o d u c i b i ! i t yo fm e a s u r e m e n ta g a i n s tt h e v a r i a t i o no ft h ef e e d i n gs p e e do ft h ep u m p i na d d i t i o n , t h ev f d ti sm o r ef a v o r a b l e f o rf r e ed i s c r i m i n a t i o no f l i q u i d ss i n c ei ti m p r o v e st h ec o m p a r a b i l i t yo ft h ef d t so f d i f f e r e n tl i q u i d s t h i sp r o j e c ta i m st on l a k et h ed r o pa n a l y s i se x p e r i m e n t a ld e v i c eb e c o m ea d e p e n d a b l ea n dp r a c t i c a l ，i n s t r u m e n t a t i o na n dt om a k es o r t i ea n a l y s i so ft h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f t y p i c a ls a m p l e s i ti st h ep u r p o s eo f t h i sp a p e rt oi n t r o d u c et h e s y s t e m i cp r o j e c to ff c d aa n dt h ei m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g yo fi t sc o m p o n e n t s ，t o s o l v ea n di m p r o v et h ep r o b l e m si nm e c h a n i c a lc o n s t r u c t i o n , d a t aa c q u i s i t i o n , s i g n a l p r o c e s s i n ga n ds y s t e mc o n t r 0 1 n l cw o r ko f t h i st h e s i si n c l u d e s ： ( 1 ) am i c r o f l o w - f e e d i n gp u m pa c t u a t e db yas i n g l es t e p p i n gm o t o ra n dc o n t r o l l e db y t h ec o m p u t e rs o f t w a r ei sd e v i s e dt oe n s u r et h a tt h ed r o pi ss l o w l yd e l i v e r e da n d e r q u a s i - e q u i l i b r i u mc o n d i t i o n ( 2 ) t h ep r o c e s s i n gc i r c u i t so ff i b e rs i g n a la n dc a p a c i t i v es i g n a la r ei n t r o d u c e di n d e t a i l m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o na r eu s e dt oe x c l u d et h ep o s s i b l ei n f l u e n c eo f a m b i e n tl i g h ti nf d a t w om e t h o d sa p r e s e n t e di nc a p a c i t i v es i g n a l m e a s u r e m e n t , w h i c h 黜f r e q u e n c ym o d u l a t i o na n dt r a n s f o r m e rb r i d g em e t h o d ( 3 ) e x p e d m e n t so ft y p i c a ls a m p l e sa r ec o m p l e t e da n dq u a l i t a t i v ec o m p a r i s o na n d a n a l y s i sa r cp r e s e n t e d k e y w o r d s ：d r o pa n a l y s i s ，f i b e r - c a p a c i t i v ed r o pa n a l y z e r , d r o pt r a c e ，s i g n a l p r o c e s s i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 毕论文作者签名：球厉7 桶签字日期妒( 年月f t 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基盗苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘芏可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：缘黼导师签名： 签字日期：7 6 年月乙舀签字日期伊彩年月矿日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 液滴分析技术概述 第一章绪论 1 1 1 液滴分析技术的提出及其研究意义 作为世界上最大的发展中国家，我国在实现经济快速发展的同时，把可持续 发展上升到国家战略的高度，郑重声明保护生态环境是我国的基本国策。我们看 n - 大到西部开发、城乡建设，小到企业规划，产品设计，首先考虑的都是环境、 生态和可持续发展；绿色食品、饮料、医疗保健药品等无污染环保产品也成为消 费的热点。因此，人们对污染的控制、对饮食、医药和工业用液的质量监测都提 出了更多、更高的要求，迫切需要功能更强、使用更方便的分析方法和仪器。 液滴分析技术就是在这种环境下应运而生的一门高新技术。液滴分析技术指 的是在一定测试系统条件下，在被测液体形成液滴的过程中，采用各种手段对被 测液滴实施监测，以获得有关该被测液体的物理、化学特性参数，对液体进行定 性和量化识别的技术。 液滴分析技术主要有以下几个特点： 第一，利用液滴分析技术只需要通过监测被测液体的液滴生长过程就可以直 接或间接地同时测出液体的多种物理、化学特性参数，如：表面张力、折射率、 浓度、黏度、吸光度、浑浊度、颜色、蒸发率、液体的化学成分和有关的液体电 特性参数等等。如果采用传统的仪器分析方法，如电分析怯、光谱分析法或分离 分析法，则需要分别使用多种仪器，而且得到的数据相关性也不好，有的装置还 很复杂，价格昂贵，使用不方便。 第二，通过液滴分析技术得到的“液滴指纹图”，可以作为鉴别两种液体细 微差别的依据，由此可以用来鉴别液体的真伪，如：假酒、假药和假饮料等。 第三，液滴分析技术容易实现在线监测，可以用来监控液体生产的工艺环节。 第四，液滴分析方法无需任何化学试剂，不发生化学反应，因此没有二次污 染问题，是一条设计“绿色仪器”的理想技术路线。 上述优点使得液滴分析技术在海洋污染监测、水资源保护、制药工艺、食品 饮料及工业用液等所有涉及液体检测的领域中显现出十分广阔的应用前景。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 i i 2 液滴分析技术的国内外发展概况 早在一个世纪以前，t a t e 等人就通过实验提出，液滴的体积( 重量) 与形成液 滴的毛细管的直径成比例“m 1 。此后，人们逐步认识到液体的某些特性与液体在 一定条件下形成液滴的特性关系密切，例如，在一定条件下液滴的体积大小与液 体的表面张力、粘度、浓度等特性有关，因此，出现了以测量液滴体积为基础的 液滴分析方法。 1 9 9 2 年，爱尔兰的m c m i l l a n 博士等人提出了光纤液滴分析的实验方法嘲， 其原理是通过两根插入液滴的光纤分别将光导入液滴并获取经过液滴反射、吸收 后的光信号，由此得到接收光强随时间变化的曲线，它反映液体的多种特性且在 确定条件下具有唯一性，称为“液滴指纹图”。 m c m i l l a n 博士将光纤技术用于液滴分析是液滴分析技术的一个里程碑。由 于光纤的特殊传光本领，使得光纤液滴传感器可以在液滴内部探测液体的特性参 数，从而增加了揭示液体内在特性的手段。对于液滴指纹图的研究，例如，在规 律机械振动情况下信号的变化，以及利用液滴指纹图对液体进行识别等方面，也 有相应的报道“n ”。 光纤液滴分析技术是从光学角度出发，在液滴形成过程中获得被测液体的特 性，它不能直接测出液滴的体积。天津大学的王春海博士等人于1 9 9 9 年提出了 电容液滴分析的方法嘲，由滴头和环形极板构成特殊的电容传感器，将液滴生长 过程中的体积变化转变成电容传感器电容量的变化。通过电容液滴分析方法可以 获得任意时刻的液滴体积值，其前提是被测液体的介电常数已知或者可以实时测 量获得。 由于光纤液滴指纹图反映的是光信号随时间变化的规律，这实际上意味着液 滴生长速度不仅要慢而且要非常稳定，以达到所谓准平衡状态，在此状态下所测 量的结果才能反映被测液体的物理、化学性质。而液滴生长速度本质上是由供液 系统对毛细管流量的定量控制决定的，因此这无疑在实践中对供液系统的设计和 制造都提出了非常高的要求。如果液滴生长速度不能精确控制在要求范围内，那 么就无法保证测量的重复性和指纹图的唯一性。 ，基于光纤液滴分析技术和电容液滴分析技术，天津大学的裘祖荣博士提出了 “基于体积的液滴指纹图”，它表示的是光纤接收端的光强信号随液滴瞬时体积 变化的曲线埘4 1 。该表达方式解决了以时间为基准的液滴指纹图受供液系统流量 稳定性影响的难题，排除了液滴生长速度和液体挥发性对液滴指纹图的影响，既 提高了测量的重复性，也提高了液滴指纹图的可比性。同时，光纤、电容液滴分 析技术使液滴分析涉及了被测液体更多的特性，从而能够更全面地分析、鉴别被 天津大学硕士学位论文第一章绪论 测液体。 1 2 光纤、电容液滴传感器 1 2 1 光纤液滴传感器 光纤是光导纤维的简称瑚，它是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圆 柱形。它把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束在其界面内，并 引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤最早在光学行业中用于传光及传像。随 着低损光纤的出现，光纤在通信技术中用于长距离传递信息。但是光纤不仅可以 作为光波的传播煤质，而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量( 振幅、相 位、偏振态、波长等) 因外界因素( 如温度、压力、磁场、电场、位移等) 的作 用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤作用传感元件来探测各种物理量。 光纤传感器可分为传感型和传光型两大类嘲。利用外界因素改变光纤中光的 各种特性参量，从而对外界因素进行测试和数据传输的，称之为传感型( 或功能 型) 光纤传感器。它具有“传”“感”合一的特点，信息的获取和传输都在光纤 之中。传光型光纤传感器是指利用其他敏感元件测得的物理量，由光纤进行数据 传输，光纤液滴传感器即属于此类。与传统的传感器相比，光纤传感器有它自身 的优点： ( 1 ) 抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，本质安全。 ( 2 ) 测量灵敏度高，对象广泛。 ( 3 ) 重量轻，体积小，外形可变。 ( 4 ) 对被测液体影响小，这对于医药生物领域的应用极为有利。 ( 5 ) 便于复用，便于成网，成本低。 光纤液滴传感器的工作原理是由光源发出的光，经过输入光纤导入液滴；光 线在液滴内部经完全内反射、透射及液体吸收等作用，部分进入输出光纤作为信 号传出。这部分传出光的光强度变化，包含了液滴的物理、化学综合特性信息。 图卜l 至图1 - 3 是几种用于液滴分析的光纤液滴传感器。图卜l ( a ) 所示的 光纤液滴分析传感器是由液滴滴头、输入、输出光纤和供液毛细管组成的。其特 点是圆柱形滴头，垂直插入的两根光纤与毛细管平行等。图1 - 1 ( b ) 与图卜1 ( a ) 基本相同，只是滴头底端面呈内凹型，其目的是为了增加液滴的自湿润性能。图 卜2 所示的光纤液滴传感器，其输入、输出光纤是斜向插入滴头的。图1 - 3 为圆 锥形滴头，输入、输出光纤斜向插入，被测液体从供液毛细管横向直接从锥面流 出，形成液滴。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 、| f ll r | 黻、煳斛j 献 闷一够黻 图1 - 2 圆柱形光纤斜插式液滴传感器 供液毛细管 供液毛细曹 图卜3 圆锥形光纤斜插式液滴传感器 现在所采用的滴头的结果如图卜4 所示，它是由滴头芯柱和滴头环构成的。 滴头芯柱的柱体内开有三个对称的通孔，其中的两个插入输入光纤，另外一个插 入输出光纤；柱体的圆周上开对称的三个滴头通道组合面，流入的液体顺着滴头 组合面流到滴头端部和滴头环一起形成液滴。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 输出光扦 图卜4 分离式光纤液滴传感器 图卜5 是液滴不同生长时刻输入、输出光纤的传光情况。图中光纤端面突起 部分为光纤有效出光、收光端面；图中所画的路径，是在液滴内部遵循t i r 反射 的光线路径。在收光角度范围内进入输出光纤的光，将在光纤内以较小的光能损 失继续传播，并被探测器接收，经过信号处理电路，得到如图1 - 6 所示的光信号 曲线，液滴生长时刻与图卜5 中相对应。 眇蟛炒炒眇 妙哟心芍 6 图卜5 液滴不同生长时刻输入、输出光纤的传光情况 1 0 时间序歹0 图1 6 一个液滴周期内液滴不同生长时刻的光纤信号 从图卜5 可以看出，在时刻1 、2 情况下，输入光纤的光经液滴内表面反射 后几乎不能进入输出光纤接收端，所以图卜6 上1 、2 时刻的信号值也几乎等于 妒姆斯鬟 天津大学硕士学位论文第一章绪论 零。在图卜5 中3 、8 时刻之间，由液滴轮廓和大小的变化引起光反射角和光程 的变化，使得进入接收光纤端面的光强信号在图1 - 6 中出现一个由波峰到波谷的 曲线；其中3 、4 时刻由于液滴轮廓形状形成了有利的反射角和较短光程，所以 这时的信号值达到最大。在时刻9 液滴即将分离，反射光路突然变化，光程变 短，传光时间也变短，所以在图卜6 中出现了一个尖峰值。显然，由于输入、输 出光纤的数值孔径和位鼍固定不变，接收光纤收到的信号是随不同时刻液滴生长 情况的变化而变化的。实验证明，在一定的测试系统条件下，经过液体液滴的光 信号，随液滴生长而变化的记录曲线是唯一的。因此，称这样的曲线图为液体的 “液滴指纹图”。 根据液体的液滴指纹图，可以对液体进行定性和量化识别。进一步分析， 还可以标定出被测液体的某些物理、化学参数，如表面张力，粘度、浓度等。 当然，这个基于时间的液滴指纹图还有很多不足，第一是不能直接测出液 滴的体积；第二由于它反映的是光信号随时间变化的规律，因此易受供液速度、 液体挥发等因素的影响。利用电容液滴分析技术或图像液滴分析技术我们将能够 得到被测液滴的体积信息，并可以结合光强信息得到“基于体积的液滴指纹图”， 具体分析请见第五章。 1 2 2 电容液滴传感器 液滴特征的大量信息可以在监测液滴形成的过程中获得。光纤液滴分析技术 不能直接测出液滴的体积，它是从光学角度出发，探求被测液体的特性参数；因 而，实际上和测量体积原理没有直接联系。电容液滴分析技术是从电学角度出发， 寻找液滴体积与液滴电容传感器信号的相互关系，将液滴生长过程中的形状变化 信息转变为电容传感器的电容量变化，进而达到监测液滴形成过程和测量液滴体 积的目的。 电容传感器已经广泛地用于尺寸测量，这种方法的优点是精度高并且可以进 行非接触测量。一般情况下，用于测量的电容传感器有两种形式，一种是平板电 容，一种是圆柱形电容。 图l _ 7 是平板电容传感器用于液滴分析的情况。液滴位于两平行平面极板之 间，液滴的生长变化相当于极板之间介质的复合介电常数在变化，从而引起电容 量的变化。但实际上由于液滴的特殊形状，只有极板中心的部分靠近液滴，所以 液滴生长的全部变化过程只能引起大约1 5 的电容量变化。作为传感器这样的 信号显然是太微弱了。为了提高电容量随液滴生长变化的百分率，可以缩小板极 的面积，但这样做也同时会使总的电容量减少；要保持容抗不变，就必须使传感 天津大学硕士学位论文第一章绪论 。雌漓袅 l 对i ，一弹器 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 忽略边界效应。 简化后的模型如图1 _ 8 ( b ) 所示。这样，液滴在从残留液滴到分离全过程的 电容变化可近似地看成是一个同轴圆柱电容器的电容变化。其电容量的计算推导 如下： 假设滴头( 包括液滴) 和环形极板分别带有电量+ g ，一q ，电荷是均匀分布的， 每单位长度上的电量为a ( c m - 1 ) ，有q = 刀，f 为极板长度( m ) 。在液滴和环 形电极之间、离开圆柱轴线距离为r ( m ) 点处的场强e ( n c - 1 ) 为： e ：i( 1 1 ) 知岛z o r 中岛是真空介电常数，e 0 = 8 8 5 1 0 - 1 2 ( c 2 ，n 一1 1 1 2 ) ；乞为空气的相对介电常 数，无量纲。 根据场强和电位梯度的关系：e ：一_ d u ( 卜2 ) 得：d u = 一f a r = 一= 与d r ( 1 3 ) 设液滴表面和环形电极内表面的电位分别为：u 。和u 。，由积分得： 乒u s 南垮 m t ， 玑一= 土2 玎s o s ol n 譬 ( 1 _ 5 ) c = 矗= 旦u = 警 ( 1 _ 6 ) 乩一, - u 1 n 墨 根据上述结果，在液滴生长过程中，电容液滴传感器的电容变化可近似表达 为； c - 掣 ( 1 - 7 ) 式中岛为真空介电常数，厶为环形电极与液滴之间的空气的相对介电常数， h 为液滴底部至残留液滴底部的高度( h 随液滴生长过程而变化) ，r 为环形电 极的内圆半径，为液滴半径。 根据图i - 8 ( b ) 简化模型，液滴的瞬时体积为v = 兀r 2 h ，则可得电容增量 a c 与液滴体积v 的关系为： 们2 繁 m 8 ， 令： ：，2 l n 墨 ( 卜9 ) 天津大学硕士学位论文第一章绪论 则有：矿：0 - c 2 岛乞 ( 1 - 1 0 ) 根据假设条件，、r 是常量，所以k o 亦为常数。但实际上由于液滴轮廓形 状并不存在，为常数的情况，因而也不会是常量。 百： i a 善： 图卜9k 与，的关系图 图卜9 是r = s m m 时一r 的关系曲线。在极大值点附近，曲线平滑，其 物理意义就是随，的变化最小。为求极大值，将k o = ，2 1 1 1 兰对，求导： k o = 2 r i n 2 舟拳) = 2 r l n m m 令：瓦：0 ，则有：l n 墨：委，即r ：下r ：0 6 0 6 5 r 。 rz p 计算表明，当取胄= 5 m m ，若，取值范围在2 8 0 m m ， 2 7 3 阮c1 舟v c ce l 接通 ( 2 舟v c c 1 3v c ch原态原态 2 3 既c 1 船v c c he 关断 表15 5 5 功能表 。 一 一 l 当c o 端不加电压时，输入触发电压加在t r 端，只要t r 端电压小于y c c ， j 且此时t h 端电压小于；矿c c ，则电压比较器c 2 输出r = 1 ，q = 0 使甜。= l ；若输 j 1 入触发电压加到t h 端，当t r 端电压大于矿c c ，1 h 端电压大于矿c c 时，则 电压比较器c l 输出s = 1 ，基本r s 触发器q = l ，使甜。= o ：所以称t h 为高电平触 1 发端，t r 端为低电平触发端。当t r 端电压大于妄矿c c ，t h 端电压小于兰v c c jj 时，输出“。保持不变。当夏端加低电平，则输出u 。= o 。当c o 端外加电压时， 则会改变比较器c 和c ：的参考电压，故c o 端是电压控制端。5 5 5 功能表见表1 。 5 5 5 振荡器是目前应用最多的一种时基电路。此电路优点是振荡频率稳定， 受电源电压和温度变化影响很小。这是因为比较器灵敏度高，且采用差分形式。 而且，它的静态电流较小，一般在8 0 “a 左右；功耗小，最大为3 0 0 r o w ：输入阻 抗较高；电源电压范围较宽，在3 - 1 8 v 范围均可正常工作等。 3 2 1 35 5 5 用于光源调制 将n e 5 5 5 振荡器的t h 端与千瓦端接一起，再外接电容、电阻，构成多谐振 “ 罟c 专阼c fi ! 一天 ￥磁￥肆 ili ：il i jili 广i 一 上 ( a ) 电路图 ( b ) 波形图 图3 - 35 5 5 构成多谐振荡器用于光源调制 电源接通对c 6 充电，其充电回路为v c c 专局斗胄2 专马斗c 6 一g n d ，当 小于；y c c 时= 1 ，t 截止( 结合图3 2 ) ，继续升高；u c 升到大于詈矿c c ， 天津大学硕士学位论文第三章光纤信号调理电路的设计 则甜。= o ，t 导通，于是电容c 6 通过马和放电管放电，放到“。小于 矿c c 时，使 j u o = 1 ，t 又截止，于是又对c 6 充电，周而复始。所以。在 y c c 和詈矿c c 之间变 化，输出“。为矩形波，波形图如图3 3 ( b ) 。 由充放电回路可知，充电时间常数为= ( 墨+ r ：+ r ，) c 6 ，放电时间常数 为= r 3 c 6 。由r c 电路瞬态响应三要素公式，可求得图3 - 3 ( b ) 中所示的上升 时间f 。和下降时间瓴分别为： h ( 马+ 局+ 马) c ：i n 2 t 忍r 3 c 6 1 1 1 2 贝u ：t = t e n4 - t e l ( 蜀+ r 2 + 2 r 3 ) c 6l n 2 ( 3 1 ) ，：一1 ； ! ：塑 。 r ( r i + r 2 + 2 马) c 6 ；j 竺l 巧：9 9 7 9 k h z 。1 0 k h z ( 3 2 ) = = # ；、) 。厶， 占空比为： 鱼：墨垒鱼 f p h + t p lr l + r 1 + 2 r 3 5 1 2 ( 3 - 3 ) 虽然5 5 5 振荡器受电源电压影响很小，但为了工作更加稳定，在振荡器之前 加入稳压器m c 7 8 1 2 k ( 图3 - 3 中未标示) ，将外部提供的+ 1 5 v 电压调节为稳定的 + 1 2 v 电压。 5 5 5 的输出电压通过电阻凡、匙产生电流，加在发光二极管s f h 4 5 0 上，因 此其发出的光信号置于1 0 k h z 载波中。调节电阻凡可以调节二极管光电流。 s f h 4 5 0 的光谱峰值为9 5 0 r i m ，光谱宽度为5 5 r i m 。 3 2 2 光电转换及前置放大电路 输入光纤将发光二极管s f h 4 5 0 发出的调制光导入液滴，光线在液滴内部经 过反射、散射、吸收等作用，由输出光纤在确定位置接收耦合后的光信号，送入 光电转换元件一光电二极管s f h 2 5 0 ，将光照度信号变为反向电流信号。 转换后的电流信号需进一步转换成易处理的电压信号，并进行放大。这一部 分由放大器来完成。 本电路使用的放大器是0 p 0 7 芯片。0 p 0 7 是一个精确运算放大器，它具有低 输入补偿电压、低输入补偿漂移和低输入电流偏移等特性。另外，0 p 0 7 的电源 电压范围很宽，可在3 - 1 8 v 内变动，0 p 0 7 有良好的线性、高输入阻抗以及高开 环增益，这些都使它在高增益测量应用中十分有用。 图3 - 4 所示为光电转换及前置放大电路。 天津大学硕士学位论文第三章光纤信号调理电路的设计 矗，2 m q 图3 - 4 光电转换及前置放大电路 放大器之后接的电容g 是起高通滤波的作用，通过高频调幅信号，阻止低 频环境光的干扰。 3 2 3 线性检波电路【1 6 1 由光电转换及前置放大电路输出的为调幅信号，即1 0 k h z 的载波信号的幅值 随调制信号变化，调制信号为与液滴特性相关的光强信号。 从己调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。对于一般调幅波，只要 用二极管、晶体管或其它具有单向导电性能的元件截去其下半部分( 负值) ，然 后用电阻和电容组成的低通滤波器滤去其高频成分，剩下按已调波包络线变化的 低频成分，就可恢复出调制信号，这种检波方式称为包络检波。 由于二极管、晶体管等元件实际上都有一定的死区电压，其特性也是一根曲 线，偏离理想特性，这将会给检波带来误差。在精密测量与控制中，为了提高检 波精度，应该采用精密检波电路，或称线性检波电路，它包括半波整流器、全波 合成与低通滤波器，如图3 5 所示。 + t t o + 1 2 v 图3 5 线性检波电路 图中o p 0 7 的输入电压，由外部供电电源+ 1 5 v 、一1 5 v 经稳压器b l c 7 8 1 2 k 和 m c 7 9 1 2 k 调节后，变为+ 1 2 v 、一1 2 v 供给( 图中未标示) 。 半波整流器在调幅波玑的正半周输出为0 ，负半周的输出为： p 甜，= 一旦u = 一”。( 3 - 4 ) 1 电路中加入d 反馈回路，一是为了防止在蚝的正半周期因d ：截止使运放处 天津大学硕士学位论文第三章光纤信号调理电路的设计 于开环状态而进入饱和，另一方面也使h 在两个半周期负载基本对称。 为了构成全波检波，将通过胄。与”：相加。将可调电阻马。调到 r l o = 2 r i l = 2 0 k q ，则在无电容g 时，全波整流的输出为： 铲一缸+ 抄 丽2 0v t u i 叫“的正半励 ( 3 5 ) 一等( ”争姒啪负半周) “ c 8 、r 。：构成低通滤波器，对于低频信号电容c 8 接近开路，对于载波高频 信号电容c 8 接近短路，它使高频信号受到抑制。 由于这部分电路增益为1 ，对信号不会进行放大。 3 2 4 反相放大电路 由于a d 转换的输入信号范围设置为0 v 一1 0 v ，因此检波电路输出的电压需 要通过反相放大电路，如图3 - 6 所示，输出电压为： “o 一一半蚝 仔6 ， 调节图中电位器且，可调整电路的增益。 图3 - 6 反相放大电路 3 2 5 a d 转换 a d 转换卡的型号为p c 一6 3 1 9 d 光电隔离模入接口卡。其转换分辨率为1 2 位， a d 转换时间为1 0 f l s ，系统最快采样速率为1 5 k h z ，系统综合误差小于0 2 f s r 。 输入通道设置为“单端3 2 路”方式，即各路输入信号共用一个参考电压( 共地) ； 信号范围设置为o y - l o y 。 电路输出的模拟电压信号经a d 转换后变为数字信号，由计算机控制采集并 进行数据处理。 天津大学硕士学位论文第三章光纤信号调理电路的设计 3 3p c b 电路板的制作 测量电路在分析仪中占有很重要的地位。它的信号好坏，直接关系到计算机 信号处理的结果，从而关系到整个仪器的正确性、可用性和精确性等指标。所以， 我们有必要使电路的测量具有真实性和正确性，确保以后的工作能够顺利进行。 一台性能优良的仪器，除选择高质量的元器件，合理的电路外，印刷电路板的元 件布局和电气连线方向的正确结构设计是决定仪器能否可靠工作的一个关键问 题。对同一种元件和参数的电路，由于元件布局设计和电气连线方向的不同会产 生不同的结果，其结果可能存在很大的差异。因而，必须把如何正确设计印刷电 路板元件布局的结构和正确选择布线方向及整体仪器的工艺结构三方面联合起 来考虑。合理的工艺结构，既可消除因布线不当而产生的噪声干扰，同时便于生 产中的安装、调试与检修等。 3 3 1 设计目标 接受到一个设计任务，首先要明确其设计目标，是普通的p c b 板、高频p c b 板、 小信号处理p c b 板还是既有高频率又有小信号处理的p c b 板。如果是普通的p c b 板，只要做到布局布线合理整齐，机械尺寸准确无误即可。如有中负载线和长线， 就要采用一定的手段进行处理，减轻负载，长线要加强驱动，重点是防止长线反 射。当板上有超过4 0 m h z 的信号线时，就要对这些信号线进行特殊的考虑，比如 线间串扰等问题。如果频率更高一些，对布线的长度就有更严格的限制。根据分 布参数的网络理论，高速电路与其连线间的相互作用是决定性因素，在系统设计 时不能忽略。随着门传输速度的提高，在信号线上的反射将会相应增加，相邻信 号线间的串扰将成正比地增加，通常高速电路的功耗和热耗散也都很大，在做高 速p c b 时应引起足够的重视。 当板上有毫伏级甚至微伏级的微弱信号时，对这些信号线就需要特别的关 照。小信号由于太微弱，非常容易受到其它强信号的干扰，屏蔽措施常常是必要 的，否则将大大降低信噪比。以致于有用信号被噪声淹没，不能有效地提取出来。 对板子的调测也要在设计阶段加以考虑，测试点的物理位置，测试点的隔离等因 素不可忽略，因为有些小信号和高频信号是不能直接把探头加上去进行测量的。 此外还要考虑其他一些相关因素，如板子层数，采用元器件的封装外形，板 予的机械强度等。在做p c b 板前，要做到对设计目标心中有数。 在本章中所设计的光纤信号调理电路的电路板制作中，作者采用表贴元件代 替原先所使用的直插元件，目的是为了减小元器件之间的相互干扰，降低功耗。 天津大学硕士学位论文第三章光纤信号调理电路的设计 3 3 2 电路设计方法 首先对所选用元件器及各种插座的规格、尺寸、面积等有准确了解；对各部 件的位置安排作合理的、仔细的考虑，主要是从电磁场兼容性、抗干扰的角度， 走线短，交叉少，电源、地的路径及去耦等方面考虑。各部件位置定出后，就是 各部件的连线，按照电路图连接有关引脚，完成的方法主要有印刷线路图的自动 设计与手工设计两种。 最原始的是手工排列布图。这比较费事，往往要反复几次，才能最后完成， 这种手工排列布图方法对刚学习印刷板图设计者来说比较合适，也是很有帮助 的。用软件自动布图，在布图线之前需要设定好一些参数，计算机会根据实际的 情况按照参数要求自动布局。也可以选择不同的区域分块进行自动布图线，剩余 的加以手工布图线可以完成，这样做灵活性比较大，容易取得满意的结果。我在 实际布图过程中，就是采用这种混和的方法。 接着，确定印刷电路板所需的尺寸，并按原理图，将各个元器件位置初步确 定下来，然后经过不断调整使布局更加合理。印刷电路板中各元件之间的接线安 排方式如下： 1 布线方向：从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致， 布线方向最好与电路图走线方向相一致。因生产过程中通常需要在焊接面进行各 种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修( 注：指在满足电路性 能及整机安装与面板布局要求的前提下) 。 2 印刷电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、 “绕”两种办法解决。即，让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处 “钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去。在特殊情况下如果电 路很复杂，为简化设计也允许用导线跨接，解决交叉电路问题。 3 电源输入端电容的使用：一般情况下，需要加一个大的有极电容和一个 小的无极电容。大电容的作用是防止电源端开关对芯片的冲击，有一定的保护作 用。小电容则去掉电源产生的自激信号，平滑电源的波动，减少电源上的噪声。 图3 7 是电路板中的电源接线图。 天津大学硕士学位论文第三章光纤信号调理电路的设计 - 1 # 图3 - 7 电源接线图 4 电位器、i c 座的放置原则 ( 1 ) 电位器：用来调节输出电压。故设计电位器应满足顺时针调节时输出 电压升高，反时针调节器节时输出电压降低。本仪器中为了调节方便，电路中的 电位器都通过导线引出，固定在仪器机箱的面板上，方便实验人员的操作。 ( 2 ) i c 座：设计印刷板图时，在使用i c 座的场合下，一定要特别注意i c 座上定位槽放置的方位是否正确，并注意各个i c 脚位是否正确。例如第1 脚只 能位于i c 座的右下角线或者左上角，而且紧靠定位槽( 从焊接面看) 。 5 同级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接 在该级接地点上。特别是本级晶体管基极、发射极的接地点不能离得太远，否则， 因两个接地点间的铜箔太长会引起干扰与自激。采用这样“一点接地法”的电 路，工作较稳定，不易自激。 总地线必须严格按高频一中频一低频一级级地按弱电到强电的顺序排列原 则，切不可随便翻来复去乱接，级与级间宁可接线长点，也要遵守这一规定。高 频电路常采用大面积包围式地线，以保证有良好的屏蔽效果。 强电流引线( 公共地线，功放电源引线等) 应尽可能宽些，以降低布线电阻 及其电压降，可减小寄生耦合而产生的自激。 在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求走线合理，少用外接跨线，并 按一定要求走线，力求直观，便于安装，高度和检修。 天津大学硕士学位论文 第四章电容信号调理电路的设计 第四章电容信号调理电路的设计 。电容传感器转换电路的功能是将电容量转换成电压或电流，常用的有调频电 路、电桥电路、脉冲调宽电路和运算放大器式电路等“”。 调频电路原理是将电容传感器接入高频振荡的l c 谐振回路中，作为回路的 一部分。当被测量变化使传感器电容改变时，振荡器的振荡频率f = 1 ( 2 z r & c ) 随之改变。测定频率，或者经鉴频器将频率变化转换成电压幅值的变化，就可以 测得被测量的变化。 电桥电路原理是将电容传感器接入交流电桥作为电桥的一个臂，另一臂为固 定电容；或者在差动情况下接入电桥的相邻两个臂，另外两个臂是电阻、电容或 电感，也可以是变压器的两个二次线圈。电桥输出电压随电容量变化而变化。 由于电容液滴传感器的初始电容量约为l o p f ，而且液滴形成过程的电容变 化量的数量级只有l o - 1 p f ，因此液滴电容传感器的处理电路设计比较困难，必须 尽量减小和消除电缆电容、寄生电容等的影响。 下面分别介绍采用调频和调幅原理对电容量进行测量的设计方法。 4 1 调频式电容信号调理电路 将电容液滴传感器接在振荡器中，电容量的变化将引起振荡器输出信号的频 率变化，利用单片机及8 衢4 高速计数芯片测量频率再送计算机进行数据处理， 即可得到有关电容变化信息。调频式电路原理框图如图4 1 。 4 1 1 振荡电路 图4 - 1 调频式电容信号调理电路原理框图 电路中振荡器使用的芯片是m a x 0 3 8 “”。 i l h x 0 3 8 是一个高频率、精确的信号发生器，用最少的外围元件就可以产生 精确高频的三角波、锯齿波、正弦波、方波和脉冲。通过一个内置的2 5 v 的参 考电压和外围的电阻、电容元件，它的输出频率可在0 1 h z 到2 0 m h z 内变化。 天津大学硕士学位论文第四章电容信号调理电路的设计 图4 2m a x 0 3 8 振荡器用于调频电路 图4 2 是m a x 0 3