（光学工程专业论文）光纤液滴传感器系统设计.pdf

哈尔滨工稃大学硕+ 学位论文 摘要 光纤液滴传感器是一种用于液体特性研究的新型仪器，该仪器是利用被 测液滴的形成过程与液体成份之间的关系而制成的一种测试传感器。提取随 着液滴下降过程而变化的光强变化轨迹，获得反映液体的物理、化学性质的 “光纤液滴指纹图”。通过分析液滴指纹图，可以得到一些相关的信息，用来 鉴别液体。 本文首先概述了光纤液滴分析技术的原理及其发展历程，论证了其运用 于实践的可能性，阐述信号相关理论在液滴分析中的作用。然后根据光纤液 滴传感器的基本原理进行了传感器的具体结构、光路、电路设计，搭建了光 纤液滴传感器的试验平台光纤液体成分分析演示仪。最后提出了光纤液 滴传感器在线监测的思想，并利用市面上一款通用的可编程d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 实现了实时信号处理模块的设计。 关键词：光纤液滴传感器；光纤液滴指纹图；信号相关；数字信号处理 哈尔滨t 程大学硕十学t ：) ：论文 a b s t r a c t t h eo p t i c a lf i b e rd r o ps e n s o ri san e wt y p eo fm a c h i n ew i t hw h i c ht h e c h a r a c t e r so ft h e t e s t e d l i q u i d a r em e a s u r e d i t sp r i n c i p l ei sb a s e do i lt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed r i p p i n gp r o c e s sa n dt h ec h a r a c t e r so ft h el i q u i dt ob e t e s t e d m o n i t o r i n gt h ev a r i e t yo ft h el i g h ti n t e n s i t yd u r i n gt h ed r i p p i n gp r o c e s s ， t h ef i b e rf i n g e r p r i n td r o pt r a c e ，s h o r t l ya sf f d t , c a nb eg o t t e nt h r o u g ha n a l y z i n g t h ed r i p p 啦p r o c e s sw h i c hr e f l e c t st h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r so fl i q u i d s a m p l e s a n a l y z i n gt h ef i n g e r p r i n td r o pt r a c e ，s o m ei n t e r r e l a t e di n f o r m a t i o nc a n b eo b t a i n e dt od i s c r i m i n a t es o m ed i f f e r e n tl i q u i d s f i r s t l y , i nt h et e x t , t h ep r i n c i p l ea n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so f t h eo p t i c a lf i b e r d r o pa n a l y s i st e c h n o l o g ya r ee m p l o y e d a n dt h eo p t i c a lf i b e rd r o pa n a l y s i s t e c h n o l o g yi st e s t e dt oh a v et h ep o s s i b i l i t yf o ru s i np r a c t i c e a tt h es a n l et i m e ， t h ef u n c t i o nt h es i g o a lc o r r e c t i v ep r i n c i p l em a k e si sa l s oi n t r o d u c e & t h e n , o nt h e b a s eo ft h ep r i n c i p l eo ft h eo p t i c a lf i b e rd r o ps e n s o r , t h ec o n c r e t es t r u c t u r e ，l i g h t r o a da n dt h ee l e c t r i cc i r c u i ta l ed e s i g n e d , a l s o ，t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m , t h e o p t i c a lf i b e rd r o pa n a l y z e r , i sc a r r i e do u t f i n a l l y , t h em e t h o do fl i q u i dt e s t e d o n - l i n ew i t ho p t i c a lf i b e rd r o ps e n s o ri sp r o m o t e d w i t ht h eg e n e r a l l yu s e d p r o g r a m m a b l ed s pc h i p ，t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 ，t h ed e s i g no ft h es i 2 m lp r o c e s s i n g 0 1 1 1 i n em o l dp i e c ei sf i n i s h e d k e yw o r d s ：o p t i c a lf i b e rd r o ps e n s o r ；f i b e rf m g e r p r i n td r o pt r a c e ( f f d t ) ；s i p c o r r e c t i o n ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年月日 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 当星空不再蔚蓝，当河流不再清澈，当土地变成荒漠，人类将何以生存， 何以面对养育自己的地球母亲? 环境是人类生存的条件，也是人类发展的根 基。保护生态环境，是解决当前环境问题、实现战略发展的必然要求。从联 合国到各国政府部门，也已经把可持续发展从战略重视逐步转移到具体的战 役部署阶段。 作为世界上最大的发展中国家，我们在环境保护上不能懈怠疏忽，不能 无所作为。当前，保护生态环境，实现人与自然的和谐发展，已成为全党和 全国人民的共识，成为社会主义现代化建设进程中的迫切任务。胡锦涛同志 指出：“环境保护工作，要着眼于人民喝上干净的水、呼吸清洁的空气、吃上 放心的食物，在良好的环境中生产生活。”这是对我国整个环保事业的形象总 结，也是对我们开展环境保护工作的总体要求。各地区各部门都应当全面贯 彻科学发展观，正确处理人与自然、发展与环境之间的关系，为全面开创中 国特色社会主义建设的新局面作出新的贡献! 这其中重要的一环就是更系统更精确地了解环境，然后才能有的放矢。 因此，新的仪器分析方法和原有方法的新应用、新突破与日俱增。液滴分析 技术正是在这种环境下应运而生的。 1 1 液滴分析技术的发展概况 液滴分析技术是最新研究开发的一种高新分析技术。该技术是指在一定 的系统条件下，对被测液体的液滴生长过程进行实时监测，可以分析获得该 被测液体的若干物理、化学特性。如：表面张力、折射率、粘度、吸光度、 浑浊度、颜色、浓度、蒸发率、液体的化学成分和有关的液体电特性参数。 目前主要的液滴分析方法有光纤法 l l 、电容法【2 j 、图像法、光谱法 4 1 等。液滴 分析技术容易实现在线测量，适用于海洋污染监测、水资源保护、制药、食 品饮料工艺等所有涉及液体检测的领域。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 不同液体在形成液滴时有所区别，其下落过程与这种液体的多种物理、 化学参量，如液体的表面张力、粘度、浓度等具有一定的关系。然而对于相 同液体来说它却有着一些独一无二的特性，如可重复性、可更新性、体积一 定等，将这些信息提取出来单独或者与其它技术相结合，就能产生一些新颖 而独特的分析装置和应用。 (a)水(b)二锅头 图1 1 不同液体的液滴形状 早在1 9 世纪，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吲。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。人们做了大量的实验并找到了有关液滴体积与液体 特性参数之间的相互关系，例如，h a r k i n s 等人于1 9 1 9 年提出了液体的边 界张力与液滴的体积和形成液滴的毛细管半径关系为 6 - 7 1 ： ，：v , d g f( 1 1 ) ， 式中：，边界张力 圯平衡状态下的液滴体积 d 被测液体与周围介质的密度差异系数 g 测量当地的重力加速度 ，毛细管外圈半径 2 哈尔滨t 稃大学硕十学俯论文 f 经验修正系数 1 9 6 7 年l a a d o 和o a k l e y 等人利用现代计算机回归分析技术，得出了 修正系数f 的较为可靠的经验表达式嗍： f = o 1 4 7 8 2 + o 2 7 8 9 6 x 一0 1 6 6 x 2 ( 1 - 2 ) 式中：x 无量纲数，x 2 万争 p a d d y 和m m 日e v i c 对上述液滴体积( 重量) 分析方法作了全面的评论仰， r o w e 、w i l k i n s o n 等人相继对修正系数也作了进一步的研究吟”】。 随着科学技术的不断发展，越来越多的新技术、新方法已经应用到液滴 分析领域。利用数码摄像机可以通过摄像的方法直接记录液滴生长过程中的 轮廓变化情况，通过图像处理得到液滴边缘曲线，利用m a t l a b 软件对曲线进 行处理就可计算出液滴的体积。图像处理技术的最大优点就是不需要知道液 体任何参数就可获得未知液体的体积信息，并且可以监控液滴在下落过程中 体积的变化情况，可以用来对液体特性作进一步研究。 此外，将红外光谱在化学成分分析方面的技术应用到液滴分析中，采用 光纤或者微型几何光路，将作为信号光源的红外光导入液滴，把接收端采集 到的光信号用快速傅立叶变换等方法进行光谱分析，可以得到被测液体的化 学成分信息。将光谱液滴分析技术与光纤、电容、图像液滴分析技术进行融 合，使得液滴生长过程所表现的物理、化学特性可以同步实时地检测出来， 并且还能够建立包含光强信号、液滴体积信号、光谱信号的“三维液滴指纹 图”，这将使液滴分析技术的鉴别能力提高一个台阶。 1 2 光纤液滴分析技术 本文介绍的光纤液滴分析技术，是一种基于光纤的液体参数测试法。实 际上对液体成分进行检测的方法有很多种，除了传统的物理化学方法外，还 有分光光度计测量，液相色谱等方法也被广泛应用。分光光度计主要是利用 3 哈尔滨1 = 程大学硕十学位论文 物质对不同波长光的吸收特性来对液体成分进行检测。液相色谱技术则是 对液体进行分离后再进行检测1 1 4 】。这些方法都经过多年的发展和使用，有了 很成熟的产品，但是这些液体检测的方法多数功能比较单一，检测效率低， 且成本较高。而光纤传感技术的出现，给液体测试带来了更多简便的途径， 并出现了很多基于光纤的测试液体参数的新方法，如液体折射率的测试i i s - 1 6 1 ， 液体浓度的测试【1 7 - q ，液体密度的测试等。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( f d a ：f i b e rd r o pa n a l y z e r ) ，其原理是 通过两根插入液滴的光纤将光导入液滴，同时获取经过液滴反射、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，而 且在确定条件下具有唯一性，称为“液滴指纹图 ( f d t ：f i b e rd r o pt r a c e ) 。 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f 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t z o 2 l 】。1 9 9 9 年天津大学的王春海博士提出了电容 液滴分析方法 z 2 1 。2 0 0 3 年天津大学的宋晴、张国雄、裘祖荣等人制作了光纤 电容液滴分析仪，并从实验上论证了利用液滴指纹图进行液体鉴别技术的可 行性圆。清华大学的高亮、曾理江等人也论证了液滴分析技术在酒类在线检 测中的应用l 卅。 光纤液滴分析技术是一项新型的高新技术。光纤液滴分析技术的优点主 要有以下几个方面 z s l ： 首先，利用光纤液滴分析技术只需监测液滴的生长过程，就可以间接测 量出液体的物理、化学特性参数，如：表面张力、折射率、浓度、粘度、吸 光度、混浊度、液体的化学成分和有关的液体电特性参数等。 其次，利用光纤液滴分析技术可得到“光纤液滴指纹图”，通过分析不同 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 液滴指纹图的细微差别，可以鉴别液体的真伪。 再次，利用光纤液滴分析技术实现在线测量，可以用来监测液体生产的 各个环节。 上述优点使得光纤液滴分析技术在海洋污染监测、水资源保护、制药工 业、食品饮料及工业用液等等涉及液体检测的领域中显现出十分广阔的应用 前景。 1 3 光纤液滴传感器原理分析 光纤液滴传感器的工作原理是由光源发出的光经过光纤导入到液滴，光 在液滴里发生折射、反射、散射等作用，在液滴生长过程中，光纤出射光的 路径发生变化，如图1 2 所示，随着这种变化，接收光纤接收到的光强也会 发生改变，被其末端的光电探测器探测到，转换成电压信号，经过放大滤波 处理后，由数据采集卡送入信号处理单元，最后接至计算机。计算机纪录的 单个液滴曲线的轨迹就是所谓的“液滴指纹图”，其中包含了液滴的物理、化 学综合特性信息。 眇眇炒炒眇 i 23t 6 妙。彬u 芍 7e 0 图1 2 液滴不同生长情况下液滴内部光路 光纤液滴指纹图反映的是光强信号随时间变化的规律，图1 3 为典型的 光纤液滴指纹图，在液滴的一个周期内液滴指纹图包含振颤峰、彩虹峰、张 力峰、肩峰几个部分。它具有唯一性，可重复性等特点，反映了液体的各种 特性，各个部分分别对应液体的各种性质，通过对液滴指纹图的分析就可得 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 到液体的某种物理或化学性质【卅。 ， 图1 3 典型的光纤液滴指纹图 这种对应关系可以用于测量液体的各种方面： ( 1 ) 液体鉴别：对于不同的液体，由于其表面张力和密度的差别导致其 在液滴头形成液滴的形状不同，加上液体折射率不同使光纤的数值孔径发生 变化和一些其它物理化学性质的差别，使光纤液滴指纹图表现出明显的区别， 所以可以利用光纤液滴指纹图来鉴别液体。 ( 2 ) 表面张力：由于液体对固体表面的湿润作用和表面张力的存在，使 液滴从形成到下落需要一定时间，即为液滴指纹图的周期，所以液滴指纹图 的周期反映液体的表面张力。但同时液滴指纹图的周期还受到液滴重力的影 响，当液体表面张力起主要作用时，通过把测量到的液体表面张力与液滴周 期进行标定就可以实现液体表面张力的测量。 ( 3 ) 折射率：光纤液滴指纹图的彩虹峰反映液体的折射率。光纤在液滴 头上插入的位置将决定是否有彩虹峰出现。彩虹峰的产生主要由于光在液滴 中的多次全反射，主要反射在液滴的底部和边缘。光源、探测器与光纤的耦 合和光纤的数值孔径也决定了彩虹峰是否出现。 ( 4 ) 粘度：由于在液滴下落时要发生抖动，在光纤液滴指纹图上表现出 振颤。液滴的振颤峰和液体的粘度有直接的关系，所以可以通过分析振颤峰 来分析液体的粘度。 6 哈尔滨_ 丁程大学硕士学位论文 ( 5 ) 吸光率：由于同一种液体对不同光的吸收率不同，随着光波长的变 化，其光纤液滴指纹图的峰高也会发生变化，通过改变光源的光波长，并且 使用不同波段的探测器可以实现液体对光的吸收率的测量。 液滴指纹图的分析方法研究是一个核心的课题，迄今为止，人们已经提 出了几种有效的方法。1 9 9 4 年m c m i l l a n 博士发表了用f f t 法来处理液滴信 号 2 7 ；其后m c m i l l a n 博士从实验上论证了光纤液滴分析仪用于威士忌生产过 程中的质量控制的潜力，将液滴指纹图包含的信息数字化，提取出的d 函数 可以用来作为鉴别酒的品质，以及假酒，假饮料等嗍；并于2 0 0 5 年发表了近 年来研究进展的综述咧，讨论了液体流速控制以及液滴指纹图归一化处理和 特征提取的问题。同年天津大学宋晴博士等人又提出了液滴指纹图的归一化 处理1 3 0 l 和基于曲线面积的液体识别方法 3 1 1 。 ， 本文作者研究组对不同液体的光纤液滴指纹图进行细致分析，给出了液 滴指纹图尾部数据与液体参量的关系 3 2 1 ，提出了互相关函数法鲫，互功率谱 密度函数峰值法等。其中互相关函数法是在将两个待比较的液滴指纹图分别 与同一个参考液滴指纹图信号作互相关的基础上，通过比较它们的峰值差别， 来鉴别它们。而互功率谱密度函数峰值法实质上是互相关函数的傅立叶变换， 它是基于频域的分析。这些方法为液体鉴别提供了一种新的思路，对未来的 研究工作具有一定的参考意义。 1 4 本课题的研究内容 光纤液滴分析技术在国外已经有所应用，相应的仪器也在研究之中，但 在国内研究工作尚不成熟，尚处于起步阶段。本课题受“哈尔滨市青年科技 基金( 2 0 0 3 a f q x j 0 5 4 ) ”和。哈尔滨工程大学基础研究基金”的资助，主要目 的是从实验上论证光纤液滴传感器的可行性，研究一些新的光纤液滴指纹图 分析方法，解决技术组合时遇到的传感器结构、供液系统设计、信号采集和 实时处理等方面的问题，并最终制成光纤液滴传感器实验系统。 哈尔滨下程大学硕十学位论文 首先，由于光纤液滴指纹图反映的是光强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，以达到准平衡状态，在 此状态下所测量的结果才能比较充分地反映被测液体的物理、化学性质。而 液滴生长速度实际上是由供液系统对毛细管流量的定量控制决定的，因此对 供液系统的设计和制造提出了很高的要求。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。其次，由 于细微差别的液体的液滴指纹图的特征差别不太明显，而且液滴指纹图本身 也存在着一定的噪声，此时鉴别它们有一定的难度，这无疑对信号放大与采 集的精度和液滴指纹图分析方法的实用性有着较高的要求。最后，在很多实 际运用的场合，需要监控液体生产，进行在线测量，这就对信号处理的实时 性有着非常高的要求。 ， 综上，本课题的具体内容包括： ( 1 ) 互相关函数法，互功率谱密度函数峰值法基本原理分析。 ( 2 ) 光纤液滴传感器硬件部分设计，包括供液系统与液滴头的设计，l e d 驱动电源电路、光电转换、信号放大电路、信号采集电路等部分，并搭建实 验平台。 ( 3 ) 软件部分设计，包括a v r 单片机程序和计算机界面程序。 ( 4 ) 对部分样品进行实验。 ( 5 ) 信号处理电路的研制，包括d s p 硬件电路设计及部分算法实现。 哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 第2 章相关理论在液滴分析中的作用 在第一章中，简单介绍了一些光纤液滴指纹图直接的或间接的分析方法， 它们都有着自己的特征和长处，同时也有着各自的缺点，诸如装置复杂、价 格昂贵、使用不便，计算量大、算法复杂、数据相关性不好等等。对于光纤 液滴指纹图，还缺乏一种直接便捷的方法。因此，将信号相关理论应用于光 纤液滴指纹图的分析，得出的互相关函数法和互功率谱密度函数峰值法也就 有着广阔的前景。本文在实践的基础上，将对这两种方法分别进行详细的介 绍，验证其可行性。 2 1 互相关函数法 2 1 1 互相关函数简介 所谓相关是反映客观事物或过程中两种特征量之间联系的紧密性。在确 定性信号处理中，经常要研究两个信号的相似性，或一个信号经过一段延迟 后自身的相似性，以实现信号的检测、识别和提取等l 并】。在计算两个信号之 间的相关时我们的目标是衡量两个信号之间的相似程度，并提取一些在很大 程度上和应用有关的信息。在雷达、声纳、数字通信、地质和其他的科学与 工程领域，信号的相关性分析有很广阔的应用。 具体来说，我们假设有两个需要比较的信号序列缸”) 和贝疗) ，在雷达和 主动声纳系统中，帕一般是发射信号的取样，而灭n ) 表示的是在模数( a d ) 转换器的输出端接收到的信号。如果目标是空间某个被雷达或声纳搜索的物 体，则接收信号贝帕由发射信号被目标反射并经加性噪声污染后的延迟信号 组成。 我们可以把接收到的信号表示为： y ( 玎) = c ( n - d ) + c o ( n )( 2 - 1 ) 式中：驴一衰减因子，表示信号缸h ) 在来回发射中的损失 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 伊一来回产生的延迟，被假设为取样间隔的整数倍 硝n ) 表示天线收到的加性噪声以及接收机前端噪声 如果在雷达和声纳的搜索空间没有目标，则接收信号贝聆) 仅含有噪声信 号。其中x o ) 被称为发射信号或参考信号，灭甩) 被称为接收信号，雷达和声纳 探测的目的是比较砌) 和灭帕，判断目标是否存在。如果存在，通过求延迟 d 来确定目标的距离。实际中，信号x ( n - d ) 哇t 于受加性噪声的严重污染，已 经不能从波形上判断目标存在与否，而相关则提供了这样一种检测方法。 数字通信是另一个相关被经常用到的领域。在数字通信中，要从一点传 送到另一点的信息通常以二进制形式发送，即发送端发送的是0 和1 组成的 二进制序列，发“0 ”的时候用信号序列x “h ) ，0 - ，工一l ，发“1 ”的时候 用序列却，0 ”5 三一l ，这里三为序列中样值的数目，通常碱功和- x l ( n ) 的极性相反，接收机收到的信号可表示为 “疗) = ( 栉) + m ( 功 i = 0 , 10 刀s l l ( 2 - 2 ) 现在，我们不确定的是x l 或x o ( n ) 是否为“”) 中的信号成分，硝疗) 为加 性噪声和通信系统固有其他干扰。另外，噪声般是由接收机前端的电子器 件引起的。总之，接收机收到的不是x “甩) 就是却( 力，它的任务是通过把接收 信号“h ) 与x o ( n ) 和3 c 1 研) 相比较以确定“功是更像碱功还是更接近x l ( n ) 。这种 比较过程可通过下面描述的相关运算来实现。 假设有两个实信号序列，力和“一) ，它们都是能量有限信号，功和) ，( 帕 的互相关序列o u ) 定义为 ( ，) = x ( n ) y ( n - 1 ) l = 0 1 ，2 ， ( 2 3 ) 月；q 或者等价为嘲 勺( ，) = x ( 玎+ ，) y ( 厅) 1 = 0 1 ，2 ，( 2 - 4 ) 1 0 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 根据上面两式能很好的从噪声中提取信号特性。下面介绍互相关技术应 用于光纤液滴分析的具体实现方式。 2 1 2 互相关函数在液滴指纹图中的应用 在本次应用中，研究的是各种浓度( 1 0 到1 0 0 ) 的乙醇指纹图的差别， 所以我们把5 0 的乙醇溶液的指纹图曲线数据作为一个参考对比信号，通过 研究它与各种浓度的乙醇指纹图的相关曲线的峰值，来找出它们的差别。相 关性通常用相关函数来描述，本文应用的是离散信号的互相关函数。 设待测乙醇溶液的指纹图曲线数据为缸稃) ，参考对比信号5 0 的乙醇指 纹图数据为砌) 。则它们的互相关函数k ( m ) 定义为 ( 咖互删m 棚) 2 圣( 肛咖( ”)( 2 - 5 ) 伽= o ，l ，控，) 利用傅立叶变换中的互相关定理进行处理，有 r 细y 伽+ 怫= r 聃 ( 2 6 ) 月；哪 式中： y ( k ) ) 伽) 的傅立叶变换 r ( 硒砌) 傅立叶变换的复共轭 这样，各种浓度的乙醇液滴指纹图数据与5 0 乙醇液滴指纹图数据逐一 求互相关函数，得到互相关函数数组，对数组进行相应处理，可以得出互相 关函数与待测乙醇溶液浓度的关系。大致遵循如下步骤： 第一步，延长数据序列。基于f f r 算法的特定需要，将数据序列颤帕，如1 ) 补充到2 的n 次幂( n 为自然数) 。并求出颤h ) ，) 伽) 的傅立叶变换坂p ，y ( 功。 第二步，利用关系式( 2 5 ) 及( 2 6 ) ，求出o ( m ) 。 第三步，画出( m ) 相关数据的曲线图。 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 第四步，重复以上步骤，分别将l o 到1 0 0 的乙醇溶液与5 0 0 的乙醇溶 液进行互相关计算，画出所得的相关曲线组图，提取它们的特征进行分析。 本文以乙醇溶液为例进行分析，从1 0 浓度开始，每隔1 0 个百分点取 一次试样，在不同试样的光纤液滴指纹图上截取一个周期，如图2 1 所示。 图2 1 各种乙醇溶液的单周期液滴指纹圈 下面分析下它们之间的互相关函数。将周期最长的光纤液滴指纹图 ( 5 0 浓度乙醇溶液的指纹图) 作为参考函数，将其它浓度的乙醇液滴指纹图与 其进行互相关，得到一系列互相关曲线，如图2 - 2 。 图2 2 各浓度乙醇与5 0 的乙醇指纹图的互相关曲线图 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 对互相关以后的曲线图进行分析，将它们的峰值除以最大峰值作归一化， 并提取其出来，拟合曲线。得到图2 3 。 c a m n ，晡 图2 3 相关曲线峰值与浓度的关系图 这时我们发现各互相关曲线的峰值随浓度变化具有单调的趋势，基本呈 线性关系。将图2 3 中的相关峰的峰值随待测液体浓度的关系进行线性拟合， 得到关系曲线为 h = 1 0 8 4 3 6 4 4 5 2 1 0 。f ( 2 7 ) 式中：h m 相关曲线峰值的高度 c 浓度 将图2 3 反演后，得到浓度随互相关峰值变化的关系曲线图2 4 。 图2 4 各种乙醇溶液相关峰值对应的浓度关系曲线 如图2 4 所示，乙醇的峰值随浓度的增加而减少，具有单调的趋势，也 1 3 哈尔滨_ 下程大学硕+ 学位论文 就是说，只要在相关图上读出溶液的相关峰值，它的浓度的范围就可以大致 确定下来，并且具有唯一性。拟合曲线得到的浓度随相关峰峰值关系为 c = 1 6 6 7 7 1 5 3 1 5 h( 2 - 8 ) 同理，我们对5 - 3 0 浓度的糖水溶液进行分析，每隔5 浓度的单周期 光纤液滴指纹图如图2 5 所示。 图2 5 不同浓度的蔗糖溶液的单周期光纤液滴指纹图 将3 0 浓度蔗糖溶液的液滴指纹图作为参考函数，得到的互相关曲线组 如图2 6 所示。 口枷3 4 0 0 锄o7 籼b 0 1 1 i 撕郴船i 锄口t 哪 n u 黯r o fc r o l 洲l 毗轴 图2 6 不同浓度的蔗糖溶液与3 0 的蔗糖溶液的相关图 各曲线峰值除以最大峰值作归一化，得到如图2 7 所示的随浓度变化的 1 4 哈尔滨t 稃大学硕七学位论文 峰值拟合曲线图2 7 。 图2 7 各种浓度的蔗糖溶液互相关峰值与浓度的关系 拟合曲线表示为： h = o 9 7 1 + 6 6 0 5 x 1 0 4 c ( 2 - 9 ) 将图2 7 反转，得到浓度随互相关峰值变化的关系曲线图2 8 。 图2 8 蔗糖溶液浓度与相关峰值的关系曲线 从图2 8 得到的拟合曲线可用下式表示： c = 1 4 6 h 1 1 5 7 f 2 - l o ) 蔗糖的峰值随浓度的增加而增大，具有单调的趋势，也就是说，只要在 相关图上读出溶液的相关峰值，它的浓度的范围就可以大致确定下来，并且 具有唯一性，相反，知道了浓度，也可以唯一的确定相关曲线的峰值范围。 哈尔滨1 = 程大学硕七学何论文 上面用互相关函数法对不同浓度乙醇溶液和不同浓度蔗糖溶液的光纤液 滴指纹图进行分析，可以发现互相关函数检测技术具有直观、便捷的特点， 可以作为一种鉴别液体的实时分析手段。 与此同时，我们可以把互相关函数进行归一化，得到互相关系数。利用 互相关系数，可以鉴别一些被测液体的真伪。下面将分别从理论和实验上进 行论证。 2 1 3 互相关系数应用于光纤液滴指纹图分析 设颤力，m ) 是两个能量有限的确定性信号，则定义其互相关函数为 勺( 肌) = x ( 厅) y + 研) ( 2 一1 1 ) 然后定义其互相关系数为 户，( 肌) = x ( n ) y q + m ) 【x 2 ( 月) y 2 ( 疗) 】啦= 勺( 肌) 【e 髟】啦 ( 2 - 1 2 ) 其中 e = x 2 ( 功e y = _ y 2 0 ) ( 2 - 1 3 ) 由许瓦兹( s c h w a r t z ) 不等式有 b l 。引 ( 2 “) 当且仅当x ( 一) = y ( 玎) 时，i 岛i 一= l 。 ， 所以，我们把参考液体的液滴指纹图曲线定为信号“帕，待测液体的液 滴指纹图定为如) ，这样，只有待测液体与参考液体完全一样时，才有 i p 匆l 。= l ，否则i p 匆| 。 l 。利用这个原理，我们就可以来鉴别某些液体的 真伪。下面从实验上来验证，将不同浓度的乙醇溶液两两之间分别作互相关 函数，归一化以后，取它们的互相关系数，得到表2 1 。 1 6 哈尔滨t 稗大学硕士学 i ) ：论文 表2 1 各种浓度乙醇溶液的光纤液滴指纹图互相关系数 薅 l o 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 l o o 1 0 1 0 0 0 00 9 8 7 00 9 6 9 l0 9 5 4 4 0 9 4 6 40 9 2 3 5o 9 3 8 4o 8 8 9 90 8 6 2 4o 8 0 6 7 2 0 o 9 8 7 01 0 0 0 0 0 9 9 2 00 9 8 1 9 0 9 7 6 20 9 5 7 90 9 5 9 60 9 2 2 80 8 9 8 30 8 5 0 7 3 0 0 9 6 9 l0 9 9 2 01 0 0 0 0o 9 9 6 20 9 9 2 60 9 7 0 90 9 6 2 50 9 3 0 20 9 0 6 20 8 6 5 3 4 0 0 9 5 4 40 9 8 1 90 9 9 6 21 0 0 0 00 9 9 9 1o 9 8 2 40 9 6 0 30 9 4 0 00 9 1 4 l0 8 7 3 2 5 0 0 9 4 6 40 9 7 6 2o 9 9 2 60 9 9 9 1l 0 0 0 00 9 8 6 70 9 3 3 00 9 4 3 90 8 4 2 4 0 8 7 5 l 6 0 0 9 2 3 50 9 5 7 90 9 7 0 90 9 8 2 40 9 8 6 71 0 0 0 00 9 3 2 90 9 6 9 60 9 4 1 30 8 9 4 3 7 0 0 9 3 8 40 9 5 9 6o 9 6 2 50 9 6 0 30 9 3 3 00 9 3 2 91 0 0 0 00 9 5 7 50 9 3 2 6o 8 8 1 2 8 0 0 8 8 9 90 9 2 2 80 9 3 0 20 9 4 0 00 9 4 3 90 9 6 9 60 9 5 7 5 1 0 0 0 00 9 8 2 30 9 1 9 8 9 0 0 8 6 2 40 8 9 8 30 9 0 6 2o 9 1 4 lo 8 4 2 40 9 4 1 30 9 3 2 60 9 8 2 31 0 0 0 00 9 4 5 8 1 0 0 o 8 0 6 70 8 5 0 90 8 6 5 30 8 7 3 20 8 7 5 10 8 9 4 3o 8 8 1 2o 9 1 9 8o 9 4 5 81 0 0 0 0 将表2 1 中的数据提取出来，得到如图2 9 的互相关系数图。 图2 9 各种浓度乙醇互相关函数的互相关系数图 从图2 9 可以看出，只有当参考乙醇的浓度与待测乙醇浓度一样时，才 1 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 能得到l p ，l 一= l ，而浓度不同时，则j p 匆l 一v孥=粤 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 ( a ) 哈尔滨啤酒( b ) 牛栏山二锅头 ( c ) 野生山葡萄露酒( d ) 鲜橙汁 图4 5 各种液体的光纤液滴指纹图 下面的实验将氨基酸、甘露醇、氯化钠、葡萄糖等医用注射液的液滴指 纹图放在一个坐标之下进行对比测试。 图4 6 各医用注射液的液滴指纹图 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 图4 6 为各种医用注射液的液滴指纹图，它们彩虹峰以及张力峰的峰高 有着细微的差别，氨基酸的峰高最高，其次是甘露醇，然后是葡萄糖，氯化 钠最低。四种液体的周期也各不不同。值得注意的是，它们的液滴指纹图的 形状走向基本一致，液滴体积接近，但液滴指纹图的面积却大不相同。这说 明被测液体的化学成分不同，对光信号有不同的吸收作用。这证明了一个事 实，那就是光纤信号的强弱不仅取决于液滴的形状、液体的物理特性，而且 受到液体化学成分的影响。 4 5 本章小结 本章介绍了调试技术的一些注意事项以及显示界面的功能，对系统所采 用的防干扰技术进行了说明，给出了部分实验结果并做了一些简要的分析。 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 第5 章d s p 电路设计 数字信号处理的实现方法一般有以下几种： ( 1 ) 在通用的计算机上用软件( 如m a t l a b 、s i g n m p l o t ) 实现； ( 2 ) 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现； ( 3 ) 用通用的单片机( 如m c s 一5 1 、a v r 系列等) 实现； ( 4 ) 用通用的可编程d s p 芯片实现； ( 5 ) 用专用的d s p 芯片实现。 在上述几种方法中，第1 种方法的缺点是速度较慢，一般可用于d s p 算 法的模拟，上面所叙述的光纤液滴传感器，配合这种方法的使用，已经可以 很好的用来鉴别一些液体；第2 种和第5 种方法专用性强，应用受到很大的 限制，且第2 种方法也不便于系统的独立运行；第3 种方法只适用于实现简 单的d s p 算法；只有第4 种方法才使数字信号处理的应用打开了新的局面。 为了满足实际运用中，进行在线测量，监控液体生产的需要，本章将运 用d s p 芯片，通过配置硬件和编程，来实现光纤液滴传感器信号处理模块的 设计。 5 1d s p 芯片简介 5 1 1d s p 芯片的特点 d s p 芯片，又称数字信号处理器，是一种特别适用于进行实时数字信号 处理的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法【4 2 】。 根据数字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下主要特点： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访 问： 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； ( 7 ) 可以并行执行多个操作； ( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 5 1 2d s p 芯片的基本结构 为了快速地实现数字信号处理运算，d s p 芯片一般都采用特殊的软硬件 结构，其组成结构主要包括：总线结构、中央处理单元、存储器组织单元、 存储器映射寄存器、片内外设、外部总线结构和扫描逻辑接口等。它的主要 特点包括：改进的哈佛结构、多总线结构、流水线结构、多处理单元、特殊 的d s p 指令、指令周期短、运算精度高和硬件配置强等。 这些结构特点使得d s p 芯片可以实现高速的d s p 运算，并使大部分运 算( 例如乘法) 能够在一个指令周期内完成。由于d s p 芯片是软件可编程器件， 因此拥有通用微处理器所具有的方便灵活。当然，与通用微处理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱些。 5 2 信号处理电路设计 如图5 1 所示为光纤液滴传感器的信号处理电路原理框图。接下来将对 其各个模块的硬件电路作详细的介绍。 图5 1 信号处理电路原理框图 4 9 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 5 2 1d s p 芯片的选择 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。只有选定 了d s p 芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说，d s p 芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的d s p 应用系统由于应 用场合、应用目的等不尽相同，对d s p 芯片的选择也是不同的。一般来说， 选择d s p 芯片时应考虑到如下诸多因素。 1 d s p 芯片的运算速度。运算速度是d s p 芯片的一个最重要的性能指 标，也是选择d s p 芯片时所需要考虑的一个主要因素。d s p 芯片的运算速度 可以用以下几种性能指标来衡量： ( 1 ) 指令周期：即执行一条指令所需的时间，通常以璐( 纳秒) 为单位。如 t m s 3 2 0 l c 5 4 9 - 8 0 在主频为9 0 m h z 时的指令周期为1 2 5 r t s ； ( 2 ) m a c 时间：即一次乘法加上一次加法的时间。大部分d s p 芯片可在 一个指令周期内完成一次乘法和加法操作，如t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 的m a c 时 间就是1 2 5 n s ； ( 3 ) f f t 执行时间：即运行一个n 点f f t 程序所需的时间。由于阡t 运 算涉及的运算在数字信号处理中很有代表性，因此f f t 运算时间常作为衡量 d s p 芯片运算能力的一个指标； ( 4 ) m i p s ：即每秒执行百万条指令。如t m s 3 2 0 l c 5 4 9 8 0 的处理能力为 8 0m i p s ，即每秒可执行八千万条指令； ( 5 ) m o p s ：即每秒执行百万次操作。如t m s 3 2 0 c 4 0 的运算能力为2 7 5 m o p s ； ( 6 ) m f l o p s ：即每秒执行百万次浮点操作。如t m s 3 2 0 c 3 1 在主频为 4 0 m h z 时的处理能力为4 0m f l o p s ： 2 d s p 芯片的价格。d s p 芯片的价格也是选择d s p 芯片所需考虑的一 个重要因素。如果采用价格昂贵的d s p 芯片，即使性能再高，其应用范围肯 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 定会受到一定的限制，尤其是民用产品。因此根据实际系统的应用情况，需 确定一个价格适中的d s p 芯片。当然，由于d s p 芯片发展迅速，d s p 芯片 的价格往往下降较快，因此在开发阶段选用某种价格稍贵的d s p 芯片，等到 系统开发完毕，其价格可能已经下降一半甚至更多。 3 d s p 芯片的硬件资源。不同的d s p 芯片所提供的硬件资源是不相同 的，如片内r a m 、r o m 的数量，外部可扩展的程序和数据空问，总线接口， i o 接口等。即使是同一系列的d s p 芯片( 如n 的t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列) ，系列 中不同d s p 芯片也具有不同的内部硬件资源，可以适应不同的需要。 4 d s p 芯片的运算精度。一般的定点d s p 芯片字长为1 6 位，如t m s 3 2 0 系列。但有的公司的定点芯片为2 4 位，如m o t o r o l a 公司的m c 5 6 0 0 1 等。浮 点芯片的字长一般为3 2 位，累加器为4 0 位。 “ 5 d s p 芯片的开发工具。在d s p 系统的开发过程中，开发工具是必不 可少的。如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的d s p 系统几乎是不 可能的。所以，在选择d s p 芯片的同时必须注意其开发工具的支持情况，包 括软件和硬件的开发工具。 6 d s p 芯片的功耗。在某些d s p 应用场合，功耗也是一个需要特别注 意的问题。目前，3 3 v 供电的低功耗高速d s p 芯片已大量使用。 7 除了上述因素外，选择d s p 芯片还应考虑到封装的形式、质量标准、 供货情况、生命周期等。 。 综合考虑上述因素，选择1 r i 公司t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 中常见的一款芯片 t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 。其内部具有1 9 2 k 的可访问存储器，两个地址发生器，8 个 辅助寄存器和两个辅助寄存器算术单元，指数编码器，8 位并行接口，1 个 1 6 位定时器，连接内部振荡器或外部时钟源的锁相环发生器m 】。 如图5 2 所示为t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 管脚示意图，图中各引脚的连接都用