（机械制造及其自动化专业论文）水中微小颗粒在线测量方法的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 近年来，通过在线测量水中微小颗粒的大小及其分布来评价水质的好坏越来 越受到重视，这是因为水中存在着一定数量的颗粒状杂质如细菌、病毒、孢囊， 会引发贾第虫症等由饮水而引起的疾病。目前，国内大多数水厂都是应用国外生 产的颗粒计数器进行水中微粒的测定，其成本相当高。在此前提下，提出了本课 题。 本文首先分析了用于测量水中微小颗粒的3 种方法：电感应法、光阻法和光 散射法，并对这3 种方法的特点进行了分析与比较。考虑到光阻法的工作原理比 较简单，适用于对水中微小颗粒进行在线钡0 量，因此对光阻原理进行了深入的研 究与分析，指出了光阻法存在的一些不足之处，并在这基础上改进了水中微小颗 粒的测量方法。 随后本文介绍了传感器部分的设计，我们使用线阵c c d 增大了检测区域，在 很大程度上提高了颗粒测量的信噪比以及检测效率。在数字滤波上采用了小波去 噪算法，进一步提高了信噪比。随后，文章又介绍了颗粒测量的硬件与软件的设 计。在硬件上采用了主从方式，即：a t 8 9 c 5 2 单片机和t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 两个 c p u 主从连接。其中a t 8 9 c 5 2 作为主机，完成人机接口( 键盘、显示) 、时钟管 理和对t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的控制：而t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 则作为从机，主要负责控制线 阵c c d 芯片和对采集信号进行处理。选用了t i 公司生产的最新的d s p 产品 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ( 3 2 位) ，其主频达到1 5 0 m h z ，大大提高了数字信号处理方面的速 度。在软件上采用了结构化设计的方法，文中并给出了主要功能模块的软件流程 图。 最后，通过实验证明了我们所设计的在线测量水中微小颗粒的方法是可行 的，并且在结论部分总结了本课题中的新思想、新方法，同时也指出了不足之处 以及今后努力的方向。 关键词微粒，在线测量，光阻法 圭塑查堂堡主兰垡丝塞 a b s t r a c t j u d g i n gw a t e rq u a l i t yb yo n l i n em e a s u r i n gt h es i z ea n dd i s t r i b u t i o no ft i n y p a r t i c l ei n w a t e ri sam a t t e ro fc o n c e r nb e c a u s et h e r ea r es o m ep a r t i c l e ss u c ha s b a c t e r i a ，v i r u sa n ds p o r a n g i u mi nw a t e r t h e yb r e a ko u tw a t e r - b o r n ed i s e a s ec a u s e d b yc r y p t o s p o r i d i u m i nc h i n a ，m o s to fw a t e rp l a n tu s ep a r t i c l ec o u n t e rm a d ei n f o r e i g nc o u n t r i e st od e t e c t e dt i n yp a r t i c l ei nw a t e r s ot h er e s e a r c ho ft h i sp r o j e c ti s s t a r t e d i nt h i st h e s i sw ef i r s td i s c u s st h r e em e t h o d ss u c ha se l e c t r i c a ls e n s i n gz o n e m e t h o d ，l i g h t - b l o c k a g em e t h o da n dl i g h t - s c a t t i n gm e t h o di nm e a s u r i n gp a r t i c l e si n w a t e r , a n da n a l y z et h ep r o p e r t i e so ft h e m t h e o r yo fl i g h t b l o c k a g ea d a p t st oo n l i n e m e a s u r ep a r t i c l ei nw a t e r , s ow ea n a l y z ei ta n dp o i n to u tt h el i m i t a t i o na n dg e ta n i m p r o v e dm e a s u r i n gm e t h o do nt h eb a s i so f i t t h e nt h ed e s i g no f t h es e n s o rp a r ti sg i v e ni nt h i sp a p e r w eu s et h el i n e a rc c d a ss e n s o rt ol a r g e nt h ed e t e c ta r e aa n di m p r o v ed e t e c t i n ge f f i c i e n c y t h ew a v e l e t d e n o i s ea l s op l a yi m p o r t a n tr o l ei nd e t e c t i n gt i n yp a r t i c l ei nw a t e r a n dt h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ea r ea l s oi n t r o d u c e d w eu s em a s t e r - s l a v em o d ei nh a r d w a r ed e s i g n m u ca t 8 9 c 5 2m a n a g e sc l o c ka n dc o n t r o l sd s pa sm a s t e r d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 m a i n l yc o n t r o l sl i n e a rc c d a n dp l o c e s s e st h es i g n a l sa ss l a v e t h ed e s i g no fs o f t w a r e i si n t r o d u c e da n df l o wc h a r ti sa l s og i v e n a tl a s t t h em e t h o dw ed e s i g n e di sp r o v e df e a s i b l et h r o u i g ht e s t t h en e w t h o u g h ta n dt h en e wm e t h o da r ep r e s e n t e di nt h ec o n c l u s i o n i t sl i m i t m i o na n da i ma r e a l s op o i n t e do u t k e yw o r d s ：t i n yp a r t i c l e ，o n l i n en l e a s u r e ，l i g h t - b l o c k e dm e t h o d i l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：丝日期型 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：控导师签名：叠生坠日期：丝：生 上海大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 随着人民生活水平的不断提高，人们对农、食、住、行方面的消费需求发生 了质的飞跃，特别是在饮用水方面，人们的要求越来越高。我国为了保障人民的 身体健康，早在1 9 8 5 年就已颁发了g b 5 7 4 9 - - 8 5 生活饮用水卫生标准，其中 水质标准和卫生要求共规定了3 5 项指标，又于1 9 9 9 年1 月1 日开始实施纯净水 强制性国家标准g b l 7 3 2 3 1 9 9 8 瓶装饮用纯净水。 一般情况下，水厂在水处理各个环节上都需要进行浊度检测，以确定各道工 艺是否合格，特别是出水部分更需要进行在线的浊度检测。然而对于低浊度的纯 净水，人们对它提出了更高的要求，不但要检测出纯净水的浊度来，还要求知道 水中含有颗粒的大小以及数量，尤其是当低浊度的水中含有细菌、病毒、孢囊等 微小颗粒时，对水中微粒的测量就显得至关重要了。虽然可以通过浊度仪检测出 纯净水的浊度，但却无法根据这个浊度值分析出水中微粒的大小以及数量，也就 无法判别出水中是否含有细菌等颗粒状杂质，因而提出了通过在线测量水中微小 颗粒的方法来检测低浊度的纯净水，即通过测量水中微小颗粒的直径大小以及数 量来判断水的纯净度是否符合要求“1 。采用颗粒测量的方法对水质进行评价比传 统采用浑浊度要更直观、科学，由于它能够和激光技术与计算机技术相结合，便 于进行实时在线测量，因而得到迅速发展。 1 2检测水中微小颗粒的重要性 近年来，通过测量水中微粒的大小及其分布来评价水质好坏的方法越来越受 到重视。众所周知，水中存在着一定数量的颗粒状杂质，如细菌、病毒、孢囊等。 其中最具代表性的是体长约为2 8um 的兰伯氏鞭毛虫和隐孢子虫的病原性孢 囊，它们能够引发贾第虫症“。虽然净水厂在水处理的各个环节上都进行浊 度检测，但是在滤池正常运行的时候，滤后水和净水中的颗粒个数一般在1 0 个 m l 之内，并且颗粒大小也大多在1 0um 以下“1 。在这种情况下，浊度仪只能检 测出水中微粒体积的总量。而无法测出微粒的大小和数量，因而就无法判别出水 中颗粒是否是有害物质。因此测量水中微小颗粒的直径大小以及数量就显得格外 上海大学硕士学位论文 重要了，现在大多采用颗粒测量的方法，通过定量描述水中微生物的含量来判断 水的纯净度是否符合要求，从而保证饮用水用户的身体健康。 1 3 测量水中微小颗粒的方法 美国早在1 9 9 4 年将颗粒计数及其大小分布( p a r t i c l ec o u n t i n ga n ds i z e d i s t r i b u t i o n ) 的检测推荐入美国水和废水标准检验法( s t a n d a r dm e t h o d sf o r e x a m i n a t i o no f w a t e ra n dw a s t e w a t e r )1 8 版增补( 1 8 me d i t i o ns u p p l e m e n t ) 中， 并推荐了颗粒计数的3 种测定方法： 电感应法( e l e c t r i c a ls e n s i n gz o n em e t h o d ) 光阻法( 1 i g h t - b l o c k a g em e t h o d ) 光散射法( 1 i g h t s c a t t e r i n gm e t h o d ) 1 3 1 电感应法”_ ”1 电感应法又称为c o u l t e r 法，它是测定颗粒大小和数目的一种方法。使悬浮 在电解质中的颗粒通过- - d 孔，在d , t l 的两边各浸有一个电极，颗粒通过小孔时 电阻变化而产生电压脉冲，其振幅与颗粒的体积成正比。这些脉冲经过放大，辨 别和计数从演算的数据可测得悬浮的颗粒大小分布。这种方法最初应用于血球 计数。k u b i t s c h e k 加以修改后用于细胞计数，并指出这一原理可用来测定细胞体 积的分布及其计数。其后很快发展了各种改良的仪器，用于测定颗粒大小和计数。 电感应法的传感器核心部分由电极、小孔管构成，当传感器电极间加固定电 压时，小孔的等效电阻为： 月= 与p = ； c ， 其中：l 为小孔管孔长，d 为小孔管孔径，a 为小孔管截面积，p 为被测液 电阻率 电导s 为： s ：生 三x 口 当体积v 的不导电微粒通过小孔时，电导为 ( 1 - 2 ) 上海大学硕士学位论文 重要了，现在大多采用颗粒测量的方法，通过定量描述水中微生物的含量来判断 水的纯净度是否符合要求，从而保证饮用水用户的身体健康。 1 3 测量水中微小颗粒的方法 美国早在1 9 9 4 年将颗粒计数及其大小分布( p a r t i c l ec o u n t i n ga n ds i z e d i s t r i b u t i o n ) 的检测推荐入美国水和废水标准检验法( s t a n d a r dm e t h o d sf o r e x a m i n a t i o n o f w a t e ra n d w a s t e w a t e r ) 1 8 版增补( 1 8 4 e d i t i o n s u p p l e m e n t ) 中。 并推荐了颗粒计数的3 种测定方法： 电感应法( e l e c t r i c a ls e n s i n gz o n em e t h o d ) 光阻法( 1 i g h t b l o c k a g em e t h o d ) 光散射法( 1 i g h t - s c a t t e r i n gm e t h o d ) 1 3 1 电感应法”。1 电感应法又称为c o u l t e r 法，它是测定颗粒大小和数目的一种方法。使悬浮 在电解质中的颗粒通过一小孔，在d q l 的两边各浸有一个电极，颗粒通过小孔时 电阻变化而产生电压脉冲，其振幅与颗粒的体积成正比。这些脉冲经过放大，辨 别和计数，从演算的数据可测得悬浮的颗粒大小分布。这种方法最初应用子血球 计数。k u b i t s c h e k 加以修改后用于细胞计数，并指出这一原理可用来测定细胞体 积的分布及其计数。其后很快发展了各种改良的仪器，用于测定颗粒大小和计数。 电感应法的传感器核心部分由电极、小孔管构成，当传感器电极间加固定电 压时，d q l , 的等效电阻为： 月= i l p = 吉 其中：l 为d , t l 管孔长 电阻率 电导s 为： s ：生 ( 1 i ) d 为小孔管孔径，a 为小孔管截面积，p 为被测液 上。p 当体积v 的不导电微粒通过小孔时，电导为 当体积v 的不导电微粒通过小孔时，电导为 ( 1 2 ) 上海大学硕士学位论文 艘2 筹( 尚一丝2 疋 p v a 一、4 工一矿。2 爿y 当v 1 ( 由于j 可 取正也可取负，所以这个假定无关紧要) 。对应的离散小波函数可写成： 上海大学硕士学位论文 ( t ) = a o - s a 妒( 学= a o - j 1 2 妒( a o - j t - 蛾) 而离散小波变换系数则可表示为： c s ，。= ef ( t ) s 。( o a t = ( f ，向，。) 其重构公式为： ，( f ) = c q 力，。o ) c 是一个与信号无关的常数。 ( 4 1 2 ) ( 4 1 3 ) ( 4 1 4 ) 对于尺度及位移均离散变化的小波序列，若取离散栅隔的风= 2 ，a b = 0 ， 即相当于连续小波只在尺度上进行了二进制离散，而位移仍取连续变化，则称这 类小波为二进小波，表示为： 啦。( f ) = 2 - 2 0 ) ( 4 _ 1 5 ) 二进小波介于连续小波和离散小波之间，它只是对尺度参量进行离散化，而 在时间域上的平移量仍保持连续变化，因此二进小波变换仍具有连续小波变换的 时移共变性，这是它较之离散小波变换所具有的独特优点。 得： 设小波函数为妒( r ) ，其傅里叶变换为 v ( c o ) ，若存在二常数0 a b h o 成立 l f ( t o + 厅) 一只( ) i s 爿1 i l l 。 ( 4 3 2 ) p a t ) 实际上就是，( ，) 在f o 处作t a y l o r 级数展开的前月项。 如果对于一切岛，o + ( 口，b ) ，式( 4 3 2 ) 均成立，则，( r ) 在( 日，6 ) 上是一 致l i p s c h i t za 。如果厂( f ) 在r o 处不是l i p s c h i t zl 。则称，o ) 在乇处是奇异的。如 果，( ，) 在0 处不连续但有界( 如阶跃函数) ，则其l i p s c h i t z 指数为0 。白噪声是 几乎处处奇异，其l i p s c h i t z 指数a 是一1 2 一e ( e 0 ) 。因而，指数口刻划了f ( t ) 在岛点的光滑程度，a 值越大，函数f ( t ) 在该点越光滑；反之，越小则表明在该 点处越剧烈。 4 3 3 白噪声在小波变换多尺度上的特征 凡是功率谱密度在整个频域内都是均匀分布的随机过程，都被称为白噪声。 自噪声的自相关函数仅在时刻f = 0 时才不为零：面对于其他任意时刻的f ，它都 为零。也就是说，白噪声只有在f = 0 时才相关，而它在任意两个时刻上的随机 变量都是不相关的。 上海大学硕士学位论文 使用d b 5 小渡分解4 层：s = a 4 + d 4 + d 3 + d 2 + d l 图4 - 4 白噪声及其1 4 尺度上的小波变换 设n ( x ) 是实的宽平稳白噪声，其方差为盯2 ，那么白噪声的小波变换睨( s ，x ) 的期望值： 到哺f ) = 哗兰 ( 4 - 3 3 ) 式( 4 3 3 ) 说明e ( 1 阮( j ，刮2 ) 的衰减正比于l s ，即随尺度的增加白噪声的小 波变换幅值平均减小。 若白噪声”是高斯白噪声，在尺度s 上其小波变换模的平均密度为： 以= 爿端+ 铡 ( 4 - 3 4 ) 式中( 1 1 及妒( 2 1 分别是矿的一阶及二阶导数。从式( 4 3 4 ) 可以看出白噪声 的小波变换模值的平均密度正比于i j ，即随尺度s 增大，其密度减小，高斯白 噪声是一致l i p s c h i t z 1 2 e 的分布， o 。由此可见离散白噪声是几乎处处奇异。 因而随着尺度s 的减小，白噪声的局部模极大值逐渐增大( 如图4 - 4 所示) ，这 和信号是截然不同的。因此，通过观察不同尺度上的小波变换模极大值的渐变规 律、模极大值点的分布规律、估计奇异点的位置和其l i p s c h i t z 指数，即可将信 上海大学硕士学位论文 号与噪声分离，实现小波去噪。 4 4 小波多尺度模极大值去噪算法的研究 小波去噪的方法有很多种，归结起来说有模极大值检测法、阈值去噪法、屏 蔽去噪法等。这节中主要是研究小波多尺度模极大值去嗓算法。 4 。4 。1 模极大值检测法 对