（检测技术与自动化装置专业论文）智能红外测油仪.pdf

长春工业大学硕上学位论文 摘要 油类物质是一种常见的环境污染物。油类物质对水体的污染很严重，它们影响着 空气与水体界面氧气的交换，消耗水中的溶解氧，使水质恶化，严重破坏水体生态平 衡，威胁人类健康。另外，油类物质对土壤污染的后果也较严重，它们进入土壤后对 土壤中的微生物、酶及作物的生长发育都有较大危害，还会对地下水造成污染。它们 对水体和土壤的污染已经成为一个越来越严重的问题。因此，开发针对水体和土壤污 染监测的智能红外测油仪是十分必要的。 本文的研究内容是以我国于1 9 9 7 年颁布的“红外光度法为基础的水质、石油类和 动植物油的测定”的国家标准为依据，采用红外分光光度法和朗伯比尔定律测定污染 物对红外光吸收的强度，来对污染物中油的含量进行分析计算，并得到相应的结果。 污染物吸收的红外光信号极其微弱，且容易受到各种噪声和干扰的影响，论文主要针 对如何精确的测出污染物中油的浓度展开研究。利用弱信号相关检测的理论，设计进 行微弱信号检测和调理的硬件电路，对采集到的弱信号进行去噪，从噪声中提取需要 的信号。在此基础上，本论文设计了基于w i n d o w s 平台v b 6 0 的上位机程序和单片机 的下位机程序。在上位机中对信号进行数据采集、软件数字滤波、步进电机的驱动控 制、污染油含量计算和相应图谱的描绘。下位机则进行对检测电路检测到的数据采集 和驱动步进电机的工作。软件系统和硬件电路的结合为弱信号检测的实现打下了良好 的基础。 通过实验研究结果可以看出，采用弱信号检测理论和红外分光光度法，对弱信号 检测过程的去噪效果很好，有效的检测出了水体和土壤中污染油含量，达到检测所需 信号的目的。同时，通过实验测得数据，得出弱信号相关检测的理论和技术可以满足 本仪器的要求精度。 关键词：红外测油仪，红外分光光度法，弱信号检测 长春工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t o i li sac o m m o nk i n do fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h e yp o l l u t e sw a t e rs e r i o u s l ya n d a f f e c t st h ee x c h a n g eo fo x y g e nb e t w e e na i ra n dw a t e r m o r e o v e r , o x y g e ni nw a t e ri s c o n s u m e d ，a sar e s u l t ，t h ew a t e rq u a l i t yw i l lb ed e t e r i o r a t e da n dt h ew a t e rb a l a n c ew i l lb e d e s t r o y e d o i la l r e a d ye n d a n g e r sp e o p l e sh e a l t h t h e ya l s op o l l u t e ss o i ls e r i o u s l y o n c e e n t e r i n gt h es o i l ，t h e ye n d a n g e r st h eg r o w t ho fm i c r o b e ，p o l l u t e sa sw e l la st h ee n z y m ea n d g r o u n d w a t e r t h ep o l l u t i o no fo i la l r e a d yb e c o m e sam o r ea n dm o r eh a z a r d o u sp r o b l e m s o i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pak i n do fi n f r a r e do i lm e t e rt om o n i t o rp o h u t i o no fw a t e ra n ds o i l b a s i n g o no u rn a t i o n a ls t a n d a r do f m e a s u r e m e n to fw a t e ra n do i l b yi n f r a r e d s p e c t r o p h o t o m e t r y ”i s s u e di n1 9 9 7 ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h eo i lc o n t e n to fp o l l u t i o nt h r o u g h i n f r a r e dl i g h ti n t e n s i t y , u s i n gi n f r a r e ds p e c t r o p h o t o m e t r ya n dl a m b e r t - b e e rl a w , i nt h em e a n t i m eg e t st h em a i nr e s u l t t 1 l ea r t i c l ei n t r o d u c e st h et h e o r yo fi n f r a r e ds p e c t r o p h o t o m e t r yo i l m e t h o d , t h et h e o r yo fw e a ks i g n a ld e t e c t i o n ，r e l e v a n th a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r es ) r s t e m d e t a i l e d y i n f r a r e ds p e c t r o p h o t o m e t r y c a nt e s to i lc o n t e n ti nw a t e ra n ds o i l e f f e c t i v e l y n e v e r t h e l e s s ，b e c a u s eo fe x i s to fn o i s ed u r i n gt h et e s t ，i ti sd i f f i c u l tt od e t e c t s u b m e r s e dw e a ks i g n a l t h u s ，t h er e s e a r c ho fh o wt od e t e c tw e a ks i g n a lm i x e di nn o i s ei st o b ei n t r o d u c e di nt h ea r t i c l e w ed e s i g nh a r d w a r et od e t e c tw e a ks i g n a l ，e l i m i n a t en o i s eb y t a k i n go ft h et h e o r yo fw e a ks i g n a la n do b t a i nv a l u a b l es i g n a l b a s e do nt h ea b o v e ，s o f t w a r e o fc o m p u t e rb yu s i n gv b 6 0a n dp r o g r a m so fm c ua r ed e s i g n e d t h ec o m p u t e r sw o r ki st o d e a lw i t hd a t a , m a k es o f t w a r ef i l t e r , c o n t r o ls t c dm o t o r sd r i v ea n dd r a wc h a r t s t h ew o r ko f m c ui st oc o l l e c td a t a , d r i v es t e pm o t o r n er e a l i z a t i o no fw e a ks i g n a ld e t e c t i o ni sb a s e do n t h ec o m b i n a t i o no fs o f t w a r ew i t hh a r d w a r e t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，w ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h et h e o r yo fw e a ks i g n a l d e t e c l l o na n dc o r r e l a t i o nm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ei n s t r u m e n tp r e c i s i o n i na n o t h e r w e c a nd r a wt h e c o n c l u s i o nt h a tt h et h e o r i e so fc o r r e l a t i o nd e t e c t i o na n di n f r a r e d s p e c t r o p h o t o m e t r yc a l lg e tb e t t e rr e s u l ti ne l i m i n a t i n gn o i s ea n dd e t e c t i n gq u a l i t yo fo i li n w a t e ra n ds o i le f f e c t i v e l yt oa r r i v ea to u ro b i e c t k e y w o r d s ：i n f r a r e do i lm e t e r , i n f r a r e ds p e c t r o p h o t o m e t r y ，w e a ks i g n a ld e t e c t i o n i i 长春工业大学硕上学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品或成果。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。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：马j 同习 日期： h d 7 年弓月3 7 日 长春工业大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着各种矿物燃料的大量开采和广泛使用，矿物油对水体和环境的污染已经日益 成为一个全球关注的1 1 】1 2 】、越来越严重的问题【3 1 【4 】。对水体和环境的油污染进行保护的 重要手段就是对其进行更好的监测，所以研制一种智能红外测油仪具有很重要的经济 价值和社会价值。 目前国内的红外测油仪大多数没有真正的实现对污染中油含量进行实时的监测。 测量方式精度不高，测量速度慢，对油含量的测试不准确。在国外，很多国家对这种 测试方法进行了研究，并取得了一定的成果。我们可以借鉴国外的先进成果来制造一 种测量快速，准确而且价格相对低廉的仪器，来满足国内对油含量监测的要求。 对水体和土壤中油含量的检测有多种方法，包括浊度法嘲、超声法【6 l 、光散射法1 7 1 、 重量法 8 1 、紫外分光光度法【9 】、非色散红外吸收法1 1 0 l 、红外分光光度法、色谱法【1 1 】、荧 光光度法【1 2 烽。红外分光测油法是以热释电红外传感器l ”l 作为检测元件。热释电红外 传感器是一种检测物体辐射红外能量的传感器，特点是当有不断变化红外线照射到热 释电元件时，其内部发生很大的极化作用，变化部分作为电荷释放出，从外部取出该 电荷就变成传感器的输出电压，检测物体能量的相对变化。由于所提取的信号相对较 弱容易受到干扰，故必须在软件和硬件上采取各种相应的滤波和抗干扰措施，来检测 其中的信号，以达到最终监钡4 土壤和环境污染的目的。 ， 本论文选题来源于校内基金项目“智能红外线测油仪的研制”，以水体和土壤中的 油为监测对象，以检测其中的油含量为目的，采用硬件前置放大、陷波器、选频放大、 数据a d 转换加软件数字滤波等方式来实现对其中的油含量进行监测的目的。 1 2 论文研究的意义 人们日常接触到的油类物质大体上是一种黏性的、可燃的、密度比水小的有机物 质，它们是一类常见的环境污染物。如果有较多的油漂浮于水体表面，将会影响空气 与水体界面氧的交换，而分散于水中及吸附于悬浮微粒上或以乳化状态存在于水中的 油则可被生物氧化分解，消耗水中的溶解氧，使水质恶化，严重破坏水体生态平衡。 另外，油类往往还含有致癌物质多环芳烃，它可经水生生物富集后危害人体健康( 1 4 l 一【1 9 1 。 油类物质对土壤污染的也较为严重，矿物油进入土壤后对土壤中的微生物、酶以及作 物的生长发育都产生较大的破坏作用，还会对地下水造成一定程度的污染1 2 0 j | 2 ”。矿物 长春工业大学硕士学位论文 油类中所含的芳烃虽然较烷烃类少很多，但其毒性要大得多【2 2 l 。 为了更好的改善环境，促进生态平衡，以及减少矿物油对人类和各种生物的损害， 有必要研制一种能够快速精确的测试水、土壤中油含量的智能测试仪表。同时我省作 为一个重工业的大省，对环境质量的监测也高度重视。因此，高精度与高性能的环境 检测仪器的设计与研制，对我省的地区经济持续性的发展和老工业基地建设都将起到 巨大推动作用。 大多数物质的分子宫能基能吸收红外光，利用光谱能量的吸收与转换很容易进行 内部成分的定性分析和定量计算。本论文所设计的智能红外测油仪正是以此为基本原 理，采用红外分光光度原理测量，经对样品进行光谱扫描，可显示并打印样品光谱及 吸收峰的波数位置，能迅速、准确地测出水体中油浓度的全部含量。因此，智能红外 分光测油仪测定水及土壤中矿物油，具有快速、简便和准确的特点。研制这种智能测 试仪器可以有效的测量矿物油污染物的含量，更好的对环境监测和治理，社会意义和 现实意义非常显著。 1 3 课题在国内外的研究现状 在国外，各种检测矿物油的仪器和方法包括浊度法、超声法、光散射法、重量法、 紫外分光光度法、非色散红外吸收法、红外分光光度法、色谱法、荧光光度法等等。 前三种方法只对水体中的分散油( d i s p e r s e do i l ) 起作用，因为它们“看不到”溶解于水 中的低浓度石油烃( d i s s o l v e do i l ) ，而浓度在1m g l 以下的矿物油已可完全溶于水中 了。重量法显然不够灵敏且会造成低沸点烷烃的损失。紫外分光光度法虽然灵敏( 目 前市售的基于紫外分光光度法原理的测油仪有美国t e l e d y n e 分析仪器公司6 6 0 0 2 6 6 1 0 系列仪器) ，但选择性差，不同的油组分在不同波长处有吸收极大，而许多其它有机 物也都在紫外有吸收。非色散红外吸收法( 目前日本h o r i b a 公司、美国b u c k s c 正n n f i c 公司和g r a b n e ri n s t r u m e n t s 公司都有该类型商品仪器销售) 也存在类似问 题。由于矿物油成分f 烷烃、环烷烃和芳香烃) 中含有分别在2 9 3 0 c m 4 ( c h 2 中d h 伸 缩振动) ，2 9 6 0 c m 1 ( 2 c h 3 中c - h 伸缩振动) 和3 0 3 0 锄4 ( 芳环中c - h 伸缩振动) 处有吸收带的不同组分，若这些组分的相对值发生变化，用只在某一波数处进行测量 的非色散红外吸收法显然难以测准。红外分光光度法由于可同时或顺序测量上述三个 波数处的吸光度( t i p 2 9 3 0 c m 一，2 9 6 0 c m ，3 0 3 0 c m 1 ) ，且在这三个波数处几乎没有什 么其它物质产生干扰，可很容易地通过适当计算求得矿物油的总浓度，因而可以避免 上述大多数缺点。色谱法可对多个组分加以测定，但费时、费事。荧光光度法( 目前 美国t u r n e rd e s i g n s 公司和荷兰s k a l e r 公司都有相应的可用于连续监测水中矿物油的仪 器出售) 灵敏度高甚至可以直接“看到”1m g l 以下的“溶解油”，但只对芳烃有效，且 容易受其他荧光物质所干扰。目前，美国环保署的标准方法为萃耿2 重量法和萃取2 非 2 长春工业大学硕士学位论文 分散红外吸收法，国外普遍使用的专用测油仪基本上采用非色散红外吸收法。国外发 达国家一般采用的红外分光光度计测定油污染物价格昂贵，大多数污染严重、经济发 展落后的发展中国家难以承受。此外，采用红外分光光度计测油，由于是非专用仪器， 所以也难以满足环境监测工作快速、现场检测的要求，另外无配套软件计算油的含量， 手工计算也相当烦琐。 在我国，随着矿物油成为环境监测的主要污染物之一，以前我国所采用的测定方 法由于原理的不同，各种方法测定得到的结果往往差别很大。多年来，我国始终没有 统一计量测试的标准方法，这造成了检测数据可比性和准确性差，无法为环境管理部 门的监督管理提供科学的依据。我国于1 9 9 7 年根据国际标准化组织( i s o ) 的推荐方法， 制定并颁布了以红外光度法为基础的“水质石油类和动植物油的测定红外光度 法”( g b 厂r 1 6 4 8 8 2 1 9 9 6 ) 国家标型矧。该标准包括两种测试方法：红外分光光度法和非色 散红外光度法。 目前我国普遍使用的专用测油仪基本上采用单光路扫描方式的红外分光仪器，它 能将亚甲基( c - h 2 ) 、甲基( c h 3 ) 和芳香环中的( c h ) 的三种功能结构全面测定出来， 因此测定不受水中油组分不同和使用不同油标样的影响，而且在这三个波长处几乎没 有什么其它物质会产生干扰，可很容易地通过适当计算求得矿物油的总浓度。从原理 上讲结果应较准确可靠，因而可以避免上述大多数缺点。但由于结构和加工精度的限 制，仪器还存在如下缺陷：灵敏度较低，很难满足地表水等低含量样品的检测；扫描 波长的工作方式，不能同时获得三个功能结构波长处的信息；分析速度慢，波长机械 扫描机构造成测量准确度和精密度低；萃取和样品引入完全是手工操作，所用萃取剂 c a 4 关于消耗臭氧物质的蒙特利尔议定书所禁用的试剂，对环境会产生二次污染， 已被要求在2 0 1 0 年停用，且溶剂用量多、污染大，对操作人员健康有害。 1 4 论文主要研究内容 本文的主要研究内容是进行智能红外测油仪的研制。结合智能红外测油仪在环境 污染中的应用，利用弱信号检测理论，采取硬件滤波，软件数字滤波，以及各种抗干 扰措施进行弱信号提取来有效的解决信号的检测，同时通过对采集得到的数据进行分 析测出污染油的含量。本文的研究内容包括以下几个部分：光源电路，弱信号采集与 处理，滤波和抗干扰，计算机通讯和上位机数据软件。 1 4 1 光源电路 由于热释电传感器只对变化的信号产生输出，它工作要求必须有一个不断变化的 光源，这就要求对其工作的光源进行调制，在这单调制频率为1 0 h z 左右；同时，为了 长春工业大学硕士学位论文 产生稳定的信号输出，仪器的光源强度也要非常稳定，对光源的供电专门设置了一个 稳定供电的电路。 1 4 2 弱信号采集与处理 传感器输出的信号比较微弱，检测电路根据传感器的特性及输出信号的特点对信 号进行前置放大、滤波放大和同步检波处理等。 低噪声前置放大电路。低噪声的前置放大器是弱信号检测仪器及装置中的关键部 件之一。设计的前置放大器要与传感器的阻抗进行匹配，以获得最佳的探测效果。由 于传感器输出的信号极其微弱，必须进行放大，放大增益在2 0 0 0 - 5 0 0 0 倍左右，单级放 大电路不能满足如此大的增益，故采用多级放大以驱动后级电路。 滤波电路。经过前置放大器后，传感器的输出信号被放大，产生相应的低频响应 的电信号。这个信号中仍然混有一定的噪声，为了更好的提取其中的微弱信号，提高 信噪比，还要对信号进行各种滤波处理，以滤除其中的杂波和干扰信号，得到相对比 较纯正的有用信号。 1 4 3 数字相关滤波和抗干扰 虽然信号进入a d 转换器前用模拟滤波器进行滤波，但模拟滤波器只能抑制其中的 部分干扰信号，对于另外的干扰信号则滤波效果较差。为了从中更好的提取需要的信 号，采取了基于单片机软件的数字滤波可以很好地弥补这一不足，有效滤掉大部分干 扰信号而且稳定性很高。 限幅滤波：由于大的随机干扰或者采样器的不稳定，将引起采样数据的大幅度跳 跃，为此采用了上下限限幅滤波。 中值均值混合滤波：将中值滤波和平均值滤波结合起来使用，不但可以有效的去 除周期性的干扰噪声，而且对于脉冲干扰也有很好的滤波效果。 相关滤波：仪器中的光敏器件比较容易受到影响，从而产生虚假干扰信号。相关 滤波可以将与测量信号的频率、相位不同的噪声电压滤除或衰减，提高信噪比，增强 仪器的抗干扰能力。被测物质放在样品池中吸收光源发出的红外光，从而打破光路平 衡产生信号。光源进入比色池前被切光片所调制，该切光片又切过槽形光电开关，得 到一个与测量信号频率完全一致、相位不同的参考信号。滤波后得到的信号，有效地 滤掉干扰信号。同时，可利用该参考信号确定信号每个周波的开始，保证每次采样起 点的一致也有利于干扰的抑制。 4 欧春工业大学硕士学位论文 1 4 4 计算机通讯接口和上位机软件 本论文设计的智能测试仪采用两种操作软件进行开发。一种在基于单片机系统下 采用c 语言和汇编语言进行底层驱动软件和部分滤波软件的开发，另一种是在基于 w i n d o w s 视窗下采用高级语言集成开发环境开发。当仪器标定后，仪器就会按照预先 选定的方法、标准曲线、分析次数完成样品的三波数3 0 3 0 c m 、2 9 6 0 c m 1 、2 9 3 0 c m d 自 动扫描分析，并将分析结果显示在屏幕上和记录到预先指定的文件中，分析结束后提 示进行下一个样品的分析。所有可以在屏幕上显示的数据和图谱均可以保存到硬盘， 也可以打印出来。 1 5 仪器的技术指标 测量范围：仉2 伽岫g i ， 检出限：不大于0 1 m g l 动态线性范围：0 - 6 0 d b 线性度相关系数：大于0 9 9 9 样品分析时间：不大于1 0 秒 1 6 本章小结 本章在系统论述了国内外的红外测油技术的基础上，概述了各种测量油含量方法 的特点，并介绍了采用红外分光光度法测量水中和土壤中油含量的方法。通过研究课 题的工程背景和国内外油含量测试技术的发展现状，论述了研制基于红外分光光度原 理和弱信号检测理论的测油仪器的重要意义，最后在总结前人经验的基础上，明确了 本文的研究内容。 长春工业大学颈t 学位论文 第二章红外分光光度法测油原理 本章首先详细研究红外分光光度测油的原理和国标中关于油含量检测方法的规 定。然后对油的概念加以解释，指出红外分光光度法在整个仪器系统的位置，同时介 绍国内外几种常用的测油方法的原理，并指出其局限性，最后给出了仪器的整体结构。 2 1 红外分光光度法的原理 智能红外测油仪是属于光学式分析仪器，目前红外分光光度法是绝大多数红外测 油仪所采用的对化学物质进行测量的方法，其中分光光度计是红外测油仪的核心部件 之一。它是将光源所发出的复色光分成所需要的单色光，利用光电探测器将带有被测 样品信息的单色光的光信号变为电信号后进行处理计算。通过溶液对不同波长单色光 的吸光度的不同来确认溶液的类型及浓度。根据分光光度计与样品的相对位置不同， 可分为前分光和后分光类型。前分光型分光光度计是光源经分光后再入射到吸收池。 其优点是由于通过吸收池的是单色光，没有其它波长单色光的干扰，得到比较纯净的 信号。但缺点是不能同时完成对多波长的测试，因此测试速度慢。后分光型分光光度 计，即从光源发射的复合光先通过吸收池后再经单色器分光。由于光先通过吸收池再 由单色器分光，光电探测器可以同时对几个波长进行测试，速度快。因此当测试一个 波长而其他波长的影响可以忽略不计时，通常采用后分光光度计实现快速测试。无论 采用何种类型的分光光度计，它都是基于不同分子结构的物质对电磁辐射的选择性吸 收而建立起来的方法，属于分子吸收光谱分析。它是以分子吸收某一波长的光为基础， 表现为分子的吸光度值( a ) 为波长( a ) 的函数关系，符合朗伯比尔定律。 2 1 1 光吸收的基本定律朗伯一比尔定律 朗伯比尔定律的原理是：特定波长的单色光通过溶液，其吸收强度与溶质浓度和 光通过的距离( 即光径) 成正比。布格( b o u g u e r ) 和朗伯( l a m b e r t ) 先后在1 7 2 9 年 和1 7 6 0 年阐明了光辐射强度和吸收层厚度的关系，1 8 5 2 年比耳( b e e r ) 又提出光辐射 强度和吸收物浓度也有类似的关系；布格朗伯- 比耳定律的数学表达式为： a l g ( ，。，) = 工g ( 1 t ) = e b c ( 2 1 ) 其中： a 一光通过介质被介质吸收的吸光度： t _ 一透射光强与入射光强之比，即透光率，。； ，。一入射光强度； 长春工业大学硕士学位论文 l 透射光强度； 介质摩尔吸光系数( m o i t o o l 锄； c 吸收物的摩尔浓度( m o l m 0 1 ) ； b 一吸收层厚度( c m ) 。 当待测样品是一种均匀分布的溶液，它与入射单色光的作用仅限于吸收过程，而 不会发生荧光、散射和光化学现象，并且在吸收过程中，溶液各物质无相互作用，各 物质吸光度具有加合性，这样的条件完全符合朗伯比尔定律。其含义为：特定波长的 单色光通过溶液时，单色光被吸收的强度与溶液中吸收物浓度和光通过的距离成正比。 在实际中，我们固定了光程距离。如果我们测得了溶液对某一单色光的吸收强度，根 据两者的线性关系，我们就会得到溶液的浓度。由于吸光度对浓度呈线性关系，这给 成分的定量测定带来极大的方便，同时也便于研究分光光度法的准确度刚嗍。 2 1 2 分光光度计的组成 分光光度计f 硼主要由光源、单色器、样品池、检测器及信号放大处理等电子学系 统组成，如图2 - 1 所示： 图2 - 1 分光光度计结构原理图 此分光光度计示意图为前分光光度计，光源发出的辐射由单色器分成单色光后照 射在样品池上，再用热释电红外探测器将光信号转化为电信号，最后经放大后由电子 学系统进行处理。朗伯比尔定律是红外测油仪成立的理论基础，因此分光光度计性能 的好坏直接影响到红外测油仪的性能指标，选择好分光光度计各组成部分有重要的意 义。作为分光光度计的光源，首先应在红外测油仪工作波段范围内提供连续辐射，其 辐射能量必须具有足够的强度，能量随波长变化尽可能小。另外必须具有较好的稳定 度和有较长的使用寿命。在系统中我们选用卤钨灯。它在红外测油仪中广泛用做光源。 这种卤钨灯具有较大的发光强度和使用寿命，符合系统要求。单色器的作用是将复合 光分解为窄带光或单色光，使测量在最大吸收波长处进行，更好的遵守朗伯一比尔定律， 从而提高测量灵敏度。单色器由入射狭缝、准直装置( 透镜或反射镜) 、色散元件( 棱 镜或光栅) 、聚焦装置( 透镜或凹面反射镜) 和出射狭缝等五部分组成的个完整的色 散系统。安装在一个不透光的暗盒中。对于光探测器，系统采用热释电红外探测器， 它吸收能量后转变为电压信号，这样光信号就转换成为电信号供系统做进一步处理。 光探测器是光系统与电系统沟通的桥梁，一个灵敏度高而有稳定可靠的红外分光光度 长春工业大学硕士学位论文 计必须有一个优良的检测系统。 红外测油仪采用红外分光光度计，卤钨灯光源发出的光被调制扇调制，聚光镜的 作用后将经过调制的光束通过吸收池会聚于单色仪的入射狭缝，再由后面的聚光镜作 用会聚经光栅分开的探测器上。测量不同的电压值，就可以知道样品池中各种油对不 同波长的吸光度。 2 1 3 国标中关于石油和动植物油测定方法的规定 ( 1 ) 样品测定 以四氯化碳做参比溶液，使用适当光程的比色皿，在3 4 0 0 c m 1 至2 4 0 0 c m d 之间分别 对萃取液和硅酸镁吸附后滤出液进行扫描，于3 3 0 0 c m 。1 至2 6 0 0 c m d 之间划一直线做基 线，在2 9 3 0 c m 1 、2 9 6 0 c m 1 、3 0 3 0 c l n - 1 处分别测量萃取液和硅酸镁吸附后滤出液的吸光 度a 2 9 3 0 、a 2 9 6 0 、a 姗，并分别计算总萃取物和石油类的含量，按总萃取物和石油类含 量之差计算动植物油的含量。 ( 2 ) 校正系数测定 以四氯化碳为溶剂，分别配置1 0 0 噬n g ，l 正十六烷、1 0 0 r n g l g 鲛烷和伽g l 甲苯 溶液。用四氯化碳做参比溶，使用l c m 以比色皿，分别测量正十六烷、老鲛烷、甲苯三 种溶液在2 9 3 0 c m 一、2 9 6 0 c r a 一、3 0 3 0 c m 1 处的吸光度a 2 9 3 0 、a 2 9 、a 3 0 3 0 。 正十六烷、老鲛烷、甲苯三种溶液在上述波数处的吸光度均服从于通式( 2 2 ) ， 由此得出联立方程式后经求解后，可分别得到相应的校正系数x 、y 、z 和f 。 c = x a 2 9 3 0 + y a 2 9 6 0 + z ( a 3 0 3 0 a 2 9 3 0 f ) ( 2 - 2 ) 式中： g 一萃取溶液中化合物的含量；m g l ； a 2 9 3 0 、a 2 9 6 0 、a 3 仃一为不同波数下的吸光度； x 、y 、压一为与各种c - h 键吸光度相对应的系数； f l 脂肪烃对芳香烃影响的校正因子，即正十六烷在2 9 6 0 c m d 和3 0 3 0 c m d 处的吸光 度之比。 校正系数确定的计算公式： f = a 2 9 3 0 ( h ) a 3 0 3 0 ( h ) c ( h ) = x + a 2 9 3 0 ( h ) + y + a 2 9 6 0 ( h ) c ( p ) = x + a 2 9 3 0 ( p ) + y + a 2 9 6 0 ( p ) c ( t ) = x + a 2 9 3 0 ( t ) + y + a 2 9 6 0 ( t ) + z + ( a 3 0 3 0 ( t ) - a 2 9 3 0 ( t ) f ) ( 3 ) 结果计算 总萃取物计算 水样中总萃取物c ，( m l ) 按式( 2 - 3 ) 计算： 8 长春工业大学硕士学位论文 c l - x - 铀“钿+ z 一争】错 ( 2 - 3 ) 其中： x 、y 、z 、f 校正系数： a 1 ，2 9 3 0 、a 1 2 9 6 0 、a 1 3 旷珞对应波数下测得萃取液的吸光度； 屹萃取溶剂定容体积；m l ； 圪水样体积；m l ： d 萃取液稀释倍数； f 铡定校正系数时所用比色皿的光程；c m ； 测定水样时所用比色皿的光程；c m 。 石油类的含量 水样中石油类的含量c 2 ( m g l ) 按式( 2 - 4 ) 计算： 刊弘t 1 2 , 2 9 3 0 + y - 4 2 , 2 9 6 0 + z 舢一争】错 ( 2 _ 4 ) 其中： a 2 2 9 3 0 、a 2 ，2 9 6 0 、a 2 。3 0 3 旷各对应波数下测得硅酸镁吸附后滤出液的吸光度；其他 符合意义同前。 动植物油含量 水样中动植物油的含t c , ( r a g l ) 按式( 2 - 5 ) 计算： c3一clc2(2-5) 2 2 红外分光光度法在整个系统中的位置与作用 油一般为碳氢化合物，且不溶于水。我们所测量的油是指将“石油类”和“水中 油”定义为油类，即矿物油和动植物油的总称，也就是在p h _ - n a t ) ，则氏( r ) ( r ) 。于是r p ) 一p ) 很 接近与互相关获得的结果，即自相关器和互相关器的检测能力相差很小。本文中的红 外测油仪中就是采用互相关检测原理实现的。 3 3 相关器 前面讨论相关函数和相 关检测中，都包含有两函数的 相乘问题。在电路中，通常采 用相敏检波器【3 5 l 或用混频器 来完成这一功能，它在相关检 测技术中占有重要 地位如图3 4 所示。 图3 4 相敏检波器 相敏检波器( 简称p s d ) 还能对两个信号之间的相位进行检波。实际应用时，这两个 信号往往是同频的。当两信号的振幅一定时，其输出与相位差妒的余弦成j 下比。两同 相信号( 相位差妒= o ) 检波后输出最大；而反相( 驴= 1 8 0 。) 时为负最大；相差9 0 。或2 7 0 。 时为零。 1 8 长春工业大学硕士学位论文 相敏检波器在自动控制、相关检测中都是经常用到的部件。相敏检波器的原理比 较简单，它相当于模拟乘法器，即输出k 是输入信号k 与参考信号的乘积。 i 在简单情况下，k 和嵋是两个正弦波，即 k es i n ( 2 石f , t + ) 一s i n ( 2 r r f 2 t + 仍) 输出为： v o - k 一竺! 里c o s 2 石( f , 一，2 弘+ ( 一仍) 】 一毕c o s 2 石( f , + a ) t + 瓴+ 仍) 】0 - 2 0 ) 输出k 包含两项，即和频项与差频项。当两信号同步时( 即五一，2 ) ，则差频分量 易2 ) o 的魄一仍) 为相敏直流电压输出，它正比于相位差锄一仍) 的余弦量。由于e 、 e 。及疋( 或厶) 为定值，所以输出仅与相位差有关，即有“相敏”的含义。在实际应 用中。和频项( e i e s 2 ) c o s 【2 ( 幼 ) f + ( 吼+ 讫) 1 通常为低频滤波器滤除，所以输出仅剩 下直流项。当五，2 时，则差频项( e 乓2 ) e o s 舳x + 魄+ 仍) 】为交流分量，即包含 交流输出。在一般情况下，这是不希望的。 2 信号中有噪声的情况 k e c o s ( o 吖+ 一) + e c o s ( o ) t + 口) 一e r c o s ( 毗) 式中：为信号频率；为随机噪声频率；口为信号与参考信号k 的相位差；a 为噪 声与参考信号的相位差。一般情况下，一q ，0 一口。通过相敏检波器后，其输出 一k 一三c o s 口+ 委巨( 2 c o s 血舻+ 口) + 三e 易s 【( q 一y + 口】+ o o s 【( 鸭+ y + 口】 加低通滤波器，其输出 = 委巨以c o s 口+ 1 e ；e s c o s ( 耐+ a ) 式中a m q 一。若i 一i 大于低通滤波器截止带宽，低通滤波器无输出；反之有 输出。 3 方波作参考信号 实际电路中，常采用h1 的方波作参考信号，设幺= i v ，则参考信号的傅氏级 数表达式为： 1 9 长春工业大学硕士学位论文 k 一晏薹南咖f ( 知+ 1 ) o , 1 式中：万为0 ，1 ，2 ， 为方波的基波频率。 若信号为：k - e , s i n ( 唧+ 砚) ，则 v o - i 似。荟看雠伽呒- ( 机1 ) ，2 m 一荟若蒜o o s 伽坼“舢1 ) f 2 t 坛 从上式可看出，输出信号频率与全部方波基频，2 的奇次谐波的和频与差频所组成 的大量谐波分量。因此相敏检波器的输出包含任何一个奇次谐波所产生的相敏直流输 出，成为p s d 谐波响应。在同步情况下，相敏检波器的谐波响应与谐波数( 2 n + 1 ) 成 反比。相敏检波器是用的较多的电路，其原理较易理解。因此，在本文中所用的相关 器就是以相敏检波器实现的。 3 4 相关器的数学解i 蚓 图3 - 5 相关器原理 相关检测中采用的相关器原理如图3 5 所示。设被测定信号k 和参考信号在乘 法器中相乘，矿为乘法器的输出信号，也即积分器的输入信号。积分器采用运算放大器 的近似积分器。积分器的电阻墨、民和电容c 0 如图中所示。为积分器的输出信号， 也就是相关器输出的相关函数。开关式乘法器可等效于被测输入信号与单位幅度的方波 相乘。若参考信号为对称方波，可用单位幅度的方波函数表示，即： 。三荟赤s i n ( 2 h + 1 ) f 】( 3 - 2 1 ) 式中，珊。为参考信号的角频率。设输入被测信号 长春工业大学硕l ：学位论文 匕。y “s i 眦甜+ 纠( 3 - 2 2 ) 式中：为信号角频率；妒为相位差：p 0 为正弦波的振幅。 乘法器的输出 k 竹忙_ 石4 v 。s i n ( a t s i n ( a t 捌嘉南s i n ( 2 n + 1 ) 啄 (3-23)4-1 k = k k 一+ 妒) 罗+ 1 ) 啄 ( 3 - 石怠切 积分器输入电压k 、输出电压均满足微分方程： c 0 盟七v o 。一丘盟+ 玉，一旦( 3 - 2 4 ) ”d t k蜀d tr c oc o r m 式( 3 2 4 ) 是一阶线性微分方程，其通解 唧( 毫矗) 【j ：( 一矗卜矗卜c 】 协z s ， 式中0 为待定常数，令( o ) 。0 ，即c o 的初始电压为零。把式( 3 2 4 ) 的k 待入式( 3 2 5 ) ， 则 v o 盟专l j 掣丝：! 垒兰塑丝! 兰竺三丝窖 石r 盘2 n + li 1 + “一伽+ 1 ) k g ) 2 s 【 + ( 孙+ 1 ) ，+ 妒一+ 1 ， 4 1 + 【珊+ ( 2 ，l + 1 ) w a k c o t 2 一c 坤( _ 剖而啬 0 0 s ( 妒一屹+ 。) 1 + p + ( 知+ 1 ) w r r c 0 ) 2 式中 + l a r c t g 6 0 一( 2 n + 1 ) w r 风c o 只二+ l a r c t g 6 0 + ( 2 n + 1 ) 心k l r c o 3 5 相关器的性能阳 ( 3 - 2 6 ) ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) 当输入信号频率与参考信号频率的基波相等( 一) 时，由式( 3 2 6 ) 可写出 输出电压： 长春工业大学硕士学位论文 ”警 【1 - 唧k - - ，l 。l o y d , + 薹熹 苇掰 c o s 洳+ 1 ) n 舻+ 锈一只二+ 。】 一。：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = ? 一 1 “2 0 + 1 ) 民c o 】2 叫素) l 嚣 c 毗一a ：，)i ic o s 一2 雌m p f + 识一甜1 一7 2 = = = = = = = = = = = ；一l 一# 自= = = 日= = = = = 一 1 + 【2 0 + 1 ) n p 编】2l i1 + ( 2 r c 0 ) 2 p ( _ 志) 嚣 ( 3 - 2 9 ) 式中吧。、群、鳐、町、耳分别表示输入信号频率为参考信号的基波频率时的振幅、 相位差、输出电压以及对应的相位移。 当t o r o c o 1 时，略去式( 3 2 9 ) 分母中有r o c 的所有各项，则 牡警 1 _ c x p ( 一剖t - - z - - c o s 刃 ， 从而得出下列结论： ( a ) t - r o c o 为积分器的时间常数 ( b ) 当测试时间f ，t 时，懿p ( 一墨争) 一。得到稳态解： 瑶。一型竺鍪c o s 刃 ( 3 3 0 a ) 长毒工业大学硕士学位论文 由此可知，相关器输出为 直流电压，其值正比于输k 入信号的基波振幅吧。， 并与信号和参考信号之k 间的相位差群的余弦 s 砚成正比；一民墨为v - 近似积分器的直流放大 器倍数；负号表示由反相 输入端输入，而2 胁为乘k - 法器的直流分量的系数。 ( c ) 当群- - 0 时， 嵋- 咤。一警k 讨- 要时 瑶一瑶一一0 群- 石时 k 曜一一( 瑶b ) + 攀( 3 - 3 1 ) _ 石兄 图3 6 相关器各点波形 实际信号处理中，当群一要，得到的将不会是0 。因为信号不可能完全对称，同时随 二 机噪声的随机性将产生一定的偏置，因此群一要时得到的是噪声。而当群。o 或群= 石 二 时，得到的是含有噪声的信号。 图3 - 6 所示波形是相关器输出后在反相的结果，这样便于辨别相位，即正输出为 同相，负输出为反相。 1 、当输入信号为参考信号的偶次谐波时，即一2 0 + 1 ) ，且时问常数t = r c 0 取足够大，使r c 0 ，1 时，由式( 3 2 6 ) 可知 瑶f n + 1 1 ；0 ( 3 - 3 2 ) 式( 3 3 2 ) 为偶次谐波的输出电压，它表明，当参考信号的占空比为1 ：1 对称方波时， 长春工业大学硕士学位论文 由傅立叶分析知道，此方波无偶次项分量，亦即相关器能抑制偶次谐波。 2 、当输入信号为参考信号频率的奇次谐波一( 2 n + 1 ) 】时，同样采用较大， r c o ，1 ，代入式( 3 2 6 ) ，略去小项，则 断一并景科一p ( 一志) 卜叫 ， 式中吧m + ，) 、硝：。l 及喵2 n + 1 ) 分别是输入信号频率为参考信号频率的奇数倍时的输入 信号振幅、相位差和输出电压。( 注意上式中当一( 2 n + 1 ) 时，n + 1 l = 0 ) 由式( 3 - 3 3 ) 可知，时间常数t 。r c o a 当f ，z 时，此时为稳态解： 哪。一鬈v 酱o 淄也。( 3 - 3 4 )：i + 1 ，一磊i 右蒲淄毋z ” 当n - - - o 时，瑶：。l 为基波输出，即为( 3 - 3 0 a ) 式。 b 当信号频率为参考信号频率的奇次谐波时，相关器输出的直流电压幅值为基波 黝1 ( 2 n + 1 ) 。假设( 知+ 1 ) 次谐波的输入振幅吃( ：。) 等于