（测试计量技术及仪器专业论文）光纤、电容液滴分析仪信息系统的设计与研究.pdf

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、食品饮料等涉及液体检测的领域。 光纤、电容液滴分析仪( f c d a ：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 ) 是将光纤液 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，获取经过液滴的光强信号随液滴生长变化的规律，得到反映液体综合特 性的“液滴指纹图”。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。通过该指纹图可 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。 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。 本论文主要完成了以下工作： ( 1 ) 对光纤信号和电容信号的调理电路作了详细的分析，设计了新的光纤信号 调理电路和电容信号调理电路，制作和调试电路板，做了电路的性能实验 和系统稳定性实验，并对采集的数据进行分析； ( 2 ) 光纤和电容信号采集通过l a b v i e w 采集程序控制数据采集卡来完成，设 计新的信号采集程序； ( 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：光纤、电容液滴分析仪信号调理信号采集液滴指纹图 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 l la 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 l lm e a s u 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 l l 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 k a n ds o o n 一 f i b e r - c a p a c i t i v ed r o pa n a l y z e ri sb a s e d o nm 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 hs h o w st h er e l a t i o nb e t w e e nt h el i g h t i n t e n s 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 ft i m e i tm a k e st h ef d ti n d e p e n d e n t f r o mt h es p e e do fd r o pg r o w t ha n dt h ev o l a t i l i t yo fl i q u i d s ，a n da c c o r d i n g l ye n s u r e s t h er e p r o d u c i b i l i t yo fm e a s l l r e m e n ta g a i n s tt h ev a r i a t i o no ft h ef e e d i n gs p e e do ft h e p u m p i na d d i t i o n ，t h ev o l u m e - b a s e df i b e rd r o pt r a c e ( d t ) i sm o r ef a v o r a b l ef o r f i n ed i s c r i m i n a t i o no fl 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 ev f d to 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 om a k et h ee x p e r i m e n t a ld r o pa n a l y s i sd 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 li n s t r u m e n t a t i o n a n dt h r o u g hs o m ea n a l y s i so ft h e e x p e r i m e n tr e s u l t so f t y p i c a ls a m p l e s ，i ta l s op r o v i d e ss o m ep r a c t i c a ld e s i g ns c h e m e s f o rt h em a n u f a c t u r i n go ft h i sd e v i c e i ti st h ep u r p o s eo ft h i st h e s i st 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 a a 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 ，a n d t os 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 t h et h e s i sc o v e r st h ef o l l o w i n ga s p e c t sc o n c e r n i n gt h em a i nw o r k ： ( 1 ) 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 。n e wp r o c e s s i n gc i r c u i t so ft h ef 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 ed e s i g n e d , m a n u f a c t u r e da n dd e b u g g e d m o r e o v e r , s o m ec i r c u i te x p e r i m e n t sf o rs y s t e m c h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a b i l i t ya r ec a r r i e do u t ( 2 ) an e w s e to fd a t aa c q u i s i t i o np r o g r a mi sd e s i g n e d ( 3 ) e x p e r i m e n t so ft y p i c a ls a m p l e s a l ec o m p l e t e d , a 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 sf o rt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h e v 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 ) ”， a l e p r e s e n t e d k e yw o r d s ：f i b e r - c a p a c i t i v e d r o pa n a l y z e r , s i g n a lp r o c e s s i n g ，d a t a a c q u i s i t i o n ，v o l u m e - b a s e df i b e rd r o pt r a c e 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，也不包含为获得叁盗盘鲎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。 学位论文作者虢寺滔睇签字吼2 哆年7 月占r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫叠盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂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 向固家有幕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： 签字同期：沙7 年 新虢荔晚 签字r 期：砌7 年7 月7 同 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 2 0 世纪以来，随着许多国家相继走上工业化的发展道路，社会生产力得到了 迅速提高，经济规模不断扩大，人类创造了前所未有的物质财富。但是在工业化 过程中，地球生态环境也遭到了破坏，环境污染日益严重，水污染是其中的一个 方面。水是人类生产和生活不可缺少、不可替代的重要资源，是人类生存与发展 的基本条件。当前，全世界绝大部分淡水水源已遭到不同程度的污染，全世界患 病人口的1 4 是由水污染造成的【l 】。 我国水资源比较缺乏，全国人均水资源占有量2 7 1 0 m 3 ，只相当于世界人均水 平的1 4 。并且由于全国8 0 左右的污水未经处理直接排入水域，造成1 3 以上 的河流、9 0 以上的城市水域污染，5 0 以上的重点城镇水源地不符合饮用水标 准【2 】。保护环境、解决污染问题已成为人类越来越关心的头等大事。这就需要有 合适的分析方法来检测环境状况，以便了解环境，然后采取适当的措施来改善环 境状况。 在食品安全方面，也存在触目惊心的劣质食品害人事件，例如用甲醇制造假 酒，严重危害了人们的身体健康，同时也给民众造成了很大的心理恐惧与心理障 碍。 民航的安全检查是为了预防危害民航安全的非法行为发生而采取的一种防 护措施。安全检查的方法有两种，一种是技术检查，旅客必须通过安全门或接受 手提式金属探测器的检查，当身上带有金属物品时，仪器会发出信号，检查员将 作进一步查明。行李货物则必须接受x 光安全仪器检查，即通过x 射线透视， 从观察窗上显示出物品图像，检查员对此进行判断物品是安全的还是可疑的。对 可疑物品，要开包检查或用其它方法检测。另一种是手工检查，旅客人身由同性 别的( 或女性) 安全检查人员用手工触摸检查，必要时可进行搜身，并对其随身携 带物品开包( 箱) 检查。这样的安检方法一般可以检出所有的危险品。但对于液 体，尤其可燃液体的检测，现在仍有一定困难。“9 1 1 事件以及几起中外空难 之后，民航部门采取种种手段增强了安检力度，并且出台了加强乘客随身携带液 态物品管理的规定。目前的办法是让带饮料的旅客打开盖，检查是否可以饮用， 但是这并不能保证检查的可靠性。现在国际上检测液体是否是危险品的方法仍然 不多。因此，需要研究一种可靠的、有效的探测液态物品的办法。 第一章绪论 上述种种，使得人们对污染的控制、对饮食、医药和工业用液的质量检测都 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。 以便实时地直接准确反映物品、环境和生产的动态过程中的情景实况，从而可以 随时采取措施来提高效率，降低成本，改善产品质量，保障环境安全；改善人口 与健康，提高其素质，减少疾病，延长寿命等。因此，运用先进的科学技术，发 展新的分析原理并研究建立实用有效的实时、在线和高灵敏度、高选择性的新型 动态分析检测方法和多元参数的监控方法和仪器，已是势在必行。本文研究的液 滴分析技术正是在这种情况下应运而生的。液滴分析技术1 3 】是指在一定测试系统 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，从 而获得有关该被测液体物理、化学特性参数的技术。 液滴分析技术的意义在于它可以直接或问接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、黏度、吸光度、浑浊度、颜色、浓度、蒸发 率、液体的化学成分和有关液体的特性参数。而且，运用液滴分析技术得到的液 滴指纹图还可以作为鉴别两种液体细微差别的依据。 液滴分析技术不但综合功能强，而且容易实现在线测量，可以用在环境保护、 制药工艺、食品饮料等所有涉及液体检测的领域。特别值得注意的是液滴指纹图 的细微综合鉴别功能，既可以用来监控液体生产的工艺环节，也可以用来鉴别液 体的真伪( 如：假酒、假药和假饮料等) 。这些工作如用现行的实验室分析方法， 可能需要分别使用多种仪器，各种数据相关性也往往不好，判断难度也大。 1 2 液滴分析技术概述 作为发展中国家，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，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，这就迫切需要功能更强、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- - f 高新技术。液滴分析技术指的是在被 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、 浓度等。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。 2 第一章绪论 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。 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。 1 3 有关液滴分析技术的国内外概况 早在一个世纪以前，t a t e 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 4 - 5 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，h a r k i n s 和v r o w n 于1 9 1 9 年提出了液滴的 边界张力与液滴的体积和形成液滴的毛细管半径关系【6 】为： ，：v d g f ( 1 1 ) ， 式中：7 为边界张力( r a n m ) ，v 为平衡状态下的液滴体积( i i l l ) ，d 为被测液 体与周围介质的密度差异系数，简化时可用被测液体的密度p 代替( g m l ) ，g 为 测量点当地的重力加速度( 约9 8 0 7 酬j 2 ) ，为毛细管外圈半径( c m ) ，f 是 经验修正系数，无量纲。、 1 9 9 2 年，n d m c m i l l a n1 7 - 8 等人提出了光纤液滴分析的实验方法，他们考 察了在一个动态生长周期中，经过液滴反射、散射后的光学信号反映了液体的物 理性质，如粘度、表面张力、折射率、吸光度等。并得到了光信号随时间变化的 曲线，称为“光纤液滴指纹图”。 1 9 9 9 年，天津大学的王春海博士【9 】等人提出了电容液滴分析的方法，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为电容传 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”( v f d t ：v o l u m e b a s e df i b e rd r o pt r a c e ) ，它表示的是 第一章绪论 光纤接收端的光强信号随液滴瞬时体积变化的曲线 1 0 - n 。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、鉴别被测液体。目前的液滴分析仪就是基于光纤、 电容液滴分析方法。 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c c d 图像技术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，通过图像处理系统实时采集、存储图像并进行边缘提取，最后根据液 滴的轮廓边缘计算出液滴的体积。图像液滴分析技术的一个重要优点是不需要知 道被测液体的介电常数，因而可用于测量未知液体；同时它能够监测液滴的生长 过程，从中获得的关于液滴几何形状的信息可以用来对液体特性作进一步的研 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 的鉴别能力也提高一个台阶。 目前液滴分析技术在酒类方面的应用主要有以下三个方面：a ) 利用多波长得 到的液滴指纹图数据，对产品的品味特征通过神经网络学习软件记录在案，然后 用来控制酒品的工艺过程；b ) 建立酒的液滴指纹图资料库，分析不同年份的酒产 品的质量关系，从中找出确定酒品质量的关键因素；c ) 通过酒的液滴指纹图确定 酒的蒸发率，可以评估产生酒香的挥发性元素。 液滴分析技术在软饮料方面有以下应用：a ) 对糖份进行精确测定；b ) 利用液 滴分析技术对产品从整体上进行分析评价；c ) 用于检测原料水的质量。 对于饮品的分析，国外有些学者受离子选择电极的启发，使用类似于生物系 统的材料作为传感器的敏感膜对液体的味觉进行分析；如日本的k h a y a s h i 等人 采用类脂膜制作液体分析传感器【1 2 1 ，他们的研究结果表明，当类脂薄膜的一个侧 面与味觉物质接触时，膜两侧的电势将发生变化，可对液体中的味觉物质响应， 分析这些响应信号与味觉物质之间的相互关系，可以标定出类似生物味觉感受的 相同结果。类脂膜的缺点是针对性强( 如：对蔗糖的甜味产生响应的类脂膜，不 一定对糖精产生的甜味也有响应) ，重复性低，不能检测定量信息。为此，目前 4 第一章绪论 已有学者采用多传感器组成传感器阵列( 每片类脂膜成份不同，对不同味觉物质 的响应也不同) 解决上述问题。但无论其综合性能还是适用范围都不如液滴分析 技术好。 液滴分析技术在控制污染方面的应用有：a ) 借助神经网络的学习功能，应用 液滴分析技术精细分析河流污染的状况b ) 将建筑物上滴流下来的雨水进行液滴 分析，可以检测酸雨对建筑物的侵蚀作用；c ) 对饲料的沥出液和污水进行液滴分 析，可以鉴别被测液体的成分。 综上所述，液滴分析技术的确是一门应用前景宽广、实用价值很大的高新技 术，很值得研究和推广。 1 4 光纤、容液滴传感器 1 4 1 光纤传感器 光纤液滴分析方法的工作原理是通过光纤液滴传感器( 图1 1 ) ，将光源发出 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( t i r ：t o t a l i n t e r n a l r e f l e c t i o n ) 、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。 供黜管 图1 1 光纤液滴传感器 图1 - 2 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 e 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 - 3 所示的光信 号曲线，液滴生长时刻与图1 - 2 中相对应。 第一章绪论 眇蟛炒炒哕 攀秽心芍 6 图l - 2 液滴不同生长时刻输入、输出光纤的传光情 咿 妲 虹 巢 时间序列 图1 - 3 一个液滴周期内液滴不同生长时刻的光纤信号 9 从图1 2 可以看出，在时刻l 、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1 3 上1 、2 时刻的信号值也几乎等于 零。在图1 2 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 3 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1 3 中出现了一个尖峰值。显然，由于输入、输出光 纤的数值孔径和位置固定不变，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 6 第一章绪论 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。 由于基于时间的液滴指纹图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。 1 4 2 电容传感器 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 - 4 ( b ) 所示为电容液滴传感器。环形极板作为电容传感器的一个电极，液 滴滴头作为另一个电极。这与图1 - 4 ( a ) 所示的圆柱形传感器还是有区别的。环形 极板与滴头( 包括液滴) 在水平截面上的问距相等。液滴的生长变化既可以看作 是柱状滴头电极长度的变化，也可以认为是电容器极间复合介质的变化，这将取 决于被测液体是否为电的良导体。 夕 c 赛鬈 t 外强椒 ( a ) 圆柱形电容器 c l 液滴滴头 t 环形极板 ( b ) 电容液涌传感器 图1 4 圆柱形电容器与电容液滴传感器的比较 残 面 第一章绪论 由于电容液滴传感器受到尺寸和边缘效应的影响，准确建立数学模型是十分 复杂的。为简化起见，将电容液滴传感器作如下假设：( 1 ) 假设液滴为良导体；( 2 ) 假设液滴在生长过程中只沿其回转轴方向变化，且液滴底部曲面形状不变；( 3 ) 忽略边界效应。 简化后的模型如图1 _ 4 ( 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1 射： 滴头( 包括液滴) 和环形极板分别带有电量+ g ，一g ，假设电荷是均匀分布的， 所以g ：a ( 旯为每单位长度上的电荷) 。在液滴和环形电极之间、离开圆柱轴 线距离为r 点处的场强为： e ；二【- ( 1 1 ) 2 u e o g r + 岛是真空介电常数，巳为空气的相对介电常数。 根据场强和电位梯度的关系： e ：一一d u ( 1 2 ) d r ， 得：d u = 一e d r = 一i 二d r ( 1 3 ) 设液滴表面和环形电极内表面的电位分别为：u 一和u 口，由积分得： u ：一j l 仁( 1 - 4 ) p 一去户u 。0 。4 ， 吁= 土2 n 占o g1 n 争 ( 1 - 5 ) c 2 丽q u u5 矗uu2 警 m 6 ) 一点 一 口 l n ! ! 根据上述结果，电容液滴传感器的电容变化可近似表达为： 扯警 ， ( 1 - 7 ) 式中6 0 为真空介电常数，占。为环形电极与液滴之间的空气相对介电常数，h 为液 滴底部至残留液滴底部的高度( 见图l - 4 ( b ) ) ，r 为环形电极的内圆半径，为 液滴半径。 根据图1 4 ( b ) 简化模型，v = 秽2 h ，则可得电容增量c 与液滴体积的关系 为： 牡等 ( 1 - 8 ) 第一章绪论 令： k ：，2l n 墨 ( 1 9 ) 则有：y = l c ( 1 1 0 ) 2 6 0 占口 根据图l q ( b ) 的假设条件，、天是常数，所以亦为常数。但实际上由于 实际液滴轮廓形状并不存在，- 为常数的情况，因而也不会是常数。 图1 5 是r = 5 m m 时，的关系曲线。在极大值点附近，曲线平滑，其物 理意义就k o 随r 的变化最小。 将= r 2l n 墨对，求导： 露o = 2 r h 争+ r 2 云( 一拳) = 2 r h 芋一，- ， k r 。， r 令：懿= 0 则有： h 芋= 圭，即r = 忑r ； 取自然对数，e = 2 7 1 8 3 ： 圃i i ，= 0 6 0 6 5 r ，、j 即在，= 0 6 0 6 5 r 附近取值时，变化很小，可近似认为是常数。 、 邑 o 、 s s i i 鼻 图1 - 5 k o 与，_ 的关系图 计算表明，当取r ：5 m m ，若，取值范围在2 8 0 m m r ，1 | 。t 必 乙ir ：z 图4 - 3 寄生电容的测量电路原理图 如图4 3 ，c c 。：表示被测电容两端对地的分布电容，流经g ，的电流不 会流过被测电容c ，所以不会对测量结果造成影响。而c 。：接在运算放大器的负 相输入端，在使用开环增益为无穷大的理想运算放大器的时候，由于g ：两端电 位为零，没有电流流过，因此不会影响测量结果。然而，使用开环增益有限的实 际运算放大器的情况下，由于运算放大器正负输入端之问电压差不为零，因此会 有电流流过c 。，但是分布电容c 。，对测量电路输出电压幅度的影响与e 相比少 了几十万倍，所以可以忽略不计。 4 2 基于交流运算法原理的电容测量电路的设计 液滴分析仪中的电容传感器电容变化量很小，只有零点几个p f ，也就是说 检测的是电容的微小变化，此特征使它极易受外界干扰。寄生电容的影响不容忽 视，严重时寄生电容将远大于本体电容，使有用信号被寄生电容噪声淹没，以至 传感器无法工作。这些寄生电容随温度、湿度、位置以及元器件的性能等因素变 化而变化，这就要求测量电路能有效的抑制寄生电容。 目前，电容测量常见的方法有调幅法、调频法、充放电激励法、交流运算放 大器法等，其中充放电激励法和交流运算放大器法能有效地克服分布电容的影 响。由于充放电激励法是采用直流放大，所以有漂移及c m o s 开关的电荷注入 问题，需在电路中周期性检测并补偿。与此相比，交流运算放大器法测量电路中， 第五章数据采集程序的设计 切换激励极板与测量极板的c m o s 开关阵列不再处于高频的导通关断状态， 使得测量电路受注入电荷的影响大大减少。因此交流激励微电容测量信号的信噪 比和稳定性比充放电激励电路要好。 因此，在实际的电容信号调理电路的设计中，我们采用的是交流放大器法测 量电容电路。电容信号调理电路的原理框图如图4 - 4 所示。 图4 - 4 电容信号调理电路原理框图 4 2 4 主放大电路的设计 1 2 v 图4 - 5 实际的测量电容原理图 实际的测量电容的原理图如图4 5 所示。整个测量系统中，主放大器是最关 键的部分，主放大器性能的好坏，直接关系到整个测量电路的线性度和精度。作 者选用的是a d i 公司生产的高速运算放大器a d 8 0 6 5 1 2 刀，其主要参数如下：输入 阻抗1 0 0 0 g f l ，开环增益l1 4 d b ，压摆率1 8 0 v g s ，单位增益脉宽为1 4 5 m h z ，偏 置电压最大为1 5 m v 。 这里t 型网络的作用是为运算放大器的直流偏置电流提供一个通路，以防止 第四章电容信号调理电路的设计 运算放大器输出漂移而饱和。 4 2 5 激励源电路 主检测电路采用运算法测量电路，影响该测量电路的一个很重要的因素就是 信号源的稳定性，这主要说的是幅度的稳定性。由于主放大电路采集到的电容变 化量接到真有效值转换芯片，将带有电容信息的交流信号转换成直流信号，所以 系统对信号源的频率稳定性要求不高。 美国m a x i m 公司推出的一种精密波形发生芯片m a x 0 3 8 t 2 引，它比以前的通 用函数发生器8 0 3 8 系列从频率范围、幅度稳定性及使用的方便性等方面都有提 高。其主要特点是：可以选择多种波形：正弦波、三角波和矩形波，波形选择稳 定时间小于0 5 t s ；宽频带，频率发生范围0 1 h z 2 0 m h z ；低输出阻抗： r = 0 1 f 2 ；占空比可调，可调范围为1 0 一9 0 ；极低的正弦波畸变：0 7 5 ； 频率和占空比可调，但互不影响；具有锁相功能，使m a x 0 3 8 可以与外部信号 同步；所有输出信号的波形均为2 矿的峰峰值电压。m a x 0 3 8 本身具有的内部2 5 v 基准电压，保证了常温下输出信号幅度的稳定性 2 0 p p m ，所以使用m a x 0 3 8 获 得的信号可以满足后面的测量电路的基本要求。 图4 - 6i 舡l x 0 3 8 的管脚图 m a x 0 3 8 的管脚图如图4 - 6 所示，0 3 8 的管脚定义图为：1 脚为内部2 5 v 电压基准输出：2 、6 、9 、1 1 、1 8 为接地引脚；3 、4 为波形输出定义脚，可通过 设置不同的高低电平来定义输出波形的形状。表4 1 定义了输出波形的不同设置， 将a 1 置于高电平，则无论是高电平还是低电平，均可以得到我们需要的正弦 波输出。 啦 叫 ：刍 队 粼 僦 附 啮 娜 孵 撇舶 甜 瓣 伽删 舢 州 第四章电容信号调理电路的设计 表4 - 1m a x 0 3 8 输出波形的定义 5 脚为外接电容连接端；7 脚为占空比调节输出端；8 脚为频率调节输入端； 1 0 脚为频率控制端；1 2 、1 3 脚分别为相位输出脚和相位参考时钟输入脚，如果 不使用，二者均应与地连接；1 4 脚时钟同步引脚，通过连接设置，允许内部振 荡器与某个外部信号同步，该引脚兼容t t l 和c m o s 电平，如果不使用，该脚 应悬空；1 5 脚为数字地；1 6 脚、1 7 脚和2 0 脚分别为数字电源+ 5 v 输入、+ 5 v 电源输入和5 v 输入；1 9 脚为波形输出脚。 输出信号的频率由如和g 妒共同决定，即： ： ， 只：兰兰兰：里 ( 4 5 ) ”吃c k 本系统采用的是1 0 k h z 的正弦信号源。由于系统对信号源的频率稳定性及 幅值稳定性有较高要求，而对频率大小的要求不高。在实际电路设计中( 如图 4 - 7 ) ，为了取值的方便，作者选取如= 5 1 k q ，c ( 糍= 0 0 1 a f 。由于选用的电阻 及电容不能达到理想值，实际的信号源输出频率为1 1 5 k h z 。 作者做了连续6 小时激励源稳定性实验，输出频率变化 i v ( r m s ) 时频率上限高达8 m h z 。 4 芯片上设置了片选端c s ( 第5 脚) 。暂不用时可将此端改接低电平，使芯片 掉电，进”备用”模式，输出端呈高阻态，静态工作电流从2 2 m a 降至3 5 0 u a 。 此项功能有两种用途：一种是在进行远距离或野外测量时能显著降低电池的 耗电量，延长使用期；第二种用途是允许将多片a d 6 3 7 构成一个多路有效值 巡回检测系统，每片a d 6 3 7 的输出端都挂在一条总传输线上，最后公用一块 数字电压表作指示。 5 采用激光修正的先进工艺制造而成，一般情况下不需要加外部调整元件。 唯一的外围元件是平均电容c 。矿，用它设定平均时问常数，并决定低频精度， 输出纹波的大小和稳定时间。 6 内部独立的缓冲放大器，既可作输入缓冲器用，亦可构成有源滤波器来减 少纹波，提高测量准确度。 第四章电容信号调理电路的设计 7 输入端有过压保护电路，即使超过电源电压，一般也不会损坏芯片。 8 电源范围宽，规定为3 y + 1 8 v 。 9 输入阻抗高( 1 0 8 q ) ，输出阻抗为1 0 0 6 ) ( 不经缓冲器) 。 a d 6 3 7 管脚排列及内部框图如图4 1 4 所示，n c 表示空脚，各管脚的功能如下： l 喇f f 嗽 。嘲口 删玎p 盯a 阡暑e r 髓 嘲羽咿町 楣o l 盯一盯 k = 巍0 嘲n e l i 图4 - 1 4a d 6 3 7 的管脚排列及内部框图 + k 、一珞：分别为正、负电源端，采用对称式双电源时电压范围为 3 y + t 8 v ，用单电源时最低电压为5 v 。 c o m ：公共地。 ：输入电压端，该端输入阻抗的典型值为1 6 6 7 施，最大值为2 0 k d 。 o u to f f s e t ：输出补偿端。 c s ：片选端，供备用( 掉电) 模式用。 d e ni n ：基准输入端，测均方值时用。 ：分贝( 电平) 电压输出端。 b u fi n 、b u fo u t ：分别为缓冲器的输入、输出端。缓冲器输入阻抗高 达1 0 8 q ，输出阻抗小于o 5 q 。该缓冲器完全独立的，既可接于端之 前，又可接在圪端之后。 r o ：电压输出端。 a d 6 3 7 的简化电路见图4 - 1 5 。主要包括5 部分：( 1 ) 有源整流器( 亦称绝对 值电路，属全波整流) ；( 2 ) 平方除法器；( 3 ) 滤波放大器；( 4 ) 缓冲放大器；( 5 ) 偏 置电路。 m 坩 混 阱恤也瞻眶 第四章电容信号调理电路的设计 图4 - 1 5a d 6 3 7 简化电路 图4 - 1 6 有效值转换电路原理图 a d 6 3 7 能实现高精度的有效值的测量，仅需要一个外置的电容设置平均时间 常数，并且这个电容的值将决定低频交流信号的精度，脉动成分水平和稳定时间。 有效值转换电路如图4 1 6 所示。因为滤波电容c a v 的存在，在低频输入时存在误 差。在本设计系统中，信号频率f = 1 1 5 k h z ，则c 矿2 5 ，矿。当然，这个值只 是说c a v 应取值的最小值。实际上，就精度而言，c a v 的值越大越好，但取得太大 会影响芯片的转换速度，所以c a v 不能太大，一般取1 f 左右就可以。 由于a d 6 3 7 输出电压范围为0 8 9 2 v ，经过多种液体实验对电路进行调试， 电路测量的电压值跟电容实际值的对应关系为： 1 0 4 7 v 代表l p f 电容信号调理电路总体原理图如图4 1 7 所示。 埘 晰恤器 兽苦一 岱 出 c e 第四章电容信号调理电路的设计 图4 - 1 7 电容信号调理电路原理图 器鞲蛑遥较忙蜮 第四章电容信号调理电路的设计 4 3 电路性能实验 4 3 1 重复性实验 图4 1 8 重复性实验 图4 _ 1 8 是液体连续若干个周期的电容信号随时间序列的图像，由图可以明 显看出，电容信号调理电路的重复性很好。 为了对采集到的电容信号进行定量分析，作者将液体生长的每个周期的电容 最小值即液体生长的起始点对应的电压值作为参考点进行分析。 f l k w j 叭一几f a7 1胁槲一凇舻一w 口y 7 一珥am 一7ru l1 12 l3 14 15 l6 17 18 19 l 周期序列 图4 - 1 9 连续液滴生长周期的电容最小值数据 图4 - 1 9 是连续9 6 个液滴生长周期液滴生长起始时刻电容最小值对应的电压 值的变化折线图，最小值为3 0 1 v ，最大值为3 0 8 v ，变化量为0 0 7 v ，相当电 容变化量为0 0 0 6 7 p f 。 4 3 2 稳定性实验 为了测量系统的稳定性，利用l a b v i e w 编制了自动数据采集程序，进行2 4 4 1 凹；3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 人)妒妲谗口 第四章电容信号调理电路的设计 小时试验。该程序可以自动存储所采集的数据，以便进行数据处理。 实验时间：0 7 - 6 - 1 01 5 ：0 0 - - - - 0 7 - 6 - 1 l1 5 ：0 0 实验温度：实验室温度 被测对象：滴头的干电容 实验目的：本实验旨在测量电路的电路板随温度变化引起的漂移 试验方法：在实验室条件下，将滴头中残留的液体擦干，只测量滴头的干电 容值。 测量电路的稳定性，应该测量液滴体积保持不变时电路输出的稳定性。由于 实验条件所限，供液泵停止时仍有部分少量液体从注射管中送入滴头，无法找个 供液泵停止的状态，另外由于液滴具有挥发性，很难保证在联系的2 4 小时内液 体体积保持恒定，基于这些情况，作者选择滴头的干电容作为被测对象。 0 3 8 o 3 7 o 3 6 心o 3 5