（计算机应用技术专业论文）液浆浓度智能化在线检测技术与实现方法研究.pdf

西北工业大学硕 l j 论文 摘 要 摘要 浓度是衡量液浆类产品质量的一项非常重要的指标。为了提高产品质量，满 足国内外企业和质检机构对该类产品浓度标值越来越精确的要求，增强国内产品 的国际竞争力，对这类产品实施在线检测，随时掌握产品浓度的变化，实现实时 控制，使产品浓度控制在要求的范围内， 对提高产品质量具有极其重要的意义。 本文结合轻工总会西安研究所的重点科技项目 一在线数字浓度监控系统，对 液浆浓度在线检测技术与实现方法进行了深入研究，将光学技术、 c c d检测技术 及b p 神经网络技术应用于液浆浓度测量，为实现高精度、智能化在线测量提供了 理论依据。 本文首先分析了基于光学折射法的浓度测量原理，并在此基础上推导出一次 测量方程，提出了检测系统的总体实现方案。然后，介绍了线阵 c c d的结构及 i . 作原理， 对线阵c c d 外围电路的设计进行了理论分析和实验研究， 并设计出了c c d 的驱动电路和 c c d输出数据的处理电路。最后，以实验数据为基础，进一 步研究 了采用不同的数据处理算法的差异，得出了基于b p 神经网络的液浆浓度检测系统 的二次测量模型，以自 适应的非线性方法实现了检测系统的智能化。 液浆浓度在线检测系统以 光学折射法为测量原理， 采用 t c d 1 2 0 8 a p线阵 c c d 作为光电转换元件。 c c d 的驰动电路采用单片机与数字电路相结合的方式， 文中设 计并实现了 c c d驱动电路，而且电路体积小、可靠性和灵活性高。在 c c d输出视 频信号处理电路中，完成了原始信号的初级捕捉、滤波、视频放大等处理，设计 出了浮动闭值法二值化处理电路，采用高速计数器 8 2 c 5 4对二值化处理后的输出 信号采样计数，最后送入微处理器进行运算处理。实验结果表明，驱动电路能很 好地与 c c d 配合工作，输出稳定可靠的驱动脉冲。视频处理电路对影响 c c d视频 信号的主要噪声均有明显的抑制效果，能输出稳定的二值化波形。 为进一步解决测量对象的非线性问题，提高测量精度，文中采用了基于最小 二乘的多元线性回归、 基于插值的非线性回归和基于b p 神经网络模型的三种建模 方法，分别建立了数学模型。针对三种模型进行了仿真研究，通过误差对比，得 出了应采用b p神经网络技术建立智能化模型，以提高测量精度的结论。 通过理论、实验和仿真研究，表明本文所研究的浓度检测技术具有一定的先 进性;实现方法切实可行，具有一定的实用价值和应用前景。 关键词: 光学折射法线阵c c d 视频信号二值化处理b p 神经网络 两北 r 业大学硕 卜 论文a bs t r a c t abs t r a c t t h e l i q u i d c o n c e n tr a t i o n d e g r e e i s a n i m p o r t a n t i n d i c a t o r o f i t s q u a l i t y . i t i s v e r y i m p o r t a n t t o i m p r o v e t h e p r o d u c t q u a l i t y ， s a t i s f y mo r e a n d m o r e a c c u r a t e l y re q u e s t o f i n t e rn a t i o n a l a n d l o c a l b u s i n e s s e n t e r p r i s e a n d q u a l i ty e x a m i n e o r g a n i z a t i o n， s t r e n g t h e n t h e i n t e rn a t i o n a l c o m p e t i t i o n a b i l i t y. f o r t h e s a k e , w e h a v e t o r e a l i z e o n - l i n e e x a m i n a t i o n a n d d y n a m i c c o n tr o l t o t h e l i q u i d c o n c e n t r a t i o n d e g re e i n o r d e r t o m a k e t h e p r o d u c t q u a l i ty w i t h i n t h e s c o p e o f r e q u e s t . i n c o r p o r a t e d w i t h s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y p r o j e c t - - - o n - l i n e l i q u i d c o n c e n tr a t i o n d e g r e e e x a m i n a t i o n a n d c o n t ro l s y s t e m o f ma n l i g h t i n d u s tr y i n s t i t u t e , t h i s t h e s i s r e s e a c h s t h e e x a m i n a t i o n w a y s a n d r e a l i z a t i o n t e c h n i q u e o f l i q u i d c o n c e n tr a t i o n d e g r e e . b a s e d o n o p t i c a l t e c h n i q u e c c d e x a m i n a t i o n t e c h n i q u e a n d b p n e r v e n e t w o r k t e c h n i q u e , t h e p a p e r p r o v i d e s a m e t h o d t o r e a l i z e h i g h a c c u r a t e a n d d y n o m i c t e s t i n t h e m e a s u r e d o m a i n o f l i q u i d t h i c k d e g r e e . t h i s p a p e r f i r s t a n a l y z e s t h e m e a s u r e p r i n c i p l e b a s e d o n t h e o p t i c s re fr a c t m e t h o d , d e d u c e s o u t o n e - t i m e s m e a s u r e m a th e m a t i c s m o d e l , b r i n g s u p t h e t o t a l r e a l i z e p r o j e c t o f t h e e x a m i n a t i o n s y s t e m . t h e n , i t i n tr o d u c e s c o n s t r u c t i o n a n d w o r k p r i n c i p l e o f l i n e a r c c d , r e s e a r c h e s t h o s e m o t h e d s a b o u t t h e o u t e r c i r c u i t d e s i g n o f l i n e a r c c d fr o m t h e o r y t o e x p e r i m e n t ， a n d d e s i g n s t h e d r i v e r c i r c u i t a n d o u t p u t c i r c u i t . f i n a l l y , o n t h e f o u n d a t i o n o f t h e e x p e r i m e n t d a t a , i t f u r t h e r s t u d i e s t h e d i f f e r e n c e b e c a u s e o f a d o p t i o n d i f f e re n t m e t h o d , a n d o b t a i n s t h e t h e t w o - t i m e s m a t h e m a t i c s m o d e l o f t h e l i q u i d c o n c e n t r a t i o n m e a s u r e m e n t s y s t e m b a s e d o n b p n e r v e n e t w o r k , a n d m a k e s o n c e n t r a t i o n d e g r e e e x a m i n a t i o n s y s t e m i n t e l l e c t b y a d a p t a b l e n o n - l i n e a r s y s t e m . t h e p r i n c i p l e o f c o n c e n tr a t i o n m e a s u r e m e n t s y s t e m i s b a s e d o n o p t i c a l r e fr a c t i o n m e a s u r e m e n t a n d re l i e s o n p h o t o e l e c t r i c t r a n s f o r m a t i o n e l e m e n t t c d 1 2 0 s a p t o r e a l i z e . t h e t i m e o r d e r d r i v i n g c i r c u i t o f c c d i s d e s i g n e d a n d d e b u g g e d b y c o m b i n i n g t h e s i n g l e c h i p c o m p u t e a n d d a t a c i r c u i t , w h i c h m a k e t h e w h o l e d r i v i n g c i r c u i t s v o l u m e s m a l l e r , a n d e n h a n c t h e c i r c u i t s r e l i a b i l i t y a n d a g i l i t y . t h e v i d e o s i g n a l p r o c e s s i n g c i r c u i t r e a l i z s t h e p r i m a ry c a t c h i n g , f i l t e r i n g a n d s i g n a l s a m p l i f y i n g . v a r i a b l e t h r e s h o l d b i n a r i z a t i o n p r o c e s s i n g c i r c u i t i s d e s i g n e d . t h e h i g h s p e e d c o u n t e r 8 2 c 5 4 i s u s e d t o c o u n t t h e s a m p l e p u l s e t o b i n a r i z a t i o n p r o c e s s e d o u t p u t s i g n a l . t h e s a m p l e p u l s e i s tr a n s m i tt e d t o s i n g l e c h i p c o m p u t e t o p r o c e s s . t h e e x p e r i m e n t o f c c d d r i v i n g c i r c u i t s h o w s t h a t t h e d r i v e r s w e l l a s s o r t w i t h c c d , a n d o u t p u t s t e a d y a n d r e l i a b l e e l e c t r i c s i g n a l . me a n w h i l e , v i d e o s i g n a l p r o c e s s i n g c i r c u i t c a n o b v i o u s l y r e s t r a i n t h e m a i n n o i s e , a n d o u t p u t s t e a d y b i n a r i z a t i o n w a v e s i g n a l . i n o r d e r t o f u r t h e r s o l v e n o n - l i n e a r p r o b l e m o f t h e m e as u r e d o b j e c t , a n d i m p r o v e m e a s u r e m e n t a c c u r a c y , t h r e e m o d e l i n g m e t h o d s i n c l u d e m u l t i v a r i a t e l i n e a r r e g r e s s i o n m o d e l b a s e d o n l e a s t s q u a r e , n o n - l i n e a r r e g r e s s i o n m o d e l b ase d o n i n t e r p o l a t i o n a n d b p n e u r a l n e t w o r k s m o d e l a r e u s e d , a n d e a c h m o d e l i s f o u n d . t h r o u g h t h e s i m u l a t i o n a n d e r r o r c o m p a r i s o n i n t h e t h r e e m o d e l s , t h e c o n c l u s i o n t h a t b p n e u r a l n e t w o r k m o d e l s h o u l d b e a p p l i e d i n l i q u i d c o n c e n t r a t i o n m e a s u r e m e n t s y s t e m b e s e t a北t业大学硕 i 论文 a b s t r a c t u p t h r o u g h t h e t h e o r i e s a n a l y s i s a n d t h e e x p e r i m e n t a n d i m i t a t i o n， i t i s p r o v e d t h a t t h e a d v a n c e d a d v a n t a g e s a n d t h e p r a c t i c a l v a l u e a n d a p p l i e d f o r e g r o u n d o f t h e m e a s u r e m e n t m e t h o d p r o v i d e d in t h i s p a p e r . k e y w o r d s : o p t i c a l r e f r a c t i o n ne u r a l ne t wo r k me a s u r e m e n t p r i n c ip l e , l i n e a r c c d , v i d e o s i g n a l , b i n a r i z a t i o n e s s i n g , b p 西北 1 _ 业大学硕_ 论文 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1课题研究的来源、背景及意义 1 . 1 . 1课题来源 浓度是衡量很多含有液浆的工业产品质量的 一 项非常重要的指标，为 了提高产品质量，生产企业除了在化验室对产品的浓度进行检验外，还要 求在生产线上对产品的浓度进行监控，化验室检验只是抽样检验，步骤繁 琐， 实时性差，不易控制产品质量， 仅仪依靠这种方法很难满足生产要求。 在线检测系统可以使操作人员在生产过程中随时掌握产品浓度的变化情 况，及时采取措施，实现实时控制，使产品的浓度控制在要求的范围内 这对提高产品质量有很重要的意义。 为了解决生产过程中对液浆浓度的在线精确测量和控制问题，大幅度 提高产品的质量，满足当前国际国内企业和质量检测机构对液浆类产品浓 度值标值越来越精确的要求，增强我国同类产品的国际竞争及出口创汇能 力，轻工总会西安研究所设立了重点科技项目- 一在线数字浓度监控系统， 本论文研究的内容来源这一项 目的分支课题- 一液浆浓度在线检测系统。 1 . 1 . 2研究背景 液浆浓度是一个日益引起人们关注的物理量，在化工、制药、轻工、 食品饮料、环保、生物医学等各个行业以及人们 日常生活的各个领域，越 来越多的涉及到液浆浓度的精确检测问题，可以说它是一个具有普遍意义 的问题，如糖浓度、酸碱浓度、蛋白浓度的测量等等。 在某些生产过程中， 浆液中某种成份的浓度往往是决定产品优劣的关键因素，因此在生产中还 要求必须对其浓度参数实施在线检测。 然而，液浆浓度值是一个易受环境因素影响的参数，其中最主要的影 响来自于液体的温度，一般情况下，液体浓度值随其温度的升高而减小， 但是，浓度随温度的变化常常呈现非线性函数关系，当浓度变化范围增大 时，浓度与温度之间的非线性特征更加明显。目前，国内的浓度检测设备 中，为了减少环境温度的影响，通常采用温度补偿的方法，增加温度检测 装置，随时检测液体温度的变化用来减少温度对检测结果的影响。然而这 西北 1 _ 业大学硕_ 论文 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1课题研究的来源、背景及意义 1 . 1 . 1课题来源 浓度是衡量很多含有液浆的工业产品质量的 一 项非常重要的指标，为 了提高产品质量，生产企业除了在化验室对产品的浓度进行检验外，还要 求在生产线上对产品的浓度进行监控，化验室检验只是抽样检验，步骤繁 琐， 实时性差，不易控制产品质量， 仅仪依靠这种方法很难满足生产要求。 在线检测系统可以使操作人员在生产过程中随时掌握产品浓度的变化情 况，及时采取措施，实现实时控制，使产品的浓度控制在要求的范围内 这对提高产品质量有很重要的意义。 为了解决生产过程中对液浆浓度的在线精确测量和控制问题，大幅度 提高产品的质量，满足当前国际国内企业和质量检测机构对液浆类产品浓 度值标值越来越精确的要求，增强我国同类产品的国际竞争及出口创汇能 力，轻工总会西安研究所设立了重点科技项目- 一在线数字浓度监控系统， 本论文研究的内容来源这一项 目的分支课题- 一液浆浓度在线检测系统。 1 . 1 . 2研究背景 液浆浓度是一个日益引起人们关注的物理量，在化工、制药、轻工、 食品饮料、环保、生物医学等各个行业以及人们 日常生活的各个领域，越 来越多的涉及到液浆浓度的精确检测问题，可以说它是一个具有普遍意义 的问题，如糖浓度、酸碱浓度、蛋白浓度的测量等等。 在某些生产过程中， 浆液中某种成份的浓度往往是决定产品优劣的关键因素，因此在生产中还 要求必须对其浓度参数实施在线检测。 然而，液浆浓度值是一个易受环境因素影响的参数，其中最主要的影 响来自于液体的温度，一般情况下，液体浓度值随其温度的升高而减小， 但是，浓度随温度的变化常常呈现非线性函数关系，当浓度变化范围增大 时，浓度与温度之间的非线性特征更加明显。目前，国内的浓度检测设备 中，为了减少环境温度的影响，通常采用温度补偿的方法，增加温度检测 装置，随时检测液体温度的变化用来减少温度对检测结果的影响。然而这 西北工业大学硕_ i 论文第一章 绪论 种补偿力 一 法对 于测量范围内的信 号非线性 问题解决仍不彻底 ，检测结果很 难令人满意 ，因此必须寻找 自适应的智能化的检测方法 。 随着我国加入 wt o, 国外电子检测产品源源不断的进入中国市场， 进 一步加大了对国内仪器仪表工业的冲击，为了扶持国内智能化电子产业， 国家及各相关部委在政策和资金上都给予 了一定的支持。 本系统的研究目的是对可溶性物质的浓度实现精确的、智能化的在线 检测，以便应用于产品质量控制系统中。通过对食品、制药、轻工等生产 行业的调研，仅以食品行业为例，食品行业中的果酱、果汁、味精等企业 中都必须严格控制产品中某种成份的浓度。据调查，我国中等规模 以上的 果酱生产企业有数 百家，果汁生产企业有数千家，大型味精生产企业数十 家，这些企业生产线中的浓度检测系统几乎全部依靠进口设备，而且据测 算，这些浓度检测设备均己接近设备更新期，因此本课题的研究有着广泛 的社会市场前景。 1 . 1 . 3研究的意义 近几年来，随着智能控制技术的崛起，模拟人的智能行为的神经网络 与模糊控制技术逐渐应用于信号处理、模式识别、系统辨识、预报、决策、 控制等应用科学领域。神经网络技术能够模拟人的智能行为，擅长从输入 输出数据中学习有用的知识，不需要精确的数学模型，能够解决传统的测 量控制技术无法解决的许多复杂的、不确定的、非线性的问题，而且易于 用硬件或软件来实现。将人工神经网络技术运用于工业生产领域中的液浆 浓度检测，解决检测与控制中的非线性问题，建立非线性模型，进一步开 发研制适合于工业现场的高性能在线检测装置，将是成为智能仪器、仪表 发展的一个全新的方向。 本课题的研究不仅能促进我国在智能化检测仪器方面的进一步发展， 提高企业产品的质量， 从而增强产品的市场竞争力， 为企业带来蓬勃生机， 而且它的本身也具有巨大的市场潜能。 根据市场调查，目前进口的较先进的浓度检测系统 ( 如:意大利梅萨 里公司、芬兰 k -p a t e n s公司等)一般价格在 1 0万元 以上，我们研究开 发的浓度检测系统的市场价格将定位在 3 万左右，仅此每套浓度检测系统 将可为企业减轻负担 7 万元。本课题的研究成功将对保证产品质量起到很 大的促进作用，同时能提高企业的自动化水平和技术装备水平，并为国家 节省大量外汇 。 西北工业大学硕_ i 论文第一章 绪论 种补偿力 一 法对 于测量范围内的信 号非线性 问题解决仍不彻底 ，检测结果很 难令人满意 ，因此必须寻找 自适应的智能化的检测方法 。 随着我国加入 wt o, 国外电子检测产品源源不断的进入中国市场， 进 一步加大了对国内仪器仪表工业的冲击，为了扶持国内智能化电子产业， 国家及各相关部委在政策和资金上都给予 了一定的支持。 本系统的研究目的是对可溶性物质的浓度实现精确的、智能化的在线 检测，以便应用于产品质量控制系统中。通过对食品、制药、轻工等生产 行业的调研，仅以食品行业为例，食品行业中的果酱、果汁、味精等企业 中都必须严格控制产品中某种成份的浓度。据调查，我国中等规模 以上的 果酱生产企业有数 百家，果汁生产企业有数千家，大型味精生产企业数十 家，这些企业生产线中的浓度检测系统几乎全部依靠进口设备，而且据测 算，这些浓度检测设备均己接近设备更新期，因此本课题的研究有着广泛 的社会市场前景。 1 . 1 . 3研究的意义 近几年来，随着智能控制技术的崛起，模拟人的智能行为的神经网络 与模糊控制技术逐渐应用于信号处理、模式识别、系统辨识、预报、决策、 控制等应用科学领域。神经网络技术能够模拟人的智能行为，擅长从输入 输出数据中学习有用的知识，不需要精确的数学模型，能够解决传统的测 量控制技术无法解决的许多复杂的、不确定的、非线性的问题，而且易于 用硬件或软件来实现。将人工神经网络技术运用于工业生产领域中的液浆 浓度检测，解决检测与控制中的非线性问题，建立非线性模型，进一步开 发研制适合于工业现场的高性能在线检测装置，将是成为智能仪器、仪表 发展的一个全新的方向。 本课题的研究不仅能促进我国在智能化检测仪器方面的进一步发展， 提高企业产品的质量， 从而增强产品的市场竞争力， 为企业带来蓬勃生机， 而且它的本身也具有巨大的市场潜能。 根据市场调查，目前进口的较先进的浓度检测系统 ( 如:意大利梅萨 里公司、芬兰 k -p a t e n s公司等)一般价格在 1 0万元 以上，我们研究开 发的浓度检测系统的市场价格将定位在 3 万左右，仅此每套浓度检测系统 将可为企业减轻负担 7 万元。本课题的研究成功将对保证产品质量起到很 大的促进作用，同时能提高企业的自动化水平和技术装备水平，并为国家 节省大量外汇 。 西北 1 业大学硕 论文 第一 帝 绪论 1 . 2 1 . 2 . 1 本课题国内外发展现状 浓度检测装置的分类 从国内外目前投入生产中使用的浓度检测装置的工作原理来看，一般 可分为以下几种: 1 )手持式 目视检测结构，利用液体对光线的反射原理来测量，如:阿 贝折光仪等。 这种检测手段的不足之处在于: 读数误差大，而且因人而异; 一般无温度补偿装置;为了减小环境温度因素的影响，必须在读数之后， 查修正表进行计算，得出修正后的结果，使用不方便。此外，这种检测方 式无法在线工作。 z )电子器件检测结构，主要利用液体的某种物理量作为检测对象，如 溶液的酸碱度 p h值，导电系数，溶液对光线的折射率等物理量，将这些 物理量作为检钡 q 指标，经过电路处理后 ( 包括温度补偿) ，得出相应的溶 液浓度值。这种浓度检测方法应用的比较多，但大部分都是离线检测，在 线检测装置比较少。这种检测装置的缺点是浓度检测范围比较窄，同时测 量精度不高。 3 ) 微处理器的检测结构， 在作为检测对象的物理量与浓度值之间采用 统计建模的方法，近似地得出线性回归方程，对温度等其它因素的影响进 行补偿。根据这种原理设计出的检测装置，从原理上讲，有了很大进步， 精度也提高了。但它的缺点是，由于线性回归方程往往仅能在某一局部范 围内近似描述检测对象与浓度值之间的近似线性关系，因此其适用的检测 范围比较窄，同时线性建模过程 比较复杂，存在着一定的系统误差。 1 . 2 . 2国内外发展现状 随着社会的发展，科学技术的进步，产品在保证其高稳定性、高精度 的前提下不断的更新换代，尤其是电子产品，伴随着微 电子技术的飞速发 展，新器件的研制、生产周期越来越短，越来越多的新技术和新理论应用 于检测系统中。 从 目前情况来看，国外浓度检测系统的发展主要呈现出以下特点: 1 )仪器技术装备水平不断提高。 不断涌现 出的新型光电检测器件以及微 电子技术的发展，使前端检测 西北 1 业大学硕 论文 第一 帝 绪论 1 . 2 1 . 2 . 1 本课题国内外发展现状 浓度检测装置的分类 从国内外目前投入生产中使用的浓度检测装置的工作原理来看，一般 可分为以下几种: 1 )手持式 目视检测结构，利用液体对光线的反射原理来测量，如:阿 贝折光仪等。 这种检测手段的不足之处在于: 读数误差大，而且因人而异; 一般无温度补偿装置;为了减小环境温度因素的影响，必须在读数之后， 查修正表进行计算，得出修正后的结果，使用不方便。此外，这种检测方 式无法在线工作。 z )电子器件检测结构，主要利用液体的某种物理量作为检测对象，如 溶液的酸碱度 p h值，导电系数，溶液对光线的折射率等物理量，将这些 物理量作为检钡 q 指标，经过电路处理后 ( 包括温度补偿) ，得出相应的溶 液浓度值。这种浓度检测方法应用的比较多，但大部分都是离线检测，在 线检测装置比较少。这种检测装置的缺点是浓度检测范围比较窄，同时测 量精度不高。 3 ) 微处理器的检测结构， 在作为检测对象的物理量与浓度值之间采用 统计建模的方法，近似地得出线性回归方程，对温度等其它因素的影响进 行补偿。根据这种原理设计出的检测装置，从原理上讲，有了很大进步， 精度也提高了。但它的缺点是，由于线性回归方程往往仅能在某一局部范 围内近似描述检测对象与浓度值之间的近似线性关系，因此其适用的检测 范围比较窄，同时线性建模过程 比较复杂，存在着一定的系统误差。 1 . 2 . 2国内外发展现状 随着社会的发展，科学技术的进步，产品在保证其高稳定性、高精度 的前提下不断的更新换代，尤其是电子产品，伴随着微 电子技术的飞速发 展，新器件的研制、生产周期越来越短，越来越多的新技术和新理论应用 于检测系统中。 从 目前情况来看，国外浓度检测系统的发展主要呈现出以下特点: 1 )仪器技术装备水平不断提高。 不断涌现 出的新型光电检测器件以及微 电子技术的发展，使前端检测 两北 1 业大学硕士论文 第 一 章 绪论 仪器的扫描速度，测量精度大大提高，同时由于采用了大规模集成电路芯 片，使其驱动 电路结构简化 了。 周边相关学科的发展 ，不断地提出了新的检测技术方法， 析、神经网络分析、小波分析方法等理论研究方法的不断成熟 诸如模糊 分 ，越来越 多 的新理论方法应用于检测系统中，极大地推动了仪器整体水平的提高。 2 )仪器应用范围不断扩展 近年来，国外一些厂商根据实际生产过程的需要和使用普遍性等特点， 纷纷致力于推出以某种数据处理系统为主机，配备不同的附件所组成的各 类检测系统，其中包括各种必要的分析系统软件包，使仪器的应用摆脱 了 单一化的局限性，这一点是非常值得我们借鉴的。 3 )仪器功能逐渐增强，使用日趋简便 自从 2 0世纪 7 0年代微处理器问世以来，经过短暂的数十年，其应用 范围就渗透到社会生产的各个领域。目前，在我国市场上销售的进日的浓 度检测仪器己无一例外的全部实现 了微机化，无论在性能上、功能上、还 是操作使用上都发生了根本性的变化。 国内浓度检测系统的发展，也有以下特点: 1 )国产检测仪器在发展的同时，大型企业产品更新换代较慢。国产浓 度检测系统大多分为一次仪表和二次仪表，体积较大，结构不尽合理。国 产系统前端检测设备大多采用光电池进行光电转换，误差较大，进口设备 大多采用光栅或 c c d器件，误差较小。 2 )令人可喜的是，近年来，许多小型高科技产业公司纷纷涉足于检测 系统的研制和生产行业，研制出了一批新产品，成为一支新兴的力量。 3 )伴随着我国工业生产社会化、现代化进程的不断加速，以及国家各 类标准的建立和健全，国民环保意识的加强等，将极大地促进国产各类检 测系统的发展，其应用范围正在不断拓宽。 1 . 3论文的主要研究工作 1 . 3 . 1 本课题的主要研究任务、特色及关键点 本课题的主要任务是以轻工总会西安所的液浆浓度在线检测系统项 目为背景，研究基于微计算机技术、新型的光电检测技术和更加精确的数 据处理理论为内涵的光电一体化智能液浆浓度在线检测技术与实现方法。 西安所浓度检测项 日的主要技术要求为: 两北 1 业大学硕士论文 第 一 章 绪论 仪器的扫描速度，测量精度大大提高，同时由于采用了大规模集成电路芯 片，使其驱动 电路结构简化 了。 周边相关学科的发展 ，不断地提出了新的检测技术方法， 析、神经网络分析、小波分析方法等理论研究方法的不断成熟 诸如模糊 分 ，越来越 多 的新理论方法应用于检测系统中，极大地推动了仪器整体水平的提高。 2 )仪器应用范围不断扩展 近年来，国外一些厂商根据实际生产过程的需要和使用普遍性等特点， 纷纷致力于推出以某种数据处理系统为主机，配备不同的附件所组成的各 类检测系统，其中包括各种必要的分析系统软件包，使仪器的应用摆脱 了 单一化的局限性，这一点是非常值得我们借鉴的。 3 )仪器功能逐渐增强，使用日趋简便 自从 2 0世纪 7 0年代微处理器问世以来，经过短暂的数十年，其应用 范围就渗透到社会生产的各个领域。目前，在我国市场上销售的进日的浓 度检测仪器己无一例外的全部实现 了微机化，无论在性能上、功能上、还 是操作使用上都发生了根本性的变化。 国内浓度检测系统的发展，也有以下特点: 1 )国产检测仪器在发展的同时，大型企业产品更新换代较慢。国产浓 度检测系统大多分为一次仪表和二次仪表，体积较大，结构不尽合理。国 产系统前端检测设备大多采用光电池进行光电转换，误差较大，进口设备 大多采用光栅或 c c d器件，误差较小。 2 )令人可喜的是，近年来，许多小型高科技产业公司纷纷涉足于检测 系统的研制和生产行业，研制出了一批新产品，成为一支新兴的力量。 3 )伴随着我国工业生产社会化、现代化进程的不断加速，以及国家各 类标准的建立和健全，国民环保意识的加强等，将极大地促进国产各类检 测系统的发展，其应用范围正在不断拓宽。 1 . 3论文的主要研究工作 1 . 3 . 1 本课题的主要研究任务、特色及关键点 本课题的主要任务是以轻工总会西安所的液浆浓度在线检测系统项 目为背景，研究基于微计算机技术、新型的光电检测技术和更加精确的数 据处理理论为内涵的光电一体化智能液浆浓度在线检测技术与实现方法。 西安所浓度检测项 日的主要技术要求为: 两北 1 业大学硕士论文 第 一 章 绪论 仪器的扫描速度，测量精度大大提高，同时由于采用了大规模集成电路芯 片，使其驱动 电路结构简化 了。 周边相关学科的发展 ，不断地提出了新的检测技术方法， 析、神经网络分析、小波分析方法等理论研究方法的不断成熟 诸如模糊 分 ，越来越 多 的新理论方法应用于检测系统中，极大地推动了仪器整体水平的提高。 2 )仪器应用范围不断扩展 近年来，国外一些厂商根据实际生产过程的需要和使用普遍性等特点， 纷纷致力于推出以某种数据处理系统为主机，配备不同的附件所组成的各 类检测系统，其中包括各种必要的分析系统软件包，使仪器的应用摆脱 了 单一化的局限性，这一点是非常值得我们借鉴的。 3 )仪器功能逐渐增强，使用日趋简便 自从 2 0世纪 7 0年代微处理器问世以来，经过短暂的数十年，其应用 范围就渗透到社会生产的各个领域。目前，在我国市场上销售的进日的浓 度检测仪器己无一例外的全部实现 了微机化，无论在性能上、功能上、还 是操作使用上都发生了根本性的变化。 国内浓度检测系统的发展，也有以下特点: 1 )国产检测仪器在发展的同时，大型企业产品更新换代较慢。国产浓 度检测系统大多分为一次仪表和二次仪表，体积较大，结构不尽合理。国 产系统前端检测设备大多采用光电池进行光电转换，误差较大，进口设备 大多采用光栅或 c c d器件，误差较小。 2 )令人可喜的是，近年来，许多小型高科技产业公司纷纷涉足于检测 系统的研制和生产行业，研制出了一批新产品，成为一支新兴的力量。 3 )伴随着我国工业生产社会化、现代化进程的不断加速，以及国家各 类标准的建立和健全，国民环保意识的加强等，将极大地促进国产各类检 测系统的发展，其应用范围正在不断拓宽。 1 . 3论文的主要研究工作 1 . 3 . 1 本课题的主要研究任务、特色及关键点 本课题的主要任务是以轻工总会西安所的液浆浓度在线检测系统项 目为背景，研究基于微计算机技术、新型的光电检测技术和更加精确的数 据处理理论为内涵的光电一体化智能液浆浓度在线检测技术与实现方法。 西安所浓度检测项 日的主要技术要求为: 两北工业人学硕 论 文第一章 绪论 1 )折射率量程为:1 . 3 2 2 4 1 . 5 0 9 3 ，分辨率为:0 . 0 0 0 3 n d 2 )浓度误差 :10 . 1 b r i x o 通过查阅大量文献资料，发现与本研究课题直接相关的论著文章并不 多见，对液浆浓度采取的检测方法主要有:基于液体物理特性一电导率的 检测方法、基于液体化学特性一酸碱度的检测方法、基于液体受光特性一 折射率 ( 反射率)的检测方法，其中光学特性测量方法精度最高，但实现 难度最大，有关光学检测方法的研究也是目前的一个研究热点。 对一次检测结果进行数据处理的方法，主要都集中在如何建立被测对 象的数学模型方面，有很多方法值得借鉴，比如;采用分段线性插值法建 立数字模型、采用统计学原理建立回归方程、采用人工智能和神经网络算 法建立预测模型等等。 本研究课题的特色和关键点体现在以下方面: 1 )如何提高浓度在线检测系统中前端检测装置精度的问题，解决这个 问题应从两个方面着手，第一是合理选择 c c d 器件的问题，主要应考虑像 素数量对测量精度的影响。第二是解决 c c d器件的驱动问题，就是如何在 保证高频驱动脉冲精确定时的条件下，使驱动电路板面积尽量小，便于在 线安装调试。c c d器件的驱动电路一般应由使用者设计完成，目前比较成 熟的驱动电路大多采用 c p l d来实现，其速度高且定时精度准确，但缺点 是电路体积大、价格高。而采用高速小型单片机与数字电路相结合的方法 来实现 c c d的驱动，可以充分利用已有器件，缩小了电路体积，并且不会 影响精度 。 2 )如何处理 c c d 输出的视频信号问题，c c d 输出的数字视频信号往往 包含有图像和背景信息，由于被测物与背景在光强上的变化反应在 c c d 视 频信号中所对应的图像尺寸边界处会有明显的电平变化，因此可以通过二 值化处理将图像与背景区分为二值 电平。目前，二值化过程一般都采用硬 件电路来实现，合理设计出硬件电路成为必不可少的一个环节，浮动闽值 的二值化电路应为首选。 3 ) 如何解决数据处理中折光率与液浆浓度的非线性化及温度补偿的问 题，对此问题，以往的和现在的大部分检测系统常采用统计建模方法得出 线性回归方程或非线性回归方程，对温度及其它因素的影响通常采用补偿 的方法，因此测量精度受到影响。人工神经网络具有对非线性映射的万能 逼近能力，较强的自学习和泛化性质，是多变量非线性系统建模的有效工 具，因此，解决这个问题应采用引入 b p神经网络的方法，建立对非线性 系统具有 白适应 能力的智能化测量模型。 西北工业大学硕士论文 第- .绪论 1 . 3 . 2论文的结构安排 本论文共分为七章 : 第一章 绪论 介绍了本课题的来源、意义、国内外发展现状，以及论文的主要研究 工作。 第二章 液浆浓度检测系统测量原理与总体方案设计 介绍了液浆浓度检测系统的常用测量方法，重点论述了光学折射法的 测量原理，推导出了测量方程。阐明了c c d的基本结构和工作原理，以及 影响c c d 器件检测效果的部分特性参数。最后，提出系统实现的总体设计 方案。 第三章 液浆浓度检测系统的传感器单元设计 本章阐述了检测系统前端传感器装置中的光源及光学成像系统的工 作原理和结构。讨论了线阵 c c d的驱动方法和信号处理方法，通过对几种 方法的优缺点比较， 提出了采用单片机与数字电路相结合的c c d 驱动方法， 以及浮动阐值的二值化信号处理方法，并设计出了具体的实现电路。 第四章 检测系统软硬件设计 本章介绍了检测系统中硬件和软件两方面的实现方法。 第五章 液浆浓度检测算法研究及实现 本章针对液浆浓度这一非线性检测系统，建立了基于最小二乘原理的 多元线性回归数学模型、基于插值的非线性回归数学模型和基于 b p神经 网络原理的数学模型。论述了三种算法的实验数据处理过程，并采用每种 方法对检验样本数据进行了仿真预测。 第六章 系统实验结果与误差分析 本章通过三种检测算法的误差对比，得出了具备智能化的 b p神经网 络模型是最佳测量模型的结论。同时，讨论了实验过程中的问题，以及引 起测量误差的可能原因。 第七章 总结与展望 本章回顾了本论文的主要研究工作、创新点及不足 ，提出了后续研 究方向。 西北 ! _ 业大学硕 上 论文 第二章 液浆浓度检测系统测量原理与 总体方案设计 第二章 液浆浓度检测系统测量原理 与总体方案设计 对于一个新的检测系统，在构建、设计之前，一首先应对系统的测量原 理进行深入地分析、对比和研究，充分了解其优缺点;其次应充分借助前 人己有的经验认识，合理预见新系统的可能性、实用性。只有这样，在进 行总体方案设计时，刁 能 有的放矢将先进性和适用性完美的结合起来。 2 . i液浆浓度检测系统原理和组成 2 . 1 . 1液体浓度检测方法 液体浓度的检测方法可以分为物理检测和化学检测两大类，物理检测 方法诸如根据液体在不同浓度下的电离度、电导率的变化，或者根据液体 在不同的浓度下对某种光线的折射率、反射率的变化来测量出液体浓度的 变化;化学检测方法例如根据液体在不同浓度下酸碱度的变化来进行测量 等。 工业领域中比较常用的方法有:测量电导值的电磁法，测量离子浓度 的酸碱度法，以及测量折射率的光学方法。 2 . 1 . 1 . 1电磁法 图 2 . 电磁法原理图 电磁法检测液体的浓度是通过溶液 电导率的变化来实现的，其测量原 西北 ! _ 业大学硕 上 论文 第二章 液浆浓度检测系统测量原理与 总体方案设计 第二章 液浆浓度检测系统测量原理 与总体方案设计 对于一个新的检测系统，在构建、设计之前，一首先应对系统的测量原 理进行深入地分析、对比和研究，充分了解其优缺点;其次应充分借助前 人己有的经验认识，合理预见新系统的可能性、实用性。只有这样，在进 行总体方案设计时，刁 能 有的放矢将先进性和适用性完美的结合起来。 2 . i液浆浓度检测系统原理和组成 2 . 1 . 1液体浓度检测方法 液体浓度的检测方法可以分为物理检测和化学检测两大类，物理检测 方法诸如根据液体在不同浓度下的电离度、电导率的变化，或者根据液体 在不同的浓度下对某种光线的折射率、反射率的变