（凝聚态物理专业论文）基于l298n生物传感器温控系统的设计.pdf

本人郑重声明 进行研究工作所取 任何其他个人或集 要贡献的个人和集 明的法律结果由本 作者签名 授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允 许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 可 以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存 汇编学位论文 保密论文注释 本学位论文属于保密范围 在上年解密后适用本授 权书 非保密 作者签名 导师签名 妒 j 多l 忑滟森 文不属于保密范围 适用本授权书 日期 兰堂0p 日期 垄丝二 2 窆 学位论文数据集 中图分类号 t p 2 12 3 学科分类号 1 4 0 5 0 论文编号 1 0 0 10 2 0 1 10 9 7 2 密级 学位授予单位代码 10 0 10 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名马文俊学号 2 0 0 8 0 0 0 9 7 2 获学位专业名称 凝聚态物理获学位专业代码 0 7 0 2 0 5 课题来源 自选项目 研究方向生物传感器 论文题目基于l 2 9 8 n 生物传感器温控系统的设计 关键词m i b d 温控系统 t e c l 2 9 8 n 单片机 数据采集卡 论文答辩日期 2 0 11 年5 月2 1 日搴论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师丁迎春教授 北京化工大学凝聚态物理 评阅人1盛新志教授北京交通大学 凝聚态物理 评阅人2林静教授北京化工大学 凝聚态物理 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席 陈信义教授清华大学凝聚态物理 答辩委员1 曹茂盛 教授 北京理工大学凝聚态物理 答辩委员2盛新志教授 北京交通大学凝聚态物理 答辩委员3丁迎春教授 北京化工大学凝聚态物理 答辩委员4祈欣教授 北京化工大学凝聚态物理 答辩委员5荆坚教授北京化工大学凝聚态物理 冱 一 四 论文类型 1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在 中国图书资料分类法 查询 学科分类号在中华人民共和国国家标准 g b t1 3 7 4 5 9 学科分类与代码 中查询 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 摘要 基于l 2 9 8 n 生物传感器温控系统的设计 摘要 生物传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检 测的仪器 是由固定化的生物敏感材料作识别元件 包括酶 抗体 抗原 微生物 细胞 组织 核酸等生物活性物质 与适当的理化换能器 如氧 电极 光敏管 场效应管 压电晶体等等 及信号放大装置构成的分析工 具或系统 生物传感器具有接受器与转换器的功能 这种方法可以用于液 体折射率的测量 折射率测量广泛运用于环境探测以及生物制药中 快速 以及微小容量测量成为测量折射率待解决的问题 以此衍生的方法主要包 括干涉法 波导法以及散射法 这些方法可以实现微量溶液探测并且具有 较高的探测极限 但是他们各自存在缺点 无论使用哪种方法 稳定的温 控系统是测量中所必须的 本文在后向散射的基础上 提出了后向散射干 涉法 m i b d 测量液体折射率 主要对m i b d 中使用的温控系统做详细 的阐述 在m i b d 系统中使用的温控系统主要包括 温度传感器及获取温度 差信号电路 t e c 半导体制冷器 及其驱动电路 单片机控制电路 实 时软件测量以及机械结构设计 本文从半导体材料以及光学测量基础上 解释了t e c 制冷原理 详细阐述了温控电路并介绍了m i b d 系统测量原 理 本系统以铂电阻p t l 0 0 作为温度传感器 用运算放大器 a d 转换器 进行温度信号的采集 在2 0 到4 0 c 之间将温度精度控制在 o 1 并 i 一 摘要 完成了在该理论基础上搭建起来的m i b d 系统 用以测量液体折射率 关键词 m i b d 温控系统 t e c l 2 9 8 n 单片机 数据采集卡 t h eb i o s e n s o ri sa ni n s t r u m e n tw h i c hi ss e n s i t i v et ob i o l o g i c a lm a t e r i a l a n dc h a n g e dt h ec o n c e n t r a t i o ns i g n a lt ot h ee l e c t r i c a ls i g n a lf o rm e a s u r e m e n t i ti sa na n a l y s i st o o la n ds y s t e mf o r r e c o g n i z i n gi m m o b i l i z e db i o l o g i c a l m a t e r i a la n dt r a n s d u c e r t h eb i o s e n s o rh a st h ef u n c t i o no fr e c e i v e ra n d t r a n s d u c e r t h i sm e t h o di sa l s ou s e dt om e a s u r et h er e f r a c t i v ei n d e x r i o f s o l u t i o n t h em e a s u r e m e n to fr e f r a c t i v ei n d e xi s w i d e l yu s e df o rp r o b i n g e n v i r o n m e n ta n db i o l o g i c a lp h a r m a c y b u tt h ep r o b l e m st ob es o l v e da r et h e r a p i dm e a s u r e m e n ta n dm e a s u r e m e n to fm i c r o c o n c e n t r a t i o n s e v e r a lm e t h o d s i n c l u d i n gd i f f r a c t i o n i n t e r f e r o m e t r y w a v eg u i d i n ga n dp l a s m o ns e n s i n g c a n b eu s e dt od e t e c tm i c r o c o n c e n t r a t i o na n dh a v eh i g h l yd e t e c t i o nl i m i t b u t t h e ya l lh a v es h o r t c o m i n g s i nt h em e a s u r e m e n tt h es t a b l et e m p e r a t u r es y s t e m i s n e c e s s a r y i nt h i sp a p e r w ed e s i g nam i c r o i n t e r f e r o m e t r i cb a c k s c a t t e r d e t e c t o r m i b d b a s e do nb a c k s c a t t e rf o rm e a s u r i n gt h er e f r a c t i v ei n d e xi n t h es o l u t i o na n d m a i n l yd e s c r i b et h et e m p e r a t u r es y s t e mu s e di nt h em i b d t h et e m p e r a t u r es y s t e mu s e di nt h em i b di sc o n t a i n e dt e m p e r a t u r e s e n s o r s i g n a lc i r c u i to ft e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e d r i v i n gc i r c u i tf o rt e c i i i 摘要 c o n t r o lc i r c u i tf o rs i n g l ec h i pp r o c e s s o r s o f t w a r eo fr e a l t i m em e a s u r e m e n t a n dd e s i g no fm e c h a n i c a ls t r u c t u r e i nt h i sp a p e rw ee x p l a i nt h ep r i n c i p l eo f t e cb a s e do ns e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l sa n do p t i c a lm e a s u r e m e n t p r e s e n tt h e t e m p e r a t u r ec i r c u i ta n dm e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo ft h em i b ds y s t e m i nt h i s s y s t e m w eu s et h ep t l0 0a st h et e m p e r a t u r es e n s o ew eu s et h eo p e r a t i o n a l a m p l i f i e ra n da d c a n a l o g u e t o d i g i t a lc o n v e r t e r a st h ec o l l e c t i o n o f t e m p e r a t u r es i g n a l u s i n g t h i s s y s t e m t h et e m p e r a t u r ea c c u r a c yw a s c o n t r o l l e dt or e a c ho 1 b e t w e e n2 0 ca n d4 0 c f i n a l l yw ea c c o m p l i s ht h e m i b d s y s t e mf o rm e a s u r e m e n t o fr e f r a c t i v ei n d e x k e yw o r d s m i b d t e m p e r a t u r es y s t e m t e c l 2 9 8 n s i n g l ec h i p p r o c e s s o r 目录 目录 第一章绪论 1 第二章m i b d 系统 5 第三章温控系统与温控电路 8 3 1系统工作原理以及框架 8 3 2温度差信号的获取 9 3 2 1 传感器的分类以及各自特点 1 0 3 2 2 p t l 0 0 及其测量方法 1 1 3 2 3 测量温度差信号电路 1 2 3 3电源电路 1 2 3 3 17 8 0 5 电源芯片 1 3 3 3 2m c 3 4 0 6 3 d c d c 转换芯片 1 4 3 3 3l t l 0 0 9 输入参考电压r e f 1 5 3 3 4 小功率极性反转电源转换器i c l 7 6 6 0 1 6 3 3 5l m 3 3 4 三端可调恒流源 1 8 3 4半导体制冷制热系统t e c 1 9 v 1 2 2 2 2 4 4 4 4 一况 一 一 一 一 一状状 一概 一 一 一 一 一现现 一展 一 一 一 一 一究究 一发 一率 一 一 一研研 一术 一射 一 一 一量量 一技 一折 一 一 一测测 一控法量 一 一 一率率 一温方测 一 一 一射射 一及量法 一 一 折折 一以测涉展 一 一及及一量率干发景义以以一测射射术背意控控 一率折散技的的温温 言射规向控题题外内引折常后温课课国国 l 2 3 1 2 1 2 2 2 2 3 4 4 4 l l l 11 l 11 i 11 上 目录 3 4 1t e c 及其工作原理 1 9 3 4 2t e c 驱动芯片l 2 9 8 n 工作原理 2 0 3 5信号调理电路及运算放大器 2 2 3 6a d 转换器的选择与设计电路 2 3 3 7单片机 2 5 3 8干扰抑制措施 3 2 3 9按键与显示电路 3 2 第四章温控底座的设计 3 4 第五章数据采集 3 6 第六章采集结果分析 3 6 参考文献 3 9 致谢 4 2 研究成果及发表的学术论文 4 3 作者简介 4 4 v i 目录 co n t e n t s c h a p t e r1 p r e f a c e 1 i n t r o d u c t i o n l t h eo v e r v i e wo f t e s t i n gt e c h n i q u ed e v e l o p m e n t 2 t h en o r m a lm e a s u r e m e n tm e t h o do f r e f r a c t i v ei n d e x 2 t h em i b dm e a s u r e m e n tm e t h o do f r e f r a c t i v ei n d e x 2 t h ed e v e l o p m e n to f t e m p e r a m e n tc o n t r o l 2 t h eb a c k g r o u n do f t h er e s e a r c h 4 t h es i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h 4 t h e p r e s e n tr e s e a r c ho f t h ef o r e i g n 4 t h ep r e s e n tr e s e a r c ho f t h ed o m e s t i c 4 c h a p t e r2 t h em i b d s y s t e m 5 c h a p t e r3 t h et e m p e r a t u r es y s t e ma n dc i r c u i t 8 3 1t h eb l o c kd i a g r a ma n dp r i n c i p l eo f t h es y s t e m 8 3 2t h ea c q u i s i t i o no f t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c es i g n a l 9 3 2 1t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dc l a s s i f i c a t i o no f t h es e n s o r 10 3 2 2t h em e a s u r e m e n tm e t h o do f p t l o o 1 1 3 2 3t h ec i r c u i to f t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c es i g n a l 1 2 3 3t h ep o w e rc i r c u i t 1 2 3 3 17 8 0 5p o w e rc h i p 1 3 3 3 2m c 3 4 0 6 3 d c d cc o n v e r t e rc h i p 1 4 3 3 3l t l 0 0 9f o ri n p u t t i n gt h er e f e r e n c ev o l t a g e 1 5 3 3 4i c l 7 6 6 0f o rr e v e r s i n gp o w e r 1 6 3 3 5l m 3 3 4f o rc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c e 1 8 3 4t e c 19 3 4 1t h em i n c i p l eo ft h et e c 19 v l 2 3 l 2 2 2 2 2 3 4 4 4 l 1 1 1 1 1 l l 1 目录 4 2t h ed r i v i n gc h i po f t e ca n dt h ep r i n c i p l eo f t h el 2 9 8 nc h i p 2 0 3 5t h es i g n a lm o d u l a t ec i r c u i ta n dt h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r 2 2 3 6t h ec h o o s eo f a d ca n dt h ec i r c u i to f a d c 2 3 7t h es i n 酉ec h i pp r o c e s s o r 2 5 3 8i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n 3 2 3 9t h ec i r c u i to f k e ya n dd i s p l a y 3 2 c h a p t e r 4t h ed e s i g no ft e m p e r a t u r ec o n t r o l p l a t f o r m 3 4 c h a p t e r 5d a t aa c q u i s i t i o n 3 6 c h a p t e r6 t h e a n a l y s i so ft h ed a t aa c q u i s i t i o n 3 6 一 一 r e f e r e n c e 3 9 g r a t i t u d e 4 2 r e s e a r c hb r i e f sa n d p a p e r 4 3 c o n t r i b u t o r 4 4 v i l l 目录 符号说 后向散射微干涉法 半导体制冷器 铂电阻 模数转换 电荷耦合元件 折射率 探测极限 比例 积分 微分 正温度系数热敏电阻 负温度系数热敏电阻 温度系数 直流 接地 电流出口 电流入口 高电平 输入电压 逻辑门电路 高电平 可输入电压范围 参考电压 低电压端 外接调节电阻 脉宽调制 使能端 模拟量输入 i x 一聊一肋蚴彤册肋脚脚 口此 一一 巧m唧 聊 硒 磊州 北京化t 大学硕 j 二论文 1 1 引言 第一章绪论 测量生物分子之间的相互作用 如蛋白质与蛋白质健联 或者小分子之间健联 不仅能使我们了解基本的细胞相互作用 而且能利用这些知识用于治疗 服务于很多 诊断技术 溶液中分子间健联相互作用的获取主要根据溶液折射率的变化 在很低浓 度测量时 分子的探测时常需要标定 比如荧光标签 无标赳i 研究的方法主要是测 热法 如等温滴定热量测定法 是通过溶液中所有的组分来完成 这种方法过去被广 泛采纳 但是这些方法标定的产量较低 需要大量的样品溶液 灵敏度较低 如果反 应焓接近零 几乎没有灵敏度 焓阵列是近来能够获得高产量的一种微测热法 用 于均匀无标定分子间相互作用的测量 仅仅需要5 0 0 纳升样品 但是这种方法所承受 的浓度探测极限较低 大约一5 1 0 5 摩尔 限制了健亲和力的可测量范围 其他方法依靠固定伴随蛋白到层表面 包括衍射 干涉 波导 等离子体传感 纳米线传感和微悬臂传感 这些方法用于探测表面层的变化 尽管这些表面方法比测 热法更灵敏 但是表面固定结合伴随蛋白可以引起几个问题 比如分子键的位置过于 接近表面 可能引起位阻从而影响健能或者活力 对于表面的保护比较困难和昂贵的 并且想当耗费时间 与一些材料不兼容 表面层的活性会随外界条件的变化而活性下 降 最后 这种方法不可能研究未知的结合伴随蛋白 干涉仪是己知的最灵敏的光学研究方法之一 已经被用于表面键模式屏幕分子的 相互作用 比如m a c h z e h n d e r 干涉仪 杨氏干涉仪以及双偏振干涉仪都是使用波导 去检测健与表面的相互作用传感 需要相对较长的光径以及较大的样品体积 可以达 到纳摩尔级别的探测极限 后向散射干涉法 m i b d 2 是近来测量生物分子间相互作用以及折射率运用较 普遍的方法 与以往的测量方法相比 它具有较大的优势 主要表现在 1 可以在自由溶液中测量较宽动力范围的分子间相互作用 2 高灵敏度 皮摩尔 3 与微流控芯片的兼容能力使m i b d 能够实现微量测量 4 工艺简单 易保存 实验中通过电荷耦合元件 c c d 对后向散射干涉条纹进行探测 由于干涉条纹 受折射率以及温度等外界因素影响较大 因此实验中必须使用合适的温控系统对溶液 进行控温 从而在c c d 采集到较稳定的干涉条纹 本文设计了一种基于l 2 9 8 n t 3 芯 片的m i b d 温控系统 能够使温度控制在0 1 达到了实验所需要的要求 北京化工大学硕士论文 1 2 折射率测量以及温控技术发展概况 1 2 1 常规折射率测量方法 折射率 r e f r a c t i v ei n d e x 测量在化学和生物分析上是一项很普遍的技术 以往的 技术在测量折射率变化方面主要依靠干涉 波导效j 立 4 5 以及前向散射 尽管这些技术 具备较大的探测极限 但是他们得缺陷都在于需要较大的溶液体积 这些方法有各自 的适用范围 比如 基于前向散射的折射率测量适用于纳升体积的探测 但是它受限 于光径以及不同溶液 使用波导方法测量折射率虽然仅仅需要很小的溶液体积 但是 需要较长尺寸的的波导用以引导 这种方法无论在探测极限还是在大容量流通池里测 量 都远不及干涉以及散射法精确 b o m h o p 等人在前人研究的的基础上克服了这些 缺陷 使用m i b d t h em i c r o i n t e r f e r o m e t r i cb a c k s c a t t e rd e t e c t o r 方法对折射率进行测 量 这种方法的优点在于光路简单 能够进行微量溶液的探测 并且能够与微流控芯 片相兼容 本论文中我们设计了一种更改的m i b d 方案 用于对k c l 不同浓度溶液折 射率的测量 试验中可以达到的探测极限为1 0 7 r j u 6 1 2 2 后向散射干涉法测量折射率 后向散射干涉法 即m i b d t h em i c r o i n t e r f e r o m e t r i cb a c k s c a t t e rd e t e c t o r 它的 测量原理主要是依靠观察相干光直射到圆柱形透光管内从而产生一系列高调制的干 涉条纹 运用这种方法测量折射率主要是分析目标溶液从毛细管内反射的条纹 这项 技术首先是由b o m h o p 发明并运用在实践中 并且能够将溶液中折射率变化精确到 l o 7 级别 除了探测折射率以外 m i b d 这种小体积溶液探测技术可以用来探测溶液 浓度 流速甚至温度 1 2 3 温控技术发展 我国温度控制系统的发展大致经历了三个阶段 第一阶段 基地式仪表 这是上个世纪4 0 年代初出现的一种简单的温控测量方 法 他只是简单的将测量 记录 调解仪表组装在一个表壳里 这种结构一般来说比 较简单并且价格低廉 但是却限于单回路且控制精度比较低 满足不了精密仪器的测 2 北京化工火学硕士论文 量 第二阶段 单元组合式仪表 它是将仪表按照功能特性进行划分 指定若干能独 立完成一定功能的标准单元 各单元依靠标准信号进行相互之间的联系 由于各单元 之间相互影响比较小 这样的改进就可以在一定程度上提高仪表的精度并且无论在使 用还是在维修上都更加灵活 但是这种方法仍然无法完成比较复杂的系统控制 精度 自然也有限 第三阶段 微机控制阶段 随着微电子技术的飞速发展 计算机性能的明显提高 微处理器在处理大量计算上的优势慢慢的体现出来 计算机在工业控制领域得到了广 泛的应用 从而使温度控制系统也有了新的发展 自上世纪7 0 年代以来 温度控制 系统在智能化 自适应 参数自设定等方面都有了很大进展并取得了阶段性的成果 温度控制系统也逐步朝着智能化 高精度 小型化等方面快速发展 比较成熟的温控技术主要以点位控制以及p i d l 7 控制为主 但是它们只适合用于 一般比较简单的温度控制系统 而用于较高控制场合的智能化 自适应控制技术 国 内这项技术还不够成熟 随着新技术的不断更新 特别是近几年来单片机发展十分迅 速 一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起 单片机的应用已经渗透到 各个行业领域 与传统的温度采集方法相比 单片机的应用使得温度的采集和数据处 理问题能够得到很好的解决 并且耗时少 精度高 温度是精密实验中的一个重要的 被控参数 由于所采用的测温元件和测量方法不相同 控温电路不同 因此所达到的 控温精度也不相同 精密仪器的发展使得传统的控制方法已不能满足高精度 高速度 的控制要求 比如温度控制表以及温度接触器 他们具有一定的控制精度 但是缺点 在于温度波动范围较大 由于他的控温原理主要是通过控制接触器的通断时间比例来 达到改变加热功率 因此他们受限于仪表本身误差和交流接触器的寿命 并且通断的 频率比较低 不能进行更精密的测量 近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式 如 p i d 控制 s 模糊控制 神经网络以及遗传算法控制等 这些控制技术大大的提 高了控制精度 不但使控制变的简单精密 而且使温控电路的质量更好 本系统在对传感器的认识和了解基础上 深入研究了其功能和用途 在此基础上 设计了m i b d 系统的温控电路 并利用单片机结合温度传感器技术而开发设计了这一 温度测量系统用于对溶液折射率的测量 文中将传感器理论与单片机实际应用有机结 合 详细地讲述了利用p t l 0 0 铂电阻作为温度传感器来测量实时的温度 以及实现热 电转换的原理过程 本设计应用性比较强 设计系统可以作为温度测量显示系统 如果稍微改装可以 用于其它热水器温度调节系统 生产温度监控系统等等 本课题主要任务是完成毛细 管温度检测 对毛细管温度进行稳定控制并且实时显示温度 设计后的系统具有操作 方便 控制灵活以及移植性强等优点 本设计系统包括电源电路 温度传感器 信号放大电路 a d 转换模块 数据处 3 北京化工大学硕士论文 理与控制模块 温度显示模块六个部分 文中对每个部分功能 实现过程作了详细介 绍 整个系统的核心是进行温度测量与显示 完成了课题所有要求 1 3 课题的背景 用c c d 对后向散射干涉条纹进行探测 条纹的波动性受溶液温度 溶液折射率 变化 毛细管壁表面光洁度以及毛细管内外径影响比较大 m i b d 系统旨在测量溶液 折射率 因此需要将温度以及毛细管等环境因素影响减至最小 试验中所使用的毛细 管为t s p 5 5 0 6 6 0 经测试此类毛细管在表面光洁度上达到要求 并且管内径5 0 0 n m 与 其它管径相比具有明显的稳定效果 在没有温控系统下使用c c d 对条纹进行采集 其波动性比较大 不便于系统采集 因此 如何将温度控制在合适的精度范围内成为 本课题研究的重点 1 4 课题的意义 1 4 1 国外温控以及折射率测量研究现状 早在上世纪9 0 年代 b o r n h o p 等人就在微控制领域对折射率测量提出了全新的方 法 其中包括波导 散射等等 并且在这些技术上进行进一步的革新 并将此项测量 与计算机想结合 运用c c d 等信号识别设备 以及m a t l a b 等数学软件对条纹处理 从而在p c 上便捷的得到所需要的折射率信息 在温控方面 由m a x i m 公司生产的 一系列芯片取代了传统的温控芯片 将控制和处理集成在同一块芯片上 加大了处理 效率并节约了电路板空间 具有典型特征的比如m a x l 9 7 8 1 9 7 9 9 系列芯片 温控方 法也有传统的水循环向高智能化 精密化方向发展 1 4 2 国内温控以及折射率测量研究现状 随着国内微控制技术的不断发展 出现了包括单片机控制 p i d 控制以及神经网 络控制能各种先进的温度控制技术 但是由于国内芯片制作工艺不高 仪器精密性不 够 限制了微控制技术的进一步发展 在折射率精确测量方面 包括激光蚀刻技术在 内的微流控技术发展使微流控芯片在此类测量中起了很大作用 微流控芯片由于其集 4 成度比较高 可 物医学领域 使用m i b d 相干光照射在装 察条纹变化来实 射率测型1 0 1 1 1 中 探测 一般来说 甚至温度 图2 1 为产生激光器照射在毛细管上所产生的干涉条纹 a c a p i l l a n 一 沦 浏绘i麓 面i l 蕊 l c 图2 1 激光器照射在毛细管上产生3 6 0 0 范围的干涉条纹以及c c d 探测 卜 的条纹轮廓 f i g 2 1s c h e m a t i cv i e wo ft h eo p t i c a lp a t hs e e nf r o mt h es i d e a a n dt h et o p b t h ec c di m a g eo f i n t e r f 伽c ep a t t e r ns h o w e di nc o m p u t e r c m i b d 系统简酬1 2 如图所示 系统中包括一台激光器 l a s e r 直射到毛细管上 c a p i l l a r y 在垂直于毛细管的方向上产生3 6 0 范围的干涉条纹 图中红光所示 这些后向散射干涉条纹t 1 3 1 4 1 5 1 由c c d d e c t e e t o r 采集 图 c 为c c d 照射下的干 涉条纹图样 毛细管下直接由接触式温度传感器温控系统对毛细管内溶液进行测量控 5 北京化i t 人学硕 论文 温 当溶液中折射率发生变化时 能够明显的观察到c c d 里干涉条纹的移动 图2 2 为系统的理论模型 h e n el a s e r m i r r o r 互未 图2 2m i b d 系统理论模型以及光径 f i g 2 2t h eg e n e r a ls t r u c t u r ed i a g r a mf o rt h eo p t i c a lc o n f i g u r a t i o n 实际搭建的m i b d 系统如图2 3 所示 系统中所使用的激光器为h e n e 激光器 d h c d h h n1 2 0 0 波长6 3 2 8 n m 输出光束直径为1 1 m m 理论上光束直径至少 是毛细管直径的两倍以上测量效果最佳 激光器通过小孔以及衰减片后直射到平面镜 后垂直入射到毛细管内 毛细管下为温控底座 通过温度传感器连接到旁边的温控电 路进行控温 黪 溺一0j 蠛霹鞫 鬈 陵蕊蕊盆麓志盏菡惑蠢蠡乏z 轰燃滋盏 塞豢 这二k 蠢盈 图2 3 实验用m i b d 系统 f i g 2 3t h em i b d s y s t e mu s e di ne x p e r i m e n t 实验中使用的毛细管为p o l y m i c r ot e c h n o l o g i e s 公司产品 t s p 5 5 0 6 6 0 即毛细 6 纹的移动 当溶液中折射率 1 6 发生变化时 条纹位置的相对变化就可以通过c c d 连 接计算机实时探测到 条纹位置随折射率变化 1 7 1 8 1 9 2 0 如图2 5 所示 上图为去离子 水 折射率为1 3 3 3 0 下图为2 0 0 1 k c l 溶液注入毛细管后c c d 观测下条纹位置的 改变 溶液折射率为1 3 3 5 7 图2 5 条纹位置随着溶液折射率变化 f i g 2 5t h ec h a n g eo ff r i n g ep o s i t i o na c c o r d i n gt ot h er e f r a c t i v ei n d e xo fs o l u t i o nc h a n g i n g 使用m a t l a b 获取图像灰度矩阵 这是没有温控系统存在时c c d 间隔1 秒对条纹 的采集 分别截取具有代表性的中心条纹处固定像素的矩阵值 根据数值可以观察到 7 北京化工人学硕上论文 中心条纹的灰度值变化较明显 说明条纹发生了偏移 b 图2 6 c c d 采集图像矩阵 f i g 2 6t h em a t r i xo fp i c t u r ef r o mc c d 计算标准偏差s 2 7 2 1 因此 我们需要将温度控制在合适的范围内 第三章温控系统与温控电路 试验中由于激光器通过平面镜反射直接照射在毛细管上 会导致管内外温度升 高 通过c c d 观察干涉条纹发现条纹极其不稳定 影响最终数据的采集 因此本论 文的重点在于对m i b d 温控系统的设计 使温度能够稳定在o 1 之内 2 2 2 l 2 3 3 3 3 3 j 罅j 铉 3 2 3 2 3 3 3 3 3 3 l 2 2 3 3 3 3 3 3黔弛轮孔 3 3 2 2 3 3 3 3 3 3 飘站铭 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3冀弱诒 弱豫钳弱m 北京化工人学硕l 论文 信号转换可识别的数字信号 接着将数字信号传给单片机p i c l 据公式换算把测量得转换后的电压值转换为温度值 并将数据 示 系统的结构框图如图3 1 所示 信号调理a d 转换 一 电路 匕 电路 1 r 温度传感按键控制 l 1 p i c l 6 f 8 7 6 a k l e d 显示 器电路 r 电路 介 t e c l 一p w m 控制 o 一 电路 图3 1 温控系统结构框图 f i g3 1t h eb l o c kd i a g r a mo ft e m p e r a t u r e s y s t e ms t r u c t i o n 本设计系统主要包括温度信号采集单元 单片机数据处理单元 温度显示单元 其中温度信号的数据采集单元部分包括温度传感器 温度信号的获取电路 采样 放大电路 a d 转换电路 3 2 温度差信号的获取 温度差信号的是获取是搭建温控系统首先必须解决的问题 对于温度差信号的采 集来说采用不同种类的温度传感器和不同的采集方式将会产生较大的差异 而对于我 们设计的m i b d 系统来说所需要的温控系统需要把温度控制在2 0 4 0 之间 对于 温度传感器来说 这个温度范围属于常温范围 测温范围比较小 所以大部分传感器 都可以满足设计要求 但是m i b d 系统关心的是需要保证传感器在这一温度范围内有 一定的线性度和足够大的温度系数以及比较高的精度 并且保证传感器可以尽量真实 的测量到待测液体的温度 9 北京化工大学硕士论文 3 2 1 传感器的分类以及各自特点 温度的测量方法一般分为两种 分别是接触式测热法和辐射式测热法 其中接触 式温度法是通过热传导和热对流来获取被测目标的温度信号 而辐射式温度法则是通 过热辐射的方式获得被测目标的温度信号 由于两种方法在原理上有差别 因此在测 温电路上也有一定的区别 其中接触式温度计主要分为电阻温度计和热电偶温度计两 类 电阻式温度传感器分为金属电阻温度传感器和半导体温度传感器 金属传感器的 典型特点就是电阻随温度变化的线性度比较好 但是它们的温度 电阻系数略小 比如 p t l 0 0 铂电阻 2 2 2 2 3 2 4 2 5 在0 时电阻为1 0 0 q 1 0 0 c 时温度为1 3 8 5 f 2 线性度计算 后平均每摄氏度阻值变化为0 3 8 5 q 而半导体热敏电阻分为n t c 和p t c 两种 分 别是j 下温度系数和负温度系数热敏电阻 这两种传感器的特点是电阻温度系数大 但 一般线性度不好 m i b d 系统中由于测温范围比较小 2 6 1 要求电阻随温度变化的线性 度比较好 因此金属电阻温度传感器为首选方案 金属电阻由于其测量精度高 性能稳定 使用方便 因此作为一种常用的温度传 感器 它的温度测量范围为 2 0 0 c 6 5 0 2 完全满足m i b d 系统2 0 c 4 0 c 温控要求 在诸多会属热电阻里 铂电阻的测量精确度是最高的 并且温度传递性好 所以在设 计中我们最终选择铂电阻p t l 0 0 作为传感器 该方案整体部件是采用热电阻p t l 0 0 做 为温度传感器 a d 6 2 0 作为信号放大器 a d 7 7 1 5 作为a d 转换部件 使用p i c l 6 f 8 7 6 单片机对信号进行控制 这种传感电路对于温度信号的采集具有大范围 高精度的特 点 p t l 0 0 阻值温度睦线 图3 2p t l 0 0 及p t l 0 0 阻值温度曲线 f i g 3 2s a m p l eo f t h ep t l o oa n dr e s i s t a n c e t e m p e r a t u r ec u r v eo f t h ep t l 0 0 对于实验室搭建的m i b d 系统来说 由于传感器不能占用通光孔 如果传感器与 遮住通光孔 会影响到c c d 所探测到的干涉条纹 故接触式温度传感器成为首选 1 0 北京化工大学硕士论文 考虑到系统所需的测温范围比较小 需要一定的线性度以及比较高的测量精度等问 题 最终选择p t l 0 0 铂电阻作为系统探测温度信号的传感器 对于p t l 0 0 温度传感器外部结构 其元件的封装也有不同的形式 同样会影响温 度测量的真实度 接触式测热法应尽量保证测温元件与被测目标大面积接触 通过对 测量系统的温度传递性考虑 本系统选定铝外壳封装的p t l 0 0 作为温度测量探头 直 接与装有待测液体的毛细管 t s p 5 5 0 6 6 0 接触 实现对液体的温度测量 p t l 0 0 以及 p t l 0 0 阻值温度曲线如图3 2 所示 3 2 2p t ic m 3 及其测量方法 p t l 0 0 温度传感器是一种以铂 p t 做成的电阻式温度传感器 属于正电阻系数 由 于其线性度比较好 因此它的电阻阻值与温度的关系可以近似用下式表示 当温度范围在0 一6 5 0 时 r t r 0 1 a t b t 2 当温度范围在一2 0 0 0 时 r t r 0 1 a t b t 2 c t 一10 0 t 式中a b c 为常数 a 3 9 6 8 4 7 x10 3 b 一5 8 4 7 x10 7 c 一4 2 2 x1 0 1 2 由于p t l 0 0 铂电阻的电阻一温度关系的线性度非常好 因此在测量较小范围内其电 阻和温度变化的关系式如下 r r o 1 q t 其中a o 0 0 3 8 8 r o 为l o o n 在o c 的电阻值 t 为华氏温度 因此铂做成的电阻 式温度传感器 又称为p t l 0 0 本系统中p t l 0 0 电压到温度的换算公式是分段计算的 计算方式将在后面的程序设计中给出 p t l 0 0 是电阻式温度传感裂2 7 1 不能直接测量出温度系数 其测温的本质其实是 测量传感器的电阻 然后通过热电转换将将电阻的变化转换成电压或电流等模拟信号 送入a d c 数模转换器 然后再将模拟信号转换成数字信号进行控制处理 再由 处理器换算出相应温度 采用p t l 0 0 测量温度一般有两种方案 方案一 设计一个恒流源通过p t l 0 0 热电阻 通过检测p t l 0 0 上电压的变化来换 算出温度 北京化工人学硕十论文 方案二 采用电桥获取热电阻与标准电阻比较得出电压差 从而计算出温度差信 号 两种方案的区别只在于信号获取电路的不同 其原理上基本一致 本系统中使用 第二种方案获取温度差信号 3 2 3 测量温度差信号电路 p 6 图3 3p t l 0 0 测温信号电路 f i g3 3t h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n to fs i g n a lc i r c u i ta b o u tp tl0 0 采用电桥获取热电阻 并与标准电阻比较 从而得出电压差 这种电压差是由温 度差产生的 电压信号可以直接传递到运放电路和单片机中进行控制和处理 对于 p t l 0 0 这种阻值较小的传感器来说为了避免管压降过大一般采用四线制与测温电桥连 接 并且电桥的桥臂应该尽量对称 这样设计的好处在于不仅可以部分消除由于参考 电压不稳定所造成的误差 而且可以部分抵消由热敏电阻本身热效应所引发的阻值变 化 p t l 0 0 测温信号电路如图3 3 所示 另外恒流四线制接法获取温差信号 l m 3 3 4 是无需独立电源供电的恒流源 该元 件的特性的是绝对温度和电压成正比 另外 如果外接一只电阻就可以获得零温度漂 移的恒流源 因此 l m 3 3 4 在这里做为简易的恒流源使用 当并联电阻 r 1 7 r 18 r p 2 1 0 1 时 l m 3 3 4 实现零温度漂移 输出恒流为l m a 3 3 电源电路 为了便于在线上测量 电源总线使用是9 v 直流电源 由于系统中用电芯片比较 多 各电源之间干扰比较大 因此使用不同的电源电路分别给功能芯片提供工作电压 这里主要使用的芯片有7 8 0 5 三端稳压源 m c 3 4 0 6 3 d 似转换芯片 l t l 0 0 9 参考电 1 2 北京化工火学硕上论文 压 小功率极性反转电源转换器i c l 7 6 6 0 以及三端可调恒流源l m 3 3 4 3 3 17 8 0 5 电源芯片 7 8 x x t 2 8 1 系列芯片为三端稳压电路 其输出为正电压 依据型号不同输出电压可 有5 v 9 v 1 2 v 1 5 v 其封装形式为t o 2 2 0 f 封装 能提供多种固定的输出电压 应用范围广 比如可用于高电平输入 芯片使用安全 内部含过流 过热和过载保护 电路 带散热片时 输出电流可达1 a 虽然是固定稳压电路 但使用外接元件 可 获得不同的电压和电流 其引脚如图3 4 所示 v o l 1 1 图3 47 8 x x 系列引脚图 f i g 3 4p i nm a po f7 8 x x 7 8 x x 系列的主要特点 1 输出电流可达1 a 2 输出电压有 5 v 9 v 1 2 v 1 5 v 等 3 过热保护 4 短路保护 5 输出晶体管s o a 保护 在整个m i b d 温控电路系统里l 2 9 8 n 芯片中v 鼯接口需要接受标准t t