液滴检测与数据分析研究-论文答辩PPT课件.pptx

液滴是怎样检测的 液滴检测与数据分析研究 导师 李霞 背景介绍 液滴的检测技术在气象 农业等方面得到了广泛的应用 尤其是在环境监测 临床治疗和化学点滴分析中起着十分重要的作用 液滴检测就是在一定测试系统条件下 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 从而可对液体进行定性和量化识别 CompanyLogo 2 本文将介绍一种利用电容变化计量流量并能辨识液滴的装置 使液滴垂直下落经过两个位置传感器和一个平板电容传感器 在硬件上将传感器与MAX038和单片机相结合 通过测频法获得液滴的体积 滴速 流量等多参数信息 电容 MAX038 单片机 背景介绍 CompanyLogo 3 液滴分析的特点 利用液滴分析技术只需要通过监测被测液体的液滴下落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 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 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 背景介绍 CompanyLogo 4 液滴分析技术的国内外发展概况 液滴分析技术最早可以追溯到一个世纪以前 Tate等人就通过实验提出 液滴的体积 重量 与形成液滴的毛细管的直径成比例 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 在国内 在液滴分析方面获得专利情况 红外悬浮液滴表面张力测定仪 1997 西北工业大学可分离式光电液滴传感器 2002 天津大学基于液滴体积的光电分析装置 2002 天津大学液滴测量方法及装置 2004 上海大学液滴的光敏计量方法及装置 2006 上海大学液滴的超声计量方法及装置 2006 上海大学 背景介绍 CompanyLogo 5 背景介绍 在这些液滴分析技术中 值得着重提出的是基于电容的液滴分析方法 它只要测量液滴对电容的影响就可以间接地测出液体的体积 流量 流速等参数 本文的液滴分析技术不但要实现一种精确的液滴计量装置 同时也可将该方法应用于需测量液滴瞬时流量 物理 化学特性的其它场合 下面将分析各种检测方法的特点来选择实验方法 液滴分析技术的国内外发展概况 CompanyLogo 6 背景介绍 比较各种检测技术 CompanyLogo 7 背景介绍 比较各种测量仪器 CompanyLogo 8 由于基于电容检测技术的电容式传感器具有结构简单 灵敏度高 适用性强 易于进行非接触测量等特点 所以本课题选用电容法分析液滴 背景介绍 本课题所用的检测方法 CompanyLogo 9 概述 1章 2章 3章 液滴检测技术的研究 实验设计及抗干扰技术分析 实验数据分析 CompanyLogo 10 液滴检测技术的研究 结构原理介绍 液体经盛液器节流管后形成下落液滴 该液滴垂直下落经过上下放置的位置传感器和电容传感器 使电容传感器的电容量发生变化 液滴测量与分析装置的结构原理 CompanyLogo 11 电容传感器的建模 当有液滴经过平行板电容传感器时 可将水滴等效为厚度为D的长方体 这样就相当于将极板间的距离减小了D 则变化后的极板电容为 因此液滴体积公式 液滴检测技术的研究 CompanyLogo 12 液滴检测技术的研究 系统硬件及软件的设计 由于电容液滴传感器的初始电容量很小 因此液滴电容传感器的处理电路必须尽量减小和消除电缆电容 寄生电容等的影响 因此我们需要 高精度的频率计数电路 PSD3251 频率范围宽 频率精确度高的芯片 MAX038通用波形发生芯片 CompanyLogo 13 液滴检测技术的研究 系统误差分析 CompanyLogo 14 脉冲数倍频测频法 AM法 脉冲数分频测频法 AT法 脉冲平均周期测频法 M T法 脉冲周期测频法 T法 脉冲数定时测频法 M法 测量微小电容变化量方法的选择 考虑RC电路输出信号的频率及电路的实现 选用M法计量输出信号的频率 液滴检测技术的研究 测量微小电容变化量方法的选择 CompanyLogo 15 实验设计及抗干扰技术分析 实验装置 滴头设计 将滴头底端面设计成倒锥形 相当于使固体表面倾斜 提高了被测液体对滴头底端固体表面的湿润性 有利于形成饱满 形状均匀的液滴 CompanyLogo 16 本系统经过RS232将下位机与上位机相连 微处理器通过对频率及脉冲的计数以及环境温度的测量 将这些原始数据传送到PC机上 再通过PC机上的串口调试助手 SComAssistantV2 1 显示测量数据 并保存至Excel文档 最后将数据进行计算整理并滤波之后 用Matlab软件进行数据拟合 实验设计及抗干扰技术分析 实验过程 其中由于RS232规定的逻辑电平与一般的微处理器 单片机的逻辑电平不一致 故在设计通信接口时 必须进行电平转换 MAX232是常用的电平转换芯片之一 CompanyLogo 17 智能仪器仪表主要用于工业生产过程中 而工业现场的环境往往比较恶劣 存在着严重的干扰 实验设计及抗干扰技术分析 抗干扰技术 干扰窜入仪表内部的途径要有三个 电磁感应 传输通道 电源线 CompanyLogo 18 实验设计及抗干扰技术分析 抗干扰技术 抑制在传输通道存在的差模干扰 共模干扰和电磁干扰的方法 CompanyLogo 19 实验设计及抗干扰技术分析 抗干扰技术 干扰信号可能影响到智能仪表的CPU 程序计数器PC或RAM等 导致程序运行失常 因此 在设计智能仪表时除了在硬件方面采取抗干扰措施外 必须考虑软件的抗干扰措施 CompanyLogo 20 实验设计及抗干扰技术分析 抗干扰技术 克服随机误差的软件算法 数字滤波 数字滤波的特点 滤波范围广 制作成本低 系统可靠 容易实现 便于修改 常用的数字滤波算法有程序判断 中位值滤波 算术平均滤波 递推平均滤波 加权递推平均滤波 一阶惯性滤波和复合滤波等算法 在具体的应用过程中 究竟应选用哪种滤波算法 取决于其使用场合及过程中所含有的随机干扰情况 CompanyLogo 21 实验设计及抗干扰技术分析 抗干扰技术 比较方法 首先在Matlab中随机生成5加减0 1的1000个数据并保存 然后分别用一阶惯性滤波法和递推平均滤波法对数据进行处理 在图像上对比分析两种滤波的效果 从图中可以看出递推平均滤波比一阶惯性滤波的图形更平滑 滤波效果更好 因此我们在实验的系统中使用了递推平均滤波法 CompanyLogo 22 实验数据分析 为了研究不同流量的水滴对相对脉冲的关系 分别量取不同体积的纯水 分别将其倒入漏斗 计量每组纯水的液滴数 每一水滴通过两光电开关的时间 每滴水滴引起的累计脉冲相对差值以及每次实验耗费的总时间 通过串口调试程序将数据记录在Excel文件中 根据累计脉冲相对差值和总流量拟合出它们的关系曲线 标定K值 并进一步推出单个液滴的体积公式 进而对实验结果进行分析 实验数据的记录 CompanyLogo 23 实验数据分析 实验数据的记录 水 酒精 CompanyLogo 24 水的流量计算 实验数据分析 两种液体的流量计算 通过上述公式可知 通过测量一定流量的累积脉冲N0和没有液滴通过时的累积脉冲N1就可标定参数K的值 绘制方法 将每一水滴的脉冲累计相加 以相应的累计脉冲相对差值为横轴 水的液滴流量Q为纵轴 绘出两种液体的脉冲流量图 CompanyLogo 25 实验数据分析 两种液体的流量计算 酒精的流量计算 用Matlab中的工具将液滴与脉冲关系的点阵拟合成一个函数关系式 水的关系式 酒精的关系式 CompanyLogo 26 实验数据分析 两种液体的图像对比 我们定量的分析了水与酒精的脉冲关系 从图中可以看出两种液体存在着不同的斜率 因此我们可以通过此方法分析出两种不同液体 达到检测的目的 CompanyLogo 27 测量与实际流量之间的误差分析 以上实验数据证明本课题采用的方法对液滴流量的计量精度大致在0 8 左右 完全符合一般液滴流量检测5 的要求 其误差原因主要来源于以下几个方面 1量杯本身存在的误差 2漏斗中会残留一部分水 3每次测量时都需重新调整测量装置 实验数据分析 CompanyLogo 28 液滴的液位分析 液滴的滴速计算 液滴表面张力的计算 实验数据分析 如果将此装置作为雨量计使用 需要按最大最小降雨强度 雨量