基于光譜分析的液體濃度檢測(cè)系統(tǒng)

蔡愛(ài)平，王海暉

(1.江西科技學(xué)院，江西南昌 330098；2.武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430205)

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)中的油液是否含有雜質(zhì)，油液濃度是否達(dá)標(biāo)等，都對(duì)機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起重要作用[1]。因此對(duì)混合液體濃度的檢測(cè)至關(guān)重要，常見(jiàn)的液體濃度檢測(cè)方法有比重法、折光率法等，但此種方法都因操作過(guò)程繁瑣，效率低等原因而得不到普及。本文設(shè)計(jì)了一種基于光譜分析的液體濃度檢測(cè)系統(tǒng)，采用LED光源照射待測(cè)液體，通過(guò)光電檢測(cè)電路提取被待測(cè)溶液吸收的光強(qiáng)度，利用多組標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)混合液體濃度的檢測(cè)。該種檢測(cè)方式效率高、檢測(cè)精度較高[2-3]。

1 熒光光譜檢測(cè)液體濃度原理

螢光是一種光致發(fā)光現(xiàn)象，待測(cè)液體具有吸收光的能力，由于不同的液體具有不同的能級(jí)結(jié)構(gòu)，因此其產(chǎn)生的熒光特性也不一樣，熒光光譜分析可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)液體種類和濃度的判斷[4-5]。系統(tǒng)利用的是待測(cè)液體吸光度和其濃度的關(guān)系來(lái)計(jì)算待測(cè)液體的濃度，即通過(guò)待測(cè)液體對(duì)紫外光的吸收來(lái)測(cè)定待測(cè)液體中的成分和含量。基本原理是：利用特定波長(zhǎng)的光源去照射待測(cè)液體，待測(cè)液體會(huì)發(fā)生吸光現(xiàn)象，通過(guò)光電檢測(cè)傳感器將測(cè)待液體的吸光度大小轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸出電壓，從而得出液體濃度與電壓的關(guān)系曲線，進(jìn)而根據(jù)系統(tǒng)的輸出電壓推算出待測(cè)液體的濃度。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在相同的檢測(cè)環(huán)境下，溶液的濃度與熒光強(qiáng)度成線性關(guān)系，通過(guò)光電檢測(cè)傳感器將熒光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，利用最小二乘法建立待測(cè)溶液濃度與電壓的線性關(guān)系式，計(jì)算得到溶液的濃度[6]。系統(tǒng)主要是由恒流源激勵(lì)信號(hào)、紫外LED光源、光電檢測(cè)傳感器、檢測(cè)電路以及單片機(jī)最小系統(tǒng)組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

熒光光譜液體濃度光電檢測(cè)系統(tǒng)硬件主要是由恒流源激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路、光電傳感器檢測(cè)電路、A/D采樣電路、串口通訊電路以及單片機(jī)最小系統(tǒng)電路組成[7]。硬件電路框圖如圖2所示。恒流源激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)LED光源發(fā)射紫外光照射待測(cè)液體，利用光電檢測(cè)傳感器將待測(cè)液體吸收光的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，最終利用最小二乘法擬合出待測(cè)液體濃度和電壓信號(hào)的曲線關(guān)系，從而計(jì)算得到待測(cè)液體的濃度。

圖2 硬件框圖

3.1 紫外LED光源

紫外LED光源作為激勵(lì)器件，其光源的穩(wěn)定性以及光譜范圍對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)都有直接的影響[8]。綜合考慮各種因素，系統(tǒng)選用VLHXA15D作為L(zhǎng)ED紫外光源，其采用恒流源激勵(lì)，輻射紫外光的光譜與375 nm，具有體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，適合作為激勵(lì)光源。

3.2 恒流源激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路

恒流源激勵(lì)信號(hào)用來(lái)激勵(lì)LED光源使其穩(wěn)定發(fā)出紫外光，因此恒流源的精度、穩(wěn)定性關(guān)系到光源傳感器工作的穩(wěn)定性[9]。系統(tǒng)利用高精度的運(yùn)算放大器TSZ121搭建恒流源產(chǎn)生電路，電路圖如圖3所示。

圖3 恒流源激勵(lì)信號(hào)

系統(tǒng)利用高精度穩(wěn)壓芯片ADR421產(chǎn)生2.5 V的基準(zhǔn)電壓，通過(guò)兩個(gè)高精度運(yùn)放TSZ121產(chǎn)生恒流源激勵(lì)信號(hào)。TSZ121為一款低溫漂、低失調(diào)電壓的運(yùn)放，其失調(diào)電壓低至5 μV，采用單5 V供電。電阻R31和ADR421產(chǎn)生的2.5 V基準(zhǔn)電壓用于調(diào)節(jié)電路輸出的電流大小，本文需要產(chǎn)生10 mA的恒流源，因此R31的阻值約為250 Ω。

3.3 光電檢測(cè)傳感器

光電檢測(cè)傳感器也叫做光敏二極管，它是一種可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的半導(dǎo)體器件[10-11]。光敏二極管在結(jié)構(gòu)上與普通二極管區(qū)別是其管芯是一個(gè)具有光敏特征、單向?qū)щ姷腜N結(jié)。在沒(méi)有光照時(shí)，其與普通二極管一樣，具有很小的反向電流；當(dāng)受到光照時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電流，且電流大小與受到的光照強(qiáng)度成正比。因此光敏二極管的靈敏度直接影響著系統(tǒng)的精度，本文選擇XYC-PDLJ940FC光敏二極管，其具有較高的靈敏度，弱光環(huán)境下依然能保持高靈敏度工作，高光照環(huán)境下電流輸出穩(wěn)定。

3.4 光電檢測(cè)調(diào)理電路

由于光電傳感器輸出的微弱電流信號(hào)并不能直接被單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器采集，需要對(duì)其進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換、放大以及調(diào)理后采集進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。光電檢測(cè)電路如圖4所示，其中電阻R50為精密電阻，阻值約為0.5 Ω，光敏二極管受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電流，電流流經(jīng)精密電阻R50產(chǎn)生電壓，利用運(yùn)放對(duì)微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理后，再通過(guò)二階低通濾波電路濾除信號(hào)中的干擾信號(hào)，低通濾波器的截止頻率設(shè)為100 Hz。利用單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)調(diào)理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，求得待測(cè)液體濃度與系統(tǒng)輸出電壓的關(guān)系式。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

3.5 串口通訊電路

串口通訊電路是將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行分析、處理。當(dāng)對(duì)待測(cè)溶液濃度進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，利用最小二乘法對(duì)系統(tǒng)輸出電壓與液體濃度進(jìn)行擬合，從而得到濃度與電壓的線性關(guān)系。串口通訊電路采用RS232通訊方式，其為半雙工的通訊方式，由于TTL電平與PC機(jī)電平不兼容，因此還需要用到電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232。其余單片機(jī)通過(guò)UART串口的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，MAX232芯片采用5 V供電，串口通訊電路圖如圖5所示。

圖5 串口通訊電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫，編譯環(huán)境為Keil 5。軟件程序主要包括定時(shí)器初始化程序、中斷程序、A/D采樣程序、串口傳輸程序以及單片機(jī)最小系統(tǒng)程序等。系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行初始化操作，當(dāng)接收到啟動(dòng)按鈕時(shí)開(kāi)始啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，恒流源激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)LED光源向待測(cè)液體發(fā)送紫外光，光電檢測(cè)傳感器將檢測(cè)到的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，利用最小二乘法擬合出液體濃度與輸出電壓信號(hào)的線性關(guān)系，根據(jù)線性關(guān)系式計(jì)算得到待測(cè)液體的濃度，將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示。系統(tǒng)軟件流程圖如6所示。由于待測(cè)溶液的濃度與以10為底的電壓倒數(shù)的對(duì)數(shù)值(lg(1/V))成線性關(guān)系，因此首先通過(guò)已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液來(lái)求得表達(dá)式，再利用求得的表達(dá)式反推出待測(cè)溶液的濃度。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5.1 設(shè)備標(biāo)定

在完成基于光譜分析的液體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，為了保證系統(tǒng)檢測(cè)的精度和穩(wěn)定性，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。利用標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性擬合，利用全合成機(jī)油SN-5W-30和蒸餾水配比的方式來(lái)配置不同濃度的機(jī)油溶液。分別按照要求配置成濃度為7.0、6.5、6、5.5、5.0、4.5、4.0、3.5、3、2.5、2.0、1.5、1、0.5、0 g/dL共15組不同濃度的機(jī)油樣本。研究結(jié)果表面，機(jī)油溶液的濃度與以10為底的電壓倒數(shù)的對(duì)數(shù)值(lg(1/V))具有線性關(guān)系，現(xiàn)利用不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液來(lái)標(biāo)定系統(tǒng)，通過(guò)最小二乘法擬合出線性關(guān)系式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同濃度機(jī)油溶液對(duì)應(yīng)的電壓值(lg(1/V))

由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)機(jī)油溶液濃度為0時(shí)，即為蒸餾水時(shí)，lg(1/V)的值為-0.04；當(dāng)機(jī)油溶液的濃度逐漸增加時(shí)，lg(1/V)的值也隨之增加；當(dāng)機(jī)油溶液濃度為7.0 g/dL時(shí)，lg(1/V)的值為0.83。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，擬合的數(shù)據(jù)曲線如圖7所示。

圖7 最小二乘法擬合線性曲線

線性擬合后得出的關(guān)系式為

y=0.128x-0.067

(1)

式中：y為機(jī)油溶液的濃度；x為以10為底的電壓倒數(shù)的對(duì)數(shù)。

由圖7可知，測(cè)量的液體濃度與系統(tǒng)輸出的以10為底的電壓倒數(shù)的對(duì)數(shù)lg(1/V)大致成線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.98。

5.2 準(zhǔn)確度測(cè)試

在5.1中利用已知濃度的機(jī)油對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，再標(biāo)定完成之后開(kāi)始進(jìn)行準(zhǔn)確性測(cè)試。分別準(zhǔn)備4.9、4.5、4.0、3.8、3.3、2.4、1.8、1.6、1.3、0.5 g/dL共10組已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的濃度檢測(cè)儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)得數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)

上述測(cè)試結(jié)果表面，系統(tǒng)的回收率再92.6%～101.1%之間，證明系統(tǒng)擬合出的預(yù)測(cè)模型具有良好的檢測(cè)結(jié)果，能有效檢測(cè)出待測(cè)溶液的濃度。

6 結(jié)束語(yǔ)

為了準(zhǔn)確快速的檢測(cè)混合液體的濃度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于光譜分析的液體濃度檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用紫外LED光源作為檢測(cè)器件，利用其向待測(cè)液體照射紫外光，通過(guò)光電檢測(cè)傳感器將待測(cè)液體受到的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，在通過(guò)最小二乘法提取出液體濃度與電壓信號(hào)的線性關(guān)系，最終根據(jù)線性關(guān)系式計(jì)算得到待測(cè)液體濃度。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能有效檢測(cè)出待測(cè)液體的濃度，且檢測(cè)的回收率在92.6%～101.1%之間，設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型具有良好的檢測(cè)效果，該系統(tǒng)可用于混合液體的濃度檢測(cè)。