李新光-第七章補(bǔ)充水分檢測(cè)應(yīng)用舉例

應(yīng)用例：基于三波長(zhǎng)六光束的反射式近紅外水分儀設(shè)計(jì)0.近紅外水分測(cè)量原理介紹單色平行光經(jīng)過(guò)均勻介質(zhì)的微小單元厚度dx被吸收的輻射通量dP，與入射的輻射通量P、介質(zhì)的厚度dx及該介質(zhì)的物質(zhì)濃度c成正比。這樣式中，比例系數(shù)——均勻介質(zhì)單位厚度對(duì)波長(zhǎng)為的光的吸收百分?jǐn)?shù)，稱為線衰減系數(shù)或線性吸收系數(shù)，其與物質(zhì)的性質(zhì)及波長(zhǎng)有關(guān)；c---物質(zhì)濃度。朗伯-比耳定律東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所朗伯-比耳定律示意圖

入射光的輻射通量為P0

（指光經(jīng)過(guò)某個(gè)面積的輻射功率，單位為W）；經(jīng)過(guò)厚度x后輻射通量減弱為P

東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所透射率與吸光度的概念

吸光度定義為

透射率（也叫透光率或透光度）定義為東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所濾光片

按作用原理可分為：吸收式干涉式反射式組合式按濾光片的光譜特性，可分為：帶狀濾光片截止濾光片兩類

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帶狀濾光片的光譜特性

為光譜的半寬度，也叫做透射率的帶寬

為光譜寬度

為最大透射率

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短波截止濾光片的光譜特性

為截止波長(zhǎng)

截止陡度：

為最大透射率

東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所氣體吸收濾光器

氣室里充以濾光的氣體，并加以嚴(yán)格的密封

窗口為玻璃或其他晶體

氣室內(nèi)壁鍍金增加反射系數(shù)

東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所固體吸收濾光片

在近紫外、可見(jiàn)和近紅外區(qū)，固體吸收濾光片的材料一般采用玻璃。在紅外區(qū)固體吸收濾光片主要采用晶體、陶瓷等材料。有色玻璃濾光片的光譜特性可以做成帶狀的，也可以做成截止的。用其他固體材料做成的濾光片的光譜特性主要是截止的

東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所紅外線水分測(cè)量原理紅外線水分儀是基于水對(duì)近紅外有特征吸收光譜，被吸收能量與物質(zhì)含水量有關(guān)，吸收規(guī)律符合朗伯-比爾定律。傳統(tǒng)的測(cè)量水分的方法是烘干失重法。設(shè)被測(cè)樣品的重量為W1，按規(guī)定時(shí)間、溫度及烘干條件進(jìn)行烘干，烘干后樣品重量為W2，于是用下式計(jì)算含水量

G＝((W1－W2)/W1)×100%

東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所水的近紅外吸收光譜特性

水的特征吸收波長(zhǎng)：1.2微米1.43微米1.94微米2.95微米通常使用1.94微米作為測(cè)量波長(zhǎng)東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所三波長(zhǎng)三光束紅外線水分儀光學(xué)系統(tǒng)示意圖

東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所采用雙探測(cè)器的三波長(zhǎng)六光束紅外線水分儀光學(xué)系統(tǒng)示意圖

東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所使用單波長(zhǎng)測(cè)量存在的問(wèn)題一般物料的表面形狀不平滑，因此它的表面反射率也不固定，同時(shí)，在生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)量距離經(jīng)常變化，因而到達(dá)探測(cè)器的輻射能量也經(jīng)常變化。若只利用吸收波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)定，這些變化就會(huì)形成干擾，引起水分測(cè)量的誤差。

東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所二波長(zhǎng)水分儀測(cè)量被測(cè)物料水的特征吸收波長(zhǎng)和相鄰的不易被水吸收的參比波長(zhǎng)兩者的輻射能量反射率比率，并據(jù)此得出物料的含水量。外界干擾對(duì)這兩種波長(zhǎng)的影響基本相同，所以求出的這一比率可消除大部分外界干擾的影響。上述兩個(gè)紅外波段測(cè)量水分的方法稱為雙波段紅外線水分儀

東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所三波長(zhǎng)水分儀三波長(zhǎng)紅外線水分儀比雙波長(zhǎng)水分儀增加了一個(gè)參比波長(zhǎng)，位于測(cè)量波長(zhǎng)另一側(cè)。該儀器把水吸收波長(zhǎng)和其兩側(cè)難于被水吸收的兩個(gè)參比波長(zhǎng)與物料作用后的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，借以消除被測(cè)物的質(zhì)地（被測(cè)物的表面狀態(tài)、顏色和組分等）變化而引起的測(cè)量誤差

東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所信號(hào)示意圖東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所質(zhì)地影響引起傾斜時(shí)東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所比較雙波長(zhǎng)時(shí)：三波長(zhǎng)時(shí)：S0:測(cè)量波段信號(hào)；R1:參比波長(zhǎng)1的信號(hào)；r:因質(zhì)地引起的傾斜誤差

R2:參比波長(zhǎng)2的信號(hào)由上可見(jiàn)：與二波長(zhǎng)相比，三波長(zhǎng)消除了因質(zhì)地引起的傾斜誤差

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1.儀器總體設(shè)計(jì)

1.1

儀器設(shè)計(jì)原理與總體方案郎伯比爾定律：三波段六光束方案：抑制光源波動(dòng)誤差消除質(zhì)地誤差東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所

1.儀器總體設(shè)計(jì)

1.2儀器系統(tǒng)總體組成東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所

1.儀器總體設(shè)計(jì)

工作過(guò)程示意圖東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所

1.儀器總體設(shè)計(jì)

切光盤示意圖東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所PbS探測(cè)器光譜響應(yīng)曲線1.儀器總體設(shè)計(jì)東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所HWB系列紅外透射可見(jiàn)吸收光學(xué)玻璃光譜性能圖1.儀器總體設(shè)計(jì)東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所(a)未裝紅外透射可見(jiàn)吸收光學(xué)玻璃前(b)加裝紅外透射可見(jiàn)吸收光學(xué)玻璃后紅外透射可見(jiàn)吸收光學(xué)玻璃對(duì)日光燈干擾信號(hào)的抑制

1.儀器總體設(shè)計(jì)東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所

1.儀器總體設(shè)計(jì)

熱噪聲偏置電壓與電流噪聲Pbs探測(cè)器1.3核心元件的降噪設(shè)計(jì)背景噪聲低噪聲電源與偏置電路恒溫制冷系統(tǒng)與帶通濾波電路a.結(jié)構(gòu)密封性與熱處理b.截止型光學(xué)鏡片c.信號(hào)提取方法東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路總體組成圖東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1

電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1.15V，2A通道東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1.2

低噪聲12V，0.5A通道東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1.2

低噪聲12V，0.5A通道東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1.312V，2A通道東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.2水分測(cè)量信號(hào)采集單元電路

探測(cè)器偏置與前置放大電路次級(jí)信號(hào)放大電路帶通濾波電路增益可調(diào)放大電路限幅保護(hù)電路12位AD模塊東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.2.1探測(cè)器偏置與低噪聲前置放大電路

前置放大電路要求在實(shí)現(xiàn)噪聲匹配的同時(shí)還要具有較高的輸入阻抗和溫度穩(wěn)定性，所以一般選擇用分立元件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中根據(jù)Pbs探測(cè)器阻值在400K-500K的區(qū)間，選擇結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）作為前置級(jí)的放大管。

(1)與雙極型晶體管相比，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）的等效輸入電流噪聲In要小很多，而其等效電壓噪聲En與雙極型晶體管相當(dāng)或略高，這使得場(chǎng)效應(yīng)管的最佳源電阻較大。而且，場(chǎng)效應(yīng)管的低頻1/f噪聲只出現(xiàn)在等效輸入電壓噪聲中，而不出現(xiàn)在等效輸入電流噪聲中。這些特點(diǎn)是使得場(chǎng)效應(yīng)管用作低噪聲前置放大器比雙極型晶體管更為合適。(2)由于本設(shè)計(jì)中的水分測(cè)量信號(hào)是低頻信號(hào)，因此還要考慮最佳源電阻與頻率的關(guān)系。東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.2.1探測(cè)器偏置與低噪聲前置放大電路設(shè)計(jì)前置放大電路時(shí)，選用高輸入阻抗、低漏電流、頻率響應(yīng)好的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管K435互導(dǎo)gm約為2000μs；電容器則用低頻特性好、性能穩(wěn)定的鉭電容；電阻選用金屬膜電阻，以滿足低噪聲、電阻容差小的要求。通過(guò)選擇合適的有源器件和無(wú)源器件，并采用低噪聲前置放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)噪聲指標(biāo)要求，達(dá)到對(duì)紅外低頻小信號(hào)放大的目的。

東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.2.1探測(cè)器偏置與低噪聲前置放大電路東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.2.1探測(cè)器偏置與低噪聲前置放大電路根據(jù)電路的實(shí)際參數(shù)，得到前置級(jí)的增益Au和輸出阻抗R0以供后級(jí)設(shè)計(jì)使用。東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.2.2次級(jí)信號(hào)放大電路東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.2.3帶通濾波電路東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.2.4增益可調(diào)放大電路設(shè)計(jì)東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.2.5限幅保護(hù)電路東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采集波形圖東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1數(shù)據(jù)處理方法研究濾波降噪遞推式數(shù)字平均濾波東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)定頻干擾的去除東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所4.性能測(cè)試與水分標(biāo)定實(shí)驗(yàn)4.1恒溫控制系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)東北大學(xué)自動(dòng)化儀表研究所4.性能測(cè)試與水分標(biāo)定實(shí)驗(yàn)4.2穩(wěn)定性測(cè)試