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簡要概述水分儀數據采集系統的設計

發布時間:2019-03-26   點擊次數:1077次
   簡要概述水分儀數據采集系統的設計
  水分儀是用來檢測物質水分的儀器,廣泛應用于藥品、化工、食品、煙草、糧食等領域的實驗分析和過程檢測。當一束紅外光照射在被測物體上時,由于物體中的水分子對特定波長的紅外光具有強烈的吸收作用,而其它成分對這個波長具有極少的吸收,那么根據紅外探測器探測到的物體反射紅外線能量大小就可以反映物體中水分多少。傳統的水分測量方法主要有干燥法、化學法、電測法等等,主要存在速度慢、精度低、無法在線測量等缺點,而水分儀可克服這些缺點。
  水分儀的數據采集系統設計探討:
  1.探測器選擇
  目前大部分水分儀均采用的硫化鉛探測器,但是硫化鉛探測器對溫度非常敏感,一旦工作溫度發生變化,輸出信號就產生變化,并且受振動影響較大,因此要設計專門的溫度控制電路,且對系統的機械設計提出較高要求。同時硫化鉛的響應速度比較慢,不利于高速采集。
  采用了光伏型探測器,由于其具有很好的材料穩定性及良好的抗輻照性能,并且有更成熟的材料生長和器件工藝技術可利用,因此在較高的工作溫度及強輻照環境下,探測器具有更佳的表現。探測器在有效工作波長范圍0.5-2.5µm,具有高的量子效率和靈敏度,能夠配合高速電機的要求。
  2.波段選擇
  水分子在近紅外區域有4條吸收帶,分別為1.19µm,1.45µm,1.94µm,2.95µm。在1.94µm處水分吸收僅次于2.95µm波段,而考慮到探測器的探測峰值較接近1.94µm這個波段范圍,同時可采用普通光學玻璃作為儀表中的光學元件,故選擇1.94µm處的水份吸收帶作為水份敏感波段。為了消除被測物表面質地以及光源波動等的影響,提高儀器的準確度和穩定性,又引入了1.94µm兩側對稱的難以被水分吸收的2個波長作為比較參考波長,并采用內外兩光路。這種三波段的水分儀在精度上比兩波段水分儀高,而設計成本和復雜度上要比四波段更具有優勢。
  3.紅外源選擇
  水分儀的光源要求穩定度高,能量較高,光譜范圍能覆蓋近紅外波段,鹵鎢燈完全滿足了作為紅外照射光源的要求。光源的驅動方式有兩種,一種是恒壓方式,一種是恒流方式。為了消除燈絲電阻的溫度特性影響,采用了恒流驅動方式。
  4.數據流程設計
  首先由數據采集系統送出PWM信號驅動電機勻速轉動,電機帶動探測器的調制盤轉動,得到同步信號和光譜信號,經過前放板的調理后送到數據采集系統。在數據采集系統中,根據同步信號判斷同步頭,給出控制信號控制AD芯片采樣光譜信號,將數據緩存到FPGA的片內存儲器里,每幀觸發一次DSP的EDMA傳輸,DSP進行水分計算,然后將計算結果送到控制箱進行顯示。整個數據采集系統是整個設計的核心。

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