一个红外浊度传感器:设计与应用外文翻译资料

 2023-02-25 12:59:56

武汉理工大学

毕业设计（论文）

外文文献翻译

一个红外浊度传感器:设计与应用

文摘-摘要：本文提出一个结构灵活的红外浊度传感器，其允许不同的浊度测量方案（透射，散射，比率），可以减小限制关键设计的因素，提高测量精度。本次设计包括新浊度传感器的设计，实施，校准和测试。为了实现自动测量，开发了不同的“虚拟仪器”组件，使用不同的神经网络和模糊系统智能处理结构以便获得浊度的信息。

关键词-浊度传感器、校准、虚拟仪器,智能处理。

一、引言

在许多应用环境中，维护和水质检验是非常重要的。浊度（TU）是表示暂停在水中的颗粒物数量的一个指标。颗粒物包括土壤，沙子或泥，也可能包括藻类和其他有机物颗粒。

根据IS0 7027(1)对这一参数的定义“浊度代表悬浮在水中的固体物质对穿过整个水的光线的吸收量的多少“。简单地定义，浊度是相对的。过高浊度的水会对鱼造成伤害，使鱼难寻找食物。

两种方法用于测量浊度：定性方法的基础上，分光光度计的利用率和色度计[3]和定量方法的使用光度技术[4]。福尔马肼解是唯一的通过IS07027和美国环保署认可的一级标准[5]浊度测量系统校准。

考虑混浊度的重要性，本论文提出了一种灵活的红外浊度传感器，包括虚拟测量系统。本文介绍的原则是一种光学式传感器的操作与设计。手术传感器是基于红外照明介质选定的调制频率，然后测量传输和散射光。许多系列的测量是基于福尔马肼标准由传感器进行讨论校准解决方案和提出这个虚拟测量系统的主要性能。

二、理论

混浊被定义为较少不溶解物质的存在于透明度液体造成的”。浊度引起透明度的降低可以测量到一定使用的分散或透射光的程度。Beer-Lambert定律量化表示发射光强度与吸收和散射的效应[ 6 ]：

在这里代表发射的光的强度通过样品，表示输入的入射光的强度样本，alpha;表示每单位长度的吸收系数，tau;表示每单位长度的浊度 ，ｌ表示光路长度。

的值也可以表示散射角theta;，粒子大小，波长，和粒子和介质的光学性质，这一功能关系可以是写作：

使用的光，特别是表示波长和颗粒大小之间的关系的波长，是非常重要的[7]。在文献[SI报道了不同的数学关系来描述的值取决于颗粒半径（r）是否小于，等于或者大于用来进行浊度测量（lambda;）光的波长。因此，托梅和南内斯塔通过以下关系表示上面提到的依赖关系

根据这种依赖性，浊度测量取决于激励光波长。因此，可见光（350 720纳米），最强的散射反应发生在颗粒直径约等于波长时（近0·4 mu;m），利用780 -looo nm的红外光束可以获得甚至更大的直径达1mu;m时较强的反应，这在实际中非常有用的应用。另一方面，IR光束浊度校准的解决方案，如福尔马肼相比于同样可以用于浊度测量的可见光束没那么重要。

三、 浊度传感器

用来实现红外测量浊度的传感器的原理是通过三发光二极管在其峰值时发射lambda;为940纳米的用于检测的红外光（LT，LSI和LS2）（ld271）。在红外LED平面放一个红外光电二极管D，（j3pw50），用来检测红外光谱对应的传输和分散[ 9 ]。

图1. 3个XLR发射器我X红外接收器的浊度测量细胞。

设置LT，以便实现用相同的红外轴测量浊度。其他两个红外发光二极管（LS 1和LS2）设置正交的光检测器轴，实现散射式的浊度测量方案。利用多余的散射发光二极管（2个LED）提高传感器灵敏度的低浊度值（TUlt;10NTU）。当传感器实现电池供电的重要功能时，散射红外发光二极管可以为了减少传感器所消耗的能量而自动关闭。

浊度传感器的关键设计因素之一是红外光源。发射光的强度值束与激励电流密切相关，电流变化导致发射光发生变化。为了减少这种不希望的效果，浊度传感器的发光二极管使用一组由电流激发的数字控制电流驱动程序。电流驱动控制脉冲的频率，以获得更高的稳定的红外光学功率。标准化发射光功率在= 65Ma时对标称励磁电流的表示方法如图二。

如该图所示，一小时的期间，IR发射功率的全局变化小于0.6％，一分钟后LED通电检测较大的变化。大约10分钟后，达到稳定状态并且发射功率具有波动较小只有0.2％。探测器对探测器的重复性是一个关键的设计因素。为了获得浊度信息，一个虚拟仪器应包括所提出的浊度传感器的设计，实施和测试。

四、 虚拟仪器

所开发的虚拟仪器（VI）的主要成分是硬件（传感器和控制采集处理组件）和软件。

  1. 硬件

硬件的主要部件是由传感器（3个IR-LED，1个光电二极管），IR-LED驱动块包括电流源的数字控制，多功能DAQ（PCI-MIO-16E-4）和系统控制和处理单元（图3）。

当前驱动程序的数字控制是由多功能的数字输出提供的三个数字信号输出 （。每一个方案都在一个脉冲体制中工作。脉冲的周期T = 0.5 s，占空比50%（图4（a））。

图3. 虚拟浊度仪的硬件组成。

图中给出的数字电流驱动LED的电流供应的主要部分，包括若干个继电器（西门子V23 100）和电压电流转换器。

图4 .时序图和数字控制信号

一个在LabVIEW虚拟仪器软件开发的浊度块实现了定时方案中相关的浊度测量。

图4（b）给出了DAQ的数字输出信号的逻辑值和不同浊度方案的对应关系。“Is”和“hs”分别用来表达低灵敏度和高灵敏度的情况下的对应关系。

关于红外探测器前置放大器电压的测量，它是利用回声模拟通道DAQ和PC提取浊度值获得的信息。

B.软件

虚拟仪器的软件组件得执行与控制，获取和数据处理可以分为不同的软件块。虚拟虚拟的主要软件组件仪表是当前驱动程序的数字控制。以上提到的软件组件的序列结构有以下步骤：（a）关闭该发光二极管的开关；（b）对应于环境光的影响；（c）设置传动方案；（d）采集；（e）设置散射方案（LS或LS1和LS2上（f）采集；（g）处理和 ，提取浊度值。

为了获得平均电压值，与计划有关的传输和散射的步骤（a）至（f)可以进行多次（如10次）。步骤（a）和（b）是特别重要的，当IR探测器工作在接近红外扰动源，步骤（b）中所获得的值的减去从步骤（d）和（f）所获得的值。

步骤（g）是一个智能结构（神经网络）的利用率，提取浊度信息作为传输和散射数据融合的结果。

关于数据采集，每个浊度方案都以1000个样品为基准，采样频率4000samples/s.

C.校准

图5

如图所示，对于传输方案，接收光功率和Uird(TU)在LT=on时随着TU减小而成比例增加，而当Uird/LS1=on,LS2=ON时对于散射方案所检测到的光功率随着TU的增加成比例突增。

传输和散射配置的非线性水平分别通过 en(LT)=2.2%和en(Lsi)=9.1%时的非线性误差来表示。这些值的非线性需要使用一个神经网络（神经网络）处理架构进行数字处理。

五、 TU智能处理

A.神经网络

基于存储校准数据，神经网络（NN）结构的设计，指在MATLAB上实现通过LabVIEW将TU转换为电压的这一部分。

图6. 电压-浊度神经处理模型

图7。对于不同的隐层神经元数目的神经加工误差值，Nhiden。

在图7中，E（NTU）是通过神经网络建模误差定义的浊度：

Ɛ= (4)

其中TU是应用标准溶液的浊度（真值），是基于上述提出的神经处理后的混浊度值。本传感器的最佳隐层神经元数目为六。

获得= 6的最优的神经网络的结果是用一个具有两个输入和一个输出的模糊模型结构（图8）。所使用的隶属函数是产品空间类型,得到一个模糊参数能胜任1.3是最好的结果。

图8.模糊结构建模误差的演化（）对于神经网络（）。

由图中所示，模型误差较大的模糊建模的情况下，建议采用我们应用程序的神经网络作为智能处理结构的应用。

神经网络的设计和测试的结构是在LabVIEW中实现虚拟浊度仪的一部分。从神经网络的设计中得到的ASCII文件中提取神经网络的权重和偏见，进行电压在线处理。

TU计算的LabVIEW序列是：

  1. 归一化（(n-1)和（n-1)和（n)
  2. 矩阵乘积计算

（c）非规范化 (→ )

lsquo;六、试验及结果

使用标准的福尔马肼稀释了TU测试样品（标准样品的1000NTU稀释）。对于试验样品TU= { 15，50，100，400，600）使用虚拟浊度计及参考浊度计测量浊度,得到偏差FL、FS（FS = 1oooNTU）。

七、结论

本文提出了利用红外混浊法测量浊度的虚拟浊度仪。传感器架构是非常灵活的。作为虚拟系统的一部分，建议红外浊度传感器可用于实验室测量（台式电脑版本）或现场测量（笔记本电脑的电脑版本）。浊度传感器也可以作为一个以独立的微控制器为基础的浊度计的一部分。这一实施正在进行中，并构成了本工作的未来发展。

一个紧凑的发展，高精度浊度计

摘要：我们已经开发了一个紧凑的，高性能的浊度仪提供高度敏感的测量，减少单位长度与解决传统模型难以解决的问题。实现在宽的测量范围内良好的线性关系，该光学系统（硬件）和信号处理（软件）已被检查。为了提高线性度，一些分散的光电流被添加到透射光电流中。在与此相结合，实施软件的过程。此外，使用了比以前型号的光电管更高的灵敏度（分辨率）光电二极管。此外，为了提高S / N，构建光学系统，使杂散光减少，特别是在低浊度测量。使用一个孔径狭缝和光束引导，以防止在光反射部分的反射。新的浊度计采用传统的测量方法，测量分散到透射光的比例，同时具有改进的性能和功能。直角散射光浊度仪也已新开发。它可用于饮用或环境水的浊度测量。

关键词：浊度仪，散射和透射光，光电二极管，直角散射光

1.简介

在纯净水，分布式水、污水、工业生产废水的浊度测量，横河提供了使用传送/散射光法测量比分散到透射光的浊度仪。通过解决传统模型存在的问题，开发了一个紧凑的，高性能的浊度仪用于高度敏感的测量。公司还开发了直角散射光浊度仪。

2.发展目标

发展目标是在我们以前的模型的基础做以下改进。

（1）高精度：在宽、可配置范围内实现线性度。

（2）结构紧凑：减少细胞长度。

（3）增强的可靠性：消除空气气泡，并提供一个总罐和自动清洗。

（4）改进的可维护性。

3线性实现的测量范围：

高精度与以前的模型的输出范围是在出厂前和固定在装运前预先设定的，并确保只有在该范围内的线性度。相比之下，新的模式有三种测量范围（单位长度），每个范围的用户配置（见表1）。

图 ·1新老浊度仪

表1测量范围和长度

图1新老型号的测量方法

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