實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，可以輕松實(shí)現(xiàn)嗎

在氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域，經(jīng)常需要測(cè)定濁度。濁度表征了無(wú)色透明液體中懸浮物和膠體物質(zhì)對(duì)光線透射所產(chǎn)生的阻礙程度。在理想的狀況下，濁度可以通過(guò)理論計(jì)算獲得，但在實(shí)際工程中，液體中顆粒的大小、形狀、表面構(gòu)造、表面性質(zhì)等因素都對(duì)濁度值有很大影響。所以在工程中為了得到準(zhǔn)確的濁度參數(shù)，需要進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量。

為解決此問(wèn)題，根據(jù)透射率與吸光度之間的關(guān)系，采用激光透射的方法進(jìn)行測(cè)量，而高速高精度的數(shù)據(jù)采集卡才能勝任這一過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集，才能保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。對(duì)該系統(tǒng)而言，除了激光驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性和信號(hào)調(diào)理電路的質(zhì)量，數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的可靠性和工作速度將是實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)目標(biāo)的重要挑戰(zhàn)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的考慮

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，經(jīng)調(diào)制后的激光通過(guò)分光器后，分得兩束光，其中一束經(jīng)過(guò)待測(cè)濁液后進(jìn)入接收端1，另一束光直接進(jìn)入接收端0，分別經(jīng)過(guò)接收端的信號(hào)處理后，形成兩路輸入信號(hào)，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，構(gòu)成雙通道的液體濁度測(cè)量裝置。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)

(1)光源驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)使用635nm半導(dǎo)體激光器作為光源，為了降低噪聲信號(hào)的干擾，便于檢出有用信號(hào)，將激光源調(diào)制成1KHz的方波脈沖。頻率源選擇穩(wěn)定性和精確性更好的1MHz有源晶振。采用分頻電路對(duì)1MHz信號(hào)進(jìn)行1000分頻以輸出頻率穩(wěn)定性好的1KHz方波信號(hào)。

(2)信號(hào)調(diào)理電路

系統(tǒng)中采用對(duì)射式接收方式，采用光電二極管作為光電探測(cè)器。光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)后，進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換及前置放大，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度更大的電壓信號(hào)。為了提取出有效信號(hào)，采用帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，以獲得1kHz的有效信號(hào)。為了進(jìn)一步提高采集信號(hào)的強(qiáng)度，采用同相比例放大電路進(jìn)行放大。

(3)數(shù)據(jù)采集卡硬件

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊采用高性能數(shù)據(jù)采集卡PCI-9846H來(lái)設(shè)計(jì)。PCI-9846H數(shù)據(jù)采集卡為凌華科技的高性能數(shù)據(jù)采集卡，為16位4通道型，如圖2所示。PCI-9846H數(shù)據(jù)采集卡可以對(duì)高達(dá)20MHz的高頻高動(dòng)態(tài)范圍的輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣率40MS/s。如此高的采樣率為實(shí)時(shí)在線測(cè)量提供了有效保證。PCI-9846H帶有512MB的板載內(nèi)存作為緩存，不會(huì)受限于PCI總線的傳輸率，能記錄下更長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的波形情況，可以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。PCI-9846H系列數(shù)字化儀配備了4個(gè)高度線性化的16位A/D轉(zhuǎn)換儀，能滿足具有高度動(dòng)態(tài)范圍設(shè)備的理想應(yīng)用需求。PCI-9846H 擁有四個(gè)同步模擬輸入通道，四條通道可分別以最大采樣率10MS/s、20MS/s和40MS/s進(jìn)行同步采樣，可以有效滿足同步多通道數(shù)據(jù)采集，以保證系統(tǒng)各通道數(shù)據(jù)的同步性，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量系統(tǒng)提供有效的保障。

圖2 數(shù)據(jù)采集卡外形圖

本系統(tǒng)為雙通道測(cè)量系統(tǒng)，選擇使用其中的兩個(gè)通道CH0和CH1。CHO通道的輸入信號(hào)為參考信號(hào)，CH1通道的輸入信號(hào)為通過(guò)待測(cè)溶液之后的測(cè)量信號(hào)。

軟件的實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的重要組成部分，本測(cè)量系統(tǒng)中采用Visual Basic開發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，界面設(shè)計(jì)非常便捷，編程工作量小，開發(fā)周期短。此外，ADLINK公司也提供了適用于Visual Basic環(huán)境下的控件：DAQPilot。通過(guò)查閱相關(guān)技術(shù)手冊(cè)，可以獲得該控件各屬性的使用方式。DAQPilot同時(shí)也附帶了一些程序模板，使軟件開發(fā)更加方便，非常易于開發(fā)軟件系統(tǒng)。在VB的開發(fā)環(huán)境中，本系統(tǒng)的應(yīng)用程序軟件界面如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件界面

在窗口程序設(shè)計(jì)界面，在DAQPilot向?qū)е锌梢赃M(jìn)行板卡的設(shè)置，選擇通道0和1為輸入模擬信號(hào)的兩個(gè)端口。在采樣率方面，每個(gè)通道的采樣率設(shè)置為200000。由于輸入的有效信號(hào)頻率為1KHz，所以在每個(gè)信號(hào)周期中，能夠有效采集200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，完全能夠滿足精度要求，能夠非常準(zhǔn)確地描述信號(hào)波形數(shù)據(jù)。除了上述的各項(xiàng)設(shè)置，還可以對(duì)DGraph控件的X軸進(jìn)行屬性頁(yè)的設(shè)置，以改變?cè)陲@示窗口中的顯示狀態(tài)。

測(cè)試與性能分析

(1)系統(tǒng)測(cè)試

在系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試中，采用標(biāo)準(zhǔn)量具測(cè)量液體的體積，采用滴定一定量的濃度均勻的牛奶來(lái)改變待測(cè)溶液的濁度。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

a)將燒杯中加入定量體積的純凈水。

b)校準(zhǔn)好光學(xué)裝置，定量向純凈水中加入牛奶，使用膠頭滴管進(jìn)行定量滴定，每加入一滴牛奶，攪拌均勻并等濁液穩(wěn)定下來(lái)后，按下系統(tǒng)軟件上的計(jì)算按鈕，得到兩路輸入信號(hào)強(qiáng)度之比，該數(shù)據(jù)即為透射率。每滴定一次，測(cè)量一組數(shù)據(jù)。

將測(cè)量數(shù)據(jù)用MATLAB進(jìn)行處理，以加入牛奶的體積為橫軸，以每次測(cè)量透射率的平均值為縱軸，描點(diǎn)后如圖6所示。

圖4 測(cè)量數(shù)據(jù)描點(diǎn)

從圖中可以看出，這些點(diǎn)的走勢(shì)是符合指數(shù)特征的，采用一個(gè)適當(dāng)?shù)闹笖?shù)曲線可與之?dāng)M合，曲線SSE完全滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

(2)系統(tǒng)性能分析

以加入牛奶的量為自變量，透射率的值為應(yīng)變量，應(yīng)變量和自變量滿足一定的函數(shù)關(guān)系。通過(guò)實(shí)際擬合曲線與理論推導(dǎo)函數(shù)的比對(duì)，可以得到如下系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)論：

a)擬合曲線的前一項(xiàng)指數(shù)系數(shù)為0.9928，小于但非常接近于理論推導(dǎo)公式中的指數(shù)系數(shù)1。0.9928與1之間的誤差，是由于吸收和反射等因素造成的，透射率的實(shí)測(cè)值必然比理論值偏小。但是從實(shí)際擬合曲線來(lái)看，系統(tǒng)可靠性是比較高的。

b)函數(shù)關(guān)系的第二項(xiàng)指數(shù)項(xiàng)前的系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，該項(xiàng)表示了實(shí)際值與理論值的一個(gè)偏差，經(jīng)查閱相關(guān)技術(shù)資料，發(fā)現(xiàn)在顆粒濃度較高的情況下，由于存在重疊散射效應(yīng)，會(huì)有更多的光線透射出去，也就是透射光更強(qiáng)，這也正符合了該項(xiàng)的變化趨勢(shì)。

c)根據(jù)對(duì)數(shù)學(xué)模型和實(shí)際測(cè)得的擬合曲線函數(shù)形式的比對(duì)，可以推斷得出，在牛奶中影響透射光強(qiáng)弱的微粒應(yīng)該以一種為主。為了驗(yàn)證這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，參考相關(guān)資料，可以發(fā)現(xiàn)：均勻的牛奶中主要由脂肪顆粒形成，脂肪表面被蛋白質(zhì)所包裹，所以能在水中穩(wěn)定存在，牛奶所顯現(xiàn)的乳白色主要就是光線在這些包裹著蛋白質(zhì)的脂肪顆粒上發(fā)生散射所造成的。這也反過(guò)來(lái)驗(yàn)證了擬合曲線是比較符合實(shí)際情況的。

總體而言，系統(tǒng)使用了凌華科技公司的PCI-9846H高性能多通道數(shù)據(jù)采集卡，大大提升了系統(tǒng)整體性能，所測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性和精度較高，達(dá)到了預(yù)期的開發(fā)目的。因此，基于高速數(shù)據(jù)采集卡的光電式雙通道渾濁度測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可以很容易移植到其它的應(yīng)用系統(tǒng)中，在環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、氣象參數(shù)監(jiān)測(cè)、食品質(zhì)量監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。