中文摘要 光纖、電容液滴分析儀( f c d a ：f i b e r c a p a c i t i v ed r o pa n a l y z e r ) 是利用 光纖液滴分析技術(shù)和電容液滴分析技術(shù)設(shè)計的新型液滴分析儀器，利用監(jiān)測液滴 生長過程中光纖信號和電容信號變化值得到“液滴指紋圖”。通過該指紋圖可以 獲得有關(guān)該被測液體的物理、化學(xué)特性。利用這一原理，該儀器可以實現(xiàn)細微差 別液體的鑒別測量，并且在環(huán)境保護、制藥工藝、食品飲料等所有涉及液體檢測 的領(lǐng)域。 本課題由“中國新加坡聯(lián)合研究計劃”項目( p r o j e c tn u m b e r ：0 0 3 1 0 i 0 4 ) 資助，旨在將液滴分析實驗裝置儀器化。本課題采用嵌入式的信號采集、處理系 統(tǒng)，將液滴分析儀器進行了便攜式的改進。同時，著眼于幾種典型的、具有科研 價值和市場價值的液體樣品，編寫了針對這些液體樣品鑒別的軟件，并在實驗中 取得了預(yù)期的效果。 本課題主要完成了以下工作： ( 1 ) 完成了嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計。 ( 2 ) 完成了鑒別細微差別液體的軟件設(shè)計。 ( 3 ) 完成了液滴識別程序的嵌入式系統(tǒng)移植。 ( 4 ) 用實驗的方法檢驗了程序的可靠性。 關(guān)鍵詞：液滴分析，光纖、電容液滴傳感器，基于體積的液滴指紋圖，嵌入 式系統(tǒng) a b s t r a c t t h ef i b e r - c a p a c i t i v ed r o pa n a l y z e r ( f c d a ) i sb a s e do na s p e c i a l l yd e s i g n e dd r o p s e n s o rb ym e a n so ft h ef i b e rd r o pa n a l y z i n gt e c h n o l o g ya n dt h ec a p a c i t i v ed r o p a n a l y z i n gt e c h n o l o g y , a n dp r o d u c e sav o l u m e - b a s e df i b e rd r o pt r a c e ( v f d t ) ，w h i c h s h o w st h er e l a t i o nb e t w e e nt h el i g h ti n t e n s i t yp a s s i n gt h r o u g ht h el i q u i dd r o pa n dt h e i n s t a n td r o pv o l u m e u s i n gt h i sp r i n c i p l e ，w ea r ea b l et oa c h i e v et h ep r e c i s el i q u i d m e a s u r e m e n td i f f e r e n t i a t i o n s ，髂w e l la sl i q u i dd e t e c t i o nf o re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ， m a n u f a c t u r ew o r k s ，f o o da n db e v e r a g er e g u l a t i o n se t c t h ep r o j e c ti ss u p p o s e db yt h en s t b - m o s tj o i n tr e s e a r c hp r o g r a m ( p r o j e c t n u m b e r ：0 0 3 1 0 i 0 4 ) ，w h e r en s t br e f e r st ot h en a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b u r e a uo fs i n g a p o r ea n dm o s tr e f e r st ot h em i n i s t r yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo f c h i n a t h i sp r o j e c ta i m st on l a k et h ed r o pa n a l y s i se x p e r i m e n t a ld e v i c eb e c o m ea p r a c t i c a li n s t r u m e n t a t i o na n dt om a k es o m ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so f t y p i c a ls a m p l e s i n s t e a do fb u i l d i n gc o m p l i c a t e dd a t a b a s e ，w ef o c u so ns o m et y p i c a l s a m p l e s ，w h i c hh a v es c i e n t i f i ca n de c o n o m i c a lv a l u e s t h e nw ef i n i s h e dt h es o f t w a r e w h i c hc o u l dd i s t i n g u i s ht h e s el i q u i d s ，a n df i n a l l y , h a v ean i c eo u t c o m ei nt h e e x p e r i m e n tr e s u l t s t h ew o r ko fm i st h e s i si n c l u d e s ： ( 1 ) d e s i g n e dt h ee m b e d d e dc o n t r o l l i n gs y s t e m ( 2 ) f i n i s h e dt h es o f t e w a r ew h i c hc o u l dd i s t i n g u i s ht h et i n yd i s t i n c t i o nb e t w e e n t h et w ol i q u i d s ( 3 ) t r a n s p l a n t e dt h es o f t w a r ef r o mw i n 3 2p l a n t f o r m t oa r m l i n u xp l a n t f o r m ( 4 ) v e r i f i e dt h er e l i a b i l i t yo ft h es o f t w a r eb ym e a n so fe x p e r i m e n t a t i o n k e yw o r d s ：d r o pa n a l y s i s ，f i b e r - c a p a c i t i v ed r o ps e n s o r , v o l u m e - b a s e df i b e r d r o pt r a c e ，e m b e d d e ds y s t e m 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所單交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作和取得的 例究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處弦，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得叁洼盤堂或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位淪文作者簽名： 召多睦 簽字f i 期：劬7 年1 月孑同 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)巾 本學(xué)位論文作者完全了解 苤盜盤堂 有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)盤盜盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 陽國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) j 之位論文作者簽名：駕 ；告 簽字h 期：勿卯年7 月彩閂 新繇彩彩 簽字h 期叩年7 月夕同 第一章緒論 1 1 引言 第一章緒論 液滴分析技術(shù)是指在被測液體形成液滴的過程中，采用各種手段對被測液體 實行檢測，以獲得待測液體的物理、化學(xué)特性參數(shù)，對液體進行定性和量化識別 的技術(shù)。它是隨著人們對可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護的逐步重視應(yīng)運而生的一門高新 技術(shù)。 作為世界上最大的發(fā)展中國家，我國在實現(xiàn)經(jīng)濟快速發(fā)展的同時，把可持續(xù) 發(fā)展上升到國家戰(zhàn)略的高度，鄭重聲明保護生態(tài)環(huán)境是我國的基本國策。我們看 到：大到西部開發(fā)、城鄉(xiāng)建設(shè)，小到企業(yè)規(guī)劃、產(chǎn)品設(shè)計，首先考慮的都是環(huán)境、 生態(tài)和可持續(xù)發(fā)展：綠色食品、飲料、醫(yī)療保健藥品等無污染環(huán)保產(chǎn)品也成為消 費的熱點。因此，人們對污染的控制、對飲食、醫(yī)藥和工業(yè)用液的質(zhì)量監(jiān)測都提 出了更多、更高的要求，迫切需要功能更強、使用更方便的分析方法和儀器。 液滴分析技術(shù)就是在這種環(huán)境下應(yīng)運而生的一門高新技術(shù)。液滴分析技術(shù)指 的是在一定測試系統(tǒng)條件下，在被測液體形成液滴的過程中，采用各種手段對被 測液滴實施監(jiān)測，以獲得有關(guān)該被測液體的物理、化學(xué)特性參數(shù)，對液體進行定 性和量化識別的技術(shù)。 液滴分析技術(shù)主要有以下幾個特點【1 】： 第一，利用液滴分析技術(shù)只需要通過監(jiān)測被測液體的液滴生長過程就可以直 接或間接地同時測出液體的多種物理、化學(xué)特性參數(shù)，如：表面張力、折射率、 濃度、黏度、吸光度、渾濁度、顏色、蒸發(fā)率、液體的化學(xué)成分和有關(guān)的液體電 特性參數(shù)等等。如果采用傳統(tǒng)的儀器分析方法，如電分析法、光譜分析法或分離 分析法，則需要分別使用多種儀器，而且得到的數(shù)據(jù)相關(guān)性也不好，有的裝置還 很復(fù)雜，價格昂貴，使用不方便。 第二，通過液滴分析技術(shù)得到的“液滴指紋圖”，可以作為鑒別兩種液體細 微差別的依據(jù)，由此可以用來鑒別液體的真?zhèn)?，如：假酒、假藥和假飲料等?第三，液滴分析技術(shù)容易實現(xiàn)在線監(jiān)測，可以用來監(jiān)控液體生產(chǎn)的工藝環(huán)節(jié)。 第四，液滴分析方法無需任何化學(xué)試劑，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此沒有二次污 染問題，是一條設(shè)計“綠色儀器”的理想技術(shù)路線。 上述優(yōu)點使得液滴分析技術(shù)在海洋污染監(jiān)測、水資源保護、制藥工藝、食品 飲料及工業(yè)用液等所有涉及液體檢測的領(lǐng)域中顯現(xiàn)出無可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢。 第一章緒論 目前，大部分的液體辯別，如名酒，名茶，還需要靠專業(yè)人員來品嘗識別。 液滴分析技術(shù)在監(jiān)控液體生產(chǎn)，鑒別液體的真?zhèn)畏矫?，有相?dāng)非常廣泛的應(yīng)用前 景。如有作品問世，并推向市場，將會獲得非常好的經(jīng)濟效益。 1 2 液滴分析技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展概況 液滴分析技術(shù)最早可以追溯到一個世紀以前，t a t e 等人就通過實驗提出，液 滴的體積( 重量) 與形成液滴的毛細管的直徑成比例【2 】【3 1 。此后，人們逐步認識到 液體的某些特性與液體在一定條件下形成液滴的特性關(guān)系密切，例如，在一定條 件下液滴的體積大小與液體的表面張力、粘度、濃度等特性有關(guān)，因此，出現(xiàn)了 以測量液滴體積為基礎(chǔ)的液滴分析方法。人們做了大量的實驗并找到了有關(guān)液滴 體積與液體特性參數(shù)之間的相互關(guān)系，例如，h a r k i n s 等人于1 9 1 9 年提出了液體 的邊界張力與液滴的體積和形成液滴的毛細管半徑關(guān)系為【4 j ： y = v d g f ， ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中：y 為邊界張力，y 為平衡狀態(tài)下的液滴體積，d 為被測液體與周 圍介質(zhì)的密度差異系數(shù)，簡化時可用被測液體的密度p 代替，g 為測量當(dāng)?shù)氐闹?力加速度，為毛細管外圈半徑，f 是經(jīng)驗修正系數(shù)。 1 9 9 2 年，愛爾蘭的m c m i l l a n 博士等人提出了光纖液滴分析的實驗方法【5 j ( f d a ：f i b e rd r o pa n a l y z e r ) ，其原理是通過兩根插入液滴的光纖分別將光導(dǎo)入 液滴并獲取經(jīng)過液滴反射、吸收后的光信號，由此得到接收光強隨時間變化的曲 線，它反映液體的多種特性且在確定條件下具有唯一性，稱為“液滴指紋圖”( f d t ： f i b e rd r o pt r a c e ) 。 m c m i l l a n 博士將光纖技術(shù)用于液滴分析是液滴分析技術(shù)的一個里程碑。由 于光纖的特殊傳光本領(lǐng)，使得光纖液滴傳感器可以在液滴內(nèi)部探測液體的特性參 數(shù)，從而增加了揭示液體內(nèi)在特性的手段。對于液滴指紋圖的研究，例如，在規(guī) 律機械振動情況下信號的變化，以及利用液滴指紋圖對液體進行識別等方面，也 有相應(yīng)的研究報道【6 】。 在國內(nèi)，液滴分析技術(shù)在各科研機構(gòu)中也是得到充分重視和發(fā)展，以下僅是 作者查到的液滴分析技術(shù)在國內(nèi)的獲專利情況【7 j ： 可分離式光電液滴傳感器2 0 0 2 天津大學(xué) 基于液滴體積的光學(xué)圖像液滴分析裝置2 0 0 2 天津大學(xué) 基于液滴體積的光譜液滴分析系統(tǒng)2 0 0 2 天津大學(xué) 基于液滴體積的光電分析裝置2 0 0 2 天津大學(xué) 液滴測量方法及裝置2 0 0 4 上海大學(xué)( 只測量體積) 2 第一章緒論 液滴的光敏計量方法及裝置2 0 0 6 上海大學(xué)( 只測量體積) 液滴的超聲計量方法及裝置2 0 0 6 上海大學(xué)( 只測量體積) 紅外懸浮液滴表面張力測定儀1 9 9 7 西北工業(yè)大學(xué)( 只測量表面張力) 在這些液滴分析技術(shù)中，值得著重提出的是由天津大學(xué)的裘祖榮教授提出的 基于光纖、電容的液滴分析方法。它只需要通過監(jiān)測被測液體的液滴生長過程就 可以直接或間接地同時測出液體的多種物理、化學(xué)特性參數(shù)，如：表面張力、折 射率、濃度、黏度、吸光度、渾濁度、顏色、蒸發(fā)率、液體的化學(xué)成分和有關(guān)的 液體電特性參數(shù)等等。本文研究的液滴分析技術(shù)就是基于這種方法不斷發(fā)展而來 的。 1 3 光纖、電容液滴分析技術(shù)概述 光纖液滴分析技術(shù)是從光學(xué)角度出發(fā)，在液滴形成過程中獲得被測液體的特 性，它不能直接測出液滴的體積。天津大學(xué)的王春海博士等人于1 9 9 9 年提出了 電容液滴分析的方法，由滴頭和環(huán)形極板構(gòu)成特殊的電容傳感器，將液滴生長過 程中的體積變化轉(zhuǎn)變成電容傳感器電容量的變化。通過電容液滴分析方法可以獲 得任意時刻的液滴體積值，其前提是被測液體的介電常數(shù)已知或者可以實時測量 獲得。 基于光纖液滴分析技術(shù)和電容液滴分析技術(shù)，天津大學(xué)的裘祖榮博士提出了 “基于體積的液滴指紋圖”，它表示的是光纖接收端的光強信號隨液滴瞬時體積 變化的曲線。該表達方式解決了以時間為基準(zhǔn)的液滴指紋圖受供液系統(tǒng)流量穩(wěn)定 性影響的難題，排除了液滴生長速度和液體揮發(fā)性對液滴指紋圖的影響，既提高 了測量的重復(fù)性，也提高了液滴指紋圖的可比性。同時，光纖、電容液滴分析技 術(shù)使液滴分析涉及了被測液體更多的特性，從而能夠更全面地分析、鑒別被測液 體。 此外，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的新技術(shù)、新方法已經(jīng)應(yīng)用到液 滴分析領(lǐng)域。越來越多的新技術(shù)、新方法已經(jīng)應(yīng)用到液滴分析領(lǐng)域。利用c c d 圖 像技術(shù)可以通過攝像的方法直接記錄液滴生長過程中的輪廓變化情況，通過圖像 處理系統(tǒng)實時采集、存儲圖像并進行邊緣提取，最后根據(jù)液滴的輪廓邊緣計算出 液滴的體積。 將光譜分析技術(shù)應(yīng)用到液滴分析中，采用光纖或者微型幾何光路，將作為信 號光源的紅外光導(dǎo)入液滴，把接收端采集到的光信號用快速傅立葉變換等方法進 行光譜分析，可以得到被測液體的化學(xué)成分信息。將光譜液滴分析技術(shù)與光纖、 電容、圖像液滴分析技術(shù)進行融合，使得液滴生長過程所表現(xiàn)的物理、化學(xué)特性 第章緒論 可以同步實時地檢測出來并且還能夠建立包含光強信號、液滴體積信號、光譜 信號的“三維液滴指紋圖這將使液滴分析技術(shù)的鑒別能力也提高一個臺階。 而隨著嵌入式系統(tǒng)日新月異的發(fā)展與普及應(yīng)用。將嵌入式系統(tǒng)移植入液滴分 析儀器，將液滴分析儀器向小型化、便攜式發(fā)展。也成為液滴分析儀器的新思路。 1 3 1 光纖電容傳癌器 光纖液滴傳感器的工作原理是由光源發(fā)出的光，經(jīng)過輸入光纖導(dǎo)入液滴：光 線在液滴內(nèi)部經(jīng)完全內(nèi)反射( t i r ：t o t a i n t e r n a lr e f l e c t i o n ) 、透射及液體 吸收等作用，部分進入輸出光纖作為信號傳出。這部分傳出光的光強度變化，包 含了液滴的物理、化學(xué)綜合特性信息。 光纖液滴傳感器的結(jié)構(gòu)形式如圖1 1 所示，輸入、輸出光纖斜向插入，被測 液體順著供液毛細管橫向從端面流出，形成液滴。 圈卜l 光纖液滴傳感器 眇蟛炒炒蚴 炒夠u 芍 b 1 8目 圖卜2 漣滴不同生長時刻輸 、輸出光纖的傳光情況 從圖1 2 可以看出，在時刻l 、2 情況下，輸入光纖的光經(jīng)液滴內(nèi)表面反射 后幾乎不能進入輸出光纖接收端，所咀圖卜3 上l 、2 時刻的信號值也幾乎等于 零。在圖卜2 中3 、8 時刻之間，由液滴輪廓和太小的變化引起光反射角和光程 第一章緒論 的變化，使得進入接收光纖端面的光強信號在圖i - 3 中出現(xiàn)一個由波峰到波谷的 曲線；其中3 、4 時刻由于液滴輪廓形狀形成了有利的反射角和較短光程，所以 這時的信號值達到最大。在時刻9 液滴即將分離，反射光路突然變化，光程變 短，傳光時間也變短，所以在圖1 - 3 中出現(xiàn)了一個尖峰值。顯然，由于輸入、輸 出光纖的數(shù)值孔徑和位置固定不變，接收光纖收到的信號是隨不同時刻液滴生長 情況的變化而變化的。 口驢 坦 虹 求 時間序列 圖i - 3 一個液滴周期內(nèi)液滴不同生長時刻的光纖信號 實驗證明，在一定的測試系統(tǒng)條件下，經(jīng)過液體液滴的光信號，隨液滴生長 而變化的記錄曲線是唯一的。因此，稱這樣的曲線圖為液體的“液滴指紋圖”。 1 3 2 電容液滴傳感器 電容液滴分析方法是利用液體的電學(xué)特性，對液滴形成過程的電學(xué)量進行監(jiān) 測。通過電容液滴傳感器，由環(huán)形極板與滴頭共同形成一個特殊的電容器，如圖 卜4 ( b ) 所示。 c 穿鬟1 _ 外微椒 ( a ) 圓柱形電容器 c l 液涌滴苧 下環(huán)形極板 ( b ) 電容液涌傳感囂 圖i - 4 圓柱型電容器與液滴電容傳感器的比較 囂 第一章緒論 圖1 - 4 ( a ) 是平板電容傳感器用于液滴分析的情況。液滴位于兩平行平面 極板之間，液滴的生長變化相當(dāng)于極板之間介質(zhì)的復(fù)合介電常數(shù)在變化，從而引 起電容量的變化。但實際上由于液滴的特殊形狀，只有極板中心的部分靠近液滴， 所以液滴生長的全部變化過程只能引起大約1 5 的電容量變化。作為傳感器這 樣的信號顯然是太微弱了。為了提高電容量隨液滴生長變化的百分率，可以縮小 板極的面積，但這樣做也同時會使總的電容量減少；要保持容抗不變，就必須使 傳感器在非常高的頻率下工作，這一措施又受到電子元件的頻率響應(yīng)速度的限 制。所以，平板電容作為液滴分析傳感器并不理想。 在圖1 - 4 ( b ) 中，環(huán)形極板與滴頭( 包括液滴) 在水平截面上的間距相等。 液滴的生長變化既可以看作是柱狀滴頭電極長度的變化，也可以認為是電容器極 間復(fù)合介質(zhì)的變化，這將取決于被測液體是否為電的良導(dǎo)體。這種形式的電容傳 感器避免了上述平板電容傳感器的缺點。 由于電容液滴傳感器受到尺寸和邊緣效應(yīng)的影響，準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的建立是十 分復(fù)雜的。為簡化起見，將電容液滴傳感器作如下假設(shè)：( 1 ) 假設(shè)液滴為良導(dǎo)體； ( 2 ) 假設(shè)液滴在生長過程中只沿其回轉(zhuǎn)軸方向變化，且液滴底部曲面形狀不變； ( 3 ) 忽略邊界效應(yīng)。 簡化后的模型如圖1 - 4 ( b ) 所示。這樣，液滴在從殘留液滴到分離全過程的 電容變化可近似地看成是一個同軸圓柱電容器的電容變化。其電容量的計算推導(dǎo) 如下： 假設(shè)滴頭( 包括液滴) 和環(huán)形極板分別帶有電量+ q 和q ，電荷是均勻分布 的，每單位長度上的電量為力( c 朋。1 ) ，有q = 兄，為極板長度( m ) 。在液 滴和環(huán)形電極之問、離開圓柱軸線距離為，( m ) 點處的場強e ( n c 1 ) 為： ， e = 二- ( 1 - 2 ) 2 n 8 0 占口， 中占。是真空介電常數(shù)，毛= 8 8 5x 1 0 - 1 2 ( c 2 n 一m - 2 ) ；占。為空氣的相對 介電常數(shù)，無量綱。 根據(jù)場強和電位梯度的關(guān)系：e ：一些 ( 1 - 3 ) 咖 2 得：d u = 一e d r = 一二_ _ 辦( 1 - 4 ) 2 x 6 0 s 口，- 設(shè)液滴表面和環(huán)形電極內(nèi)表面的電位分別為：u 。和u b ，由積分得： 廣8d u ：壟廣擘 ( 1 - 5 ) 山 2 n 6 o o i - r u 一u 。：l i n r ( 1 - 6 ) “。 2 嬲q s n r 6 第一章緒論 c 2 麗q u u2 箍uu2 等i n 7 ， 彳一口一一占墨 根據(jù)上述結(jié)果，在液滴生長過程中，電容液滴傳感器的電容變化可近似表達 為： c - 等 ( 1 - 8 ) 式中s 。為真空介電常數(shù)，占。為環(huán)形電極與液滴之問的空氣的相對介電常數(shù)， h 為液滴底部至殘留液滴底部的高度( h 隨液滴生長過程而變化) ，r 為環(huán)形電 極的內(nèi)圓半徑，- 為液滴半徑。 根據(jù)圖1 - 4 ( b ) 的簡化模型，液滴的瞬時體積為a v = 刀2 h ，則可得電容增 量a c 與液滴體積增量a v 的關(guān)系為： 們= 等 ( 1 - ” 令七。：，2l n 墨： ( 1 1 0 ) 有：a v ：魚一a c ( 1 - 1 1 ) 2 s o 口 在實際測試中，由于多數(shù)被測液體都是電的非良導(dǎo)體，而且有關(guān)電容傳感器 的數(shù)學(xué)模型也與實際狀況有偏差。因此直接用式( 1 1 1 ) 誤差會比較大。所以通 過實驗將式( 1 1 1 ) 修改為： v ：查! 墜蘭! 蘭! ! c ( 1 1 2 ) 占。占。( 占l 一占。) 式中，毛，k ：是與滴頭的幾何尺寸有關(guān)的修正系數(shù)，當(dāng)?shù)晤^半徑取為r = 3 m m 時，k 。= 11 2 3 x 1 0 6 腳2 ，占。為真空介電常數(shù)，毛為被測液體在實測環(huán)境下的相對 節(jié)電常數(shù)。 1 4 本課題的研究內(nèi)容與意義 隨著液滴分析儀器的不斷深入發(fā)展和前人工作成果的不斷積累，將液滴分析 儀器應(yīng)用于實際鑒別液體特征的要求也應(yīng)運而生?！? 1 1 ”事件之后，中外的民 航部門都加強了安檢力度。目前的方法是讓攜帶飲料的旅客打開蓋子，檢查是否 可以飲用。效率不高，而且并不能保證檢查的可靠性。目前如何能鑒別出外觀特 性( 比如顏色、折光度等) 相同液體的需求已經(jīng)產(chǎn)生。本課題旨在提高現(xiàn)有光纖、 電容液滴分析儀器的可靠性和實用性，研究提高液滴分析儀區(qū)分物理特性接近的 第章緒論 液體的能力。 圖i - 5 所示為光纖、電容渡滴分析儀器的原理框圖 其中，精密微量供液泵采用r a z e l 公司的a - 9 9 供液泵泵可咀由注射泵上的 開關(guān)控制開關(guān)和流速。如圖1 - 6 所示。這樣的供液系統(tǒng)可以達到流速穩(wěn)定、流量 微小的流速，容易形成飽滿、形狀均勻的液滴。此外，在滴頭底端面設(shè)計成倒9 0 角，同樣是為了增強鍍滴的自濕潤性能，達到飽滿、形狀均勻的液滴。 圖i - 6 a 9 9 供液泵 本課題研究的具體內(nèi)容包括： ( 1 ) 完成了嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計。 ( 2 ) 分別用v i s u a lc + + 和q t e 完成了鑒別細微差別液體的軟件設(shè)計 ( 3 ) 完成了液滴識別程序的嵌入式系統(tǒng)移植。 ( 4 ) 用實驗的方法檢驗了程序的可靠性。 第二章信號調(diào)理電路的設(shè)計 第二章信號調(diào)理電路的設(shè)計 測試系統(tǒng)的傳感部分是將被測量的變化過程轉(zhuǎn)化為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的 物理量的變化，為了將此信號輸入計算機作信號的分析和處理，或者用此信號推 動顯示、記錄儀器或控制器，仍需作進一步的信號變換。本章對這兩路信號的調(diào) 理電路進行設(shè)計分析。 2 1 光纖信號的調(diào)理電路 2 1 1 光纖調(diào)理電路的原理 在原先的光纖調(diào)理電路中，由于光源無法與輸入光纖完全耦合，導(dǎo)致有環(huán)境 光進入液滴分析儀器。為了排除環(huán)境光對系統(tǒng)的影響，需要采用調(diào)制解調(diào)的原理， 首先將光源調(diào), n n 高頻，然后，讓信號經(jīng)過一個包含高通濾波器、低通濾波器的 放大濾波電路，高通濾波器阻止環(huán)境光的干擾，通過高頻載波信號；經(jīng)檢波后， 低通濾波器再將高頻載波濾掉，最終解調(diào)出反映液滴變化的有用信號。 如今選用美國o c e a no p t i c s 公司生產(chǎn)的l s - 1 型鹵鎢光源，它是一種多用途 的白光光源。并且具有s m a 9 0 5 接口，很容易和系統(tǒng)中的輸入光纖耦合上。這樣 就很好的屏蔽掉了環(huán)境光的影響【8 】。 改進后的光纖調(diào)理電路的原理如圖所示： 圖2 - 1 現(xiàn)在的光纖調(diào)理電路原理框圖 2 1 2 光電轉(zhuǎn)換以及前置放大電路 將光電二極管電流轉(zhuǎn)換為可用電壓的方法是用一個運算放大器作為電流一電 壓轉(zhuǎn)換器( 如圖2 - 2 所示) 。二極管偏置由運算放大器的虛地維持在零電壓，短 路電流即被轉(zhuǎn)換為電壓。 9 第二章信號調(diào)理電路的設(shè)計 具體的電路實現(xiàn)如圖2 - 2 所示。 2 1 3 低通濾波電路 圖2 2 光電二極管前置放大電路 在實際的測量中，由于前級電路電路產(chǎn)生的抖動等問題，致使光電二極管前 置放大電路得到的電壓信號有比較明顯的毛刺，這些頻率很高的干擾信號使得液 滴指紋圖不夠清晰，直接影響測量準(zhǔn)確性，為了改善上述問題，在光電二極管前 置放大電路后面增加了低通濾波電路 9 1 。 c l 2 2 電容信號處理電路 圖2 3 低通濾波電路 2 2 1 電容信號處理電路的原理 電容信號處理電路是將液滴生長過程中電容傳感器電容量的變化轉(zhuǎn)換成為 1 0 第二章信號調(diào)理電路的設(shè)計 電壓信號。然后經(jīng)過a d 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入計算機，得到代表液體體積變化 的信號。 電容測量常見的方法有調(diào)幅法、調(diào)頻法、充放電激勵法、交流運算放大器法 等。而由于液滴分析儀中的電容傳感器電容變化量很小，只有零點幾個p f ，使 得液滴分析儀器中電容傳感器的電容量變化十分容易受到外界干擾。在這幾種常 見的電容測量方法中，交流激勵微電容測量信號的信噪比和穩(wěn)定性是最好的。因 此在這里采用的是交流放大器法。原理框圖如圖2 - 4 所示。 事叫囂h 妻囊莖篡 圖2 - 4 電容信號處理電路原理框圖 2 2 2 主放大電路的設(shè)計 整個測量系統(tǒng)中，主放大器是最關(guān)鍵的部分，主放大器性能的好壞，直接 關(guān)系到整個測量電路的線性度和精度。本文選用的是a d i 公司生產(chǎn)的高速運算 放大器a d 8 0 6 5 ，其主要參數(shù)如下：輸入阻抗1 0 0 0 g q ，開環(huán)增益1 1 4 d b ，壓擺 率1 8 0 v j s ，單位增益脈寬為1 4 5 m h z ，偏置電壓最大為1 5 m v 。 這里使用t 型網(wǎng)絡(luò)的作用是為運算放大器的直流偏置電流提供一個通路，以 防止運算放大器輸出漂移而飽和。 二= = c c f l l 一 + 1 2 v x 叫8 、2 。i 3 一一a d s 0 6 5 ，4 一 圖2 5 電容測量原理圖 第二章信號調(diào)理電路的設(shè)計 2 2 3 激勵源電路的設(shè)計 在這里，激勵源電路的波形發(fā)生芯片采用美國m a x i m 公司推出的一種精密波 形發(fā)生芯片i v i a x 0 3 8 10 1 。它比以前的通用函數(shù)發(fā)生器8 0 3 8 系列從頻率范圍、幅度 穩(wěn)定性及使用的方便性等方面都有提高，可以滿足后面的測量電路的基本要求。 圖2 - 6m a x 0 3 8 的管腳圖 m a x 0 3 8 的管教如圖所示，其定義為：1 腳為內(nèi)部2 5 v 電壓基準(zhǔn)輸出；2 、6 、 9 、1 1 、1 8 為接地引腳；3 、4 為波形輸出定義腳。表2 - 1 定義了輸出波形的不同 設(shè)置，將a 。置于高電平，則無論a 。是高電平還是低電平都可以得到我們需要的 正弦輸出。 表2 1m a x 0 3 8 輸出波形的定義 a oa 1 波形 1正弦波 00方波 10 三角波 5 腳為外接電容連接端；7 腳為占空比調(diào)節(jié)輸出端；8 腳為頻率調(diào)節(jié)輸入端； 1 0 腳為頻率控制端；1 2 、1 3 腳分別為相位輸出腳和相位參考時鐘輸入腳，如果 不使用，二者均應(yīng)與地連接：1 4 腳時鐘同步引腳，通過連接設(shè)置，允許內(nèi)部振 蕩器與某個外部信號同步，該引腳兼容t t l 和c m o s 電平，如果不使用，該腳應(yīng) 懸空；1 5 腳為數(shù)字地；1 6 腳、1 7 腳和2 0 腳分別為數(shù)字電源+ 5 礦輸入、+ 5 礦電源 1 2 怛 帥 牲 叭 獻 淵 暇 啪 汕 孵 咖舳 耵 濺 郇刪 刪 伽 州 第二章信號調(diào)理電路的設(shè)計 輸入和一5 礦輸入；1 9 腳為波形輸出腳。 r 2 r 1 + 1 2 v 叫上j 圖2 - 7 激勵源電路原理圖 2 2 4 消除本體電容電路與帶通濾波電路 b 壘0 5 由于在實際的液滴分析儀器中，電容信號值的變化量是非常小的，為了提高 測量精度，需要抵消掉它的本體電容( 測量前的初始電容) 。具體的做法是：增加 標(biāo)準(zhǔn)補償電容c 。，原則上是給c 。的一極加與u ，1 同頻反相的正弦信號u ，2 ，從 而抵消掉本體電容。如圖2 - 8 所示： c f 圖2 - 8 消除本體電容電路 在實際電路調(diào)試中， u i ：= - 0 7 5 ，實現(xiàn)方法如圖4 - 1 0 所示，選擇速度比 較高的運算放大器o p 2 7 反相放大得到。g = l p f ，c ，= l p f 基本消除了本體電 容的影響，根據(jù)計算可知，本體電容大約為0 7 5 p f 。 第一章信號調(diào)理電路的設(shè)計 i- 8 r i， ”“7 。4 30 6 l 一 t 1 2 v 圈2 - 9 兩路1 日頻反相信號源產(chǎn)生原理圈 從主放大電路輸出端得到的信號是消除本體電容后的幅值跟被測電容值成 正比的正弦信號，由于環(huán)境中噪聲的影響，電容傳感器會引入一些干擾- 使得被 測信號不夠干凈，如圖2 一1 0 所示，由于豐運放輸出的頻率跟激勵源的頻率相同t 為1 l5 k h z ，因此，在主運放后面加一個帶通濾波器來濾掉干擾信號 卜：二二! 三蘭： 國2 一1 0 帶通濾波器的輸入信號 帶通濾波器的連接形式有多種，雖常用的有壓控電壓源帶通濾波器和無限增 益帶通濾波器，這里選用的是無限增益多路反饋帶通濾波器。無限增益帶通濾波 器的優(yōu)點是比壓控電壓源帶通濾波器用的元件少，特性穩(wěn)定，輸出阻抗低1 。 第二章信號調(diào)理電路的設(shè)計 圈21 1 帶通磚波器電路原理圉 經(jīng)帶通濾波器后輸山的波形在示渡器上顯示如圖2 1 2 所示，與帶通濾波器輸 入端的信號2 1 0 相比有明顯的改善。 1 。i 1 j l 黼1 i 圖2 1 2 帶通濾波器的輸出信號 2 2 5 真有效值轉(zhuǎn)換電路 主放大電路輸出的測量信號為交流信號需將其轉(zhuǎn)換為直流信號后才能進行 后續(xù)處理。這里采用美國a d i 公司生產(chǎn)的a d 6 3 7 芯片作為真有效值轉(zhuǎn)換部分的 工作芯片。與傳統(tǒng)的整流電路相比，它的集成度高、精度高，而且使用方便。 a d 6 3 7 能計算復(fù)雜輸入信號的有效值井且給山一個與之等效的直流電平，波形 的有效值比平均值更有用因為它和信號的能量有關(guān)系而且隨即信號的有效值 與它的方差有關(guān)。 三。 k k 貼 一 c 剛 第二章信號調(diào)理電路的設(shè)計 圖2 1 3 真有效值轉(zhuǎn)換電路原理圖 1 6 第三章數(shù)據(jù)處理分析與典型液滴指紋圖分析 第三章數(shù)據(jù)處理分析與典型液滴指紋圖分析 液滴指紋圖是被測液體的綜合特征數(shù)據(jù)庫。由于測量環(huán)境的影響和液滴本身 物理條件的不恒定( 如不同溫度、不同壓力下的液滴物理特性會有所變化，在液 滴指紋圖上也會有所反映) ，在進行數(shù)據(jù)對比之前，對于采集到的數(shù)據(jù)進行了預(yù) 處理分析的必要性是顯而易見的。 本章利用m a t l a b 強大的數(shù)據(jù)和圖像的處理能力，對于采集到的原始數(shù)據(jù)進行 了繪制液滴指紋圖、去噪、歸一化、求極大極小點等一系列處理。為第五章的對 比工作和軟件編寫工作奠定了基礎(chǔ)。 3 1 基于液體體積的指紋圖數(shù)據(jù) 運用光纖、電容液滴分析系統(tǒng)，在液滴生長過程中監(jiān)測光纖與電容的信號變 化。圖3 1 ( a ) 所示為光纖液滴信號。它是以采樣序列為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)是由接 受光纖接收到光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換與電路處理后得到的電壓值。圖3 1 ( b ) 所示 為同時獲取的電容信號。橫坐標(biāo)也是采樣序列。 時閆序列時聞序列 ( a ) 光纖液滴指紋圖( b ) 液滴體積變化曲線 圖3 - 1 以采樣序列為橫坐標(biāo)的光纖、電容液滴指紋圖 由圖3 1 得知，在測量過程中，被測液體一共形成了4 滴完整的液滴，光纖、 電容信號隨著液滴的生長過程而變化。在這種情況下，測量過程中供液泵以恒定 的速度供液，液滴體積在液滴生長周期內(nèi)隨著線性增大而增大。因此，電容信號 與時間應(yīng)該是線性關(guān)系。圖3 1 ( b ) 也驗證了這一結(jié)果。 由于光纖液滴指紋圖反映的是光信號隨時問變化的規(guī)律，這實際上意味著液 1 7 加 挪 加 蛐 皿 血 。 篡一申坦瑤鬟 第三章數(shù)據(jù)處理分析與典型液滴指紋圖分析 滴生長速度不僅要慢而且要非常穩(wěn)定，以達到所謂準(zhǔn)平衡狀態(tài)，在此狀態(tài)下所測 量的結(jié)果才能反映被測液體的物理、化學(xué)性質(zhì)。而液滴生長速度本質(zhì)上是由供液 系統(tǒng)對毛細管流量的定量控制決定的，因此這無疑在實踐中對供液系統(tǒng)的設(shè)計和 制造都提出了非常高的要求。如果液滴生長速度不能精確控制在要求范圍內(nèi)，那 么就無法保證測量的重復(fù)性和指紋圖的唯一性12 1 。如圖5 2 所示。 時問序列 dm 口口m 時閥序列 ( a ) 光纖液滴指紋圖( b ) 液滴體積變化曲線 圖3 - 2 供液速度逐漸變慢時獲取的信號圖線 為了解決這個問題，天津大學(xué)的裘祖榮博士提出了“基于液滴體積的液滴指 紋圖( v f d t ：v o l u m e b a s e df i b e rd r o pt r a c e ) ”的表達方式，它表示的是光纖 接收端的光強信號隨液滴瞬時體積變化的曲線。該表達方式不僅解決了以時間為 基準(zhǔn)的液滴指紋圖受供液系統(tǒng)流量穩(wěn)定性影響的難題，而且排除了液滴生長速度 和液體揮發(fā)性對液滴指紋圖的影響，提高了測量的重復(fù)性。使得將液滴指紋圖作 為鑒別液體的“身份標(biāo)識”成為可能。 液滴體積( u 1 ) 圖3 3 供液速度逐漸變滿時液體的基于體積的指紋圖 這一結(jié)果可以在理論上做如下定性解釋：不考慮那些被液體吸收和透射的 光，輸出光纖所接收的光信號，即液滴內(nèi)部經(jīng)完全內(nèi)反射后傳出的光，只與液滴 硼 珊 攤 珊 棚 劬 柚 。 籬一申睪蟲鬟 0 0 0 0 0 0 d d 姍 咖 蜘 咖 姍 咖 銣 o 3 3 2 2 l 1 趟黑巾旱蟲米 第三章數(shù)據(jù)處理分析與典型液滴指紋圖分析 的瞬時形狀( 或體積) 有關(guān)因為這決定了光程；而與花費多長時問形成這個 瞬時形狀無關(guān)。因此，液滴指紋圖當(dāng)然就不受液滴生長速度，或者說供液速度的 影響了。 3 2 實驗數(shù)據(jù)處理 為了使得測得的液滴指紋圖具有可比性并且便于對比，在進行具體的數(shù)據(jù)分 析處理之前，需要對測得的原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。這就包括歸一化處理、濾波去 除粗大誤差處理和光纖、電容信號曲線擬合三個部分。下面就對他們進行一一介 紹。 在這里，選用m a t l a b 作為數(shù)據(jù)處理的工具。不僅因為m a t l a b 擁有豐富的函 數(shù)資源，而且又因為它擁有簡潔并且復(fù)合人們思維習(xí)慣的編程語言，可以十分輕 易的完成尋求最大值、極大值，求取液滴總數(shù)n ，濾波處理、求取平均值，并作 線性插值處理等這些功能。 如今的m a t l a b 還擁有與c 語言的接口，可以被c 語言程序調(diào)用，也可以調(diào) 用c 語言程序。這也很好的彌補了m a t l a b 程序運行慢的瓶頸。本課題最初的構(gòu) 想就是在此基礎(chǔ)之上的。 此外，因為液滴指紋圖最終是需要擬合成為b m p 圖片文件，而m a t l a b 的繪 圖功能十分方便，在這里，我們只需要用到其中很簡單的一部分就可以完成我們 的全部數(shù)據(jù)處理和圖像處理工作【l3 1 。 3 2 1 數(shù)據(jù)采集 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一 種基于圖形語言的開發(fā)環(huán)境。l a b v i e w 編程簡單方便，界面形象直觀，并且擁有 與傳統(tǒng)編程語言的許多相似之處，諸如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序 調(diào)試工具等等。數(shù)據(jù)采集作為l a b v i e w 的核心技術(shù)之一，也是l a b v i e w 與其他編 程語言相比的絕對優(yōu)勢。 因此，數(shù)據(jù)的采集階段，我們選用l a b v i e w 作為數(shù)據(jù)采集的平臺。數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集硬件、驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)采集函數(shù)三個部分組成。在這里，采集 硬件我們選用p c i 9 1 1 3 a 型的數(shù)據(jù)采集卡。 數(shù)據(jù)采集的程序界面和流程圖如圖3 - 4 ( a ) 和3 4 ( b ) 所示 1 9 第三章數(shù)據(jù)處理分析與媳型坡滴指紋圖分析 囤 圍 圖3 - 4 ( a ) 數(shù)據(jù)采集的平臺 粵 匝奎因 爹 l 讀a ，d 結(jié)糶低8 位和離4 位 l 合并結(jié)果并存入數(shù)組l 圖3 - 4 ( b ) 數(shù)據(jù)采集流程 第三章數(shù)據(jù)處理分析與典型液滴指紋圖分析 數(shù)據(jù)采集結(jié)束時，將原始數(shù)據(jù)保存為t x t 文件以供后續(xù)部分做數(shù)據(jù)處理分 析。因為在采集數(shù)據(jù)時，為了充分采集到液體的特征，每次都會使得樣本充分的 大( 數(shù)據(jù)總數(shù) 5 0 0 ) ，因此在這里只是展示出一小部分的數(shù)據(jù)。 表3 - 1 某次測量中純水的部分原始數(shù)據(jù)( 單位：v ) 5 0 3 5 2 0 5 0 7 80 0 0 4 8 8 3 5 2 2 9 4 9 20 0 0 4 8 8 3 5 2 3 4 3 7 50 0 0 9 7 6 6 5 2 4 9 0 2 30 0 0 9 7 6 6 5 2 4 4 1 4 10 0 0 4 8 8 3 5 2 6 8 5 5 50 0 0 4 8 8 3 5 2 5 3 9 0 60 0 0 4 8 8 3 5 2 6 8 5 5 50 0 0 4 8 8 3 5 2 5 3 9 0 6 0 0 0 9 7 6 6 5 2 7 3 4 3 80 0 0 9 7 6 6 5 3 0 2 7 3 40 0 0 9 7 6 6 5 2 9 2 9 6 90 0 0 9 7 6 6 5 2 8 8 0 8 60 0 0 9 7 6 6 5 3 0 2 7 3 40 0 0 9 7 6 6 5 3 0 7 6 1 70 0 1 4 6 4 8 其中，第一行數(shù)據(jù)表示本次測量的總共采集點數(shù)。第一列表示電容信號值， 第二列表示光纖信號值。 3 2 2 數(shù)據(jù)歸一化處理 所謂歸一化實質(zhì)上就是按時問周期變化的光纖、電容信號按周期截斷，然后 在時間軸上平移，將若干周期的信號合成一個周期。每個周期對應(yīng)了某個特定的 時間里采集到的一個液滴生長過程的信號變化。再通過線性插值的方法使歸一化 后的點數(shù)等于預(yù)定值。每種液體指紋圖經(jīng)過這樣的歸一化處理之后都對應(yīng)一個液 滴的圖形，且點數(shù)相等，不但可以清晰直觀地反映液滴特征信息，而且更重要的 是使不同液體具有可比性。如果不做歸一化的處理，那么合成的指紋圖是若干滴 指紋圖疊加在一起的圖形，給以后的比對處理帶來了困難。因此，液滴的歸一化 是十分必要的處理過程。 2 l 第三章數(shù)據(jù)處理分析與典型漣滴指紋圖分析 因此，在歸一化處理的過程中實際是分為三個步驟。 第一步，確定液滴的生長和滴落點。由圖3 - 5 可以看出，在確定液滴生長點 和滴落點時，可以以電容信號的原始數(shù)據(jù)作為參考。即通過找尋電容極值的方法 來確定。因為電容是在監(jiān)測液體生長過程中體積的變化。在數(shù)學(xué)上，極值點可以 通過確定函數(shù)導(dǎo)數(shù)為零的點來求取。然而在液滴指紋圖中，往往沒有導(dǎo)數(shù)為零 的點，尤其在電容液滴指紋圖中，這種方法不可行。 在這里我們可以運用先找最大值的方法來確定極大點( 極小點也同理) 。 即首先求取整個液滴指紋圖的最大值m a x ( 或晟小值) ，然后給出一個闡值水平n ( 比如d = 5 ) ，那么落在閾值之內(nèi)的點就可| 2 上作為極大值( 或極小值) 。即判 定條件為：極值必須與最值很接近。如圖3 - 5 所示。表達為數(shù)學(xué)公式為： m a x d a t a - e ( m a x n u m i 1 m a x d a t a a ( 3 1 ) c ( m i n n u 耐m r a i n d a t a r a i n d a t a x 口 ( 3 - 2 ) 為了方便，可阻利用m a t l a b 的文本編輯器寫一個腳本m 文件，這樣就不需 要每次都編寫程序。只需打開文件，運行即可。 首先建立一個以電容信號為第一列，光纖信號為第二列的2 x 1 矩陣d a t a 并用f m i n 命令找出數(shù)值上的極小點。程序代碼如下： l o a ddd a t a 將d a t a 賦值給變量d d a x = m a x ( d ( ：，1 ) ) 求取d 的第一列雖大值即電容信號的最大值 e m a x = f m a x ( d a x d a x d a x 5 d a x + d 甜x 5 ) 求取在最大值5 范 圍內(nèi)的極大值 i n d e x = f i n d ( d a t a e m a x )求取極大值的位置點，同時也可得出液滴的滴 數(shù)n 圖3 5 自來水的電容液滴指紋圖和光纖液涪指紋圈 ( 上面為電容信號下面為光纖信號) 第三章數(shù)據(jù)處理分析與典型液滴指紋圖分析 由圖3 5 也可以同時看出最大值與極大值的區(qū)別。 第二步，確定歸一化參數(shù)n p ( n o r m a l i z a t i o np o i n t s ) ，將每一滴液體在時 間軸上等分為n p 份。然后利用線性插值的方法，通過每一個等分點相鄰的測量 點處的原始數(shù)據(jù)，計算出所有歸一化等分點處的電容信號值和光纖信號值；若某 一等分點恰好與采集點重合，則直接獲取采集點處的數(shù)據(jù)。這里所說的“相鄰的 采集點”指的是把等分點與采集點在時問坐標(biāo)上作比較后，處于等分點前、后 的兩個采集點。由l a g r a n g e 線性插值公式【