基于三波段六光束反射式的近红外水分仪的研究

论文摘要

近红外水分仪是红外光谱分析应用的一个重要分支。由于水对某些特定波长的近红外光有着强烈的吸收,而吸收的程度与物质当中的水分含量成正比,这就是近红外水分仪的工作原理。本课题中的三波段六光束反射式近红外水分仪利用内外两个光路和两个参比波段,能够抑制光源扰动和质地变化带来的误差。本课题在仔细研究了三波段六光束反射式近红外水分仪的工作原理之后,在前人的基础之上,针对近红外水分仪采样值不准确,无法正常测量的问题,对现有的硬件结构和软件进行修正与改进,使其能够准确的测量。并在此基础上提高了仪器的性能,完善了仪器的功能。重新设计水分仪的电源系统,完成各供电单元的设计,制作电源系统电路板。针对PbS探测器受温度影响较大这一问题,在应用制冷电路的基础之上,重新设计了探测器底座的结构,采用分离式的设计有效地隔绝了光源产生的热量。重新设计切光盘的结构,并且编写C8051F005下位机软件,对AD转换的采样方式进行改进,使仪器的AD采样由固定脉冲触发,稳定了采样位置,解决了采样位置不准确的弊端。重新设计了水分的计算方法,在水分计算比值中加入补偿因子,在很大程度上解决了参比波段光强随水分衰减过大的问题,保证了仪器的灵敏度。进行大量的实验,以实验数据对近红外水分仪进行标定。对仪器进行误差、读数稳定型、测量重复性等性能测试。通过实验数据证明,仪器在水分值较低的场合性能较高,水分值较大时,仪器性能略有下降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景与近红外水分检测的重要意义
• 1.2 水分检测原理综述
• 1.2.1 干燥法
• 1.2.2 电导法
• 1.2.3 电容法
• 1.2.4 卡尔费休法
• 1.2.5 微波法
• 1.2.6 近红外法
• 1.3 近红外水分测量的研究现状以及发展方向
• 1.4 本课题的主要工作与研究内容
• 第2章 近红外光谱特性与水分检测
• 2.1 近红外光谱检测技术的原理
• 2.1.1 红外线辐射简介
• 2.1.2 近红外光谱吸收
• 2.2 近红外水分检测技术原理
• 2.2.1 朗伯比尔定律
• 2.2.2 水的近红外吸收光谱
• 2.2.3 近红外水分仪的测量原理简介
• 2.2.4 近红外水分测量的优缺点
• 2.3 本章小结
• 第3章 近红外水分仪的总体结构设计
• 3.1 仪器的总体结构设计
• 3.1.1 基于三波长六光束的设计方案
• 3.1.2 三波段与双波段的性能比较
• 3.1.3 测量波段与参比波段的选择
• 3.1.4 仪器的总体结构组成
• 3.1.5 仪器的整体工作过程说明
• 3.2 红外探测器的选择和分析
• 3.2.1 红外光电探测器件简介
• 3.2.2 红外探测器的选择
• 3.2.3 PbS探测器的噪声来源
• 3.2.4 PbS探测器的噪声处理
• 3.3 光源的选择
• 3.3.1 白炽灯
• 3.3.2 卤钨灯
• 3.3.3 发光二极管（LED）
• 3.4 分光调制系统的优化
• 3.4.1 分光器件
• 3.4.2 调制系统
• 3.4.3 切光盘与探测器底座的优化设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 系统电路的优化与实现
• 4.1 电源系统的优化设计
• 4.1.1 近红外水分仪各个部分的电源需求分析以及总体设计
• 4.1.2 数字电路供电
• 4.1.3 模拟电路供电
• 4.1.4 光源与制冷供电
• 4.2 制冷电路的实现
• 4.2.1 温度控制方案
• 4.2.2 温度采集电路
• 4.2.3 温度控制电路
• 4.3 模拟信号处理电路
• 4.3.1 PbS探测器偏置电路
• 4.3.2 前置放大电路
• 4.3.3 带通滤波电路
• 4.3.4 后级增益可调放大电路
• 4.3.5 限幅保护电路
• 4.4 数字电路
• 4.4.1 双单片机通信
• 4.4.2 同步信号检测电路
• 4.4.3 键盘与数码管显示
• 4.4.4 DS1302实时时钟
• 4.4.5 串口通信
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统软件的优化设计
• 5.1 下位机软件设计
• 5.1.1 同步信号类型的判断
• 5.1.2 AD转换
• 5.1.3 C8051F005程序流程框图
• 5.1.4 C8051F340的程序流程框图
• 5.2 数据滤波处理
• 5.2.1 取样积分算法
• 5.2.2 工频干扰噪声的滤除方法
• 5.2.3 滤波方式的选择
• 5.3 本章小结
• 第6章 近红外水分仪的数据处理与标定分析
• 6.1 水分计算数据处理方法的研究及水分比值的选取
• 6.1.1 内外光路的分析
• 6.1.2 水分计算采样比值的研究与选取
• 6.2 系统的曲线标定及拟合方式的选择
• 6.2.1 比值T与真实水分值的数据标定
• 6.2.2 拟合方式的选取
• 6.2.3 测量结果离散度测试
• 6.2.4 测量重复性测试
• 6.2.5 抗质地干扰测试
• 6.3 系统的误差与影响因素分析
• 6.3.1 探测器方面
• 6.3.2 系统硬件方面
• 6.3.3 其他误差
• 6.4 本章小节
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢