實時在線監(jiān)測，可以輕松實現嗎

在氣象環(huán)境監(jiān)測、產品質量檢測等領域，經常需要測定濁度。濁度表征了無色透明液體中懸浮物和膠體物質對光線透射所產生的阻礙程度。在理想的狀況下，濁度可以通過理論計算獲得，但在實際工程中，液體中顆粒的大小、形狀、表面構造、表面性質等因素都對濁度值有很大影響。所以在工程中為了得到準確的濁度參數，需要進行實際的測量。

為解決此問題，根據透射率與吸光度之間的關系，采用激光透射的方法進行測量，而高速高精度的數據采集卡才能勝任這一過程中的數據采集，才能保證系統(tǒng)的實時在線監(jiān)測。對該系統(tǒng)而言，除了激光驅動電路的穩(wěn)定性和信號調理電路的質量，數據采集平臺的可靠性和工作速度將是實時在線監(jiān)測目標的重要挑戰(zhàn)。

系統(tǒng)設計的考慮

系統(tǒng)結構框圖如圖1所示，經調制后的激光通過分光器后，分得兩束光，其中一束經過待測濁液后進入接收端1，另一束光直接進入接收端0，分別經過接收端的信號處理后，形成兩路輸入信號，進入數據采集系統(tǒng)，構成雙通道的液體濁度測量裝置。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

進行硬件設計

(1)光源驅動電路

系統(tǒng)使用635nm半導體激光器作為光源，為了降低噪聲信號的干擾，便于檢出有用信號，將激光源調制成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1MHz信號進行1000分頻以輸出頻率穩(wěn)定性好的1KHz方波信號。

(2)信號調理電路

系統(tǒng)中采用對射式接收方式，采用光電二極管作為光電探測器。光電二極管將光信號轉變?yōu)殡娏餍盘柡?，進行I/V轉換及前置放大，將電流信號轉變?yōu)閺姸雀蟮碾妷盒盘?。為了提取出有效信號，采用帶通濾波器對信號進行濾波，以獲得1kHz的有效信號。為了進一步提高采集信號的強度，采用同相比例放大電路進行放大。

(3)數據采集卡硬件

系統(tǒng)的數據采集模塊采用高性能數據采集卡PCI-9846H來設計。PCI-9846H數據采集卡為凌華科技的高性能數據采集卡，為16位4通道型，如圖2所示。PCI-9846H數據采集卡可以對高達20MHz的高頻高動態(tài)范圍的輸入信號進行采樣，采樣率40MS/s。如此高的采樣率為實時在線測量提供了有效保證。PCI-9846H帶有512MB的板載內存作為緩存，不會受限于PCI總線的傳輸率，能記錄下更長時間段內的波形情況，可以實現更廣泛的應用。PCI-9846H系列數字化儀配備了4個高度線性化的16位A/D轉換儀，能滿足具有高度動態(tài)范圍設備的理想應用需求。PCI-9846H 擁有四個同步模擬輸入通道，四條通道可分別以最大采樣率10MS/s、20MS/s和40MS/s進行同步采樣，可以有效滿足同步多通道數據采集，以保證系統(tǒng)各通道數據的同步性，對于實現高精度的測量系統(tǒng)提供有效的保障。

圖2 數據采集卡外形圖

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

軟件的實現

軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的重要組成部分，本測量系統(tǒng)中采用Visual Basic開發(fā)系統(tǒng)的應用軟件，界面設計非常便捷，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。通過查閱相關技術手冊，可以獲得該控件各屬性的使用方式。DAQPilot同時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)的應用程序軟件界面如圖3所示。

圖3 上位機軟件界面

在窗口程序設計界面，在DAQPilot向導中可以進行板卡的設置，選擇通道0和1為輸入模擬信號的兩個端口。在采樣率方面，每個通道的采樣率設置為200000。由于輸入的有效信號頻率為1KHz，所以在每個信號周期中，能夠有效采集200個數據點，完全能夠滿足精度要求，能夠非常準確地描述信號波形數據。除了上述的各項設置，還可以對DGraph控件的X軸進行屬性頁的設置，以改變在顯示窗口中的顯示狀態(tài)。

測試與性能分析

(1)系統(tǒng)測試

在系統(tǒng)的實際測試中，采用標準量具測量液體的體積，采用滴定一定量的濃度均勻的牛奶來改變待測溶液的濁度。實驗步驟如下：

a)將燒杯中加入定量體積的純凈水。

b)校準好光學裝置，定量向純凈水中加入牛奶，使用膠頭滴管進行定量滴定，每加入一滴牛奶，攪拌均勻并等濁液穩(wěn)定下來后，按下系統(tǒng)軟件上的計算按鈕，得到兩路輸入信號強度之比，該數據即為透射率。每滴定一次，測量一組數據。

將測量數據用MATLAB進行處理，以加入牛奶的體積為橫軸，以每次測量透射率的平均值為縱軸，描點后如圖6所示。

圖4 測量數據描點

從圖中可以看出，這些點的走勢是符合指數特征的，采用一個適當的指數曲線可與之擬合，曲線SSE完全滿足了系統(tǒng)的設計要求。

(2)系統(tǒng)性能分析

以加入牛奶的量為自變量，透射率的值為應變量，應變量和自變量滿足一定的函數關系。通過實際擬合曲線與理論推導函數的比對，可以得到如下系統(tǒng)性能測試結論：

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

b)函數關系的第二項指數項前的系數遠遠小于1，該項表示了實際值與理論值的一個偏差，經查閱相關技術資料，發(fā)現在顆粒濃度較高的情況下，由于存在重疊散射效應，會有更多的光線透射出去，也就是透射光更強，這也正符合了該項的變化趨勢。

c)根據對數學模型和實際測得的擬合曲線函數形式的比對，可以推斷得出，在牛奶中影響透射光強弱的微粒應該以一種為主。為了驗證這一實驗結果，參考相關資料，可以發(fā)現：均勻的牛奶中主要由脂肪顆粒形成，脂肪表面被蛋白質所包裹，所以能在水中穩(wěn)定存在，牛奶所顯現的乳白色主要就是光線在這些包裹著蛋白質的脂肪顆粒上發(fā)生散射所造成的。這也反過來驗證了擬合曲線是比較符合實際情況的。

總體而言，系統(tǒng)使用了凌華科技公司的PCI-9846H高性能多通道數據采集卡，大大提升了系統(tǒng)整體性能，所測量數據的可靠性和精度較高，達到了預期的開發(fā)目的。因此，基于高速數據采集卡的光電式雙通道渾濁度測量系統(tǒng)，可以實現實時在線監(jiān)測。系統(tǒng)設計方案可以很容易移植到其它的應用系統(tǒng)中，在環(huán)境質量監(jiān)測、水質監(jiān)測、氣象參數監(jiān)測、食品質量監(jiān)測等領域應用前景廣泛。