基于AT89C52的非分散紅外測(cè)油儀的研制

　　本儀器采用國(guó)內(nèi)外常用的非分散紅外光度法( Non- Disper-sive Infrared 簡(jiǎn)稱 NDIR) 來檢測(cè)水中的油類物質(zhì)。非分散紅外法是利用油類物質(zhì)的甲基( - CH3) 和亞甲基( - CH2) 在近紅外區(qū)( 2930 cm- 1 或 3.4μm) 的特征吸收進(jìn)行測(cè)定。該法只利用了礦物油中CH3、CH2 兩個(gè)特性基團(tuán)的紅外吸收進(jìn)行測(cè)定, 沒有參考其中芳環(huán)的響應(yīng)。此方法適用于樣品中芳香烴含量不高的情形。該方法為美國(guó)環(huán)境保護(hù)署對(duì)土壤和水中油的測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方法。

　　非分散紅外光度法是基于光學(xué)中的朗伯- 比耳定律: 當(dāng)一束單色平行光垂直射入吸收介質(zhì)的溶液時(shí), 溶液的吸光度與吸收物質(zhì)的濃度和液層厚度乘積成正比。朗伯一比爾定律的數(shù)學(xué)表示式為:

式中: K 表示被測(cè)物質(zhì)的吸光系數(shù), 與介質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān); L 表示液層厚度; C 表示物質(zhì)的濃度; I0表示入射光強(qiáng)度; I表示透射光強(qiáng)度; A 表示吸光度。

　　對(duì)特定種類的油, 在特定波長(zhǎng)處, 其吸光系數(shù)k 為常量, 在液層厚度L 一定時(shí), kL 為常量。并且入射光強(qiáng)度I0可由系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)定, 且恒定( 有恒定的光源保證) , 透射光強(qiáng)度I 可由紅外傳感器測(cè)定, 這樣便可求出吸光度A 。可見油的濃度C 與其吸光度A, 在特定條件下呈簡(jiǎn)單的線性、正比關(guān)系。以吸光度A 對(duì)濃度C 作圖, 會(huì)得到一條通過原點(diǎn)的直線, 該直線稱為標(biāo)準(zhǔn)曲線。利用A 與C 之間的這種確定關(guān)系, 就可以由A 直接求出C。

　　2 儀器的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 儀器總體結(jié)構(gòu)

　　紅外測(cè)油儀主要包括光源、單色器、步進(jìn)電機(jī)、調(diào)制器、樣品池、參比池、光電導(dǎo)探測(cè)器、信號(hào)處理電路、轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)系統(tǒng)等幾大部分組成, 整個(gè)儀器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示:

　　油類中含有甲基、亞甲基等官能團(tuán), 在紅外波段3.4um 附近有明顯吸收, 有特征吸收峰, 而用作從水樣中萃取油份的四氯化碳(CCI4)在3.4um 波長(zhǎng)附近基本不吸收, 透過率在 80%以上。這樣首先將萃取劑 CCI4 放在參比池中作為本底樣品, CCI4萃取的油的混合溶液放入樣品池, 由溴鎢燈制作的光源發(fā)出紅外光, 經(jīng)過由光柵組成的單色器濾光, 產(chǎn)生為3.4μm 的窄帶紅外光。窄帶紅外光經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制后的復(fù)合脈沖光通過兩組反射鏡對(duì)稱的分為兩束, 分別照射在樣品池和參比池上。兩束光出來后分別照射在兩個(gè)相同的光電導(dǎo)傳感器上。光電導(dǎo)傳感器把兩路光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào), 再經(jīng)過放大電路放大及信號(hào)處理、A/D 轉(zhuǎn)換, 最后進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng), 并由此系統(tǒng)控制采樣, 數(shù)據(jù)處理及濃度計(jì)算等。

　　2.2 傳感器選擇

　　選用近紅外光電導(dǎo)探測(cè)器硒化鉛(PbSe)作為紅外傳感器,其波長(zhǎng)范圍為1~7μm, 峰值波長(zhǎng)為4μm。它能夠接受由目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射信號(hào), 并使之轉(zhuǎn)換為電信號(hào), 具有較高的響應(yīng)度和探測(cè)度。

　　2.3 微弱信號(hào)的檢測(cè)

　　2.3.1 信號(hào)處理流程

　　自然光和熱體紅外光的干擾是在開發(fā)此測(cè)油儀時(shí)遇到的主要困難。在非分散紅外測(cè)油儀中, 由于傳感器的探測(cè)信號(hào)微弱、背景噪聲大, 為了避開干擾光的影響, 在大的噪聲中提取光信號(hào), 可采用切光器對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制, 使其變?yōu)轭l率域的光。當(dāng)光信號(hào)變?yōu)轭l率域的信號(hào)后, 產(chǎn)生的電信號(hào)也相應(yīng)的變?yōu)榻涣餍盘?hào)。這樣就可避開電路設(shè)計(jì)上的一大難點(diǎn): 對(duì)微弱直流信號(hào)進(jìn)行處理。

　　由于光電導(dǎo)傳感器輸出的電壓信號(hào)比較小, 其值為幾毫伏, 所以必須經(jīng)過前置放大器放大到A/D 轉(zhuǎn)換的范圍值方能進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行一系列處理。系統(tǒng)選用低漂移、低失調(diào)、低功耗、高精度的儀器儀表用放大器 AD620 作為前置放大電路的主要元件。經(jīng)過放大的信號(hào)由連續(xù)時(shí)間模擬集成有源濾波器MAX275 構(gòu)成的四階帶通濾波器選出信號(hào)。然后再進(jìn)入相敏檢測(cè)器, 進(jìn)一步抑制噪聲, 并經(jīng)過低通濾波后把信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào), 從而便于 A /D 處理。該直流信號(hào)由A/D 轉(zhuǎn)換AD7705 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)系統(tǒng), 由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和處理,從而得到油的濃度。信號(hào)處理流程如下:

　　2.3.2 相敏檢測(cè)

　　本儀器采用了峰值相敏檢測(cè)技術(shù)將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào), 并進(jìn)一步提高信噪比, 解決弱信號(hào)的有效提取這一難題。