无可动部件的多波长近红外水分检测研究

摘要

在很多生产领域中，物质的水分含量是生产过程中的重要参数。因而准确、快速地测量出物质中的水分含量具有重要的意义。在水分检测方法中，近红外检测法具有非接触、可连续、测量速度快等特点，在很多领域得到了广泛的应用。传统的近红外水分仪存在可动部件，机械的转动会影响仪器的测量精度和稳定性，仪器的功耗和体积也比较大。 本文针对传统的近红外水分测量仪的不足之处，提出了一种无可动部件的新型近红外水分检测方案。采用近红外LED光源代替传统的大功率光源;采用电调制代替机械调制;采用锁相放大技术将淹没在强噪声背景下的有用信号提取出来。本文的主要工作内容如下: (1)研究近红外水分检测的理论，其中包括近红外光谱分析的理论、漫反射定量分析理论和三波长测量法的原理。研究并应用锁相放大技术，对微弱信号进行检测; (2)设计近红外水分仪的光学系统，应用LightTools软件对光学系统进行模拟仿真，通过对比分析选取了最佳的光学系统设计方案; (3)设计并制作水分仪的硬件电路，其中包括电源电路、光源驱动电路、信号检测电路和数字电路等; (4)采用C语言编写近红外水分仪的单片机程序，在LabVIEW开发环境下完成近红外水分仪的上位机设计; (5)在实验室条件下，应用设计制作的近红外水分仪，以烧结混合料为水分检测对象，进行了最佳测量距离实验、水分仪标定实验、重复性实验和稳定性实验。实验表明，仪器的最佳测量距离为0～150mm，测量含水量为3％～8％的烧结混合料时，仪器的稳定性实验中的最大绝对变化量在0.31％水分含量以内，仪器的重复性实验中的相对标准偏差为2.14％，仪器的测量误差小于0.34％水分绝对含量。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景与意义

1．2水分测量技术的主要方法

1．3国内外发展现状

1．4本课题的主要研究内容

第2章多波长近红外水分检测原理与方案

2．1近红外光谱分析的原理

2．1．1近红外光谱

2．1．2水的近红外光谱吸收特性

2．2近红外水分仪的漫反射定量分析理论

2．2．1物料表面的漫反射分析

2．2．2漫反射分析定量原理

2．3三波长测量法的原理

2．4微弱信号检测理论

2．4．1微弱信号

2．4．2噪声主要来源

2．4．3微弱信号检测方法

2．4．4锁相放大原理

2．4．5正交矢量型锁相放大器

2．5多波长近红外水分测量系统的整体设计

2．5．1传统测量系统的分析

2．5．2新型近红外水分检测系统的方案设计

2．6本章小结

第3章光路系统的设计及仿真

3．1光学系统设计的原理

3．1．1 LightTools光学系统模拟软件介绍

3．1．2光学系统设计的步骤

3．2光学系统中器件的选型及模型的建立

3．2．1光源的选型

3．2．2光源模型的建立

3．2．3红外光电探测器的选型

3．2．4红外光电探测器模型的建立

3．3水分仪光学系统的分析

3．3．1光学系统的仿真

3．3．2光学系统方案的选择

3．4本章小结

第4章水分仪硬件电路设计

4．1硬件电路总体设计

4．2电源系统的设计及实现

4．2．1电源电路的设计

4．2．2模拟电路电源设计

4．3光源驱动电路设计

4．3．1激励信号发生器

4．3．2恒流源电路的设计

4．3．3参考信号电路

4．4信号检测电路

4．4．1前置放大电路

4．4．2滤波电路

4．4．3乘法电路

4．5隔离电路

4．6采样保持电路

4．7数字电路

4．7．1数字电路电源设计

4．7．2主控MCU

4．7．3通信电路

4．7．4测温电路

4．8系统接地与抗干扰措施

4．9本章小结

第5章水分仪软件设计及测量数据处理

5．1水分仪的软件设计

5．1．1数据采集程序的设计

5．1．2温度测量程序的设计

5．1．3通讯程序的设计

5．2水分仪上位机软件的设计

5．3近红外水分测量数据处理

5．4本章小结

第6章近红外水分仪的水分测量实验及性能测试

6．1测量距离对测量结果影响的实验研究

6．1．1实验设备及原料

6．1．2主要实验步骤

6．1．3实验数据的分析

6．1．4近红外水分仪最佳测量距离的分析

6．2近红外水分仪的标定

6．2．1实验设备及原料

6．2．2主要实验步骤

6．2．3曲线拟合

6．2．4最佳曲线拟合方式的选择

6．3近红外水分仪水分测量验证实验

6．4近红外水分仪测量精度及重复性测试

6．5近红外水分仪稳定性实验

6．6本章小结

7．1结论

7．2展望

参考文献

致谢