散射光式浊度仪及信号处理的研究

摘要

随着社会经济的发展，水对人民生活、工业生产的影响日益加强，所以水质的好坏直接关系着人民大众的身体健康，关系着工业生产的顺利进行。浊度作为检测水质好坏的主要技术参数，是水质检测的必检项目。浊度仪，顾名思义是测量水浑浊度的仪器，在很多方面有着广泛的用途，如：环保、水文、食品工业、医药、电子和能源等行业。 电子技术的快速发展为浊度仪朝着集成化、多功能化、智能化发展奠定了基础。由于起步较晚，国产浊度仪无论在性能上、稳定性上都与进口浊度仪有着明显的差距，但是进口浊度仪结构复杂、价格昂贵，不适合推广。因此，浊度仪的研制将具有非常重要的意义。 本文介绍了光的吸收定理和散射定理——这是浊度仪之所以能够分析并检测浊度的理论基础，通过分析进一步加深对浊度仪工作原理的了解。根据国际标准ISO7027可知，现今测量水的浊度主要以光学浊度仪测量法为主，主要包括散射光法和透射光法两种，散射光法主要用于测量低浊度水，但也可用于高浊度水的测量；而透射光法更适合于测量高浊度水。在分析和比较其优缺点后，针对课题要求选择散射光式测量方法；并选择以90°角作为检测角度，以减小杂散光的影响。 通过比较白炽灯/钨灯和发光二极管/激光二极管的各项性能指标，考虑到水对光线具有选择性吸收作用，选择890nm的红外发光二极管作为浊度仪的发光器件，其有发光光强稳定、寿命长、发光光谱窄等优点，且用波长大于800nm的红外光进行测量可以大大减小水中光吸收物质的影响；通过对光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管等光敏器件的各项性能的分析与比较，选择响应时间短、输出特性线性度好的光敏二极管作为光接收器件，并与红外发光二极管相配套，构成浊度仪工作的重要系统——光电系统。采用ATMEL公司的ATmegal6增强型、低功耗8位单片机作为系统的硬件平台设计浊度仪硬件电路。考虑到在实际测量中水样的浊度较小，所以选择两级信号放大电路，其中一级放大电路采用仪表放大器AD623，提高其检测信号的灵敏度。为了消除背景光、杂散光等的影响，设计了简易而多用途的水样槽。 最后，进行了浊度仪的实验室验证。分别对其在处理水中的气泡、水体的颜色以及水中有机物等方面对浊度测量的干扰进行了实验分析。通过大量的实验表明散射光式浊度仪可以完成对水浑浊度的测量任务。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录与符号说明

声明

第一章绪论

1.1浊度仪应用概述

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3课题研究的背景与内容

1.3.1选题背景

1.3.2课题内容

第二章浊度测量原理

2.1浊度的定义及其单位

2.2光的吸收和散射作用

2.2.1朗伯-比耳光吸收定理

2.2.2散射定理

2.3浊度测量方法

2.3.1透射光式测量法

2.3.2散射光式测量法

2.3.3透射——散射比较测量法

2.3.4其它测量法

2.3.5浊度测量方法的确定

2.4散射光式浊度测量范围及非线性分析

2.5本章小结

第三章光电器件选型及模型分析

3.1发光器件选型及模型分析

3.1.1白炽灯/钨灯

3.1.2发光二极管/激光二极管

3.1.3发光器件的确定

3.2光接收器件选型及模型分析

3.2.1光敏电阻

3.2.2光电池

3.2.3光敏二极管

3.2.4光敏三极管

3.2.5光接收器件的确定

3.3光路系统结构

3.4本章小结

第四章浊度仪的硬件设计

4.1引言

4.2电源供电电路

4.3光源驱动电路

4.4信号放大电路

4.4.1放大器选择

4.4.2放大电路

4.5键盘接口电路

4.6 LCD显示电路

4.7 ATmega16控制电路

4.7.1晶振电路

4.7.2同步串行接口SPI

4.7.3 JTAG接口

4.7.4 A/D转换电路

4.7.5 USART异步串行通信接口

4.7.6复位电路

4.8浊度仪水样槽的设计

4.8.1水样槽设计介绍

4.8.2水样槽设计

4.9本章小结

第五章浊度仪的软件设计

5.1 AVR开发环境介绍

5.1.ICC AVR编译器

5.1.2 AVR Studio集成开发环境

5.2 A/D转换寄存器设置

5.2.1 ADC多工选择寄存器ADMUX

5.2.2 ADC控制和状态寄存器ADCSR

5.3异步串行口通信

5.3.1 USART控制和状态寄存器A-UCSRA

5.3.2 USART控制和状态寄存器B-UCSRB

5.3.3 USART控制和状态寄存器C-UCSRC

5.3.4异步串行口通信程序

5.4键盘扫描程序

5.5 LCD显示程序

5.6浊度仪的标定

5.7气泡的处理

5.8本章小结

第六章浊度仪实验数据处理分析

6.1数据处理的基本概念

6.1.1真值和平均值

6.1.2误差的产生

6.1.3精密度和准确

6.1.4回归分析的基本原理和方法

6.1.5相关系数

6.2浊度仪标定液的制备

6.2.1 Formazine标准液的制备

6.2.2零浊度水的制备

6.3浊度仪重复性实验

6.4水样中气泡的处理及其分析

6.4.1实验方案设计

6.4.2实验结果分析

6.5水体颜色对浊度影响的定性分析

6.5.1实验方案设计

6.5.2吸收峰的测量

6.5.3颜色对浊度影响的分析

6.6水中有机物对浊度测量的影响

6.6.1实验方案设计

6.6.2有机物对浊度的影响

6.7本章小结

第七章总结与展望

参考文献

附录

致谢

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