基于AT89C52的非分散紅外測油儀的研制

　　本儀器采用國內外常用的非分散紅外光度法( Non- Disper-sive Infrared 簡稱 NDIR) 來檢測水中的油類物質。非分散紅外法是利用油類物質的甲基( - CH3) 和亞甲基( - CH2) 在近紅外區(qū)( 2930 cm- 1 或 3.4μm) 的特征吸收進行測定。該法只利用了礦物油中CH3、CH2 兩個特性基團的紅外吸收進行測定, 沒有參考其中芳環(huán)的響應。此方法適用于樣品中芳香烴含量不高的情形。該方法為美國環(huán)境保護署對土壤和水中油的測量的標準方法。

　　非分散紅外光度法是基于光學中的朗伯- 比耳定律: 當一束單色平行光垂直射入吸收介質的溶液時, 溶液的吸光度與吸收物質的濃度和液層厚度乘積成正比。朗伯一比爾定律的數學表示式為:

式中: K 表示被測物質的吸光系數, 與介質本身的性質有關; L 表示液層厚度; C 表示物質的濃度; I0表示入射光強度; I表示透射光強度; A 表示吸光度。

　　對特定種類的油, 在特定波長處, 其吸光系數k 為常量, 在液層厚度L 一定時, kL 為常量。并且入射光強度I0可由系統(tǒng)試驗測定, 且恒定( 有恒定的光源保證) , 透射光強度I 可由紅外傳感器測定, 這樣便可求出吸光度A 。可見油的濃度C 與其吸光度A, 在特定條件下呈簡單的線性、正比關系。以吸光度A 對濃度C 作圖, 會得到一條通過原點的直線, 該直線稱為標準曲線。利用A 與C 之間的這種確定關系, 就可以由A 直接求出C。

　　2 儀器的硬件設計

　　2.1 儀器總體結構

　　紅外測油儀主要包括光源、單色器、步進電機、調制器、樣品池、參比池、光電導探測器、信號處理電路、轉換器、單片機系統(tǒng)等幾大部分組成, 整個儀器的結構框圖如圖1 所示:

　　油類中含有甲基、亞甲基等官能團, 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, 經過由光柵組成的單色器濾光, 產生為3.4μm 的窄帶紅外光。窄帶紅外光經過調制器調制后的復合脈沖光通過兩組反射鏡對稱的分為兩束, 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相同的光電導傳感器上。光電導傳感器把兩路光信號轉變?yōu)殡娦盘? 再經過放大電路放大及信號處理、A/D 轉換, 最后進入單片機系統(tǒng), 并由此系統(tǒng)控制采樣, 數據處理及濃度計算等。

　　2.2 傳感器選擇

　　選用近紅外光電導探測器硒化鉛(PbSe)作為紅外傳感器,其波長范圍為1~7μm, 峰值波長為4μm。它能夠接受由目標發(fā)出的紅外輻射信號, 并使之轉換為電信號, 具有較高的響應度和探測度。

　　2.3 微弱信號的檢測

　　2.3.1 信號處理流程

　　自然光和熱體紅外光的干擾是在開發(fā)此測油儀時遇到的主要困難。在非分散紅外測油儀中, 由于傳感器的探測信號微弱、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, 可采用切光器對光源進行調制, 使其變?yōu)轭l率域的光。當光信號變?yōu)轭l率域的信號后, 產生的電信號也相應的變?yōu)榻涣餍盘?。這樣就可避開電路設計上的一大難點: 對微弱直流信號進行處理。

　　由于光電導傳感器輸出的電壓信號比較小, 其值為幾毫伏, 所以必須經過前置放大器放大到A/D 轉換的范圍值方能進入單片機系統(tǒng)進行一系列處理。系統(tǒng)選用低漂移、低失調、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。經過放大的信號由連續(xù)時間模擬集成有源濾波器MAX275 構成的四階帶通濾波器選出信號。然后再進入相敏檢測器, 進一步抑制噪聲, 并經過低通濾波后把信號變?yōu)橹绷餍盘? 從而便于 A /D 處理。該直流信號由A/D 轉換AD7705 進行A/D 轉換后輸入單片機系統(tǒng), 由單片機進行數據采樣和處理,從而得到油的濃度。信號處理流程如下:

　　2.3.2 相敏檢測

　　本儀器采用了峰值相敏檢測技術將交流信號轉換為直流信號, 并進一步提高信噪比, 解決弱信號的有效提取這一難題。