球磨机研磨泥浆粒度检测研究

1、球磨机研磨泥浆粒度检测研究摘 要:目前陶瓷泥浆粒度的检测主要采用传统的筛析法，测量效率低，精度也不高，严重阻碍着陶瓷生产的自动化。本课题研究、设计了一套新型的检测装置，包括上位机监测软件与下位机检测电路。依据量子光学与光量子器件国家重点实验室论证的光的后向散射光强与泥浆粒度呈线性关系理论，创造性地采用双d光纤实现光束的发射和接收，将接收陶瓷泥浆颗粒对光信号的后向散射光线，利用光纤放大器将其转化成对应的电压信号，对电压信号进行模数转换，经过单片机的处理得到我们需要检测的数据，通过检测不同粒度下的陶瓷泥浆样本，记录、分析各组电压值和陶瓷泥浆粒度的关系。得到的结论是测得的电压值与泥浆粒度之间的曲线是

2、线性的。该检测设备不仅拥有良好的粒度检测功能，还拥有良好的人机交互 以及优越的远程数据传输功能。本测量装置性能稳定、测量准确、性价比高，能够广泛应用于陶瓷生产中。关键词：双d光纤传感器，光纤放大器，单片机，后向散射理论abstract:at present ceramics mud densitys examination mainly depended on the traditional sieve analysis method.however,the low efficiency and accuracy seriously hindered the automation of the

3、 ceramics production.the project researched and designed a new detection device,which included host computers monitoring circuits and lower machines detection circuit.it depended on the quantum optics and quantum optics devices state key laboratorys theory that the intensity of backward light scatte

4、ring was proportional to the density of mud.the device utilized double-d fiber to transmit and receive beams creatively.it used fiber amplifiers to translate the backscattering light of light signal went through the ceramic mud to the corresponding voltage signal.then is the analog to digital conver

5、sion before we get the detection data disposed by the scm.through detecting the ceramic mud samples with different particle size,we analysed the relationship between the measured voltage and its corresponding ceramic muds paricle size.the conclusion was the voltage was proportional to the particle s

6、ize.the device has good particle size detection function,good man-machine interaction and excellent remote data transmission function.because of its stable performance,measurement accuracy and cost-effective, the measuring device can be used in ceramic production widely.key words: double-d optical f

7、iber sensor, optical fiber amplifiers, microcontroller, backscatter theory第一章 绪论1.1课题设计的目的与意义改革开放以来，由于陶瓷生产企业的迅速发展，先进技术的不断更新，我国的陶瓷产量迅速增加。目前，我国的陶瓷生产能力已形成相当的规模，成为世界上陶瓷生产第一大国，占世界总产量的三分之一。山东淄博的陶瓷生产历史悠久，可追溯到春秋时期的齐国，是中国三大陶瓷生产基地之一。陶瓷泥浆是生产陶瓷产品最基本的原料，当前企业的陶瓷泥浆制作工艺比较简单。通常是先将粘土、长石、石英等相关配料用打粘机打碎，然后投入到球磨机中，并按一定比例

8、加入水（配料、球石、水的比例各企业有所不同）1。之后封死球磨机的装料口，电动机带动球磨机旋转，使球石在球磨机内滚动，从而达到研磨配料的目的。研磨一定时间后（各企业的球磨机工作时间不尽相同），放出配料和水混合而成的陶瓷泥浆，将陶瓷泥浆放入泥浆池存放。为了保证陶瓷产品的质量，要求存放的陶瓷泥浆粒度大小要适中2,陶瓷泥浆的粒度要控制在2030 um之间。泥浆粒度过小，延长了泥浆研磨时间，增加了能源的消耗；泥浆粒度过大，抗折强度低，造成较多的半成品破损，加工性能差，待别是双面吃浆产品及立浇座便器等在双面吃浆部位，易造成接触不实，分层而在烧成中出现分层或凸起等现象，同时在绕成过程中，颗粒间接触面少，瓷化

9、不完全，产品吸水率大，易出现风惊、炸裂。因此，陶瓷泥浆的粒度是陶瓷生产企业中比较重要的生产技术指标从而陶瓷泥浆粒度检测成为陶瓷生产的关键技术，这也是本课题研究的主要内容。目前，陶瓷泥浆的粒度检测主要是采用传统的物理筛析法3，要专人检测陶瓷泥浆粒度的大小，具体方法是：(1) 用量杯从泥浆池盛出少量搅拌均匀的泥浆。（2）将坩埚放到天平上，并往坩埚内放入陶瓷泥浆，称量并记录下质量值。（3）将坩埚放到电炉上烘烤，直到坩埚内泥浆中的水分全部蒸发。（4）将坩埚从电炉上拿开，待坩埚稍凉，放到天平上再次称量，并记录下数值。（5）让烘干的粉体试样通过一系列不同筛孔的标准筛，将其分离成若干个粒级，分别称重，求得以

10、质量百分数表示的粒度分布。这样的测量方式非常繁琐，要动用天平、甘锅、酒精灯、泥浆取样勺、纸、笔、计算器等器材，测量一个陶瓷泥浆样本需要经过若干个步骤，整个过程的操作时间需40分钟左右，效率非常低而且精度也不高。为了能快速、方便的测量陶瓷泥浆粒度，需要研制一种新型的检测仪器。依据mie散射理论4，分析推导出反射总光强强度的积分运算公式，证明采用后向散射方法5测量陶瓷泥浆粒度的可行性。在实验时，双d光纤传感器6的一只光纤将波长是650-700nm的红色光线直接射入陶瓷泥浆，另一只光纤接收来自陶瓷泥浆颗粒的后向散射光线，光纤放大器将光信号转换为电压信号；分别测量配制好的泥浆颗粒粒径在100040um

11、的若干陶瓷泥浆样本，获得一组数据，分析这组数据知道：陶瓷泥浆颗粒粒径在100040um时的数据曲线是非线性的，陶瓷泥浆颗粒粒径在10040um时的数据曲线是线性的。依据这个实验结果，研制了陶瓷泥浆粒度检测设备。本测量设备通过参数的调整可以应用于不同的生产部门中，例如石料厂生产、挖煤生产等过程中。因此，对这一课题进行专门研究具有重要的现实意义。1.2 本课题研究的泥浆粒度测量设备论述设备采用光纤传感器8接收后向散射光，测量设备采用差分输入模式，避免外界环境对接收光的影响；利用光纤放大器将采集的光信号转换成稳定的电压信号；微处理器采用stc89c52实时采集系统信号并使用lcd1602液晶显示，当

12、粒度超过设定值时进行声光报警并自动切断球磨机电源；相关粒度将通过无线收发模块nrf903发给上位机，本设备上位机设在监控室，微处理器也采用stc89c52，并通过串口于pc的labview界面进行实时显示。本系统还可以扩展进行投料机以及注水机的监控，从而使泥浆粒度稳定、达标。本测量设备体积小、成本低、抗干扰能力强，优势明显，更容易在大中型陶瓷生产企业推广，具有广阔的市场前景。第二章 泥浆粒度测量的组成及方案论证2.1 系统整体设计思路系统整体设计基于光的mie散射理论，系统主要有光纤放大器模块、信号放大与数据处理电路、mcu电路、lcd1602显示电路、nrf903模块、rs232通信模块、键

13、盘电路、电源电路等部分组成。系统构成框图如图2-1所示： 无线通信labview界面上位机下位机激光发射接收信号处理电路声光报警液晶显示看门狗电路电源电路部分信号差放电路键盘电路rs232图2-1系统整体框图2.2 系统方案论证2.2.1 系统采用的理论论证 1) 陶瓷泥浆主要组成成份由于我们要对泥浆的粒度进行测量，所以有必要对其主要成份进行说明。（1）粘土，粘土是坯料中的主要来源，是陶瓷产品坯体耐火性能的主要依靠。粘土的可塑性和结合能力，使坯体具有一定的强度，在生产加工过程中避免变形和开裂，同时粘土的颗粒很细，与其它原料形成更合理的颗粒结构。在陶瓷产品烧制过程中，高岭土分解，与sio2作用生

14、成莫来石晶体，赋予坯体的强度。（2）长石，长石是熔剂原料，能降低陶瓷产品的烧成温度。长石在高温熔融后具有熔解其他物质的能力，能促使高岭土和其它瓷土的颗粒互相扩散，互相渗透，加速莫来石晶体的生长和发育；长石熔成玻璃态后，填充于各晶体颗粒之间，气孔率显著下降，使坯体致密，可提高制品的机械强度和电气特性。（3）石英，石英对泥料的可塑性起调剂作用，并能降低干燥收缩，缩短干燥时间和防止坯体变形。石英在高温中的化学亲和力较强，能与其它多种氧化物化和，高温中的液相粘度较高，增加坯体的结合能力。同时，也能增加坯体的机械强度和白度。2) 光的后向散射理论论述陶瓷泥浆粒度的检测是利用光的散射及光的后向散射7完成的

15、。光的散射是由于介质的光学性质不均匀性造成的，可以看作是反射、折射色散、衍射、共振辐射等作用的综合效果。散射是一种可观测的光与物质的相互作用。通常所看见的物体的光，都是被散射过来的光。由于散射和人们的生活息息相关，人们对于散射的研究也越来越多，越来越深入。目前，前向散射法已被广泛的应用，向后散射法还鲜有报道。本文利用双d光纤传感器作为检测设备，提出了用光后向散射法测量陶瓷泥浆粒度的技术，并理论分析了散射光照与陶瓷泥浆粒度的关系。图2-2是后向散射测量陶瓷泥浆粒度原理图。一束强度为i0的入射光经过双d光纤传感器的输入光纤射入陶瓷泥浆中，陶瓷泥浆颗粒将其散射到各个方向，对于与入射光方向夹角在90-

16、180范围内的这部分散射光被称为后向散射光。假设陶瓷泥浆颗粒是球形的，其直径是，其尺寸参量为。研究证实，颗粒散射光的特性主要取决于尺寸参量。当颗粒尺寸与入射光的波长可以比拟时，散射光的强度由mie散射理论来描述。目前，陶瓷泥浆颗粒粒径分布范围一般在之间8。选用波长处在同一数量级的红光信号作为检测信号，就可以用mie散射理论来计算陶瓷泥浆后向散射光强，达到实际陶瓷泥浆粒度测量的目的。根据mie散射理论，当波长为，强度为的平行光束入射到颗粒粒径为的球形粒子上时，在空间与散射粒子距离为处的散射光强为： (1)式（1）中为单颗粒的散射系数。对于陶瓷泥浆来说，在长达几个甚至十几个小时的球磨机研磨过程后，

17、颗粒粒径比较均匀，对于一个散射体中的每一个粒子都暴露在其它粒子的散射光之下，它散射被散射过来的光的一部分，一些被一次散射的光从散射体中射出去之前，要经过多次散射，但在不同粒度下的陶瓷泥浆测量过程中，粒度大，陶瓷泥浆颗粒就少，产生的颗粒多次散射量也少，粒度小，陶瓷泥浆颗粒就多，产生的颗粒多次散射量也多，而每一个颗粒的散射最终要从散射体中射出去，散射体中颗粒的多少与颗粒的多次散射量成正比，与散射体中射出的光总量成正比，因此，为了计算方便，可以将颗粒的多次散射量忽略。由于散射体中粒子随机的空间分布，就使得散射是互相独立和不相干的，因而在某一方向上的散射强度，就是散射体中各个粒子在这一方向上的散射强度

18、的相加。这时，若单位体积内的颗粒数为，则单位散射体的散射系数为，用颗粒的平均粒度来表示散射体中颗粒的粒度分布，那么，当光入射到一个单位散射体上时，则在距离为处的散射光强为： (2)在式（1）、（2）中，为尺寸参量，为被测颗粒折射率，为散射角，和为散射强度函数，分别表示平行于与垂直于散射面的强度分量，可用散射振幅函数,来分别表示。， （3） （4） （5） 与有关，其值可由ricattic-bessel函数决定，仅和散射角有关，其值可由legendre函数给出，由式（2）可看出，在入射波长，入射光强，探测距离，被测粒径的尺寸参量，折射率以及后向散射角已知时，散射光强与粒度成正比，这就是光后向散射

19、法测泥浆粒度的理论依图2-2 后向散射示意图据。从图2-2的光后向散射原理中，我们不难想到，反射光纤采集的光强只是后向散射光强的一部分，为了使计算过程更加准确，我们需要求出陶瓷泥浆颗粒后向散射的总光照强度。陶瓷泥浆颗粒均匀分布于液体中，一束红光照射在与其垂直平面的粒子上，该被照射区域的散射光强由中心向外呈现逐渐衰减趋势。根据图2-3，利用公式（2）的散射光强度，可以得到散射光强密度衰减方程p（r） （5）式： （5）根据（5）式和图2-4求得的散射光强密度衰减方程p（r），得到总的散射光照强度 （6）利用公式（6）得到总的散射光强，将ia再次代入公式（2）中进行计算，最终可以求出单位体积内的颗

20、粒数目。 图2-3 光纤传感器截面图 图2-4 光纤传感器后向散射光截面图 量子光学与光量子器件国家重点实验室利用精密的仪器与先进的技术，对上述过程进行了精确的测量，发现颗粒粒径在几微米-几十微米之间时，后向散射光强与泥浆粒度具有很好的线性关系。利用一元线性回归可以求得散射光强与粒度的关系，并且误差保持在4%以内。基于以上理论，为了使测量更加精确，我们可以将回归线分为若干条，将误差进一步缩小。2.2.2反射式光纤传感器的原理及应用反射式光纤传感器9（见图2-5）具有原理简单、设计灵活、价格低廉等特点，并且已经在许多物理量（如位移、压力、振动、表面粗糙度等）的测量中获得成功应用。对于这类光纤传感

21、器的研究，美国的w.f.frank和c.d.kissinger等人在六七十年代申请了专利，并成功将它应用于位移的测量10。此后，r.o.cook等人对该类传感器进行了较为系统的研究，详细讨论了频率响应、动态范围、线性区间、工作距离、光纤参数对传感器特性的影响等问题。国内80年代不少学者也开始关注反射式光纤传感器，并对其进行深入得研究和广泛的应用。反射式光纤传感器的工作原理是将光源发出的光经过发送光纤照射到反射面，反射后再进入接受光纤，最后输出到光电转换器接收。根据文献11的定义，反射式光纤传感器的光强调制12系数m为接收光纤接收的光功率与发送光纤发送的光功率之比，光强调制系数m反映传感器的特性

22、。由beckmann散射理论可知，发送光纤射出的光在反射面上的光场由镜反射和漫反射两部分组成，其中反射项遵守几何光学原理；漫反射项较复杂。双d型光纤传感器是反射式光纤传感器的一种，又称为半圆型光纤传感器，一般由光源光纤和接收光纤构成，光纤只起传输信号的作用。当光源发出的光经光源光纤照射到反射体上后，被反射的光又经接收光纤输出，被光纤放大器接收。图2-5 双d光纤实物图2.2.3 信号采集电路方案选择信号采集电路主要完成后向散射光的采集，然后将光信号转化为电信号，以供后级电路放大。这里我们需要选择合适的光敏器件13，合理的电路，既要保证变化的光信号能够顺利采集到，又要防止外界光线、环境温度的影响

23、。这里采用了模拟量输出的光纤放大器。光纤放大器技术就是在光纤的纤芯中掺入能产生激光的稀土元素，通过激光器提供的直流光激励，使通过的光信号得到放大。光纤放大器利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出被测信号。图2-6 光纤放大器我们使用的是日本山武hpx-ma系列光纤放大器，采用模拟量输出，用途广，检测分辨率高。响应时间快，检测微小目标，适应各种环境，如图2-6所示。 2.2.4 放大电路选择智能仪表仪器通过传感器输入的信号，一般都具有“小”信号的特征：信号幅度很小(

24、毫伏甚至微伏量级)，且常常伴随有较大的噪声。对于这样的信号，电路处理的第一步通常是采用仪表放大器14先将小信号放大。放大的最主要目的不是增益，而是提高电路的信噪比，同时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好，动态范围越宽越好。仪表放大器电路性能的优劣直接影响到智能仪表仪器能够检测的输入信号范围。仪表放大器电路以其高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移等特点在传感器输出的小信号放大领域得到了广泛的应用。在阐述仪表放大器电路结构、原理的基础上，基于不同电子元器件设计了四种仪表放大器电路实现方案。通过仿真与实际电路性能指标的测试、分析、比较，总结出各种电路方案的特点。a. 仪表放大器电路的构成及原理仪表

25、放大器电路的典型结构如图2-7所示。图2-7 仪表放大器典型结构它主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放a1，a2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比cmrr)得到提高。这样在以运放a3为核心部件组成的差分放大电路中，在cmrr要求不变情况下，可明显降低对电阻r3和r4，rf和r5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在r1=r2，r3=r4，rf=r5的条件下，图2-7电路的增

26、益为：g=(1+2r1rg)(rfr3)。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变rg阻值实现。b.仪表放大器电路实现方案 目前，仪表放大器电路的实现方法主要分为两大类：第一类由分立元件组合而成；另一类由单片集成芯片直接实现。根据现有元器件，分别以单运放lm741和op0715，集成四运放lm324和单片集成芯片ad620为核心，设计出四种仪表放大器电路方案。方案1 由3个通用型运放lm741组成三运放仪表放大器形式，辅以相关的电阻外围电路，加上a1，a2同相输入端的桥式信号输入电路，如图2-8所示图2-8单运放组成的仪表放大器图2-8中a1a3分别用lm741替换即可。电路的工作原理与典型仪表

27、放大器电路完全相同。方案2由3个精密运放op07组成，电路结构与原理和图2-8相同。方案3以一个四运放集成电路lm324为核心实现。它的特点是将4个功能独立的运放集成在同一个集成芯片里，这样可以大大减少各运放由于制造工艺不同带来的器件性能差异；用统一的电源，有利于电源噪声的降低和电路性能指标的提高，且电路的基本原理不变。方案4 由一个单片集成芯片ad620实现，如图2-9所示。它的特点是电路结构简单：一个ad620，一个增益设置电阻rg，外加工作电源就可以使电路工作，因此设计效率高。图2-9中电路增益为：g=49.4k/rg+1。图2-9 ad620集成运算放大电路c.性能测试与分析 实现仪表

28、放大器电路的四种方案中，都采用4个电阻组成电桥电路的形式，将双端差分输入变为单端的信号源输入。性能测试主要是从信号源vs的最大输入和vs最小输入、电路的最大增益及共模抑制比几方面进行仿真和实际电路性能测试。测试数据分别见表2-1和表2-2。其中，vs最大(小)输入是指在给定测试条件下，使电路输出不失真时的信号源最大(小)输入；最大增益是指在给定测试条件下，使输出不失真时可以实现的电路最大增益值。共模抑制比由公式kcmrr=20|g | avdavc|(db)计算得出。表2-1 软件仿真数据测试对象 vs的最大输入 vs的最小输入 最大增益 kcmrr测试条件 f=25hz，g=4100，rp=

29、5k vs=100uf,rp=5k vcm=10v方案1 15.2mv 2uv 204 204 123db方案2 14.4mv 50nv 267 267 160db方案3 - 2uv - -方案4 14.8mv 2uv 60 600 145db由表2-1和表2-2可见，仿真性能明显优于实际测试性能。这是因为仿真电路的性能基本上是由仿真器件的性能和电路的结构形式确定的，没有外界干扰因素，为理想条件下的测试；而实际测试电路由于受环境干扰因素(如环境温度、空间电磁干扰等)、人为操作因素、实际测试仪器精确度、准确度和量程范围等的限制，使测试条件不够理想，测量结果具有一定的误差。在实际电路设计过程中，仿

30、真与实际测试各有所长。一般先通过仿真测试，初步确定电路的结构及器件参数，再通过实际电路测试，改进其具体性能指标及参数设置。这样，在保证电路功能、性能的前提下，大大提高电路设计的效率。表2-2 实际测量数据测试对象 vs的最大输入 vs的最小输入 最大增益 kcmrr测试条件 f=25hz，g=4100，rp=5k vs=100uf,rp=5k vcm=10v方案1 13mv 2mv 16 250 98db方案2 17mv 1mv 23 250 117db方案3 17mv 2mv 19 750 99db方案4 17mv 1mv 14 250 110db由表2-2的实测数据可以看出：方案2在信号输

31、入范围(即vs的最大、最小输入)、电路增益、共模抑制比等方面的性能表现为最优。在价格方面，它比方案1和方案3的成本高一点，但比方案4便宜很多。因此，在四种方案中，方案2的性价比最高。方案4除最大增益相对小点，其他性能仅次于方案2，具有电路简单，性能优越，节省设计空间等优点。成本高是方案4的最大缺点。方案1和方案3在性能上的差异不大，方案3略优于方案1，且它们同时具有绝对的价格优势，但性能上不如方案2和方案4好。综合以上分析，方案2和方案4适用于对仪表放大器电路有较高性能要求的场合,方案1和方案3适用于性能要求不高且需要节约成本的场合。故针对具体的电路设计要求，选取不同的方案，以达到最优的资源利

32、用。2.2.5微处理器选择球磨机工作环境较为复杂，下位机部分要求必须拥有很好的抗干扰能力。首先我们要考虑数字器件的抗干扰能力，尤其是微处理器的抗干扰能力。装置完成的功能比较单一，无需功能强大的微处理器，因此我们选择最熟悉的8051内核单片机16。虽然51单片机型号很多，但是他们大部分还是很相似的，写的c语言程序也可以相互移植。从抗干扰能力与性价比方面考虑，我们选择stc单片机：stc单片机具有超强抗干扰能力：高抗静电（esd保护），轻松过2kv/4kv快速脉冲干扰（eft测试），宽电压，不怕电源抖动，宽温度范围，-4085；加密性强，采用第六代加密技术，无法解密；超低功耗，掉电模式0.1ua,

33、正常模式功耗4ma-7ma，掉电模式可由外部中断唤醒，适用与电池供电系统。宏晶公司开发的stc单片机价格在同类产品中是最低的，市场竞争优势明显。此类单片机内部还集成有看门狗电路，考虑到系统需要存储大量数据，所以选用带有512byte e2prom的专用看门狗芯片x25045. 上位机要控制无线收发芯片nrf903实现与下位机的通信，还要通过串口实现和pc的数据传输，并于专业软件labview界面进行实时显示，相对上位机来说要求较低。鉴于成本，我们选择at89c2051，它是美国atmel公司生产的低电压、高性能8位单片机。片内含有2kb可重复擦写1000次以上的只读程序存储器（perom）和1

34、28b的随机存取存储器（ram），期间采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，内置8位中央处理器和flash存储单元。它拥有15个可编程i/o口线、可编程uart通道完全可以满足我们的要求。第三章 泥浆粒度检测的硬件设计球磨机泥浆粒度测量设备硬件主要包括电源模块、信号采集模块、信号处理模块、显示模块、无线通信模块、串口通信模块等，各模块之间相互协调构成陶瓷泥浆粒度测量设备。下面对硬件模块的构成作详细的论述。3.1 电源模块的构成我们设计的陶瓷泥浆测量设备安装在球磨机上，球磨机在研磨时转动无法采用220v的交流电给设备供电17。而且检测设备所消耗的电量比较

35、小，所以使用容量大的锂电池为其供电12v电源主要供给光纤放大器与运算放大电路。光纤放大器的电源电压范围10.8-26.4v，这里我们使用12v为其供电。运算放大电路需要双电源供电，使用l7812对其进行稳压得到+12v电源，lt1504产生负-12v电源。电路如图3-1所示：图3-1 12v电源装置的微处理器及信号处理电路采用5v供电，由于微处理器对于电源的要求较高，我们应搭建稳定输出5v电压的电路。l7805为三端正稳压电路，能够提供固定的5v输出电压，应用范围广。其含有过流、过热和过载保护电路，带散热片时，输出电流可达1a。虽然是固定稳压电路，但使用时需要外接元件，可获得不同的电压与电流。

36、利用+12v的电源作为输入，7805可以输出稳定的5v电，虽然12v-5v=7v压降较大，但考虑到5v负载总电流较小，稳压芯片产热量很少，此方案是可行的。图3-2为5v电源的制作电路，c4主要消除电源纹波，一般电容大小为330pf,而c5可改善电压输出的稳定性和瞬态响应。图3-2 5v电源电路3.2 信号放大与a/d转换电路设计3.2.1 信号放大电路设计光信号采用差分输入的方式，输入信号十分微弱，在粒度较低的条件下，输入电压几个mv，放大倍数应该为几十倍几百倍。方案论述中详细分析了四种放大电路的设计方案，我们选择简单、性能高的方案四，采用一个单片集成的ad620仪表放大器。如图3-3所示：图

37、3-3 ad620放大电路 v0=(1+2r/rx)(v1-v2) (1) g=49.4k/rg+1 (2) rg=49.4k/(g-1) (3)其中1、8脚需跨接一个电阻（即公式（1）中的rx）来调整放大倍率，4、7脚需提供正负相等的工作电压。由2、3脚接输入的电压即可以从6脚输出放大后的电压值，5脚则是参考基准，如果接地则第6脚的输出为与地之间的相对电压。ad620的放大增益关系如式（2）、式（3）所示，由此二式我们即可推算出各种增益所要使用的电阻值rg。3.2.2 ad模数转换器的选择与应用 ad主要应用在数据采集电路中，是现代仪器应用最多的器件之一。通常的模数转换器是将输入电压信号转换

38、为数字信号输出。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。由后向散射理论知，后向散射光强与泥浆粒度成线性关系，如果利用ad与微处理器测量出此刻后向散射光强的大小，便可得到此刻测量的泥浆粒度大小。tlc1549是美国德州仪器公司生产的10位模数转换器。它采用cmos工艺，具有内在的采样和保持，采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到1lsb max（4.8mv）等特点。其外围接口电路如图3-4所示。图

39、3-4 tlc1549的接口电路3.3人机交互及声光报警电路1602液晶显示电路应用在球磨机中，实时显示陶瓷泥浆粒度的数据，供给管理人员或车间工人作参考。可以通过上位机软件设置报警上限，若此时的粒度高于规定下限，继续工作；若此时的粒度低于规定下限，则声光报警并切断球磨机电机供电电源，停止研磨。可以通过键盘解除或拉上警报。陶瓷生产厂房工作环境复杂，声光报警电路要求光照与警报能充分满足人们的需要。我们选择12v的led高亮度报警灯18,19，选择220v的交流警报作为声音报警信号。报警灯选择由6个0.5w的led发光二极管组成的灯，灯做成环状，采用12v供电。灯光的亮度能够充分满足厂房的要求，并且

40、其控制过程简单，寿命长。led控制电路如图3-10所示，单片机通过io口控制npn三极管的工作状态，从而控制led灯的亮灭。报警时，控制报警灯周期性的闪烁，以增强报警的质量。声音报警采用220v的交流警报报警，警报声音分贝高，能够在嘈杂的生产环境下提醒工作人员及时作出处理方案。220v声音报警器控制电路如图3-5所示，通过三极管控制12v的继电器线圈，线圈带电吸合后，常闭开关会吸合，接通220v报警器。继电器采用cma512-s-12v，其最大电流为10a。图3-5 声光报警控制电路3.4 测量仪器通信接口电路3.4.1 下位机和上位机的通讯（无线收发芯片nrf903） 下位机与上位机之间采用

41、无线数据传输。测量仪器的无线发射模块采用nordicvlsi公司的单片射频收发芯片nrf903是nordic公司最新推出的单片无线收发一体的芯片，采用了蓝牙核心技术设计，在一个32脚的芯片中包括了三段高频发射、高频接收、pll合成、i/q调制、i/q解调、多频道切换、异步通信接口等部分，是目前集成度最高的无线数据传输产品。工作电压要求比较低（2.7v），功耗小，接收待机状态仅为1ua，可满足低功耗设备的要求；该电路外围元件很少 , 仅需一个基准晶体及几个无源器件，无需调试部件，天线可用微带天线直接设计在线路板上；具有多个频道(最多170个以上)，特别满足需要多信道工作的特殊场合。它还具有发射距

42、离远，发射功率大和发送字节长的优势：功率最大为+15dbm，发送数据字长为64byte，开阔地带通信距离最远可达1000米。一系列的优势使它广泛用于遥控遥测、小型无线网络、无线抄表门禁系统、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、小型无线数据终端、安全防火系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制等。 本系统中，下位机测量出数据后，经连接的发射模块把处理好的检测数据发送出去。在上位机的一端有无线接收模块进行数据的接收。下位机接收上位机的粒度设定值等数据也是通过此模块。无线发射模块引脚如图3-6所示：图3-6 nrf903接口管脚3.4.2 上位机和pc的通讯（rs232串口通信）rs232是个

43、人计算机上的通讯接口之一，是由电子工业协会(electronic industries association，eia) 所制定的异步传输标准接口。通常 rs-232 接口以9个接脚 (db-9) 或是25个接脚 (db-25) 的型态出现，一般个人计算机上会有两组 rs-232 接口，分别称为 com1 和 com2。rs232发展出了多种标准，我们这里选用常用的eia-rs-232c，对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。 在txd和rxd上，逻辑1=-3v-15v 逻辑0(space)=+315v； 在rts、cts、dsr、dtr和dcd等控制线上， 信号有效（接通，on状态

44、，正电压）+3v+15v 信号无效（断开，off状态，负电压)=-3v-15v 。以上规定说明了rs-323c标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1”（传号）的电平低于-3v，逻辑“0”（空号）的电平高于+3v；对于控制信号，接通状态（on）即信号有效的电平高于+3v，断开状态(off)即信号无效的电平低于-3v，也就是当传输电平的绝对值大于3v时，电路可以有效地检查出来，介于-3+3v之间的电压无意义，低于-15v或高于+15v的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在(315)v之间。 由于rs-232-c接口标准出现较早，难免有不足之处，接口的信号电平值较高，易损坏接

45、口电路的芯片，又因为与ttl 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与ttl电路连接；接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式， 这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱； 传输距离有限，最大传输距离仅15米左右。但是上位机放置在监控室内，距离pc机距离近，且工作环境较为稳定，因此选择rs232通信方式，并采用max232芯片完成ttleia的双向电平转换，接口电路如图3-7所示。通过串口上位机可以实现和labview中的visa进行通信。图3-7 上位机与pc机通信接口第四章 球磨机测量装置的粒度标定与计算根据颗粒后向散射理论，一定范围内陶瓷泥浆粒度与后向散射光强成线性关系

46、。我们可以利用传统方法配备出不同粒度的泥浆样本，然后利用仪器获取测量值，通过多次测量平均，我们便可以得到泥浆粒度与数字电压量的拟合直线，示意图见图4-1。图4-1 双d型光纤传感器检测陶瓷泥浆粒度示意图具体实验过程如下：第一步：泥浆样本的制备。从协作单位的陶瓷泥浆存放池中，取一桶泥浆密封，防止杂质混入影响实验效果。将部分泥浆放入干燥箱中烘干得到陶土，密封存放备用，陶土样本如图4-2所示。图4-2 制备的陶土样本将烘干的陶土样本用标准筛进行筛分，把不同粒度样本分类保存。 将玻璃瓶清洗干净，放入恒温干燥箱中去除水分，在干燥箱中存放备用。将瓶子放到电子秤上，去皮后，用小勺取干燥好的陶土60克放入瓶中

47、，再用量杯量取40克水，加入到瓶中。重复上述方法直到溶液到达瓶高的2/3，放在振动台上振动均匀，这样就制备好了待检测陶瓷泥浆。依此类推，分别制备其它粒度的陶瓷泥浆待测样本。 制作好陶瓷泥浆样本后用橡胶盖密封，并在瓶上贴好标签（如图4-3）。图4-3配制好的陶瓷泥浆样本第二步：实验步骤。 接通实验装置的电源。 将双d型光纤传感器的检测头竖直插入装有纯净水的检测瓶中（此时接收光纤接收不到散射光线），旋转设备的rw可调电位器，待lcd显示平稳后找到合适的电压值作为基准电压。 打开要测量的陶瓷泥浆瓶塞，将双d型光纤传感器的检测端头放入陶瓷泥浆中，开启振动台，直到瓶中的陶瓷泥浆均匀后，从1602液晶读取

48、测量值并记录。 依次类推，分别检测陶土颗粒粒径为100040um的各种陶瓷泥浆。第三步：图形绘制从检测陶土颗粒的沉降速度来看，在检测不同粒度陶瓷泥浆的试验过程中，特别是检测粒度小的陶瓷泥浆时，要与振动台的振动时间配合好，保障陶瓷泥浆粒度检测的准确性。用检测设备对颗粒粒径为100040um的陶瓷泥浆进行检测，从中寻找检测数值与泥浆粒度的关系。实验设备检测值取自光纤放大器转换的电压值，测量电压与泥浆粒度成反比，为了使测量曲线更好的反映散射光强随粒度变化的关系，图4-4所示电压曲线是光纤传感器实际检测的数据曲线。实验中为了找到测量过程不受反射光影响的最佳位置，分别在距离瓶底0.3cm、0.6cm、1

49、cm处测得三组数据曲线2、3、4与不受反射光影响的测量曲线1作比较。红光竖直向下照射，当穿透液体照射到瓶底后，由瓶底会反射一部分光线，使接收光纤接收的光增强，会给实验带来很大的误差。由曲线2、3、4可以看出光纤距瓶底越近，接收光线会接收到的反射光越强，测量电压值越大，当粒度增大时，散射光强增加，但光线被削弱的越强，反射光纤接收的反射光也越少。根据测量曲线1测量的数据，陶瓷泥浆颗粒粒径在100040um之间，数值从0.674v上升到2.943v，此时随着陶瓷泥浆粒度的减小，颗粒后向散射增强，测量的电压值增大。 mie理论给出了三个描述散射颗粒的重要参数，用单个散射颗粒的有效散射本领和有效吸收本领

50、来分别衡量散射体系中散射颗粒的散射能力和吸收能力。一个散射体系，其散射率和吸收率分别为和，则有 （8） （9） (10)2.42.52.62.72.82.93.0908070605040陶瓷泥浆粒度检测电压值/v图4-4 颗粒粒径为10040um时的光纤传感器检测数据曲线100其中，v是单个粒子的体积， 为散射颗粒的粒子数浓度，r为散射颗粒所占的体积与散射体系总体积之比。根据mie理论，随陶瓷泥粒粒度减小，散射颗粒浓度增大，散射颗粒所占体积与散射体系总体积之比r增大，散射率和吸收率也增大。图4-5曲线陶瓷泥浆颗粒粒径从100040um处检测电压逐渐增大，后向散射率与颗粒吸收率随陶瓷泥浆粒度的减

51、小而增大，此时颗粒后向散射起主要作用；陶瓷泥浆颗粒粒径从40um以后处检测电压逐渐减小, 虽然颗粒后向散射率与颗粒吸收率随陶瓷泥浆粒度的减小而增大,但此时颗粒吸收率的增加程度00.511.5232.5100080060040020010040陶瓷泥浆粒度1234检测电压/v图4-5陶土颗粒粒径100040um时的光纤传感器检测数据曲线大于颗粒后向散射率的增加程度，从而使曲线呈衰减的趋势。泥浆颗粒粒径为1000100um实验数据曲线的总变化不是本课题研究的重点，本课题要重点观察一下100040um之间的陶瓷泥浆样本检测数据曲线情况。为此，又配制了陶土粒度为90、80、70、60、50、40等6种

52、陶瓷泥浆样本。 对上述6种粒度的陶瓷泥浆依次检测，对每种粒度的泥浆读取一系列数据作为样本，求出检测电压的平均值作为检测值，同时求出测量电压值的波动情况，如图4-4示：利用虚拟仪器对上述6种陶瓷泥浆样本采集几组检测数据，可以求出对应粒度测量电压平均值和方差值，根据图4-4所示特点，首先用公式11、12求得各样本粒度检测电压的平均值与方差值。 （11） （12） 由图4-4的测量值及上式，可以求出90、80、70、60、50、40样本颗粒粒径的平均电压值、方差值，结果见表4-1.表4-1 双d型光纤传感器检测陶瓷泥浆电压均值与波动情况陶瓷泥浆粒度（um）908070605040测量电压平均值（mv

53、）2649.82703.62752.22805.62881.22956电压波动（d(x)）0.01360.00720.00490.00380.00220.0020 从图4-4中可以看出，10040um陶瓷泥浆样本电压检测值可以拟合成一条直线，根据表4-1得到的电压平均值拟合得到一条与实际值相近的直线方程公式13： （13）公式中y为测量电压值，x为检测粒度值。实际检测曲线与拟合直线如图4-6所示：2.42.52.62.72.82.93.0908070605040陶瓷泥浆粒度实际检测曲线1拟合直线2检测电压值图4-6 实际检测曲线与拟合直线比较100第五章 泥浆粒度检测的软件设计泥浆测量设备的软

54、件设计十分重要，下位机要完成以下任务：采集测量环境下的电压值，控制显示电路显示数据，接收及发送数据，控制声光报警电路及切断电源。上位机主要完成与pc以及下位机的通信。下面对主要程序进行分析。5.1 ad信号采集控制流程装置采用ad芯片tlc1549，采集信号也就是单片机控制tlc1549进行模数转换，然后读取转换数据。软件流程见图5-1。nyad初始化送通道0地址通道0模数转换存储数据sars=1？差分输入设置通道模数转换存储数据sars=1？图5-1 ad信号采集流程yn5.2上位机与下位机通信程序流程设计nrf903用于完成数据基带信号到 rf 信号的变换 , 单片机则用来完成对nrf903 的初始化以及数据的采集和传输的控制 ,图5-2为其软件编程流程图。频率的设置通过单片机来设置 , 单片机将频率数据转换成对应的分频比 ,并通过 i/o口将频率数据及功率设置等数据串行送入到nrf903的内部控制寄存器 ,以设定工作频率和其他配置。数据的发送通过 txen 和 data 脚来进行 ,由于 nrf903是半双工工作模式,接收和发射需要