李新光-第七章补充水分检测应用举例

应用例：基于三波长六光束的反射式近红外水分仪设计0.近红外水分测量原理介绍单色平行光经过均匀介质的微小单元厚度dx被吸收的辐射通量dP，与入射的辐射通量P、介质的厚度dx及该介质的物质浓度c成正比。这样式中，比例系数——均匀介质单位厚度对波长为的光的吸收百分数，称为线衰减系数或线性吸收系数，其与物质的性质及波长有关；c---物质浓度。朗伯-比耳定律东北大学自动化仪表研究所朗伯-比耳定律示意图

入射光的辐射通量为P0

（指光经过某个面积的辐射功率，单位为W）；经过厚度x后辐射通量减弱为P

东北大学自动化仪表研究所透射率与吸光度的概念

吸光度定义为

透射率（也叫透光率或透光度）定义为东北大学自动化仪表研究所滤光片

按作用原理可分为：吸收式干涉式反射式组合式按滤光片的光谱特性，可分为：带状滤光片截止滤光片两类

东北大学自动化仪表研究所

带状滤光片的光谱特性

为光谱的半宽度，也叫做透射率的带宽

为光谱宽度

为最大透射率

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短波截止滤光片的光谱特性

为截止波长

截止陡度：

为最大透射率

东北大学自动化仪表研究所气体吸收滤光器

气室里充以滤光的气体，并加以严格的密封

窗口为玻璃或其他晶体

气室内壁镀金增加反射系数

东北大学自动化仪表研究所固体吸收滤光片

在近紫外、可见和近红外区，固体吸收滤光片的材料一般采用玻璃。在红外区固体吸收滤光片主要采用晶体、陶瓷等材料。有色玻璃滤光片的光谱特性可以做成带状的，也可以做成截止的。用其他固体材料做成的滤光片的光谱特性主要是截止的

东北大学自动化仪表研究所红外线水分测量原理红外线水分仪是基于水对近红外有特征吸收光谱，被吸收能量与物质含水量有关，吸收规律符合朗伯-比尔定律。传统的测量水分的方法是烘干失重法。设被测样品的重量为W1，按规定时间、温度及烘干条件进行烘干，烘干后样品重量为W2，于是用下式计算含水量

G＝((W1－W2)/W1)×100%

东北大学自动化仪表研究所水的近红外吸收光谱特性

水的特征吸收波长：1.2微米1.43微米1.94微米2.95微米通常使用1.94微米作为测量波长东北大学自动化仪表研究所三波长三光束红外线水分仪光学系统示意图

东北大学自动化仪表研究所采用双探测器的三波长六光束红外线水分仪光学系统示意图

东北大学自动化仪表研究所使用单波长测量存在的问题一般物料的表面形状不平滑，因此它的表面反射率也不固定，同时，在生产过程中测量距离经常变化，因而到达探测器的辐射能量也经常变化。若只利用吸收波长进行测定，这些变化就会形成干扰，引起水分测量的误差。

东北大学自动化仪表研究所二波长水分仪测量被测物料水的特征吸收波长和相邻的不易被水吸收的参比波长两者的辐射能量反射率比率，并据此得出物料的含水量。外界干扰对这两种波长的影响基本相同，所以求出的这一比率可消除大部分外界干扰的影响。上述两个红外波段测量水分的方法称为双波段红外线水分仪

东北大学自动化仪表研究所三波长水分仪三波长红外线水分仪比双波长水分仪增加了一个参比波长，位于测量波长另一侧。该仪器把水吸收波长和其两侧难于被水吸收的两个参比波长与物料作用后的信号进行运算，借以消除被测物的质地（被测物的表面状态、颜色和组分等）变化而引起的测量误差

东北大学自动化仪表研究所信号示意图东北大学自动化仪表研究所质地影响引起倾斜时东北大学自动化仪表研究所比较双波长时：三波长时：S0:测量波段信号；R1:参比波长1的信号；r:因质地引起的倾斜误差

R2:参比波长2的信号由上可见：与二波长相比，三波长消除了因质地引起的倾斜误差

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1.仪器总体设计

1.1

仪器设计原理与总体方案郎伯比尔定律：三波段六光束方案：抑制光源波动误差消除质地误差东北大学自动化仪表研究所

1.仪器总体设计

1.2仪器系统总体组成东北大学自动化仪表研究所

1.仪器总体设计

工作过程示意图东北大学自动化仪表研究所

1.仪器总体设计

切光盘示意图东北大学自动化仪表研究所PbS探测器光谱响应曲线1.仪器总体设计东北大学自动化仪表研究所HWB系列红外透射可见吸收光学玻璃光谱性能图1.仪器总体设计东北大学自动化仪表研究所(a)未装红外透射可见吸收光学玻璃前(b)加装红外透射可见吸收光学玻璃后红外透射可见吸收光学玻璃对日光灯干扰信号的抑制

1.仪器总体设计东北大学自动化仪表研究所

1.仪器总体设计

热噪声偏置电压与电流噪声Pbs探测器1.3核心元件的降噪设计背景噪声低噪声电源与偏置电路恒温制冷系统与带通滤波电路a.结构密封性与热处理b.截止型光学镜片c.信号提取方法东北大学自动化仪表研究所

2.系统硬件设计

硬件电路总体组成图东北大学自动化仪表研究所

2.系统硬件设计2.1

电源系统设计东北大学自动化仪表研究所2.系统硬件设计2.1.15V，2A通道东北大学自动化仪表研究所2.系统硬件设计2.1.2

低噪声12V，0.5A通道东北大学自动化仪表研究所2.系统硬件设计2.1.2

低噪声12V，0.5A通道东北大学自动化仪表研究所2.系统硬件设计2.1.312V，2A通道东北大学自动化仪表研究所2.系统硬件设计2.2水分测量信号采集单元电路

探测器偏置与前置放大电路次级信号放大电路带通滤波电路增益可调放大电路限幅保护电路12位AD模块东北大学自动化仪表研究所2.系统硬件设计2.2.1探测器偏置与低噪声前置放大电路

前置放大电路要求在实现噪声匹配的同时还要具有较高的输入阻抗和温度稳定性，所以一般选择用分立元件来进行设计。在本设计中根据Pbs探测器阻值在400K-500K的区间，选择结型场效应管（JFET）作为前置级的放大管。

(1)与双极型晶体管相比，结型场效应管（JFET）的等效输入电流噪声In要小很多，而其等效电压噪声En与双极型晶体管相当或略高，这使得场效应管的最佳源电阻较大。而且，场效应管的低频1/f噪声只出现在等效输入电压噪声中，而不出现在等效输入电流噪声中。这些特点是使得场效应管用作低噪声前置放大器比双极型晶体管更为合适。(2)由于本设计中的水分测量信号是低频信号，因此还要考虑最佳源电阻与频率的关系。东北大学自动化仪表研究所2.系统硬件设计2.2.1探测器偏置与低噪声前置放大电路设计前置放大电路时，选用高输入阻抗、低漏电流、频率响应好的结型场效应管K435互导gm约为2000μs；电容器则用低频特性好、性能稳定的钽电容；电阻选用金属膜电阻，以满足低噪声、电阻容差小的要求。通过选择合适的有源器件和无源器件，并采用低噪声前置放大电路来实现噪声指标要求，达到对红外低频小信号放大的目的。

东北大学自动化仪表研究所2.系统硬件设计2.2.1探测器偏置与低噪声前置放大电路东北大学自动化仪表研究所2.系统硬件设计2.2.1探测器偏置与低噪声前置放大电路根据电路的实际参数，得到前置级的增益Au和输出阻抗R0以供后级设计使用。东北大学自动化仪表研究所2.系统硬件设计2.2.2次级信号放大电路东北大学自动化仪表研究所2.系统硬件设计2.2.3带通滤波电路东北大学自动化仪表研究所2.系统硬件设计2.2.4增益可调放大电路设计东北大学自动化仪表研究所2.系统硬件设计2.2.5限幅保护电路东北大学自动化仪表研究所2.系统硬件设计采集波形图东北大学自动化仪表研究所3.系统软件设计3.1数据处理方法研究滤波降噪递推式数字平均滤波东北大学自动化仪表研究所3.系统软件设计定频干扰的去除东北大学自动化仪表研究所4.性能测试与水分标定实验4.1恒温控制系统性能实验东北大学自动化仪表研究所4.性能测试与水分标定实验4.2稳定性测试