提高便携式近红外光谱仪精度的改进研究

发布时间：2017-10-28 14:36

  本文关键词：提高便携式近红外光谱仪精度的改进研究

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【摘要】：近红外光谱分析技术具有分析速度快、样品前处理简单、无损测量等优点,在农业、制药、石化等领域得到了广泛应用。便携式近红外光谱仪受体积、功耗及使用环境的限制,使之与实验室仪器相比,在仪器精度方面存在较大的差距,严重影响了便携式近红外光谱仪在各领域的应用和近红外光谱技术的推广。因此,针对实验室自主研制的基于数字锁相放大技术的便携式光栅近红外光谱仪PISA-S-4N,开展提高仪器精度的方法和实验研究。针对便携式近红外光谱仪PISA-S-4N精度较低的问题,根据光谱仪结构,分析仪器系统信号转换放大传输过程,确定了影响仪器精度的主要模块及相关参数:调制器稳速控制模块的调制频率的稳定性、传感器恒温控制模块的控制温度的稳定性、数字解调采集控制模块解调算法对频率波动的适应性,并提出了相应的改进方案。针对光谱仪调制器锁相环稳速控制模块稳速效果差的问题,基于PID技术,结合H桥电机驱动芯片、单片机控制器,通过程序控制减小调制扇加工及安装误差对稳速控制的影响,设计了稳速控制模块;针对原传感器恒温控制模块控温精度低的问题,基于PID技术,结合桥式测温电路、半导体制冷器专用驱动芯片、单片机控制器,设计了恒温控制模块;针对实验室基于4N倍数字正交解调原理的采集控制模块解调对频变输入信号解调存在误差的问题,基于本实验室提出的具有频率自适应的简化锁相放大器原理,设计了整周期数字解调采集控制模块,利用单片机代替CPLD+DSP实现整周期解调算法,算法简单、电路简化。通过与光谱仪原模块的实验对比,调制器稳速控制模块稳速波动量由5.67Hz减小到3.01Hz,应用于PISA-S-4N光谱仪,仪器信噪比由原来的1777提高到3496;传感器恒温控制模块控温波动量由0.89℃减小到0.11℃,应用于PISA-S-4N光谱仪,仪器信噪比提高到2259;基于整周期数字解调算法的采集系统改进,实现硬件电路的简化和软件算法的优化,仪器信噪比提高到3827;将上述三个模块集成到便携式近红外光谱仪系统中,仪器信噪比指标提高到4938。
【关键词】：便携式近红外光谱仪 精度 PID控制 数字解调 调制器
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH744.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 研究背景及意义12
• 1.2 国内外研究现状12-17
• 1.2.1 便携式近红外光谱仪器现状12-14
• 1.2.2 电机稳速控制技术14-15
• 1.2.3 制冷控制技术15-16
• 1.2.4 光谱调制信号解调技术16-17
• 1.3 本文的主要研究内容17-18
• 第2章 影响PISA-S-4N精度的模块分析和改进方案设计18-26
• 2.1 便携式近红外光谱仪结构18-20
• 2.2 调制器稳速控制模块对光谱仪精度的影响分析20-22
• 2.3 传感器恒温控制模块对光谱仪精度的影响分析22-24
• 2.4 采集控制模块对光谱仪精度的影响分析24-25
• 2.5 光谱仪改进方案设计25-26
• 第3章 调制器稳速控制模块改进设计26-35
• 3.1 调制器PID稳速控制模块方案设计26-27
• 3.2 调制器PID稳速控制模块硬件电路设计27-30
• 3.2.1 光耦及整形电路27
• 3.2.2 H桥驱动电路27-29
• 3.2.3 单片机控制器29-30
• 3.3 调制器PID稳速控制模块软件设计30-32
• 3.4 实验及分析32-35
• 3.4.1 实验器材32-33
• 3.4.2 实验方法33
• 3.4.3 实验结果与分析33-34
• 3.4.4 实验结论34-35
• 第4章 传感器恒温控制模块改进设计35-46
• 4.1 半导体制冷器与温度传感器35-37
• 4.1.1 半导体制冷器35-36
• 4.1.2 温度传感器36-37
• 4.2 传感器PID恒温控制模块方案设计37
• 4.3 传感器PID恒温控制模硬件电路设计37-42
• 4.3.1 电桥和放大电路37-38
• 4.3.2 AD转换电路38-39
• 4.3.3 温控驱动电路39-41
• 4.3.4 DA转换电路41-42
• 4.3.5 单片机控制器42
• 4.4 传感器PID恒温控制模块软件设计42-43
• 4.5 实验与分析43-46
• 4.5.1 实验器材43
• 4.5.2 实验方法43-44
• 4.5.3 实验结果与分析44-45
• 4.5.4 实验结论45-46
• 第5章 数字解调采集控制模块改进设计46-55
• 5.1 整周期数字解调采集控制模块方案设计46-47
• 5.2 整周期数字解调采样控制模块硬件电路设计47-50
• 5.2.1 滤波放大电路47-49
• 5.2.2 模数转换电路49
• 5.2.3 单片机控制器49-50
• 5.3 整周期数字解调采样控制模块软件设计50-52
• 5.4 实验与分析52-55
• 5.4.1 实验器材52
• 5.4.2 实验方法52
• 5.4.3 实验结果与分析52-54
• 5.4.4 结论54-55
• 第6章 便携式近红外光谱仪精度改进对比实验55-62
• 6.1 调制器稳速控制模块改进对信噪比的影响实验55-57
• 6.1.1 实验器材55
• 6.1.2 实验方法55-56
• 6.1.3 实验结果对比与分析56-57
• 6.1.4 结论57
• 6.2 传感器恒温控制模块改进对信噪比的影响实验57-59
• 6.2.1 实验器材57
• 6.2.2 实验方法57
• 6.2.3 实验结果对比与分析57-58
• 6.2.4 结论58-59
• 6.3 综合改进对信噪比的影响实验59-62
• 6.3.1 实验器材59
• 6.3.2 实验方法59
• 6.3.3 实验结果对比与分析59-61
• 6.3.4 结论61-62
• 第7章 总结与展望62-64
• 参考文献64-70
• 作者简介及科研成果70-71
• 致谢71

【参考文献】

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1 赵毅;文瑶;孙红;李民赞;张猛;吴李p，

本文编号：1108696