便携式水质传感器的研究与设计

发布时间：2017-07-04 22:09

  本文关键词：便携式水质传感器的研究与设计

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【摘要】：基于光学方法的水质检测技术具有灵敏度高、检测速度快、非接触和无二次污染的特点,而便携式智能化检测仪器则具有体积小、功耗低、价格低廉和操作简单的优点,能够随时随地满足水质检测需求,在发生水环境污染的第一时间提供相关数据,为环保部门制定治理和预防措施提供理论依据,可最大限度降低水污染源对周边人和环境造成的破坏,因此,本文在综合调研市场需求基础上提出设计一种基于光学检测技术的便携式水质传感器,主要进行和完成了以下工作:1、在充分阅读文献和调研市场需求之后选取稳定可靠地朗伯—比尔定律作为仪器核心理论,以该理论为基础针对输出光强、测量阈值、灵敏度和抗干扰性能对探头进行了研究与设计:(1)以提升信号探测强度为目的的锥形聚光水质检测探头:文中详细分析了锥形探头实现聚光输出的条件,当满足聚光条件时,进入探头的光束都会从小端聚光输出,可增强探头在弱光源和弱信号环境下使用性能,最后通过实验验证探头可以有效提高光源利用率和输出光束强度;(2)以适用不同测试环境为目的的低测量阈值及高灵敏度探头:锥形探头虽然可以实现聚光输出,但是探头一经确定则系统测试阈值范围就无法更改,因此,利用法布里--珀罗结构设计了一种结构简单,可通过微控制单元调节入射角度以调整光程长度,从而提高系统测量灵敏度的光学水质探头。探头随着入射角度增大,灵敏度也随之增大,且入射角度越大,灵敏度变化越明显,测量阈值也就降低越明显,如80°时探头灵敏度是0°时的7.93272 1.46573(28)5.4121倍(理论计算值为5.3262),比传统直射式光学探头灵敏度提升了五倍多,极大降低了系统测量阈值,可实现痕量物质浓度测量;(3)以消除干扰为目的的抗干扰差分式检测探头:该探头是在低测量阈值及高灵敏度探头基础上设计,由测量通道和参考通道构成,利用两者测量信号实现差分功能,消除了光源和光路波动等带来的测量误差,提升了测量的准确度,同时与低测量阈值及高灵敏度探头具有相同结构,能够降低测量阈值和提升灵敏度。2、为了完成传感器整体设计,挑选了合适电子器件,初步完成系统从光学信号到电学信号转换模块设计,给出信号各处理模块详细电路设计和MULTISIM软件模拟结果,软件模拟结果与理论设计需求一致。
【关键词】：水质传感器 便携式仪器 朗伯—比尔定律 性能验证 电路设计
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X853;TP212
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-15
• 1 绪论15-23
• 1.1 研究背景15-16
• 1.2 国内外便携式水质传感器的研究与发展现状16-21
• 1.2.1 国外便携式水质传感器的研究与发展现状16-18
• 1.2.2 国内便携式水质传感器的研究与发展现状18-21
• 1.3 研究意义21
• 1.4 主要研究内容21-23
• 2 便携式水质传感器理论基础研究23-28
• 2.1 理论基础23-25
• 2.1.1 吸收光谱概述23-24
• 2.1.2 朗伯--比尔定律24-25
• 2.1.3 朗伯—比尔定律应用局限性25
• 2.2 系统整体结构设计25-27
• 2.3 本章小结27-28
• 3 便携式水质传感器光学探头研究与设计28-43
• 3.1 锥形聚光探头设计28-34
• 3.1.1 锥形结构定义28-29
• 3.1.2 锥形聚光输出条件分析29-34
• 3.2 低测量阈值及高灵敏度探头研究与设计34-38
• 3.2.1 探头结构设计34-35
• 3.2.2 探头测量原理35-36
• 3.2.3 探头灵敏度及测量阈值分析36-38
• 3.3 探头抗干扰研究与设计38-41
• 3.3.1 抗干扰理论分析38-41
• 3.3.2 探头结构设计41
• 3.4 本章小结41-43
• 4 光学探头性能测试及分析43-57
• 4.1 光源43
• 4.2 探测器43-45
• 4.3 锥形探头聚光输出测试及分析45-48
• 4.3.1 实验测试方案设计45-46
• 4.3.2 实验测试结果及分析46-48
• 4.4 探头灵敏度及阈值性能测试及分析48-53
• 4.4.1 实验测试方案设计48-49
• 4.4.2 探头实验测试结果及分析49-52
• 4.4.3 实验误差分析52-53
• 4.5 探头抗干扰性能测试及分析53-56
• 4.5.1 探头实验测试方案设计53
• 4.5.2 探头性能测试结果及分析53-56
• 4.6 本章小结56-57
• 5 水质传感器信号处理模块设计57-66
• 5.1 信号探测模块设计57-58
• 5.2 前端信号处理模块58-62
• 5.2.1 多路选通模块设计58-59
• 5.2.2 低通有源滤波电路设计59-60
• 5.2.3 差分信号产生模块设计60-61
• 5.2.4 主放大电路设计61-62
• 5.3 LCD显示模块及按键模块设计62-63
• 5.4 单片机系统设计63-65
• 5.4.1 C8051F040单片机介绍及接口设计63-65
• 5.4.2 系统软件控制流程方案65
• 5.5 本章小结65-66
• 6 总结与展望66-68
• 6.1 总结66-67
• 6.2 展望67-68
• 参考文献68-72
• 附录：电路设计完整模块附图72-73
• 作者简介73

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本文编号：519491