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1、应用例： 基于三波长六光束的反射式近红外水分仪设计 0. 近红红外水分测测量原理介绍绍 单单色平行光经过经过 均匀介质质的微小单单元厚度dx被吸收 的辐辐射通量dP，与入射的辐辐射通量P、介质质的厚度 dx及该该介质质的物质浓质浓 度c成正比。这样这样 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 朗伯-比耳定律示意图图 入射光的辐辐射通量为为P0 （指光经过经过 某个面积积 的辐辐射功率，单单位为为 W） ； 经过经过 厚度x后辐辐射通量 减弱为为P 透射率与吸光度的概念 吸光度定义义为
2、为 透射率（也叫透光率或透光度）定义为透射率（也叫透光率或透光度）定义为 滤滤光片 按作用原理可分为：按作用原理可分为： 吸收式吸收式 干涉式干涉式 反射式反射式 组合式组合式 按滤光片的光谱特性，可分为：按滤光片的光谱特性，可分为： 带状滤光片带状滤光片 截止滤光片两类截止滤光片两类 带带状滤滤光片的光谱谱特性 为光谱的半宽为光谱的半宽 度度，也叫做，也叫做透透 射率的带宽射率的带宽 为光谱宽度 为最大透射率 短波截止滤滤光片的光谱谱特性 为截止波长为截止波长 截止陡度 ： 为最大透射率 气体吸收滤滤光器 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
3、 固体吸收滤滤光片 v在近紫外、可见见和近红红外区，固体吸收滤滤光片的 材料一般采用玻璃。在红红外区固体吸收滤滤光片主 要采用晶体、陶瓷等材料。 v有色玻璃滤滤光片的光谱谱特性可以做成带带状的，也 可以做成截止的。 v用其他固体材料做成的滤滤光片的光谱谱特性主要是 截止的 红红外线线水分测测量原理 红红外线线水分仪仪是基于水对对近红红外有特征吸收光谱谱， 被吸收能量与物质质含水量有关，吸收规规律符合朗 伯-比尔定律。 传统传统 的测测量水分的方法是烘干失重法。设设被测样测样 品 的重量为为W1，按规规定时间时间 、温度及烘干条件进进行 烘干，烘干后样样品重量为为W2，于是用下式计计算含 水量
4、G ( (W1W2)/W1) 100% 水的近红外吸收光谱特性 水的水的特征特征 吸收波长吸收波长 ： 1.21.2微米微米 1.431.43微米微米 1.941.94微米微米 2.952.95微米微米 通常使用通常使用 1.941.94微米微米 作为测量作为测量 波长波长 三波长三光三波长三光 束红外线水束红外线水 分仪光学系分仪光学系 统示意图统示意图 采用双探测器的三波长六光束红外线水分采用双探测器的三波长六光束红外线水分 仪光学系统示意图仪光学系统示意图 使用单单波长测长测 量存在的问题问题 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，同时时，在生产过产过 程中测测量距离经
5、经常变变 化，因而到达探测测器的辐辐射能量也经经常变变化。若 只利用吸收波长进长进 行测测定，这这些变变化就会形成干 扰扰，引起水分测测量的误误差。 二波长长水分仪仪 测测量被测测物料水的特征吸收波长长和相邻邻的不易被水 吸收的参比波长长两者的辐辐射能量反射率比率，并 据此得出物料的含水量。 外界干扰对这扰对这 两种波长长的影响基本相同，所以求出 的这这一比率可消除大部分外界干扰扰的影响。上述 两个红红外波段测测量水分的方法称为为双波段红红外线线 水分仪仪 三波长长水分仪仪 三波长红长红 外线线水分仪仪比双波长长水分仪仪增加了一个参 比波长长，位于测测量波长长另一侧侧。该仪该仪 器把水吸收 波
6、长长和其两侧难侧难 于被水吸收的两个参比波长长与物 料作用后的信号进进行运算，借以消除被测测物的质质 地（被测测物的表面状态态、颜颜色和组组分等）变变化而 引起的测测量误误差 信号示意图图 质质地影响引起倾倾斜时时 比较较 双波长时长时 ： 三波长时长时 ： S S0 0 : :测量波段信号；测量波段信号； R R1 1 : :参比波长参比波长1 1的信号的信号 ； r:r:因质地引起的倾斜因质地引起的倾斜 误差误差 R R2 2 : :参比参比 波长波长2 2的的 信号信号 由上可见：与二波长相比，三波长消由上可见：与二波长相比，三波长消 除了除了因质地引起的倾斜误差因质地引起的倾斜误差 1
7、. 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 1. 仪器总体设计 1.2 仪器系统总体组成 1. 仪器总体设计 工作过程示意图 1. 仪器总体设计 切光盘示意图 PbS探测器光谱响应曲线 1. 仪器总体设计 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 (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 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
8、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 2.系统硬件设计 硬件电路总体组成图 2.系统硬件设计 2.1 电源系统设计 2.系统硬件设计 2.1.1 5V，2A通道 2.系统硬件设计 2.1.2 低噪声12V，0.5A通道 2.系统硬件设计 2.1.2 低噪声12V，0.5A通道 2.系统硬件设计 2.1.3 12V，2A通道 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 2.系统硬件设计 2.2.1 探测器
9、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
10、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。 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 2000s；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。 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 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
11、Au 和输出阻抗R0以供后级设计使用。 2.系统硬件设计 2.2.2 次级信号放大电路 2.系统硬件设计 2.2.3 带通滤波电路 2.系统硬件设计 2.2.4 增益可调放大电路设计 2.系统硬件设计 2.2.5 限幅保护电路 2.系统硬件设计 采集波形图 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 3.系统软件设计 定频干扰的去除 4.性能测试与水分标定实验 4.1 恒温控制系统性能实验 4.性能测试与水分标定实验 4.2 稳定性测试 稳定性评价条件：变化 幅度与其变化所经过的 时间间隔之比。 4.性能测试与水分标定实验 4.3 水分标定实验 4.性能测试与水分标定实验 4.3 水分标定实验 4.性能测试与水分标定实验 4.4 水分测量值重复性测试分析
