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实时在线监测，可以轻松实现吗
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2012年10月25日 北京讯
在气象环境监测、产品质量检测等领域，经常需要测定浊度。浊度表征了无色透明液体中悬浮物和胶体物质对光线透射所产生的阻碍程度。在理想的状况下，浊度可以通过理论计算获得，但在实际工程中，液体中颗粒的大小、形状、表面构造、表面性质等因素都对浊度值有很大影响。所以在工程中为了得到准确的浊度参数，需要进行实际的测量。
为解决此问题，根据透射率与吸光度之间的关系，采用激光透射的方法进行测量，而高速高精度的数据采集卡才能胜任这一过程中的数据采集，才能保证系统的实时在线监测。对该系统而言，除了激光驱动电路的稳定性和信号调理电路的质量，数据采集平台的可靠性和工作速度将是实时在线监测目标的重要挑战。
系统设计的考虑
系统结构框图如图1所示，经调制后的激光通过分光器后，分得两束光，其中一束经过待测浊液后进入接收端1，另一束光直接进入接收端0，分别经过接收端的信号处理后，形成两路输入信号，进入数据采集系统，构成双通道的液体浊度测量装置。
图1 系统整体结构图
进行硬件设计
（1）光源驱动电路
系统使用635nm半导体激光器作为光源，为了降低噪声信号的干扰，便于检出有用信号，将激光源调制成1KHz的方波脉冲。频率源选择稳定性和精确性更好的1MHz有源晶振。采用分频电路对1MHz信号进行1000分频以输出频率稳定性好的1KHz方波信号。
（2）信号调理电路
系统中采用对射式接收方式，采用光电二极管作为光电探测器。光电二极管将光信号转变为电流信号后，进行I/V转换及前置放大，将电流信号转变为强度更大的电压信号。为了提取出有效信号，采用带通滤波器对信号进行滤波，以获得1kHz的有效信号。为了进一步提高采集信号的强度，采用同相比例放大电路进行放大。
（3）数据采集卡硬件
系统的数据采集模块采用高性能数据采集卡PCI-9846H来设计。PCI-9846H数据采集卡为凌华科技的高性能数据采集卡，为16位4通道型，如图2所示。PCI-9846H数据采集卡可以对高达20MHz的高频高动态范围的输入信号进行采样，采样率40MS/s。如此高的采样率为实时在线测量提供了有效保证。PCI-9846H带有512MB的板载内存作为缓存，不会受限于PCI总线的传输率，能记录下更长时间段内的波形情况，可以实现更广泛的应用。PCI-9846H系列数字化仪配备了4个高度线性化的16位A/D转换仪，能满足具有高度动态范围设备的理想应用需求。PCI-9846H 拥有四个同步模拟输入通道，四条通道可分别以最大采样率10MS/s、20MS/s和40MS/s进行同步采样，可以有效满足同步多通道数据采集，以保证系统各通道数据的同步性，对于实现高精度的测量系统提供有效的保障。
图2 数据采集卡外形图
本系统为双通道测量系统，选择使用其中的两个通道CH0和CH1。CHO通道的输入信号为参考信号，CH1通道的输入信号为通过待测溶液之后的测量信号。
软件的实现
软件系统是虚拟仪器的重要组成部分，本测量系统中采用Visual Basic开发系统的应用软件，界面设计非常便捷，编程工作量小，开发周期短。此外，ADLINK公司也提供了适用于Visual Basic环境下的控件：DAQPilot。通过查阅相关技术手册，可以获得该控件各属性的使用方式。DAQPilot同时也附带了一些程序模板，使软件开发更加方便，非常易于开发软件系统。在VB的开发环境中，本系统的应用程序软件界面如图3所示。
图3 上位机软件界面
在窗口程序设计界面，在DAQPilot向导中可以进行板卡的设置，选择通道0和1为输入模拟信号的两个端口。在采样率方面，每个通道的采样率设置为200000。由于输入的有效信号频率为1KHz，所以在每个信号周期中，能够有效采集200个数据点，完全能够满足精度要求，能够非常准确地描述信号波形数据。除了上述的各项设置，还可以对DGraph控件的X轴进行属性页的设置，以改变在显示窗口中的显示状态。
测试与性能分析
（1）系统测试
在系统的实际测试中，采用标准量具测量液体的体积，采用滴定一定量的浓度均匀的牛奶来改变待测溶液的浊度。实验步骤如下：
a)将烧杯中加入定量体积的纯净水。
b)校准好光学装置，定量向纯净水中加入牛奶，使用胶头滴管进行定量滴定，每加入一滴牛奶，搅拌均匀并等浊液稳定下来后，按下系统软件上的计算按钮，得到两路输入信号强度之比，该数据即为透射率。每滴定一次，测量一组数据。
将测量数据用MATLAB进行处理，以加入牛奶的体积为横轴，以每次测量透射率的平均值为纵轴，描点后如图6所示。
图4 测量数据描点
从图中可以看出，这些点的走势是符合指数特征的，采用一个适当的指数曲线可与之拟合，曲线SSE完全满足了系统的设计要求。
（2）系统性能分析
以加入牛奶的量为自变量，透射率的值为应变量，应变量和自变量满足一定的函数关系。通过实际拟合曲线与理论推导函数的比对，可以得到如下系统性能测试结论：
a)拟合曲线的前一项指数系数为0.9928，小于但非常接近于理论推导公式中的指数系数1。0.9928与1之间的误差，是由于吸收和反射等因素造成的，透射率的实测值必然比理论值偏小。但是从实际拟合曲线来看，系统可靠性是比较高的。
b)函数关系的第二项指数项前的系数远远小于1，该项表示了实际值与理论值的一个偏差，经查阅相关技术资料，发现在颗粒浓度较高的情况下，由于存在重叠散射效应，会有更多的光线透射出去，也就是透射光更强，这也正符合了该项的变化趋势。
c)根据对数学模型和实际测得的拟合曲线函数形式的比对，可以推断得出，在牛奶中影响透射光强弱的微粒应该以一种为主。为了验证这一实验结果，参考相关资料，可以发现：均匀的牛奶中主要由脂肪颗粒形成，脂肪表面被蛋白质所包裹，所以能在水中稳定存在，牛奶所显现的乳白色主要就是光线在这些包裹着蛋白质的脂肪颗粒上发生散射所造成的。这也反过来验证了拟合曲线是比较符合实际情况的。
总体而言，系统使用了凌华科技公司的PCI-9846H高性能多通道数据采集卡，大大提升了系统整体性能，所测量数据的可靠性和精度较高，达到了预期的开发目的。因此，基于高速数据采集卡的光电式双通道浑浊度测量系统，可以实现实时在线监测。系统设计方案可以很容易移植到其它的应用系统中，在环境质量监测、水质监测、气象参数监测、食品质量监测等领域应用前景广泛。
