基于光全反射原理的乳化液濃度檢測系統(tǒng)設(shè)計

陳義+李鴻

摘 要：為滿足乳化液濃度檢測精度的要求，針對當(dāng)前乳化液濃度過高或過低對儀器設(shè)備造成損害等問題，提出一種利用光全反射原理測量乳化液濃度的檢測系統(tǒng)。利用主控芯片MSP430F149檢測CCD圖像傳感器明暗分界面處的像元值，用此像元值代替乳化液折射率，同時利用測溫電路采集乳化液溫度，在主控芯片中利用像元值、溫度二者與濃度的關(guān)系，采用線性插值法得到所測乳化液濃度最逼近的值，并在液晶屏上顯示出來，從而達到實時、精確、智能檢測乳化液濃度的目的。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：乳化液濃度；濃度檢測；光全反射；CCD

DOIDOI：10.11907/rjdk.161948

中圖分類號：TP319

文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）008-0130-04

0 引言

乳化液作為一種金屬加工液，在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，其濃度對于以其為介質(zhì)的設(shè)備正常運行和使用壽命有著重要影響。目前，國內(nèi)外有多種檢測乳化液濃度的方法，其中破乳法是一種比較早的乳化液濃度檢測方法，主要是在油水上下分離后，依據(jù)油和水的比例進行濃度測定，然而此方法精度低、有時間差，不能反映實時的乳化液濃度；光透檢測法是根據(jù)瑞利散射規(guī)律來測量液體濃度，當(dāng)入射光強恒定時，只要測出透射光強即可唯一確定乳化液濃度[1]；比重法是根據(jù)水和乳化油密度不同的原理來測量乳化液濃度，其中比較著名的是丹麥U型管濃度計測量法，但其造價昂貴，不適合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用；超聲波檢測法有超聲波衰減法和超聲波聲速法，文獻[2]利用超聲波的衰減機理研究了超聲波衰減量與高水基液體濃度的關(guān)系[2]，在一定條件下，超聲波穿過液體的衰減量與其濃度成比例關(guān)系，從而可以用衰減量來測量液體濃度，但是此方法在濃度大時線性差，應(yīng)用范圍受到限制。超聲波聲速法則是研究了超聲波聲速與液體濃度的關(guān)系[3]，聲波在溶液當(dāng)中的傳播速度與液體濃度、溫度和壓力之間有一定數(shù)學(xué)關(guān)系，利用此關(guān)系得到的擬合關(guān)系式可以計算出乳化液濃度，但是此方法受乳化液中氣泡、雜質(zhì)等因素影響較大；折光法是依據(jù)光的全反射原理對乳化液濃度進行測量，不同濃度的乳化液在不同溫度下有著不同的折射率，乳化液濃度、溫度和折射率有一定的函數(shù)關(guān)系，通過測量處于全反射臨界光線處的臨界角來計算被測量乳化液的折射率，從而得到乳化液濃度。此方法原理簡單、重復(fù)穩(wěn)定性高，但主要屬于離線檢測應(yīng)用，同時精度受限于人為因素。本文提出利用光的全反射原理結(jié)合電子自動化技術(shù)來達到實時、精確檢測乳化液濃度的目的，以提高乳化液檢測效率和精度。

1 檢測原理

光線從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角等于或大于臨界角時，光會發(fā)生全反射現(xiàn)象；而當(dāng)入射角小于臨界角時，入射光有一部分被反射，剩余部分則會被折射進入光疏介質(zhì)中，如圖1所示。

圖1中，a、b、c為3條入射光線，從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)中，a1、b1、c1分別為對應(yīng)的3條入射光線a、b、c的反射光線，a2為入射光線a的折射光線。α為全反射的臨界角，所以入射光線b、c被全反射，而入射光線a發(fā)生折射，既有反射光線a1，又有折射光線a2。依據(jù)光學(xué)知識，光線發(fā)生折射時只有大約10%的光線被反射，大部分光被折射，顯然a1的光強要遠小于b1和c1。依據(jù)此原理可知，當(dāng)光密介質(zhì)不變，光疏介質(zhì)發(fā)生改變時，光疏介質(zhì)的折射率發(fā)生改變，光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)中發(fā)生全反射的臨界角α也會發(fā)生改變。文獻[4]提出一種用棱鏡內(nèi)反射傳感方法測量液體濃度，通過檢測出射光的能量改變來確定溶液濃度。隨著CCD圖像傳感技術(shù)的發(fā)展，在文獻[4]的基礎(chǔ)上，提出利用CCD圖像傳感器對出射光線進行采集并依據(jù)光線照射到CCD上產(chǎn)生明暗分界線處的像元值得到乳化液濃度的方法。圖2是將三棱鏡和CCD圖像傳感相結(jié)合的光線測量裝置，其主要部分為全角度光發(fā)射系統(tǒng)、直角三棱鏡和CCD圖像傳感器。全角度光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出相對于O點法線0°～90°的入射光線；三棱鏡用于與乳化液接觸，當(dāng)入射光線照射到三棱鏡的O點后，依據(jù)由乳化液折射率和三棱鏡折射率（注：為滿足全反射條件，所選三棱鏡的折射率要大于乳化液的最大折射率）所決定的全反射臨界角α，入射角大于等于臨界角的入射光線會被全部反射，從三棱鏡的右直角邊射出，入射角小于臨界角的入射光線會被折射進入乳化液中，只有部分光線被反射，從三棱鏡右邊的直角邊射出；CCD圖像傳感器用于接收從三棱鏡右直角邊射出的光線。由于全反射光線和部分反射光線的亮度不一樣，在CCD上會出現(xiàn)明暗不同的兩個區(qū)，被測乳化液濃度的改變會改變明暗區(qū)的分界線在CCD上的位置。通過檢測明暗兩區(qū)分界線的位置，即可知被測乳化液的折射率，進而知道被測乳化液的濃度值。運用時可以利用像元值代替折射率，建立乳化液、溫度和CCD像元值的函數(shù)模型來計算濃度值。如圖2所示，其中1代表CCD的第一像元，5 000代表CCD的第5 000像元，即暗區(qū)處于低像元區(qū)，明區(qū)處于高像元區(qū)。

由于溫度變化會導(dǎo)致乳化液的折射率變化，因此乳化液濃度是其折射率的函數(shù)，同時也是溫度的函數(shù)[5]。本文用像元值代替折射率，所以濃度c、溫度T和像元值N的函數(shù)關(guān)系可表示為：

c=f（N，T）（1）

因此，通過測得CCD明暗分界線處的像元值和乳化液溫度，即可得到乳化液的濃度值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)是以MSP430F149單片機為核心，主要包括主控模塊、測量模塊（由全角度光發(fā)射系統(tǒng)、三棱鏡、線陣CCD、A/D轉(zhuǎn)換與測溫電路構(gòu)成）、報警模塊、液晶顯示模塊和電源。圖3是整個檢測系統(tǒng)的框架。

2.2 各模塊原理及硬件實現(xiàn)

（1）主控模塊：采用MSP430F149單片機，此芯片是一種16位精簡指令集的單片機，具有超低功耗特性，工作電壓范圍為1.8～3.6V，一般電壓為3.3V，指令周期為125ns，具有兩個16位的定時器、60KB+256KB的閃速存儲器和2KB的RAM，可串行在線編程，從而實現(xiàn)本設(shè)計的主控功能。

（2）測量模塊：線陣CCD采用東芝公司的TCD1501D，它是一種高靈敏度、低暗電流，具有5 000個有效像元和76個虛設(shè)像元內(nèi)置采樣保持的線陣CCD圖像傳感器，工作時需要5V驅(qū)動脈沖和12V電源供電，驅(qū)動時鐘的最大頻率為12MHz，光譜響應(yīng)范圍為400nm～1 000nm，響應(yīng)峰值波長為550nm（綠光）。當(dāng)掃描一張A3圖紙時可達到16線/mm的精度，飽和輸出信號電壓典型值為3V，利用其可將光信號轉(zhuǎn)化成模擬電信號。由于主控芯片I/O口輸出電平為3.3V左右，而TCD1501D的驅(qū)動脈沖為5V，所以可在主控芯片和TCD1501D之間加入電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245來達到驅(qū)動目的；A/D轉(zhuǎn)換芯片采用AD9826，即一款專門針對CCD圖像信號的16位AD轉(zhuǎn)換器，此芯片單通道16位模數(shù)轉(zhuǎn)換時的最大采樣速率可達12.5MSPS，工作電壓為5V，且自帶內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，支持低功耗模式，需主控芯片發(fā)出脈沖進行驅(qū)動。為緩沖CCD電信號，將OS輸出信號經(jīng)過LM7171后，再把信號接入AD；測溫部分采用的溫度傳感器為DS18B20，此傳感器可全數(shù)字轉(zhuǎn)換輸出，采用單總線數(shù)據(jù)通信，測溫范圍為-55～+125℃，最高分辨率可達12位，精度可達±0.5℃，工作電壓范圍為+3.0～+5.5V，利用其檢測乳化液溫度。此模塊具體電路如圖4所示。

（3）顯示和報警模塊：液晶顯示部分采用BJ12864M型號液晶屏，其分辨率為128×64，內(nèi)置字庫，可采用串并行兩種工作方式，工作電壓為+3.0～+5.5V，利用其顯示乳化液的濃度和溫度等值；報警模塊采用HYT-1212B蜂鳴器，其工作電壓為12V，通電時可產(chǎn)生2 600Hz左右的蜂鳴振蕩聲響。當(dāng)檢測的乳化液濃度超出規(guī)定值范圍時，系統(tǒng)會驅(qū)動蜂鳴器，使其發(fā)出聲音進行提示。

（4）電源：系統(tǒng)各個模塊中器件的供電電壓不同，例如：MSP430F149供電電壓是3.3V直流，TCD1501D的供電電壓是12V，AD9826是5V直流供電。綜合可知，有3.3V、5V和12V三種電壓，所以系統(tǒng)采用伊萊科S-25-12開關(guān)電源供電，用LM2940提供5V電壓作為二級供電輸出，再使用LM1117-3.3V降壓至3.3V作為三級電壓輸出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

考慮檢測系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，主要根據(jù)以下4點進行軟件設(shè)計：①系統(tǒng)中主控模塊和其它各個模塊的初始化；②TCD1501D和AD9826的驅(qū)動時序；③AD轉(zhuǎn)換、溫度采集、液晶顯示和報警；④數(shù)值處理。

首先對系統(tǒng)各個模塊進行初始化，啟動測量程序后開啟定時器中斷；然后依據(jù)測量要求，主控MSP430F149對TCD1501D和AD9826進行實時驅(qū)動，同時讀取AD9826數(shù)字輸出引腳D0～D7的轉(zhuǎn)換結(jié)果；之后驅(qū)動DS18B20并從其DQ引腳讀取溫度轉(zhuǎn)換值，依據(jù)所測的AD信號值和溫度值，結(jié)合線性插值法得到乳化液濃度值；判定多次測量后誤差值是否達到要求，沒有達到則繼續(xù)進行測量；測量誤差值達到要求后，驅(qū)動液晶屏顯示所測濃度和溫度值；之后檢測濃度值是否超限，若超限則驅(qū)動蜂鳴器進行報警提醒，并停止測量，如果濃度值沒有超限，則繼續(xù)進行下一次測量。圖5為系統(tǒng)整體程序流程。

4 實驗部分

4.1 實驗原理驗證

為驗證設(shè)計的系統(tǒng)對乳化液濃度檢測原理的正確性，利用搭建的系統(tǒng)分別對濃度為1%、2%和3%的乳化液進行檢測。將乳化液溫度加熱到50℃以上后使之自然冷卻，通過單片機算法分別推算得到冷卻過程中不同溫度下線陣CCD上明暗分界線的位置。結(jié)合圖2可知，被測乳化液折射率越大，明暗分界線在CCD上所處的像元位置則越高。實驗時，將3組不同濃度的乳化液分別從50℃開始降溫，按不等溫度間隔進行測量，得出每一濃度所對應(yīng)不同溫度下CCD明暗分界面的像元值，如圖6所示。

從圖6可以分析出，在同一濃度下，溫度發(fā)生變化會導(dǎo)致CCD的像元值發(fā)生變化，其基本呈線性關(guān)系，從而可以推知溫度的變化對乳化液折射率的影響基本呈線性關(guān)系。

4.2 數(shù)值處理

本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)可以依據(jù)光學(xué)原理、相關(guān)公式和光源、三棱鏡、線陣CCD的位置關(guān)系得出線性CCD上明暗區(qū)的分界線位置與乳化液折射率的精確對應(yīng)關(guān)系，在建立折射率—濃度—溫度模型的過程中可以跳過折射率，直接由全反射角處的光線在CCD上的位置來代替折射率。本設(shè)計采用插值法得出乳化液濃度。根據(jù)實際應(yīng)用情況設(shè)置測量濃度范圍0%～6%，分別對濃度為0%、1%、2%、3%、4%、5%、6%的7種乳化液進行實驗測量，利用酒精燈將乳化液的溫度加熱50℃后自然冷卻到20℃，每隔1℃利用從單片機得到的值推算全反射角處的光線在CCD上的位置N。7種乳化液可以得到7組數(shù)據(jù)N0（T）、N1（T）、N2（T）、N3（T）、N4（T）、N5（T）、N6（T），T為乳化液溫度，每組數(shù)據(jù)記錄了同一濃度下的乳化液在不同溫度下的像元值。檢測乳化液濃度時，假設(shè)測得的溫度為Tx，CCD上交界線為Nx時，根據(jù)單片機內(nèi)存儲的CCD像元值數(shù)組，即可算出與實際測得的Nx最接近的數(shù)據(jù)N，若Ni（T）

使用以上方法進行重復(fù)計算，直到計算得出滿足誤差要求的濃度值。

4.3 系統(tǒng)測試

為對系統(tǒng)進行準(zhǔn)確性測試，分別在20℃、30℃、40℃的溫度條件下，用設(shè)計的系統(tǒng)測量預(yù)先配好的濃度為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%的乳化液濃度值，結(jié)果如表1所示。從表1可以分析出，系統(tǒng)測量濃度值的絕對誤差不超過±0.3%，因而系統(tǒng)能比較精確地實現(xiàn)乳化液濃度檢測。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的以高性能MSP430F149芯片作為主控芯片的乳化液檢測系統(tǒng)，可保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和高效率。所采用的測量方法原理簡單，但可完全滿足檢測要求。經(jīng)實驗驗證，系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠，具有很高的實用價值。

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（責(zé)任編輯：黃 ?。?