基于ARM－Linux的便攜式紅外測油儀的設(shè)計

邵志鵬，王雙保，李學青

(華中科技大學光學與電子信息學院，湖北武漢 430074)

0 引言

當今在石油、化工等高污染行業(yè)，經(jīng)常存在污水的不合理排放而造成的水質(zhì)惡化，含油類物質(zhì)嚴重破壞水體生態(tài)平衡系統(tǒng)，并危害到人的身體健康。為了有效的對污水進行處理，準確的檢測水質(zhì)中含油量是應(yīng)對水質(zhì)惡化、治理油污染、保護水體生態(tài)平衡和保持使用者身體健康的必要手段［1－2］。但是，傳統(tǒng)的紅外測油儀需要PC機協(xié)助進行數(shù)據(jù)處理和顯示，體積龐大，對使用環(huán)境要求苛刻，智能化水平低，不適合移動運用如現(xiàn)場檢測分析。同時，傳統(tǒng)的測油儀容易受環(huán)境干擾，噪聲大。為此，對水質(zhì)中油類污染檢測技術(shù)進行了相應(yīng)的研究，文中研制出了一套基于ARM－Linux系統(tǒng)的紅外測油儀，它能完全脫離PC機，獨立的完成對水質(zhì)中的礦物油和動植物油的測量，具有較高的穩(wěn)定性和準確度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 工作原理

紅外測油儀的測油原理是基于朗伯－比爾定律，該定律可表述為:當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時，其吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c及吸收層厚度d成正比。用數(shù)學表達式表示如下

式中:A為待測物質(zhì)的吸光度;I0為入射光強度;I為透射光強度;T為透過率，T=(I/I0)×100%;k為吸光系數(shù);d為吸收層厚度;c為樣品濃度。

通常，油中含有多種有機物，對于特定種類的油，其組分穩(wěn)定，且各組分的含量一定，所以特定種類的油對特定波長的光的吸收能力也是一定的，即其吸光系數(shù)k為常量［3］。當吸收層厚度d一定，吸光度A與樣品濃度c成正比。這樣，就可以根據(jù)二者的線性關(guān)系，通過求得樣品的在特征波長處的吸光度A來計算樣品的濃度c。

1.2 儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的設(shè)計思想是結(jié)合嵌入式軟、硬件技術(shù)和紅外單色儀來開發(fā)實現(xiàn)一款便攜式的紅外測油儀，它主要由分光系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、ARM－Linux控制系統(tǒng)三部分組成，整機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

依據(jù)國標《HJ637－2012》對水質(zhì)中油類測定的標準，總油由石油和動植物油組成，總油和石油類的含量均由波數(shù)分別為2 930 cm－1(CH2基團中 C—H 鍵的伸縮振動)、2 960 cm－1(CH3基團中的C—H鍵的伸縮振動)和3 030 cm－1(芳香環(huán)中C—H鍵的伸縮振動)譜帶處的吸光度A2930、A2960、A3030進行計算，二者的差值為動植物油含量［4］。

圖1 整機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了計算樣品中石油和動植物油的濃度，需要得到樣品在上述三波數(shù)處的吸光度。儀器工作過程為:首先，用四氯化碳(CCl4)做參比溶液加入比色皿中，鹵鎢燈發(fā)出的紅外復(fù)合光經(jīng)過分光系統(tǒng)后，通過調(diào)節(jié)正弦機構(gòu)，得到不同波長的單色光。紅外單色光透過CCl4后照射到熱釋電紅外探測器光敏面上產(chǎn)生電信號，鎖相放大器對該電信號進行鎖定提取并放大，進過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送入ARM微處理器，嵌入式Linux系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理和保存。然后，將經(jīng)過CCl4萃取后的樣品溶液加入到比色皿中，借助單色儀的波長掃描可以獲得不用波段單色光照射樣品溶液后的電信號大小。由于參比溶液為CCl4，不含任何吸收紅外光的物質(zhì)，而萃取液中樣品含有一些可以吸收特定波數(shù)紅外光的基團，根據(jù)這兩次采集到的電信號數(shù)據(jù)，計算出在波數(shù)分別為2 930 cm－1、2 960 cm－1和3 030 cm－1譜帶處的電信號比值。同時，在特定波段處，熱釋電紅外探測器的響應(yīng)率是一定的，并且鎖相放大電路對初始的電信號設(shè)定的是同等倍數(shù)的放大，所以，對于特定波段，電信號的比值就是相應(yīng)光強大小的比值，依照朗伯－比爾定律，并結(jié)合式(1)即可得到三波段的吸光度A2930、A2960、A3030，最終得到樣品中油的濃度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 紅外分光系統(tǒng)

紅外分光系統(tǒng)由光源、濾光片和單色儀組成，該系統(tǒng)的作用是將一束復(fù)合光通過反射閃耀式光柵色散為分開的波長，這樣就可以對波長進行時分掃描，得到波數(shù)在2 930 cm－1，2 960 cm－1和3 030 cm－1的紅外光。光源使用鹵鎢燈光源，功率為30 W。濾光片截止波長為2 700 nm，作用是消除多級光譜。單色儀采用交叉非對稱式Czerny－Turner光路結(jié)構(gòu)，采用消慧差設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，能有效的控制雜散光［5］。原理圖如圖2所示，其工作原理表述為:光源發(fā)出的復(fù)合光，進過聚光鏡匯聚到入射狹縫處，由濾光片進行濾波。光線進入單色儀后，準直鏡使入射光變成平行光射向光柵。由于光柵表面有著細密的狹縫，能夠?qū)⑦B續(xù)的復(fù)色光色散成各個波長分離的單色光，單色光經(jīng)球面成像鏡反射后匯聚成像在不同的位置。通過步進電機來帶動光柵轉(zhuǎn)動，各路出射光的像點也會水平移動，相應(yīng)波長的光就會依次從出射狹縫射出，進入比色皿池中。這樣只需控制步進電機轉(zhuǎn)動的角度就可以實現(xiàn)波長的自動掃描，得到波數(shù)在2 930 cm－1、2 960 cm－1和3 030 cm－1的紅外光。

2.2 信號處理系統(tǒng)

圖2 分光系統(tǒng)原理圖

信號處理系統(tǒng)主要由光電轉(zhuǎn)換模塊和鎖相放大模塊組成。該系統(tǒng)的作用是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并對初始微弱電信號進行濾波和放大處理，得到我們需要的模擬電壓信號，該模擬電壓信號最終由A/D進行轉(zhuǎn)換，生成ARM處理器可以進行處理的數(shù)字信號。

2.2.1 光電轉(zhuǎn)換模塊

為了反映出光波某一波長光強的大小，需要對光信號進行光電轉(zhuǎn)換，本模塊采用鉭酸鋰熱釋電紅外探測器PYD－1020。鉭酸鋰晶體材料的居里溫度在600℃以上，因此，在很寬的室溫范圍內(nèi)，材料的熱釋電系數(shù)隨溫度變化很小，輸出信號的溫度變化率只有1‰～2‰，探測器的溫度穩(wěn)定性能非常好。PYD－1020熱釋電紅外探測器可用于0.3～9 μm波段范圍內(nèi)的光譜測量，具有較高的響應(yīng)速度和精準的探測度，能夠滿足設(shè)計要求［6］。由于該探測器對10 Hz的光強信號具有較強的響應(yīng)率，所以，嵌入式Linux系統(tǒng)上設(shè)計定時器對光源也進行了10 Hz的斬波調(diào)制，電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 光電轉(zhuǎn)換電路

2.2.2 鎖相放大電路

從樣品池透射后的光信號進過光電轉(zhuǎn)換后，生成的電信號非常微弱，只有幾十μV，很容易就淹沒在噪聲背景中，用傳統(tǒng)的檢測方法檢測信號非常困難，并且其抗干擾能力比較差。因此，必須采用微弱信號檢測技術(shù)中的鎖相放大技術(shù)來實現(xiàn)對有用信號的提取。鎖相放大器是利用互相關(guān)原理設(shè)計的一種同步相關(guān)檢測儀，利用參考信號和被測信號的互相關(guān)特性，提取出與參考信號同頻率同相位的被測信號。鎖相放大器的工作原理圖如圖4。

從上述原理圖可以看出，鎖定放大器主要由信號通道、參考通道、相關(guān)器三大部分組成。

信號通道的作用是對探測器輸出的微弱電信號先經(jīng)過前置放大器進行放大，然后濾波，對信號進行預(yù)處理，將外帶噪聲和干擾盡量排除。信號通道的調(diào)理電路圖如圖5。前置放大電路運放選用LT1028，該運放只有很小的電壓噪聲為1.0 nv/，共模輸入阻抗高達300 MΩ，增益帶寬積為75 MHz，具有噪聲低，精度高等優(yōu)點［7］。帶通濾波器采用的是UAF42配合Filter42仿真軟件進行設(shè)計，UAF42具備精確的頻率和Q值，能極大的提高信噪比。

圖4 鎖相放大器原理框圖

參考通道的參考信號由Linux系統(tǒng)下的定時器產(chǎn)生，為10 Hz的方波信號，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器R18、R19可以分別實現(xiàn)對方波信號起始相位和占空比的調(diào)節(jié)，相位調(diào)節(jié)范圍為0～180°。如圖6所示。

相關(guān)器是鎖相放大器的核心部件，鎖相放大器之所以有很強的抑制噪聲能力，主要是因為相關(guān)器在排除噪聲和干擾方面具有優(yōu)越性能。如圖7所示，相關(guān)器主要由一個乘法器和一個低通濾波器組成。乘法電路采用AD630平衡調(diào)制解調(diào)IC來實現(xiàn)，該器件使用激光微調(diào)薄膜電阻，具有很高的準確性和穩(wěn)定性［8］。

圖5 鎖相放大器信號通道電路圖

圖6 鎖相放大器參考通道電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了使檢測儀器能脫離上位機而具備便攜功能，并且能獨立完成對儀器整機的控制、管理、采集、數(shù)據(jù)保存、繪圖等多項任務(wù)。因此，采用了多用戶、多任務(wù)、支持多線程并且系統(tǒng)可裁剪的嵌入式Linux操作系統(tǒng)［9］。紅外測油儀的軟件系統(tǒng)主要包括Linux系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動模塊和MiniGUI圖形用戶界面模塊組成。

3.1 MiniGUI

MiniGUI［10］是國內(nèi)比較優(yōu)秀的開源軟件之一，是一個實時性的輕量級的GUI軟件，其具有輕型、占用資源少、高性能、支持多操作系統(tǒng)，可配置，易于移植等優(yōu)點。MiniGUI基于事件驅(qū)動編程，窗口是MiniGUI當中最基本的GUI元素，一旦窗口建立之后，窗口就會從消息隊列當中獲取到屬于自己的消息，然后交由它的窗口過程進行處理?；贛iniGUI的特點，該系統(tǒng)采用MiniGUI來設(shè)計紅外測油儀的用戶界面，MiniGUI主要實現(xiàn)的功能有紅外光譜儀的初始化、參數(shù)配置、樣品管理、光譜檢測、數(shù)據(jù)處理、曲線繪制、結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)打印等工作。為了便于調(diào)試和二次開發(fā)，這些功能都是以模塊的方式組織在一起的，各主要模塊的組織方式如圖8所示。

3.2 主程序

圖7 鎖相放大器相關(guān)器調(diào)理電路

圖8 應(yīng)用程序主要功能模塊

主程序主要完成嵌入式Linux系統(tǒng)初始化設(shè)定，并進入MiniGUI圖形界面等待觸摸指令。儀器開機成功后，進行系統(tǒng)初始化并通過對霍爾元件位置的判定來校準系統(tǒng)，然后顯示MiniGUI圖形用戶操作界面，根據(jù)不同觸摸命令執(zhí)行相應(yīng)服務(wù)程序，完成相應(yīng)的操作。主程序流程圖如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

3.3 樣品采集程序

進入MiniGUI界面，需要配置好輸入?yún)?shù)，然后加入CCl4溶液，點擊掃描參比按鈕，儀器開始對CCl4溶液進行掃描，儀器自動保存掃描數(shù)據(jù)結(jié)果。接著，加入樣品，點擊樣品檢測按鈕，掃描結(jié)束后，系統(tǒng)自動計算樣品溶液在波數(shù)分別為2930 cm－1、2960 cm－1和3030 cm－1的透過率和吸光度，樣品采集程序流程圖如圖10。

圖10 樣品檢測流程圖

4 結(jié)束語

文中設(shè)計了基于ARM微處理器和開源嵌入式Linux系統(tǒng)的便攜式紅外測油儀。電路采用鎖相放大技術(shù)可以對信號進行準確的提取，軟件系統(tǒng)采用MiniGUI進行圖形用戶界面設(shè)計，所有的檢測操作都通過觸摸屏完成。該儀器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、便攜、實用性強、操作簡便、能夠自動計算透過率、吸光度和濃度以及自動繪制光譜圖曲線，具有較高的穩(wěn)定性和準確度，提高了儀器的智能化水平。

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