基于分布式光纖傳感的溶液濃度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所，安徽合肥 230051

一、前言

濃度是表征介質(zhì)溶液特征的重要參量之一，濃度測(cè)量的必要性日益凸顯，在造紙、化工、制糖、食品、制藥、水體監(jiān)測(cè)等行業(yè)有著重要的應(yīng)用。在以液體為主的生產(chǎn)工藝中有的需要將原料分離，有的需要投入中間原料，在這種生產(chǎn)線上，對(duì)溶液濃度的測(cè)量與控制變得非常重要，否則產(chǎn)品的質(zhì)量難以保證，甚至?xí)斐删薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。為了控制生產(chǎn)過(guò)程，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，提高經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)行科學(xué)管理，液體濃度的在線監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。

有關(guān)測(cè)量濃度的方法有很多種，目前技術(shù)已經(jīng)比較成熟并且得到應(yīng)用的方法有電容法、光電法、超生光柵法、掠入射法等。但是在溶液的監(jiān)測(cè)方面，尤其是在線溶液濃度的監(jiān)測(cè)與控制方面還處于較落后的狀態(tài)。在食品、化工、生物、醫(yī)藥等方面的試劑生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)多組分的溶液進(jìn)行定量分析，這就要求對(duì)溶液濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

光纖傳感技術(shù)是伴隨著光纖通信的發(fā)展而出現(xiàn)的一門嶄新的技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感器有著耐腐蝕，抗電磁干擾，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于濃度的測(cè)量更加實(shí)用和精準(zhǔn)，有著很好的市場(chǎng)前景和良好的發(fā)展趨勢(shì)。隨著時(shí)代的需要，在高電壓、大噪聲、高溫、強(qiáng)腐蝕性等很多特殊環(huán)境下進(jìn)行濃度測(cè)量，基于光纖測(cè)濃度更是突顯它的優(yōu)勢(shì)[2-3]。

本文基于對(duì)光纖技術(shù)的分析，提出了一種基于光纖傳感器的濃度實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制部件，以反射結(jié)構(gòu)的光纖探頭作為敏感元件和光纖作為光通路，并能通過(guò)合理的軟件算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)溶液濃度的分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

二、實(shí)時(shí)溶液濃度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1、系統(tǒng)組成

實(shí)時(shí)溶液濃度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。主要由光纖溶液濃度傳感器、LED光源、光電探測(cè)器、單片機(jī)、LCD顯示等構(gòu)成。采用單片機(jī)調(diào)節(jié)LED的工作電流，提高信噪比，提高儀器的抗干擾能力。系統(tǒng)采用單片機(jī)控制PWM發(fā)光方法，即在每測(cè)量一次數(shù)據(jù)的周期內(nèi)，LED發(fā)光時(shí)間固定，同時(shí)光信號(hào)由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，放大后進(jìn)行取樣保持[4]。一旦采集完成，則單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，此時(shí)LED不發(fā)光。由于LED處于占空比較小的PWM發(fā)光狀態(tài)，使LED工作在物理特性最好的階段，從而保證LED光源穩(wěn)定的發(fā)光，且可延長(zhǎng)LED的實(shí)際使用壽命。

2、主要元件

（1）光纖溶液濃度傳感器

光纖傳感器是通過(guò)被測(cè)物理量（例如液體濃度、折射率等）對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸光的強(qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，然后對(duì)被調(diào)制過(guò)的光信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的一類新型傳感器，具有遠(yuǎn)程和抗化學(xué)腐蝕性。

由光折射和反射的Snell定律可知，當(dāng)光波入射到兩種媒介的交界面時(shí)，反射率與相鄰兩種媒介的折射率（纖芯n1、包層n2）有關(guān)。 當(dāng)包層為待測(cè)溶液，即待測(cè)溶液的濃度發(fā)生變化時(shí)，其折射率n2必然發(fā)生變化，從而使通過(guò)反射回到纖芯的光也發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量接收端光強(qiáng)的大小，就可以得到待測(cè)溶液的濃度變化。

光纖溶液濃度傳感器[5]常采用Y型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。Y型結(jié)構(gòu)的光纖是由兩束光纖束組成，一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為發(fā)送光纖束和接收光纖束。其基本傳感原理是：光從光源耦合到發(fā)送光纖束，通過(guò)光纖傳輸，射向反射體，再被反射到接收光纖束，最后由光電探測(cè)器接收，光電探測(cè)器接收到的光強(qiáng)度與反射體溶液濃度、光纖探頭的結(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)工作的原理，再結(jié)合溶液濃度監(jiān)測(cè)的要求可知光纖反射型敏感元件是整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部件，用光纖熔接器進(jìn)行熔接制成，以和被測(cè)溶液直接接觸的探頭熔融部分作為反射體。

LED發(fā)出來(lái)的光通過(guò)發(fā)送光纖束傳輸?shù)焦饫w探頭，經(jīng)過(guò)光纖探頭發(fā)送到待測(cè)溶液，有一部分光透過(guò)，而其余的光被反射回來(lái)。當(dāng)待測(cè)溶液濃度恒定時(shí)，透射光強(qiáng)度和反射光強(qiáng)度恒定；當(dāng)待測(cè)溶液的濃度發(fā)生變化時(shí)，其折射率也發(fā)生變化，此時(shí)反射回光纖的光強(qiáng)度也發(fā)生變化。因此，利用光電探測(cè)器測(cè)量光纖探頭探測(cè)到的反射光強(qiáng)度[6]，通過(guò)反射光強(qiáng)度可計(jì)算出待測(cè)溶液的濃度，從而獲得待測(cè)溶液濃度變化的信息。

光纖濃度傳感器的構(gòu)造如圖3所示。LED光源發(fā)出的脈沖光經(jīng)光纖傳輸后發(fā)生到待測(cè)液體中，經(jīng)過(guò)光纖探頭探測(cè)后，通過(guò)接收光纖束傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器中，光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理，得出檢測(cè)結(jié)果。

光纖傳感器的測(cè)量單元安裝在監(jiān)測(cè)待測(cè)溶液的現(xiàn)場(chǎng)，光電轉(zhuǎn)換箱、二次儀表、電源和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安裝在儀表控制室，兩者之間通過(guò)光纜連接，完全做到待測(cè)溶液現(xiàn)場(chǎng)無(wú)電監(jiān)測(cè)[7]。

（2）光源的選擇

一般所使用的光源是半導(dǎo)體激光器，其發(fā)光是利用光的受激輻射原理，耦合效率高、響應(yīng)速度快，但價(jià)格比較高。半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）具有體積小、易于集成、能耗低、輸出功率穩(wěn)定；從近紅外到可見(jiàn)光以及紫外都有相應(yīng)波段的產(chǎn)品，波長(zhǎng)選擇范圍廣；工作電壓低、功耗小；驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定可靠、工作壽命長(zhǎng)而且發(fā)光響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，作為微型化光源受到廣泛的關(guān)注。同時(shí)可以采用精密的光學(xué)及芯片加工技術(shù)將某些單元集成在芯片上，使整個(gè)光路進(jìn)一步微型化。

（3）光電探測(cè)器的選擇

經(jīng)過(guò)比較多種光電探測(cè)器后，選擇雪崩光電二極管（APD）比較合理，因?yàn)楫?dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的“雪崩”。這種管子現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定簡(jiǎn)單，另外響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快，靈敏度很高的一種光電二極管。理論證明，APD的雪崩增益（響應(yīng)度）是環(huán)境溫度和偏置電壓的函數(shù)[8]，其穩(wěn)定性直接影響了整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)量靈敏度。為了使 APD 能以恒定的增益工作，通過(guò)單片機(jī)調(diào)節(jié)APD的偏置電壓使其隨環(huán)境溫度的變化而按一定比例改變，可保持APD增益不變。

（4）單片機(jī)

溶液濃度受溫度等因素影響，監(jiān)測(cè)時(shí)還要注意外界光的干擾因素、被控制的反饋量等對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的作用，采用單片機(jī)可以靈活地編程，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的監(jiān)測(cè)控制。選用凌陽(yáng)SPCE061A單片機(jī)，具有8通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器，并具有ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程）。SPCE061A具有兩路PWM輸出功能，利用單片機(jī)I/O端口輸出PWM信號(hào)即可控制LED，采用軟件生成 PWM 的方法，通過(guò)分頻產(chǎn)生4Hz的時(shí)基信號(hào)，利用時(shí)基中斷，改變I/O端口的電平狀態(tài)，從而模擬特定占空比的PWM波形，輸出4位可調(diào)脈寬比PWM信號(hào)。另外采用中斷方式定時(shí)，讓定時(shí)開(kāi)啟LED發(fā)光電路。為了給LED提供足夠的電流，將PWM信號(hào)發(fā)給LED驅(qū)動(dòng)芯片[9]，由驅(qū)動(dòng)芯片直接控制驅(qū)動(dòng)LED。

三、分布式光纖傳感實(shí)時(shí)溶液濃度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

分布式光纖傳感實(shí)時(shí)溶液濃度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量原理框圖如圖4所示，系統(tǒng)采用多個(gè)光纖濃度傳感器組網(wǎng)，利用光纖作為信號(hào)傳輸通道，可以實(shí)時(shí)測(cè)量多個(gè)不同位置的濃度值。測(cè)量值同時(shí)反饋到監(jiān)測(cè)主機(jī)，可以對(duì)較大范圍內(nèi)溶液濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

四、軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)要處理的信息，編寫的單片機(jī)主程序流程如圖5所示。程序開(kāi)始后，通過(guò)初始化，對(duì)檢測(cè)到的光信號(hào)進(jìn)行歸一化，隨后單片機(jī)控制光源向溶液發(fā)射光信號(hào)，光電探測(cè)器檢測(cè)反射光信號(hào)，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)測(cè)量到的光信號(hào)超過(guò)光強(qiáng)預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

程序中包含定時(shí)的常規(guī)監(jiān)測(cè)，如果接近監(jiān)測(cè)濃度的臨界值時(shí)加大測(cè)量頻率，這樣間斷測(cè)量和連續(xù)測(cè)量相結(jié)合，既滿足實(shí)時(shí)測(cè)量的要求，又有利于提高LED 和光電探測(cè)器的使用壽命。監(jiān)測(cè)部分程序的關(guān)鍵是采用合理的算法。根據(jù)待測(cè)溶液濃度控制的特點(diǎn)，設(shè)定多個(gè)測(cè)量點(diǎn)[10]，根據(jù)溶液濃度、溫度對(duì)溶液的影響、溶液中顆粒的散射、外界光的干擾因素等，調(diào)節(jié)算法的權(quán)重，得到合適的計(jì)算參數(shù)。

五、系統(tǒng)性能測(cè)試

（1）誤差范圍

在室溫條件（25℃）下，使用高精度電子天平稱量，依次配制1%、2%、3%、4%、5%....10%的10種不同濃度的NaCl溶液，測(cè)量不同濃度NaCl溶液折射率，如圖6所示。利用光纖溶液傳感器檢測(cè)不同濃度的NaCl溶液，得出光強(qiáng)度與信號(hào)隨NaCl溶液濃度變化曲線，如圖7所示。為了減小外界因素的干擾（如機(jī)械振動(dòng)、空氣擾動(dòng)等），實(shí)際測(cè)量取5次測(cè)量的平均值。

從圖可以看出，NaCl溶液折射率與溶液濃度變化曲線呈正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.9981，檢測(cè)到的光強(qiáng)度與NaCl溶液濃度呈負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.9979。由圖7數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)測(cè)量誤差不大于0.7%。由于光強(qiáng)度與溶液濃度之間的高度相關(guān)，因此可以通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)度信號(hào)計(jì)算出溶液濃度。通過(guò)建立不同溫度及流速條件下的溶液濃度數(shù)據(jù)庫(kù)，可以實(shí)時(shí)得出待測(cè)溶液濃度。

（2）檢測(cè)靈敏度

在室溫條件（25℃）下，采用高精度電子天平稱量，依次配制3組不同濃度的NaCl溶液，如表1所示。利用光纖溶液傳感器檢測(cè)不同濃度的NaCl溶液，得出光強(qiáng)度隨NaCl溶液濃度變化曲線，實(shí)驗(yàn)值取5次測(cè)量的平均值。

表1 不同濃度NaCl溶液檢測(cè)誤差

從表1可知，光纖溶液傳感器對(duì)濃度梯度為1%的溶液誤差小于0.7%，對(duì)濃度梯度為0.1%的溶液誤差小于1.5%，對(duì)濃度梯度為0.01%的溶液，檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。因此，光纖溶液傳感器對(duì)NaCl溶液的檢測(cè)靈敏度為0.1%。

六、總結(jié)

分布式光纖傳感智能濃度測(cè)量系統(tǒng)將單個(gè)光纖溶液傳感器分布式組網(wǎng)，以單個(gè)光纖傳感器為敏感元件，構(gòu)建了一個(gè)溶液濃度實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)NaCl溶液進(jìn)行檢測(cè)，得出系統(tǒng)的濃度檢測(cè)靈敏度為0.1%，在1%濃度梯度下，其誤差范圍不大于0.7%。系統(tǒng)操作方便、實(shí)用性強(qiáng)。通過(guò)光來(lái)檢測(cè)和傳輸信息，因而現(xiàn)場(chǎng)可以不用電信號(hào)，靈敏度高、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍大，可適用于遠(yuǎn)距離遙感，便于推廣使用。利用光纖傳感器具有很強(qiáng)的抗干擾能力、耐高溫、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，及以光纖作為信息傳輸?shù)耐ǖ溃瑯?gòu)建溶液監(jiān)測(cè)的多測(cè)量點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以LED作為光源，節(jié)約設(shè)備生產(chǎn)成本及使用成本。在造紙、化工、制糖、食品、制藥、水污染監(jiān)測(cè)、石油化工等行業(yè)有著重要的應(yīng)用前景。