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1、基于光学折射的乳化液浓度 传感器研究,研究生： 专业： 机械电子工程指导教师：,目录,1.1 课题背景,两种互不相溶的液体（如油和水），通过搅拌、超声波作用或其他机械分散作用使两种流体充分混合，使一种液体以球形小液滴的形式精细地分散到另一种液体中，由于早期的这种液体混合物呈乳白色，故就被称为乳化液。其中，以小液滴形式存在的液体被称为分散相（也称作内相），另外一种连续液体被称为连续相（也称作外相） 。如果将油分散到水中，即油作分散相，水作连续相，得到的乳化液就叫做水包油型（O/W）乳化液；相反的情况就是油包水型（W/O）乳化液。,乳化液在煤矿生产活动中有广泛的应用，尤其是作为煤矿综采工作面的采煤
2、机、液压支架和液压支柱等液压系统的工作介质，它不仅起传递动力、润滑、冷却的作用，而且还对腐蚀和锈蚀有抑制作用，乳化液被成为液压系统的“血液”。 目前我国煤矿广泛采用质量浓度为3%-5%的水包油型乳化液，即按重量用3%-5%的乳化油，再加97%-95%的水，配制成乳化液。,1.2问题的提出,由防爆外壳提供,乳化液的性能对液压系统工作的可靠性和安全性以及使用寿命有着很大的影响。乳化液中乳化油的百分比即乳化液的浓度是评价乳化液性能的一个重要指标。浓度过小会影响抗硬水能力、稳定性、防锈性和润滑性；浓度过高不仅会增加费用，而且会降低消泡能力和增大对橡胶密封材料的溶胀性。 而当前井下乳化液检测的手段一般为
3、手持式折光仪测量，这种方法需要人工操作、人眼读数，造成人为误差、整体精度低等缺点。而随着井下综采自动化水平越来越高，研制新型能够在井下自动测量、高精度的乳化液传感器成为乳化液检测的趋势。,1.3研究意义,研究设计能够自动检测的乳化液浓度传感器能够实现在线检测、无需人工操作，避免人为误差，提高测量精度。自动测量可实现实时测量，减小测量周期，提高测量效率。实时检测系统与乳化液泵站的配比系统结合可以形成乳化液自动配比检测系统，该系统可以自动控制乳化液浓度在一定浓度范围内，实现乳化液自动配比。,2. 研究现状,煤矿井下乳化液的浓度检测方式最初广泛采用破乳法，现在井下使用的检测装置大多是基于折光仪法的便
4、携式折光仪。 破乳法检测是在乳化液样品中加入破乳剂（一种表面活性物质），它能使乳化液的分散体系破坏，以达到乳化液中各成分分离出来的目的，利用其化学作用将乳化状的油水混合液中的油和水分离开来，从而得到乳化液中油和水的比例值，计算出其浓度值。,折光仪法基于光的全反射定理，即：光从光密介质射入光疏介质时，当出射角为90（掠入射）时，入射角达到最大，这个角度被称为临界角。所有的出射光线，其入射光线均在临界角内，而临界角外没有光线。这样就形成了一个亮区，一个暗区，他们的分界线就是临界角处的光线。而介质的浓度不同，折射率不同，临界角也就不同，这样亮区和暗区分界线的位置也就不同。测量光路如图（1）所示。,随
5、着电子测量技术和传感器技术的发展以及井下液压系统对乳化液质量要求的提高，井下乳化液浓度检测也朝着自动检测、自动读数、高精度的方向发展，采用超声波、电容电阻法、光学等方法自动检测乳化液浓度的系统和装置相继出现。 超声波法测量乳化液浓度分两种：声速法和声衰减法。声速法就是通过测量超声波穿过一定厚度的乳化液所消耗的时间（即间接测量声速）来反映乳化液的浓度。声衰减法是通过测量超声波穿过一定厚度的乳化液后的强度变化来反映乳化液的浓度 。,光全反射法：采用光全反射法的测量光路与前文折光仪法相同，只是将分划板换成能检测出射光光强或位置的光电传感器（硅光电池、CCD、PSD等）。 浑浊度法：乳化液实际上为水中
6、含有悬浮及胶体状态的微粒（乳化油油滴），使得原来无色透明的水产生混浊现象，其混浊的程度称为混浊度。通过光学散射方法检测液体中颗粒的散射光强度,从而反映出液体的混浊度变化，即乳化液中乳化油的浓度。,此外还有采用光栅法、阻容法、光吸收法等测量乳化液浓度的设想和研究，但以上大多数方法都存在测量系统复杂、精度不高等缺点，很多还仅仅处于实验室阶段，能应用于井下测量的高精度商业化浓度传感器还比较少。,3.研究内容,本课题的研究目标为：针对以往和现行检测乳化液浓度的方法和手段，基于光学折射原理和位置传感器来设计一种简单可靠的乳化液浓度传感器。新型乳化液浓度传感器能在井下环境中应用，实现乳化液浓度在线自动检测
7、。（1）考虑温度和静置时间等参数，测量不同牌号不同浓度乳化液的折射率，建立在不同温度和静置时间下乳化液浓度与折射率的关系模型。（2）分析光学折射原理在测量乳化液浓度检测方面的应用。 （3）使用B-P神经网络方法对一维PSD传感器做标定。,（4）PSD传感器微小电流的整流、放大、滤波以及与上位机通信设计。（5）使用VB语言做乳化液浓度检测上位机接口程序。（6）扩展上位机程序和硬件设计，使该乳化液浓度传感器能通过按键的方式测量多种常用牌号的乳化液浓度。（7）对测量装置进行工业化设计，使其达到MA认证标准，能在井下环境中应用。,4.技术路线,本文将选用阿贝折光仪测定乳化液的浓度作为测量的标准数据。基
8、于光学折射方法，使用激光作为光源，通过激光在不同浓度乳化液的折射率不同，用位置传感器来检测激光出射光线的落点，输出信号经电路整流、滤波、放大后在上位机进行处理，从而确定测定乳化液的浓度，结果用液晶显示。,如图所示，式中：n2-乳化液的折射率； -激光光束入射角； d2-样品池前后壁之间的距离； -激光光束穿过空样品池与穿过充满乳化液样品池的偏移量的差值； X= 1 - 0,选用ME10-2型乳化液作为系统设计的研究乳化液，配置0.5%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、8%浓度的乳化液带入上式，得出、X。(x为相邻浓度乳化液的出射光线落点之差),由上表数据可知相邻浓度的乳化液变化引起的变化最
9、小为7.5um，而研究选用的位置传感器最小分辨率为14um,所以放大浓度变化引起的出射光线的变化，使这个变化能被位置传感器方便的测量成为光路设计阶段的重点。 放大出射光线的位移变化的方法有两种：一种为改变浓度传感器与乳化液的接触形状和尺寸，一种是在位置传感器之前放大出射光线。,当L=2.5cm,入射角为60时,得出上表数据，由上表数据可知：第二种方法的最小为27um14um7.5um。 以上两种改变传感器与乳化液接触尺寸的设计方案的不足之处均是出射光线不平行，导致各部件之间尺寸和位置精度需要很高的标准，以保证系统的准确性。另一个不足为需考虑激光在光疏和光密介质之间的全反射条件对尺寸的制约。,放
10、大出射光线的方法有基于显微镜的共焦系统放大和棱镜放大两种方法。,这种方法的优点为系统简单，放大后光线仍然为平行出射，便于测量，缺点为光斑也放大同样倍数，PSD有效光敏面制约放大倍数。,优点为便于测量，缺点为全反射条件制约放大倍数，PSD传感器的位置角精度影响系统精度。,1. 激光 激光意为受激辐射光放大器 。激光的发现是20世纪60年代初重大科技成就之一。激光已经在国防军事、工业生产、医学卫生及科学研究的测量以及其它方面显示其重要作用。与普通光源相比，激光器的特点如下：,4 可行性分析,方向性好亮度高单色性好相干性好,2. PSD位置传感器,电位置敏感器件PSD是一种基于横向光电效应，对其感光
11、面上入射光斑重心位置敏感的光电器件，具有分辨率高、响应速度快、处理信号电路简单等优点。当入射光斑落在器件感光面的不同位置时，PSD将对应输出不同的电信号。通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光斑在PSD的位置。入射光的强度和尺寸大小对PSD的位置输出信号均无关。PSD的位置输出只与入射光的“重心”位置有关。,I0= I1+I2,当入射光点位置固定时，PSD的单个电极输出电流与入射光强度成正比。而当入射光强度不变时，单个电极的输出电流与入射光点距PSD中心的距离x呈线性关系。若将两个信号电极的输出电流作如下处理：,3. B-P神经网络方法,本文使用PSD位置传感器测量出射光线的位置变化，精度达
12、到um级别，而PSD位置传感器本身因为光敏面的硅片材料性能存在差异，导致测量输出有非线性误差，为了提高传感器的准确性，本文采用B-P神经网络方法对PSD进行非线性校正。 B-P神经网络方法是一种典型的前向神经网络，它是有导师的学习，训练方法为梯度下降法。BP学习算法是有信息正向传递和误差反向传播。它的思想是调整权值使网络误差最小。学习的过程是一种误差向后传播边校正权系数的过程。非常适合精度要求很高的校正非线性误差的场合。,PSD位置传感器测量得到的信号经过整流、滤波、放大及A/D转换后由单片机接收处理显示，因此要选用有一定A/D转换且I/O管脚比较丰富的传感器，再者传感器将做成便携式设备，因此
13、要考虑功耗问题，综上所述，本文暂定单片机的类型为MSP430系列。 MSP430 系列单片机是由美国德州仪器TI公司出品的一个具有 16 位处理、具有精简指令集的、超低功耗的微控制器，该单片机有丰富的硬件资源，集成SPI、IIC、UART、多路PWM输出、定时器、捕获与比较器，为了方便的用于数据处理，内部还集成了硬件乘法器，可以方便的进行数学变换，该系列单片机还有另外一个特点就是具有12位/16位AD转换器，高精度的AD集成在微控制器内部。,4. 单片机技术,MSP430系列单片机另外突出的设计在于超低功耗。多种工作模式下，单片机的功耗将降至理想的效果，非常适合于需要电池供电的仪表、仪器，以及
14、一些需要低功耗的控制器。低工作电流使得整体系统更适宜在井下危险工作环境下使用。,5 预期成果,采用B-P神经网络方法标定PSD位置传感器。设计完成光学折射法测量乳化液浓度方法。完成整体设计，使其达到MA认证标准，应用于实际井下生产活动中。公开发表学术论文2篇。,6 课题计划,（1）2011年9月2011年12月，完成课题调研、文献查阅、草拟课题研究方案和研究计划；（2）2012年1月2012年3月，提出设计方案，完成光学折射法测量的光路设计；（3）2012年4月2012年8月，标定PSD位置传感器，设计完成输出信号的后续处理电路；（4）2012年9月2013年1月，搭建系统实验平台，对整个系统进行实验性调试；（5）2013年2月2013年5月，对整个系统进行工业化设计，达到MA认证。（6）2013年6月，撰写学位论文，准备毕业答辩。,谢谢,请各位老师和同学提出宝贵意见,
