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1、第一章 绪论1.1 我国水环境现状目前，我国年均水资源总量为28124亿立方米，居世界第6位，但由于人口众多，地域辽阔，人均水量仅为2400立方米，仅相当于世界人均的25，低于人均3000立方米的轻度缺水标准，是世界上缺水的国家之一，且我国水资源在时空上分布不均。目前，我国有400多个城市缺水，其中有100多个城市严重缺水。正常年份城市缺水60亿立方米，日缺水量达1600万立方米。地下水多年超采，储量不足。预计2010年后，我国将进入严重缺水期。作为世界上第一人口大国和最大的发展中国家，我们在水资源使用和管理上，面临着水资源短缺与水浪费并存、洪涝灾害与生态失衡并存、水环境污染与水管理不善并存的
2、突出矛盾我国七大江河水系普遍受到不同程度的污染，其中尤以海河和辽河流域污染为重。据有关资料显示：2002年，七大水系741个重点监测断面中，29.1的断面满足类水质要求，30的断面属、类水质，40.9的断面属劣类水质。2002年，全国工业和城镇生活废水排放总量为439.5亿m，比上年增加1.5，其中工业废水排放量207.2亿m，比上年增加2.3，城镇生活污水排放量232.3亿m，比上年增加0.9由于80以上的污水未经处理就直接排入水域，已造成90以上的城市水域严重污染，近50的重点城镇水源不符合饮用水标准，就连城市地下水都有50受到严重污染。水中有毒有害的有机物问题已经越来越突出，如致癌物的水
3、污染问题，一些城市饮用水中已有20多种致癌物。水资源不合理的开发利用，尤其是水污染的不断加重，引起了政府的高度重视。近几年来，国家逐步加大环境监测网络建设以提高环境监测能力，改善生态环境。主要措施包括：加强污染物排放总量的监测，加快空气质量监测网络建设，完善主要流域水质自动监测系统，加强近岸海域监测网能力、生态监测能力、监测信息传输能力等方面的建设，环境自动监测能力有了很大的提高。从全国的环境监测数据来看，我国的环境污染恶化的趋势已得到基本控制，环境质量有所改善，但是污染仍处于相当高的水平。因此迫切需要大量的现代化的环境监测仪器，特别需要优质的自动监测系统和污染源在线连续监测系统。1.2 环境
4、监测仪的现状与前景1.2.1 环境监测仪器的分类1.通用的实验室分析仪器：包括光学类仪器，如可见紫外分光光度计、荧光光度计、原子吸收光度计、等离子体光谱仪、X-射线荧光光谱仪和红外光谱仪；电化学类仪器，如PH计、电导仪、库仑计、电位滴定仪、离子活度计和各种极谱仪；色谱类的仪器，如离子色谱仪、气相色谱仪、高压液相色谱仪、色谱，质谱联机和液谱质谱联机等。凡分析实验室应有的仪器环境科学与监测实验室均需要。2.专用监测仪器：空气TSP、PMl0、MP25采样器及其监测仪器(-射线吸收，晶体震荡天平)；气体自动采样器：S02、N02，NO、NOX、03和CO监测仪；水质监测方面：测汞仪、测油仪、CODc
5、r测定仪、DO仪、污水流量计和比例自动采样器等。3.自动监测系统：空气地面自动监测系统；环境水质自动监测系统；工业污染源在线连续自动监测系统；道路交通噪声自动监测系统等。1.2.2 国产环境科学监测仪器存在的主要问题国产专用监测仪、采样器数量上占有优势，基本可用，但附加值低，且监测数据多为有线传输，对于监测点地理位置比较分散、偏僻、自然条件较差地方，采用有线传输需要架设专线，成本太高。高质量的分析仪、专用监测仪器和自动监测系统多是国外引进的，因此国产仪器占的份额很小。究其原因：一是大型国营企业运行机制问题，未发挥好骨干作用；二是小企业蜂拥而上，缺乏技术缺乏资金，低水平重复的较多，仪器的质量和性
6、能均不能与国外进口仪器抗衡；三是研究院校与企业缺乏紧密合作机制，有技术创新的、有资金脱节的，不能快速实现产业化；四是政府对开发研制环境科学仪器的投资和风险投资不足。1.2.3 环境监测仪器的未来市场需求1.环境质量监测：全国环保系统及各部门、行业、企业已建监测站4000多个，从业人员6万多人，还有几万个环境科研院所。近几年正是环境科学和监测分析仪器、装备更新换代和提高水平时期，中央、地方政府和企业每年投资购买仪器装备约两亿人民币。国家环保局计划要装备400多个国家网络监测站，350多个环境信息中心，100个城市空气地面自动监测系统。项目包括：FMl0、S02、N02、O3、CO、风向、风速、温
7、度、湿度，约100个国控水质监测断面自动监测系统。项目包括：PH、温度、电导、浊度、溶解氧、氨氮、总氮、总磷、CODcr、高锰酸盐指数，初步计划投资15亿人民币，其中国家投资三分之二，地方投资三分之一。这不包括行业、地方和企业的监测站能力建设的投资，各部门、各地方根据环境保护任务的需要另有自己的投资计划。2.污染源监测：国家要对全国1.8万个重点污染企业实施主要污染物排放总量控制和消减。以改善环境质量，因此要求1.8万个污染大户要逐步安装在线连续自动监测系统。污水监测主要包括；污水流量计、自动比例采样器、P11、CODcr、矿物油、氰化物和氨氮等项目的自动监测系统，并实现计算机联网管理。废气监
8、测主要包括：工业粉尘、烟尘、烟气S02、N02、CO和烟气流速在线连续监测系统，实现计算机联网管理，加强实时监控，这些都是较新的。成熟的国产仪器系统很少，而需求量比环境质量监测要大得多，主要由污染企业购买。行业主要是电力、石油化工、建材、冶金、造纸、食品和城市污水处理厂等，潜在的市场有数十亿至数百亿元。3.遥感遥测仪器仪表：国家提出环境污染防治与生态环境保护并重的方针，要加强生态环境保护，必须对我国生态环境进行监测。包括对荒漠、草原、森林、海洋、农业生态环境进行监测，也需要对大气污染、水域污染(如海洋赤潮、溢油污染)及污染源进行遥感遥测，还要建立卫星地面接受系统及卫星图片解析系统，对环境生态质
9、量现状及变化趋势进行分析，为国家环境生态保护与建设提供决策的科学依据。1.3水质监测的现状与前景我国环境水质监测仪器以往主要依赖进口，从2000年开始，成熟的国产化设备才开始在全国范围内大规模推广。我国的环境水质监测仪器厂家主要以民营为主，在成长初期，规模普遍偏小，技术不够成熟，仪器的可靠性、稳定性不足，难以满足我国复杂的水体环境和日益多样化的污染物监测需求。市场整体存在集中度不高、区域分割严重、单一企业所占市场份额不大等问题。随着国家对环保产业的重视和水质自动监测网络体系的建立，环境水质监测仪器厂家数量迅速增长，部分具备自主研发实力的企业发展壮大起来，成为与国外知名品牌如美国哈希、日本岛津等
10、相抗衡的仪器生产企业。根据中国环保产业协会统计数据，我国环境水质监测行业企业2004年有30家，2009年增加到100家，增幅达到233%，并诞生了如聚光科技（杭州）股份有限公司、河北先河环保股份有限公司、广州市怡文环境科技股份有限公司、宇星科技（深圳）有限公司等业内领先的企业。其中，河北先河环保股份有限公司已登录A股市场，成为业内为数不多的上市公司，聚光科技（杭州）股份有限公司亦准备挂牌上市。根据环保产业协会数据，2009年，废水污染源监测行业市场规模6.8亿元。2009年，地表水质监测行业市场规模3.64亿元。整个环境水质监测行业市场规模10.44亿元。根据聚光科技（杭州）股份有限公司和河
11、北先河环保股份有限公司公开披露的资料，2009年，聚光科技（杭州）股份有限公司的环境水质监测系统的营业收入为3,912万元，河北先河环保股份有限公司的环境水质监测系统的营业收入为2,012万元。据此计算，环境水质监测仪器市场中，聚光科技（杭州）股份有限公司的市场份额为3.75%，河北先河环保股份有限公司的市场份额为1.93%。由此可见，业内企业仍在积极的跑马圈地过程中，单一企业所占的市场份额不大，市场的集中度仍然不高。可以预见，随着市场的快速增长，具备自主研发优势和市场拓展能力的企业将占据市场的制高点，更快速的占领市场份额，做大做强。1.4 课题意义和要求通过对上述现状与前景的分析，我们可以知
12、道环保机关和水产养殖业单位对新型海水水质监测系统的迫切需求。本系统可使环保机关和水产养殖单位足不出户即能掌握辖区监测点和污染源的监测指标信息，从而使环保机关和水产养殖单位的管理在机制上实现从人工化向信息化的转变，克服了过去对各项环境指标的检测主要靠检测人员到现场手工取样，带回实验室分析后再作出结论，周期长、效率低的问题，还可以提高对环境的监测频次，克服过去由于监测频次低，所造成的后果是总结出来的环境质量和污染源监测信息可信度较低的问题。这正是本课题提出的意义所在。本论文主要实现了基于虚拟仪器技术的海水水质监测系统的设计。本系统通过USB数据采集卡可同时对水质的温度、pH值、浊度、溶解氧4个参数
13、进行实时数据采集，实时数值显示与处理。根据功能要求进行功能规划，把整个系统分为传感器模块、调理电路、数据采集卡以及上位机软件系统。本系统能够在虚拟仪器软件开发平台LabVIEW上进行水质智能监控，主要包括以下功能：数据采集、上下限报警、采集数据保存、数据回放。同时，系统软件采用了模块化的设计思想，使本系统能够方便的按照实际需求进行结构与功能上的升级，最大程度的方便用户。1.5 LabVIEW简介1.5.1电子测量仪器的发展电子测量仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。第一代模拟仪器，如指针式万用表、晶体管电压表等。第二代数字化仪器，这类仪器目前相当普及，如数字
14、电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能块全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，相对虚拟仪器而言，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。第四代虚拟仪器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器产业发展一个重要方向。1.5.2虚拟仪器概述及其特点虚拟仪器(virtual instrumention)是基于计算机的仪器，是美国国家仪器公
15、司（National Instruments Corp. 简称NI）于1986年提出的。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式，它是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统。虚拟仪器技术的出现彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模
16、式，给用户一个充分发挥自己才能、想象力的空间。用户可以根据自己的要求，设计自己的仪器系统，满足多样的应用需求。与传统仪器相比，虚拟仪器有以下优点：1.突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。高性能处理器高分辨率显示器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的 标准配置。2.利用了计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增加了系统灵活性；通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理：通过图形用户界面（GUI）技术，真正做到界面友好、人机交互。3.基于计算机总线和模块化仪器总线，仪器硬件实现了模块化、系列化，大大缩小系统尺寸
17、，可方便地构建模块化仪器（1nstrument on a Card）。4.基于计算机网络技术和接口技术，VI系统具有方便、灵活的互联（connectivity），广泛支持如FieldBus等各种工业总线标准。因此，利用VI技术可方便地构建自动测试系统(ATS，Automatic Test System)，实现测量、控制过程的网络化。5.基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建时间。1.5.3虚拟仪器的硬件系统虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬
18、件平台和测控功能硬件。按照测控功能硬件的不同，VI可分为GPIB、VXI、PX工和DAQ四种标准体系结构：1.GPIB（General Purpose Interface Bus）通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通讯协议。GPIB的硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准棗工EEE 488.1和工EEE488.2。它是最早的仪器总线。典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器。2.VXI(VMEbus extension for Instrumentation)即VME总线在仪器领域的扩展，是1987年山主要仪器制造商共同制订的开放性仪器总线标准。VXI体系结
19、构综合了GPIB和VEM总线的优点，它集成的系统硬件集成度高、数据传输率快、便携性好，是当今倍受业界关注的体系结构。3.PXI(PCI extension for Instrumentation)PCI在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是Compact PCI 结构Microsoft Windows软件。PXI 是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。由于其总线吞吐率高、硬件的价格较低被业内人士认为是符合国情的一种体系结构。4.DAQ（Dara AcQuisition）数据采集，指的是基于计算机标准总线（如ISA、PCI、PC
20、/104等）的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用DAQ可方便快速地组建基于计算机的仪器（Computer-BasedInstruments），实现“一机多型”和“一机多用”。在PC计算机上挂接若干DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的PC仪器。虚拟仪器中各种标准仪器的互连及与计算机的连接目前多使用IEEE 488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。1.5.4虚拟仪器的软件系统虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬、软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化(虚拟化)。基于软件在VI系统中的重要作用，NI提出了“
21、软件就是仪器（The software iS the inStrument）”的口号。虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：VISA库、仪器驱动程序、应用软件。VISA(Virtual 1nstrumentation software Architecture)虚拟仪器软件体系结构，实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称。一般称这个I/0函数库为VISA库。它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发者来说是一个个可调用的操作函数集。仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。它是应用程序实现仪
22、器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给用户。应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式：1.用通用编程软件进行编写。主要有Microsoft公司的Visual Basic与VisualC+、Borland公司的Delphi、Sybase公司的PowerBuilder。2.用专业图形化编程软件进行开发。如HP公司的VEE、 NI公司的LabVIEW和Lab windows/CVI等。图形化软件开发系统是用工程人员所熟悉的术语和图形化
23、符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作简便，可大大缩短系统开发周期，深受专业人员的青睐。应用软件还包括通用数字处理软件。通用数字处理软件包括用于数字信号处理的各种功能函数，如频域分析的功率谱估计、FFT、逆FFT等：时域分析的相关分析、卷积运算、反卷运算、均方根估计、差分积分运算和排序等。以及数字滤波等等。这些功能函数为用户进一步扩展虚拟仪器的功能提供了基础。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足G
24、PIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCPIP、Acvex等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。LabVIEW平台使用的是图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的3 2位编译器。像许多重要的软件一样，LabVI
25、EW 提供了Windows、UNIX、“Linux、Macintosh 的多种版本。1.6 本章小结本章先介绍了我国水环境的现状，然后介绍了我国环境监测仪器的现状与前景，接着分析了水质监测的现状与前景，根据以上的介绍和分析引出了本课题的意义并结合实际提出了本课题的要求，最后对本设计的软件平台LabVIEW进行了详细介绍。第二章 系统总体方案设计及其设计原则2.1 监测系统的总体设计方案整个系统的具体工作过程如图2-1所示：温度、pH值、浊度、溶解氧传感器将采集到的信号送入调理电路中进行滤波整流，然后送入IV转换电路中输出标准的5V电压信号，再通过数据采集卡转换为计算机可以识别的数字信号送入计算
26、机中。经计算机实时数据显示与报警后，采集到的数据将在指定文件夹中保存为Excel文件，并能实现数据回放显示和数据分析功能。监控中心的工作人员可以根据处理和分析后的数据进一步了解采集点处的水质状况。图 2-1 海水水质监测系统组成框图2.2 监测系统的设计原则在功能模块的设计和器材选择上，为了使设计合理，确保测量的精度，以获得最佳的设计效果，本设计遵循了以下几个设计原则。1.使用成熟的传感器产品使用全球知名传感器厂商Global Water的成熟的系列产品，该套产品具有相同的工作电压和信号输出范围，并且具有基本的信号调理功能，可大大简化硬件电路设计。经市场的长期检验，该系列产品具有较好的性能和极
27、高的可靠性，在水环境监测领域被大量使用，这就保证了即使传感器出现损坏，购买更换也非常方便，减少了监控出现断档的可能性，增加了整个监控系统的可靠性。2.数据采集卡兼顾成本和拓展性数据采集卡的选择上，综合成本与拓展性通用性的考量，选择了NI USB 6251数据采集卡。该数据采集卡采用了USB总线，支持8通道输入，具有A/D转换功能。简化硬件电路设计的同时，还为今后进行功能拓展提供了便利。3.模块化设计软件设计采用了模块化设计，各功能模块相对独立，便于一线工作人员按照实际需要对软件进行升级改造。其中，数据分析模块采用子VI形式编写，大大简化了程序框图的连线。4.以软件代替硬件部分功能以软件代替了硬
28、件。原则上，在实时性允许的条件下，能够用完成的功能，就不用硬件，这样不仅仅节约了成本，而且也提高了系统的可靠性，在实时性能够保证的情况下，用软件代替硬件是很合算的。5.用户界面清晰友好设计的最终使用者是用户，清晰友好的界面能够使用户轻松的理解本系统的运行原理，同时还能使用户在点击时不会忙中出错，造成不应有的损失。用户界面的设计还应尽可能的兼顾用户的实际使用流程，减少用户的不必要操作。6.选用HCMOS工艺的芯片，降低功耗考虑到统应用的工业现场环境非常苛刻，所以尽量采用HCMOS工艺的低功耗芯片，有利于减低自身发热，同时减轻电源负担，增加系统的无故障使用时间，这也是提高系统可靠性的措施之一。7.
29、仔细讲究布局布线PCB的布线在尽可能利用空间上把整个PCB分成若干个功能分块、分块排放、整体布线的通用原则如下：按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观。而且装焊容易。易于批量生产。位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3：2成4：3。电路板面尺寸大于200150ram时。应考虑电路板所受的机械强度。印制导线拐弯处一般取
30、圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。具体采用原则：模拟地和数字地分开布线，后一点接地。去藕电容的位置应在靠近芯片的VCC端。因为芯片的封装均为双列直插、接线端子也多，占了很大的面积，所以扳子在中间加了两个安装孔，以防被压弯或变形。在板子的边上设计了测试点和调试用的指示灯。走线不走90度或锐角的线。设置地线和电源线的宽度(30mil)。调整优化线路(线最短原则)、加敷铜。调整丝印层：字的大小方向内容等，加上公司、时间标记或版本号
31、等。2.2 本章小结本章先介绍了系统的工作过程，进行提出了系统的总体设计方案，然后根据系统的实际需要提出了本次设计的几个基本的设计原则。第三章 系统硬件的选择与设计3.1系统硬件结构由于采用LabVIEW 8.6作为软件平台，很多硬件都可以用软件来代替，因此相比传统的仪器仪表，本设计的硬件结构要简单很多。图 3-1是该系统的硬件结构框图。图 3-1 系统硬件结构框图3.2 传感器的介绍人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。新
32、技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到fm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、
33、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传
34、感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。人们常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器视觉；声敏传感器听觉气敏传感器嗅觉；化学传感器味觉压敏、温敏、流体传感器触觉；敏感元件的分类：物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。化学类，基于化学反应的原理。生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分4
35、6类）。3.3 信号调理从传感器得到的信号可能会很微弱，或者含有大量噪声，或者是非线性的等，这种信号在进入采集卡之前必须经过信号调理。信号调理的方法主要包括放大、衰减、隔离、多路复用、滤波、激励和数字信号调理等。放大放大器提高输入信号电平以更好地匹配ADC的输入范围，从而提高测量精度和灵敏度。此外，使用放置在更接近信号源或者转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号噪声比。衰减衰减即与放大相反的过程。它在电压（即将被数字化的）超过数字化仪输入范围时是十分必要的。这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而使经调理的信号处于ADC范围之内。隔离隔离的信
36、号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无须物理连接即可将信号从它的源传输到测量设备。除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。多路复用对于任何高通道数的应用都是十分必要的。滤波滤波器在一定的频率范围内去除不希望的噪声。几乎所有的数据采集应用都会受到一定程度的50Hz或者60Hzr噪声（来自于电线或机械设备）。大部分信号调理装置都包括了为最大程度上抑制50Hz或60Hz噪声而专门设计
37、的低通滤波器。激励激励对于一些转换器是必需的。例如应变计、电热调节器和RTD需要外部电压或电流激励信号。通常RTD和电热调节器测量都是使用一个电流源来完成的，这个电流源将电阻的变化转换成一个可测量的电压。应变计是一种超低电阻的设备，通常利用一个电压激励源来用于惠斯登（Wheatstone）电桥配置。线性化许多传感器感应的电信和物理量之间并不是呈线性关系，因而需要对其输出信号进行线性化以补偿传感器带来的误差。NI的NI-DAQ、LabVIEW、Measurement Studio和VirtualBench等应用软件包都包含了应用于热电偶、压力计和RTD的线性化功能。数字信号调理数字信号在某些情况
38、下也必须经过调理才能进入DAQ卡。譬如，不能将工业环境中的数字信号直接接入DAQ卡，接入之前必须经过隔离来防止可能的高压放电或者经过削减来调理电平以适应DAQ卡的输入要求。NI也提供了丰富的信号调理设备，譬如SCXI、SCC、SC系列，即插即用传感器（TEDS）测量设备和5B系列等。3.4 温度传感器的原理与选择在温度传感器的选择上，我们首先列出温度传感器的分类和特点，以便我们依需求选择。温度传感器依接触性分为接触式传感器和非接触式传感器两类，他们的特点如下：接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较
39、小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。此外，还有微波测温温度传感器、噪声测温温度传感器、温度图测温温度传感器、热流计、射流测温计、核磁共振测温计、穆斯保尔效应测温计、约瑟夫逊效应测温计、低温超导转换测温计、光纤温度传感器等。这些温度传感器有的已获得应用，有的尚在研制中。通过以上的对比，结合水的高比热容，我们选择接触式温度传感器。接触
40、式温度传感器主要分为两种：热电偶和热电阻，下面，我们分别介绍他们的测量原理和优缺点。热电偶热电偶在温度测量中应用极为广泛，因为它结构简单，具有较高的准确度，温度测量范围宽，动态响应较好。若所选择的两根导体材质适当时，可以测量高达1000的高温。热电偶的测温原理是热电效应，当两种不同的导体两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路，见图3-2所示。当两接点温度不等（TT0）时，回路中就会产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，该电动势称为热电动势。图 3-2 热电偶的原理图通常我们把上述两种不同导体的组合称为热电偶，称A，B两导体为热电极。两个接点，一个为工作端或热端（T），测温时将它置
41、于被测温度场中，另一个叫自由端或冷端（T0），一般要求恒定在某一温度。由于不同导体的自由电子密度是不同的。当两种不同的导体A，B连接在一起时，在A，B的接触处就会发生电子的扩散。设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，那么在单位时间内，由导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数多，这时导体A因失去电子而带正电，导体B因得到电子而带负电，于是在接触处便形成了电位差，即电动势，这个电动势将阻碍电子由导体A向导体B的进一步扩散。当电子的扩散作用与上述的电场阻碍扩散的作用相等时，接触处的自由电子扩散便达到动态平衡。这种由于两种导体自由电子密度不同，而在其接触处形成的电动势，称为
42、接触电动势，用符号EAB(T)和EAB(T0)。由物理学可知 (3-1) (3-2)式中 EAB(T)A，B两种材料在温度T时的接触电动势； EAB(T0)A，B两种材料在温度T0时的接触电动势； K波尔兹曼常数（k=1.3810-23J/K）； T，T0接触处的绝对温度； nA，nB材料A，B的自由电子密度； q0电子电荷量（q0=1.610-19C）。由上可见，接触电动势的大小只与导体材料A，B的性质和两接点的温度有关，而与材料的几何形状、尺寸无关。实验与理论均已证明，热电偶回路总电动势主要是由接触电动势引起的，又由于EAB(T)和EAB(T0)的极性相反，所以回路的总电动势 （3-3）根
43、据上述讨论，可得到以下几点结论：如果热电偶两电极材料相同，无论两接点温度如何，总热电动势为零。如果热电偶两接点温度相同，尽管A，B材料不同，回路中总电动势等于零。由式（3-3）可见，热电偶产生的热电动势只与材料和接点温度有关，与热电极的尺寸、形状等无关。同样材料的热电极，其温度和电动势的关系是一样的，因此热电极材料相同的热电偶可以互换。热电偶A，B在接点温度为T1，T3时的热电动势，等于此热电偶在接点温度为T1，T2与T2，T3两个不同状态下的热电动势之和，即 (3-4) 当热电极A，B选定后，热电动势EAB（T，T0）是两接点温度T和T0函数差，即 （3-5）如果使自由端温度T0保持不变，则
44、f (T0)=C(常数)，此时EAB（T，T0）就成为T的单值函数，即 （3-6）式（3-6）在实际测温中得到广泛的应用。当保持热电偶自由端温度T0不变时，只要用仪表测出总电动势，就可以求得工作端温度T。在实用中，我们把自由端（参考端）温度保持0。目前国际上应用的热电偶具有一个标准规范，国际上规定热电偶分为八个不同的分度，分别为B，R，S，K，N，E，J和T，其测量温度的最低可测零下270摄氏度，最高可达1800摄氏度，其中B，R，S属于铂系列的热电偶，由于铂属于贵重金属，所以他们又被称为贵金属热电偶而剩下的几个则称为廉价金属热电偶。热电阻热电阻虽然在工业中应用也比较广泛，但是由于他的测温范围
45、使他的应用受到了一定的限制，热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。其优点也很多，也可以远传电信号，灵敏度高，稳定性强，互换性以及准确性都比较好，但是需要电源激励，不能够瞬时测量温度的变化。工业用热电阻一般采用Pt100,Pt10,Cu50,Cu100,铂热电阻的测温的范围一般为零下200-800摄氏度，铜热电阻为零下40到140摄氏度。热电阻和热电偶一样的区分类型，但是他却不需要补偿导线，而且比热点偶便宜。综合以上分析，我们选择热电偶作为温度传感器。经过比较多种不同品牌的多款产品，我们最终选定GlobalWater公司的WQ101 水温传感器，它具有以下技术参数
46、：图3-3 WQ101水温传感器输出：4-20mA量程：-50-+50精度：0.1最大压力：0-200 psi（明渠），50psi（管道）工作电压：2-24VDC工作电流：传感器输出预热时间：5s，最少工作温度-50+100 探头：316不锈钢探头尺寸：1.9cm直径1.4cm长（明渠），4.3cm直径0.3cm长（管道）3.5 pH值传感器的原理与选择在pH值传感器的选择上，我们同样先列出各种不同类型的pH值传感器，再根据其特点选择适合本系统的传感器。pH值传感器依据测量原理的不同主要分为两种：光学比色法和电化学法。光学比色法的测量原理是将定量的待测溶液通过蠕动泵泵入反应池与DPD指示剂反应
47、变色，色度仪根据颜色强度的变化确定pH值。这种测量方法不受溶液pH值变化的影响，但是实时性比较差，响应速度为分钟级，而且该型传感器系统结构复杂，故障率高，使用时要消耗药剂，费用高，维护工作量大。正因为它的这些特点，该型传感器已经面临淘汰。下面重点介绍电化学法传感器。电化学法传感器的基本原理是在被测溶液中插入两个不同的电极，电位随液氢离子浓度的改变而变化，称为工作电极；另一个电极有固定的电位，称为参比电极。这两个电极形成一个原电池，测量两电极间的电势就可以知道被测溶液的pH值。常用的参比电极有甘汞电极和银-氯化银电极。1.甘汞电极在溶液pH值的测定中使用最普遍的参比电极是甘汞电极。甘汞电极由一个内电极装入一个玻璃外壳制成。内电极的引线下端浸入汞中，汞下面装有糊状的甘汞（甘汞由Hg2Cl2t和Hg共同研磨后加入KCl溶液调制而成），并用浸在氯化钾溶液中的纤维丝堵塞。下部为溶液通道（一般为多孔陶瓷制成）。氯化钾溶液作为盐桥（氯化钾钾离子和氯离子的浓度较接近，可使液接界电位减到最小）。盐桥连接电极被通路。由能斯特公式，甘汞电极的电位为： （3-7）式中电极的标准电位；R气体常数；T溶液的绝对温度；F法拉第常数；Cl-氯离子浓度。由此可见，甘汞电极的电位取决于氯离子Cl-的浓度，改变氯离子
