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1、0 引言石油是自然资源的重要组成部分。从全球范围讲，石油也是各国发展不可或缺的储备资源。同时，它也是不可再生资源。因此在自然环境中，对于人类的生存来说具有决定性的意义。然而随着全球经济、人口的高速增长油资源短缺和有污染已成为人类生活中的显著问题。半个世纪以来，人类急剧增加的大量生产活动，导致油资源消费迅速增加， 为缓解油资源短缺，增加油的利用率，准确检测油浓度以及油储量已经成为刻不容缓、需待解决的大问题。石油类物质是能够溶解于四氯化碳而不能被硅酸镁吸附的一类有机物，其中包括正己烷、苯、多环芳烃、荧火剂等。检测水或者土壤中油含量是检测油浓度和探明油储量必不可缺的手段。关于水中油含量的检测，传统的
2、方法是利用单一的分光光度计法来测量，测量结果再经换算，才可得到被测物质的浓度，但这种方法操作过程繁琐，容易引入误差，且不能现场作业。由于我国目前检测手段落后，与国际先进水平存在差距，所以难以满足当今技术水平的要求。为了取得具有代表性的正确数据，使分析数据具有与现代测试技术水平相应的准确性和先进性，不断提高分析成果的可比性和应用效果，检测的方法和仪器是非常重要的。只有保证了这两方面才能保证快速和准确的测量出水中矿物油和动植物油的含量。开展水中油检测方法、技术和检测设备的研究，是提高检测的一条重要措施。通过本项目的研究，探索出一套适合我国国情的油质现场检测技术和检测设备，具有广泛的应用前景和科学研
3、究价值。1. 绪论1.石油类测定方法现状水体和土壤中矿物油的检测已引起各国相关部门的高度重视，目前常见的测定方法有重量法、紫外分光光度法、荧光分光光度法、红外分光光度法和非分散红外光度法。重量法是用有机萃取剂(石油醚或正己烷)提取酸化了的样品中的油类，萃取剂通过氧化铝柱(或佛罗里硅藻土)除去动植物油类，将溶剂蒸发掉，称重后计算石油类含量。重量法应用范围不受油品的限制，可测定含油量较高的含油污水。本方法不足之处是操作过程复杂，灵敏度低，分析时间长，对操作条件和操作者技能的依赖程度高。该方法不适于环境水质和大批量样品的测定。紫外分光光度法是利用石油及其产品中芳香族化合物和含共扼双键化合物在2152
4、60nm紫外区的特征吸收测定石油类含量。测定范围为0.05一50mg/l。由于各种物质的紫外吸收强度差异较大，对于组成变化较大的工业废水和成分复杂的环境水体，采用紫外分光光度法，数据可比性和准确性都较差，因此国外己不再使用。荧光分光光度法的测定原理为根据有机物吸收紫外光后发射出的荧光强度定量。同紫外法一样，产生荧光的物质主要为芳香族化合物和含共辘双键化合物。由于不同物质的荧光发射强度差异很大，测定结果受油品组成影响较大，其物理意义为物质的荧光强度。但由于海洋监测关注的是难降解的芳烃类石油，故在我国海水监测中仍在使用。荧光光度法的优点是不需要萃取剂，易于实现在线检测;另外，由于被检测样品与光学器
5、件无直接接触，所以不存在光学元器件的清洗问题;缺点是仅能测定矿物油中苯系物的含量，无法测定矿物油中的直链烷烃。由于测定方法长期没有得到统一，因此一直存在方法与方法之间，以及数据之间的不可比性，从而影响了判断油质的准确性。基于此，80年代开始经过10年的研究，我国于1996年根据国际标准化组织(ISO)的推荐标准发布了“GB-T16488一1996水质、石油类和动植物的测定红外光度法”，从而统一了油类测试的标准问题。红外光度法包括了红外分光光度法和非分散红外法(Non一DisPersivehifrared简称NDIR)。这两种方法都是基于油品中某些特性基团对红外光的特征吸收行为进行测定的，符合最
6、基本的光的吸收规律“比尔定律”。烃类中C一H振动的特征吸收波长见表1-1。 表1-1烃类中C一H振动的特定吸收波长 Table1-1 The Specific IR absorbing wavelengths of C-H vibrationinhydroearboneomPounds 类别 波数() 波长(nm)亚甲基(一CH2一) 29303413甲基(CH3一) 2960 3378芳烃(=CH一) 3030 3300红外分光光度法，是用三氟三氯乙烷或四氯化碳萃取水体中的油类物质，并通过硅酸镁吸附，除去动植物油，得到水中石油类物质，在红外光谱中的波数为2930，2960和3030 处的吸光
7、度来计算其浓度，计算公式为: （11）式中: C一溶剂中石油类的含量A一对应波数一下的吸光度X、Y、Z一与各种C一H键吸光值相对应的系数F一脂肪烃对芳烃影响的校正系数上述3个波数对应的特征吸收物质分别为亚甲基(CH2)基团中C一H键的伸缩振动、甲基(CH3)基团中C一H键的伸缩振动和芳烃(-H)中C一H键的伸缩振动。红外分光光度法可以在石油烃中芳烃占有很大比例的水样中使用。 非分散红外光度法(Non一DispersiveInfrared简称NDIR)利用油中烷烃的-、-近红外区(3.400um)附近存在伸缩振动吸收带，因而利用可吸收红外光3.400um左右长进行测定。此方法适用于样品中芳香烃含
8、量不高的情形。该方法为美国环境保护署对油的测量的标准方法10。因此开展水中油检测技术研究，不仅可以满足国家科学制定油资源开发、利用与保护规划，保障国家油安全、粮食安全、生态环境安全的迫切需要;适应国家制定区域经济发展规划、城市化发展规划、生态环境保护建设规划的迫切需要;也是贯彻落实中央领导指示精神、维护国家法律尊严、实行和谐社会思想的具体体现，具有重要的社会和经济价值。本课题针对我国石油的勘探和监测监控情况，探索出一套检测油的可行方案和方法，利用非光度技术，开发研制具有自主知识产权的适合国情的适于野外矿物油监测监控系统。此系统具有精度高、操作简便、一键测定等优点，可以检测出被测水样中亚甲基、甲
9、基物质和动植物油含量，可广泛应用于环境监测、水文水利、污水处理厂、发电厂、等行业及部门，满足日常检测及应急监测的需要。主要研究内容有:(l)研究红外分光光度法和非分散红外光度法的测油原理，找出两种方法各自的优缺点围及比较、检测精度、测量时间、投入成本等方面的异同。(2)设计最佳的分光系统，满足系统对光线的要求。(3)进行整机硬件的合理性结构设计，确定各参数。(4)通过编程实现单片机对电信号的处理计算，包括模拟信号转化为数字信号，数据的参考信号与测量信号的归一化处理等;研究高精度、低消耗的测量算法。(5)研制与硬件相对应的计算机系统，具有采集、控制、传输、运算、存储、显示等功能。2 系统总体结构
10、设计2.1系统的光学原理图2.1为本系统的光学原理图。从卤钨灯发出的光调制为交变信号后，经聚光镜系统及样品池场镜、滤光片会聚到单/多色仪入射狭缝，经准直镜变为平行光投射到光栅上，由光栅色散的光经聚焦镜、柱面镜将2930 、2960 ，和3030的单色光分别会聚到位于焦平面处的探测器上。探测器将接收到扫描后的三波长红外光转换成电信号，再经前置放大、同步检波一放大后由A/D变换器送入单片机，计算出三波长吸光度及样品浓度，并在液晶显示器上显示或由打印机打出。图2.1光学原理图Fig.2.1 Optics Principlel聚光镜 2.光源 3.光源窗口 4.透镜 5.平面反光镜 6.聚光镜 7.吸
11、收池8.入射狭缝 9.平面反光镜 10.固定光栅 11.聚光镜 12.检测器2.2 系统测量的基本原理非分散红外光度法是基于光学中的朗伯一比尔定律。它描述了吸光度、液层厚度及溶液浓度之间的定量关系。1927年，朗伯(Lambert)指出:一束单色光通过透明溶液介质时，光能被吸收一部分，被吸收的光能量与溶液介质厚度有一定的比例关系。1852年，比尔(Beer)作了类似实验，指出光强度变化与溶液中溶液浓度也存在类似关系。朗伯一比尔定律的数学表示式为: (21)式中:k一被测物质的吸光系数，与介质本身的性质有关L一液层厚度C一物质的浓度一入射光强度I一透射光强度上式就是光吸收定律，也称朗伯一比尔(L
12、ambert一Beer)定律，其不仅适用于溶液，也适用于气体和固体。不仅适用于分子对可见光的吸收，也适用于原子吸收、红外吸收，荧光、火焰发射光谱法中发射强度与分子原子浓度关系。至此，我们可以将朗伯一比尔定律用文字概括为:当一束单色平行光垂直射入吸收介质的溶液时，溶液的吸光度与吸收物质的浓度和液层厚度乘积成正比1。油分植物油和矿物油，都是由多种有机成分组成的复杂混合物。对于特定种类的油，其组分稳定，且各组分的含量也一定，所以特定种类的油有稳定的吸收光谱，对特定波长的光有确定的吸收能力，即确定的吸光系数。本系统的研制是基于朗伯一比尔定律的，所以必须采取有效措施来保障这种线性、正比关系不被破坏。另外
13、，也需引入一些方法来提高系统测量的准确度，拓宽系统的测量范围。 需要补充说明的是:液层厚度在概念上有别于光路长度和光程。根据GB8322一87的规定，液层厚度为吸收池的两个平行且透光的内表面之间的距离。而光路长度是光通过吸收池内物质的入射面与出射面之间的路程。也就是说，只有当光束垂直入射时，液层厚度才与光路长度的定义相同。在光吸收定律中这两个名词同义。图2.2是二者关系的形象描述。通常，体现液层厚度的吸收池内部透光面垂直距离也称为吸收池的光径。图2.2液层厚度和光路长度 Fig2.2 Fluid thickenss and the length of Iight route2.3 系统总体结构
14、红外测油系统主要由光源系统、样品系统、分光系统、检测系统、计算机系统等五大系统组成。整个系统的结构框图如图2.3。油类中含有的甲基、亚甲基等官能团。在红外波3.4um附近有明显吸收，有特征吸收峰，而用作从水样中萃取油份的四氯化碳()在3.4um波长附近基本不吸收，透过率在80%以上。这样首先将萃取剂石放在参比池中作为本底样品，萃取的油的混合溶液放入样品池，光源发出的光经红外滤光片滤光，只有波长为3.4um的窄带红外光透过滤光片。窄带红外光经过调制器调制后的复合脉冲光对称的分为两束，一束光通过吸收池，另一束光通过参比池，经过分光系统单色仪进行色散后，再经过放大系统放大及信号处理、A/D转换等最后
15、由计算机系统测量得到入射光强度 和透射光强度I，再由单片机系统，根据比尔定律通过MCS-51汇编语言，运用浮点数进行计算就可以得到油的浓度C。同时通过LCD显示器显示或打印机打印出测量结果。此系统是否能达到规定的技术指标，重复性、稳定性是否很好，是否存在时间漂移和温度漂移等问题，其关键在于传感器的正确选用.经过周密分析及研究，我们选用了热释电红外探测器作为此系统的传感器。为了满足热释电红外探测器的线性范围在3一10毫瓦，因此我们将使用的“6V，6W”的澳钨灯让其实际使用电压在2.5V左右。由于输出电压比较小，其值为几毫伏，所以必须经过前置放大器放大到A/D转换的规范值方能进入计算机系统进行一系
16、列处理故而我们选用低漂移、低失调的集成运算放大器AD620作为前置放大电路的主要元件。经过放大的信号再经过信号处理电路处理、A/D转换电路AD7705进行A/D转换，最后进入计算机系统(此系统包括AT89C52单片机及外围扩展接口，如键盘、显示器、时钟、看门狗等接口电路)，并由此系统控制采样，数据处理及浓度计算等2。图2.3红外测油系统原理框图Fig2.3 Prineiple of oil infrared measuring systerm3 系统硬件设计3.1 光源系统仪器的光源系统设计主要包括光源、滤光片等关键部件的选择。3.1.1 光源的选择(一)系统中选用的光源应满足以下条件:(l)
17、在仪器的工作波段范围内能够提供连续辐射，即光源可以发射连续光谱，以便记录一个完全的吸收光谱。(2)选用的光源在工作波段内有足够的光能量，其能量随波长变化尽可能小。(3)具有良好的稳定性。(4)有较长的使用寿命。表3.1列出了紫外一可见一红外分光光度计中常用的光源。表3.1光源Table3.1Lamp-house光源波长范围(nm)光子 输出强度氢灯185375 弱，360nm以上不能用氛灯 185400 中等强度(是氢灯的3一5倍)卤钨灯 2502000 用玻璃灯壳时，320nm以下无输出钨灯 3202500最好输出为400一1200nm能斯特灯10003500010000nm以上输出弱碳化硅
18、棒 100050000卤素灯的玻璃外壳中充有一些卤族元素气体(通常是碘或澳)，其工作原理为:当灯丝发热时，钨原子被蒸发后向玻璃管壁方向移动，当接近玻璃管壁时，钨蒸气被冷却到大约800并和卤素原子结合在一起，形成卤化钨(碘化钨或漠化钨)。卤化钨向玻璃管中央继续移动，又重新回到被氧化的灯丝上，由于卤化钨是一种很不稳定的化合物，其遇热后又会重新分解成卤素蒸气和钨，这样钨又在灯丝上沉积下来，弥补被蒸发掉的部分。通过这种再生循环过程，灯丝的使用寿命不仅得到了大大延长(几乎是白炽灯的4倍)，同时由于灯丝可以工作在更高温度下，从而得到了更高的亮度，更高的色温和更高的发光效率6。 (二)透镜聚光系统透镜聚光系
19、统将光源灯丝的像聚焦在分光系统的入射狭缝上。为了充分利用提高光源的能量，要求光源灯丝的尺寸大小、聚光系统透镜的焦距、入射狭缝的尺寸应尽量满足成像关系，同时还应考虑分光系统性能要求。考虑仪器对光路的要求，采用单透镜聚光系统。(三)光源机械结构设计仪器的光源系统应保证卤钨灯的灯丝准确地成像在分光系统的入射狭缝上，同时还要考虑光源的散热问题。其机械结构设计结构如图3.1所示，由卤钨灯调节工作台l、散热支架2、聚焦透镜及其安装筒4等三个部分组成，均通过螺钉安装固定。为了便于光源的散热，l，2安装在仪器外壳3的外部，4安装在仪器外壳的内部。考虑到仪器对光路的要求及有效地利用光源的能量，本仪器采用单透镜聚
20、光系统对其发出的光束进行聚焦，使其辐射全部进入红外滤光片8。 图3.1光源系统的机械结构 Fig.3.1 Machine frame of the lamp-house 1.调节工作台2.散热架3.仪器外壳4.安装筒3.1.2切光器的设计切光器将光源发出的直流光信号转换为交流信号以便于放大和抑制噪声，光谱仪器对调制器的尺寸以及加工和安装精度有严格要求【12】。切光器结构切光器如图3.2所示，由直流电动机、切光片(或调制盘)、轴套等组成。其切光尺寸以及光源象的大小影响调制信号的形状和滤波信号的大小，如光源象为圆点，则通过切光器后的信号通常为梯形波，经滤波后只剩下主频信号，能量损失太多。从信号处理
21、角度考虑，信号通道的带宽越窄，信噪比越高，因此要求输出为正弦波。要想得到精确的正弦波，就对切光片的叶片形状和均匀性要求很高。通常取d/b=1.15，可得到近似的正弦波，其中d为光源像点直径，b为切光片扇形宽度。 图3.2切光器结构 Fig3.2 The frame of the modulator1.直流电动机2.支架3.轴套4.切光片5.入射狭缝3.2 样品系统3.2.1 萃取剂的选择水对红外辐射具有较强的吸收作用，用红外光度法测定水体中矿物油时需将矿物油萃取到对红外辐射没有吸收的溶剂(即特殊的萃取剂)中进行测量。在水中石油类监测技术中，四氯化碳()是传统的萃取剂。由于属于氟氯烷烃类，破坏臭
22、氧层，是国际公约关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书限制生产和禁止大量使用的化学物质。因此日本掘场制作所开发了的替代物氯化四氟乙烯聚合物(S-316)，也称为六氯四氟丁烷。四氯乙烯作为萃取剂，具有沸点高和毒性低的优点，美国GRABNER公司生产的测油仪已在使用13。本系统选用四氯乙烯做样品系统的萃取剂。3.2.2液体池的选择样品系统中的液体池设有两个，一个作为吸收池，另一个作为参比池，液体池主要有石英池和玻璃池两种，在紫外区必须采用石英池，可见和近红外区最好用玻璃池，也可用石英池。经调制器发过来的光束集中在可见和近红外光谱区，因此本系统选用的是石英池，为了更加符合朗伯一比尔定律，要求吸收池应具有
23、一对相互平行并垂直于光束的洁净光学窗，理想的吸收池本身不吸收辐射，实际上各种材料对辐射都有不同程度的吸收，因而一般只要求它们有恒定而均匀的吸收。 本系统中采用光程为1cm的石英比色皿。它具有一对相互平行并垂直于光束的洁净光学窗。射入比色皿的光必须是平行光，否则光程不一致将影响测量精度。平行光束由准直一聚焦装置保证。应该注意的是:放置位置和方向应保持稳定，否则会对测试结果产生一定的影响;其次比色皿中四氯化碳溶液的挥发性强，必须将其密封【11】。3.3 分光系统光源(卤钨灯)发射的复合光通过透镜系统聚焦后被切光器调制。调制后的光由分光系统进行分光，形成一系列按波长大小顺序排列的各谱段的光谱。分光系
24、统采用交叉复折式单光路光栅扫描结构，解决了仪器部件安装空间与仪器体积之间的矛盾。利用步进电机转动改变光栅的入射角度，使所需波段的单色光依次从出射狭缝射出各谱段的光谱。1 分光系统的设计仪器采用光栅分光系统，以平面光栅为分光元件。平面光栅要求其入射的复合光为平行光，然后将其衍射为不同角度分开的单色平行光。因此其入射前应用一个准直物镜将光源的入射光变为平行光，而在其衍射后需有一成像物镜将平行单色光聚焦在其像面上，从而获得按波长顺序排列的谱线。由于透镜准直和成像存在色差，因此仪器采用没有的色差的球面反射镜作为准直和成像物镜9。(一)光栅的色散 (l)基本原理光栅的种类很多，有平面光栅、凹面光栅和阶梯
25、光栅等。 现以反射式平面衍射光栅为例，介绍光栅的分光原理。反射式平面衍射光栅是在高精度平面上刻划一系列等宽等间隔的刻痕所形成的元件。光栅作为分光元件是工作在平行光束中。如图3.3所示。当一束平行的复合光入射到光栅上，光栅能将它按波长在空间分解为光谱，这是由于多缝衍射和干涉的结果。光栅产生的光谱，其谱线的位置是由多缝衍射图样中的主最大条件决定的。我们规定:垂直光栅刻痕的平面称为光栅的主截面。首先考虑光线在主截面内入射和衍射的情形。由图3.4可见，相邻刻痕对应的光线11和22的光程差为: （31）从波动光学可知，相干光束干涉极大值的条件为 （32） 图3.3平面光栅色散原理 Fig3.3 Prin
26、ciple of Plane raster chromatic dispersion由上两式可得相邻两光线干涉极大值的条件光栅方程式为 (33) 其中: i一入射角 一衍射角 d一刻痕间距，通常称为光栅常数 m一光谱级次，为整数，m=0，士l，士2，(33)式可改写为: (34) 由上式可明显的看出，当光栅的光栅常数及入射角一定时，除零级外，在确定的光谱级中，波长越长的光束衍射角越大。这样不同波长的同一级主最大，自零级开始向左右两侧按波长次序由短波长向长波长散开。(2)光栅的选取 光栅作为分光系统的色散元件，其性能直接影响仪器的性能，所以参数的选取至关重要。光栅的主要参数的选取应从以下几方面考
27、虑: 1)光栅的色散性能当入射角不变时，光栅的角色散率. 2)分辨率 3)光谱能量 4)效率3.4 检测系统检测系统是否能达到规定的技术指标，重复性、稳定性是否很好，是否存在时间漂移和温度漂移等问题，其关键在于检测器的正确选择。红外传感器是系统中一个很重要的部分。它的性能好坏，直接影响系统性能的优劣。因此，选择合适的、性能良好的传感器对系统是十分重要的。它将经样品系统吸收并经过分光系统分光后的透射光转化为易于测量的电信号，从而实现由光信号向电信号的转换，便于后续电路进行处理。3.4.1 红外传感器类型常见的红外传感器有两大类:热探测器和光子探测器。热探测器是利用探测元件吸收入射的红外辐射能量而
28、引起温升，在此基础上借助各种物理效应把温升转变成电量的一种探测器。热探测器光电转换的过程分为两步:第一步是热探测器吸收红外辐射引起温升，这一步对各种热探测器都一样;第二步利用热探测器某些温度效应把温升转变成电量的变化。根据热效应的不同，可把热探测器分为测辐射热计、测辐射热电偶和热电堆、热释电探测器和高莱管(气动型)8。光子型红外探测器是利用某些半导体材料在红外辐射的照射下，产生光电效应，使材料的电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。利用光电效应所制成的红外探测器统称光子探测器。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，响应频率高。但其一般需在低温下工作，探测波段较
29、窄。按其工作原理，一般可分为外光电探测器和内光电探测器两种。内光电探测器又分为光电导探测器、光生伏特探测器和光磁电探测器【9】。3.4.2 红外传感器主要性能指标(一)响应度光电探测器的响应度定义为单位光辐射功率在光电探测器上所产生的光电压Vs或光电流Is，即 或者 (35)P为光辐射功率，、分别为电压和电流响应度。二者之间有如下关系 （36）其中为器件在工作点附近的微分电阻。以下以电压信号为例对探测器的性能参数进行说明。 (二)噪声各种探测器的噪声主要是由以下几种组成的:.热噪声热噪声是电子的无规则热运动造成的。所有导体、半导体无论其中有无电流流过，都有热噪声。.l/f噪声在所有的半导体中均
30、存在1/f噪声，一般认为这种噪声主要是器件制备过程中所造成的。I/f噪声电压大致与频率的平方根成反比。多数器件的l/f噪声在200300Hz以上已衰减到很低水平，所以可忽略不计。.温度噪声温度噪声是环境温度升降引起的，随着通过探测器电流的增加而增加。3.4.3 热释电红外探测器的选择热电检测器件目前常用的有:热释电探测器、热敏电阻、热电偶和热电堆等。本系统中选用的是热释电红外探测器。(一)热释电红外探测的原理热释电红外检测的原理基于:任何高于绝对温度的物体都会发出红外线不同的物体所辐射的红外线及能量随波长的分布是不同的。物体的表面温度它辐射的能量就越强。根据不同物体及不同温度体发出的红外光谱不
31、同，可同目标进行红外检测和判别。热释电红外检测克服了主动式技术不能分辨运的生物体与非生物体的缺点;避免了主动式技术由于不明物体遮挡红外发射光路而导致的误报，而且具有许多优点:检测温度范围大;在整个光波范围率响应均匀;主要探测中、远红外线，不受周围可见光的影响，故可在各种光的条件下进行测量。(二)热释电效应的定性分析热释电红外探测器最重要的部件是热释电红外传感器。这种传感器的原理基于热释电效应。某些强介电物质的表面接收了红外线的辐射能量，其表面产生温度变化，随着温度的上升或下降，在这些物质表面就会产生电荷的变化，这种现象称为热释电效应，是热电效应的一种。这种现象在钦酸钡之类的强介电质材料上表现得
32、特别显著。若在钦酸钡一类的晶体的上下表面镀膜形成电极，在上表面加以黑色膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度上升T，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷P，设该元件的电容量为C，则该元件的电压为P/C。需要指出的是，热释电效应产生的表面电荷不是永存的，只要它出现，很快便被空气中的各离子所结合。因此，用热释电效应制成的红外线传感器往往需要在元件的前面加机械式的周期遮光装置，以使此表面电荷周期出现才能实现测量;或者只有当测移动物体时才可不用周期遮光装置。因此，红外线探测器在探测静止物体(包括人体)时需要加周期遮光装置;只有检测运动的人体时才无周期遮光装置。a)电荷不移动情况 b)在红外线
33、照射下电荷移动情况 图3.4热释电效应示意图 Fig3.4 Pyroeleetric effect sketeh map(三)热释电红外探测器的构成热释电红外探测器由三大部件:热释电红外传感器、菲涅耳透镜、专用信号电路共同构成。热释电红外传感器有陶瓷型及高分子薄膜型两种，主要材料如表3.2所示。传感器的结构由高热释电系数的酸铅陶瓷以及担酸铿、硫酸三甘钦等配合滤光片构成。滤光片用于采集所需的红外线，滤掉其他波段的红外线:高热释电系数的传感元件用于压变信号生，一般采用双元结构，呈差分对称排列，减小干扰;另外其内部还有匹配噪声结型场效应晶体管，用以实现阻抗变换、直流电平转移【3】。由于从热释电红外传
34、感器输出的压变信号十分微弱，而且极易受到外部和电路本身的各种干扰、噪声的影响，所以配套的信号处理电路在热释电红测器系统中显得特别的重要，直接决定了系统的稳定性和可靠性。配套热释外传感器的信号处理电路有三种实现方式，一种是用分离元件来实现;一种几种通用芯片配合少量分离元件实现;一种是用全定制专用控制IC(InteCircult，集成电路，又称芯片)配合几个分离元件实现。显然，采用全分离的方式已经过时，而采用通用的运放芯片和555定时器芯片再配合外围比较的分离元件也可以实现所要求的信号处理功能，但那样至少需要两块芯片，上比较高，而且由于外围电路复杂，其干扰、噪声增加，稳定性降低。综合探测器的可靠性
35、、稳定性、功能丰富性、成本等因素，本系统采用基于第三种方式的LT型热释电红外传感器。LT型热释电红外探测器是利用热释电材料的热释电效应在红外光谱范围内检测物体吸收到的辐射能量的。是在室温下使用、探测率最高、频率响应最宽、红外光范围内响应几乎与波长无关的热探测器。 表3.2热释电红外传感器材料分类 Table 3.2 Pyroelectric infrared sensor material classificaton陶瓷型高分子薄膜型硫酸三甘肽（TGS）聚篇二氟乙烯（PVF2）胆酸锂LITa03及胆酸铅(PbTi03)聚氨乙烯（PVF）锆钛酸铅（PZT）妮酸铭钡Sr0.5Ba0.6Nb2O63
36、.5 检测电路设计物体在近红外段吸收系数小，信号幅度小，且热体都辐射红外光，干扰大，在近红外段光谱重叠严重。由于是相对测量，即测量样品的吸收变化量，所以单纯提高信号幅度并没有用，要在提高幅度的同时，提高系统的信号对噪声比率(S/N)，这就要求系统能在大的噪声中提取光信号。因此自然光的干扰是在开发此仪器时遇到的主要困难1。自然界中的光都是时域的光，为了避开干扰光的影响，可采用切光器对光源进行调制，使其变为频率域的光。当光信号变为频率域的信号后，产生的电信号也相应的变为交流信号。这样就可避开电路设计上的一大难点:对微弱直流信号进行处理。输出的信号经过低噪声放大后，利用窄带滤波器选出信号。然后再进入
37、相敏检测器，进一步抑制噪声，并经过低通滤波后把信号变为直流信号，从而便于A/D处理。信号处理流程如图3.5所示。 图3.5信号处理流程 Fig.3.5 The flow of the signal Processs3.5.1 前置放大电路 放大电路的主要特点有:高集成度、低噪声、小体积;高放大倍数、而且增益自动可调;通过软件调节放大器的增益实现仪器的自稳。一个放大系统是否成功，关键在第一级。第一级放大关键在于抑制噪声。欲使放大系统具有良好的低噪声特性，除使用好的低噪声器件外，还要有周密的设计。首先要根据噪声要求、前放电路原阻抗特性、频率响应等指标来确定输入级电路。本系统工作在低频段，传感器的原
38、电阻是纯电阻，用A/D公司的仪用放大器AD620做第一级放大器。AD620是一个低价格、低功耗、高精度仪器仪表用放大器，它采用8引脚SOIC封装和DIP封装，由于尺寸小、功耗低特别适合于电池供电、便携式应用场合7。AD620具有很高的精度，它的最大非线性失真为40ppm，最大输入失调电压为50uV从最大输入失调电压漂移为luV/，最大输入偏置电流为2.0nA。G=10时，其共模抑制比大于93dB。在1KHZ处输入电压噪声为9，在0.1Hz10Hz范围内输入电压噪声的峰一峰值为0.28uv，输入电流噪声为0.1。G=1时它的增益带宽为120kHz，建立时间为15us。AD620只用一个外部电阻就
39、能设置放大倍数为l一1000，功耗低，最大供电电流仅为1.3mA。测油系统前置放大电路如图3.6所示: 图3.6前置放大电路 Fig3.6 Former magnify eircuit线路中，AD620的1、8脚之间的增益反馈电阻由Rl(240)和可调电阻R(1k)串连而成，其放大倍数可在40200范围内连续可调，将光电导探测器输出的毫伏级电压信号放大4。3.5.2带通滤波电路设计带通滤波器的设计原则是频带内的频率要以相同的比例通过，而信号频带外的干扰要能有效地抑制。因此，要求该滤波器频带内响应要尽可能平坦，上下界衰减要尽量陡峭。Q值是带通滤波器好坏的一个重要指标，一般Q值越高，带宽越窄，陡度
40、系数越高，滤波性能越好。普通有源滤波器由运算放大器和电阻、电容组成，通过一个低通滤波器与一个高通滤波器的级联易于实现。但参数调整困难，而且应用在频率较高的场合，由于元件周围的分布电容将严重影响滤波器的特性，使其偏离预定的工作状态。普通有源滤波器还因为稳定性较差，较难实现窄带宽的设计，不易获得高的Q值，难满足系统的要求。MAX275是MAXlM公司推出的一款连续时间模拟集成有源滤波器，片内硬件由4个运算放大器及若干电阻电容组成。每2个运算放大器构成一个二阶节。每个二阶节的中心频率F0、转折频率、品质因数Q、带宽增益HOBP都由4个外部电阻确定，不需要外接电容。通过外接电阻的不同组合形式可以实现巴
41、特沃思、切比雪夫、贝塞尔型的低通、带通滤波器。滤波器的中心频率可以为:100Hz300kHz;增益带宽积为16MHz，即对于40KHz的信号可放大l400倍;MAX275还可根据设计者的要求实现高至100的品质因数Q。与普通的有源滤波器相比，MAX275组成的滤波器具有外接元件少，结构简单，参数调整方便和不受运算放大器本身频率特性影响等优点;由于没有外接电容，而且是单片结构，因而高频场合时受分布电容的影响小，稳定性较好。图3.7为应用MAX275设计的四阶带通滤波器。图3.7带通滤波电路 Fig.3.7 The circuits of strap open and strain wave各电阻
42、的计算可按以下步骤进行:R2=2*109/F0R4=R2*5KR3=2Q*109*Rx/F0*R1=R3/HOBP文中设计取=500Hz，取Q=21.2，滤波器FC接-5v，则=0.04。设计时带通增益选择过高会导致信号失真，过低引起信号衰减，降低滤波性能。则考虑对带通信号进行了适当的放大，取3dB。经过以上参数选择和计算，并经调整，设计的带通滤波器各电阻值如表3.3所示: 表3.3 电阻参数值Table.3.3 Resistance pararncterR1R2R3R41.343.33.9953.5.3 相敏检测电路设计滤波后的信号虽然看起来比较干净，但系统最后要得到的是两个信号间的相对变化
43、量不是信号本身。而变化量又非常小，所以对信噪比要求非常高，有必要采取进一步措施提高信噪比。本系统采用了峰值相敏检测技术来解决这一问题。这有别于一般的峰值检测，是利用同步信号来切换开关，可大大提高信噪比。相敏检波器具有良好的窄带选频特性及选相特性。它不但能进一步抑制与有效信号不同频率的噪声干扰外，还能有效地抑制与有效同频率而不同相位的各种信号。由于噪声和干扰的随机性，它们与经过放大后的(500Hz)正弦信号既同频率又同相位的概率极小，再经低通滤波电路的滤波处理后，可使噪声和干扰对检波器的直流输出几乎没有影响。(l)电路结构相敏检测电路如图3.8所示，其中Ul:1为过零电压比较器，Dl为检波二极管
44、;2N2222A为晶体管电子开关;U1:2为差动放大器，对信号进行放大与合成。Ul采用了一片TLC2274四运算放大器，TLC2274是一款性能优良、价格低廉的通用运算放大器，具有高输入阻抗、高共模拟抑比、低输入偏置电流(最大50pA)、低温漂、低噪声等优良性能。TLC2274有较高的电流驱动能力(50mA)，适宜应用于诸如A/D转换这一类的接口电路。它最突出的优点是输入、输出都具有“轨到轨(rail-to-rail)”的特性。即，它的输入或输出电压幅度即使达到电源电压的上下限，此时放大器也不会像常规运放那样发生饱和与翻转。例如:在5V单电源供电的条件下，即使输入输出信号的幅值低到接近0V，或
45、高至接近5V，信号也不会发生截止或饱和失真，从而大大增加了放大器的动态范围。这在低电源供电的电路中尤其具有实际意义。(2)工作原理输入信号Us(t)同时输入UI:l和U1:2，输入信号Us(t)经U1:1和Dl组成的整形电路后的输出Ul(t)是与被测信号Ur(t)同频、同相，占空比1:1的方波。此方波信号是控制电路电流流通的开关，为晶体三极管2N2222A提供基极电压，控制电子开关的动作，决定晶体管集电极信号U3(t)。从相敏检波器输出信号Uo(t)中得到了被测信号Us(t)。由电阻R和电容C组成的低通滤波器对运放U1：2输出信号Uo(t)进行低通滤波，可得到直流信号，此信号经A/D转换后送入单片机，进过处理后就可得到样品溶液的浓度。对上述相敏检波器电路进行性能测试，通过调整Rf可以改变运放U1:2对信号放大的幅度。 图3.8相敏检测电路 Fig.3.8 phase sensing Detcetor circuit3.6 计算机系统测油系统计算机系统结构如图3.9所示，主要由单片机、A/D转换器、时钟电路、看门
