乳化液濃度測(cè)量課件

基于光學(xué)折射的乳化液濃度傳感器研究研究生：專(zhuān)業(yè)：機(jī)械電子工程指導(dǎo)教師：基于光學(xué)折射的乳化液濃度傳感器研究研究生：目錄可行性分析4課題背景，內(nèi)容及意義1課題研究現(xiàn)狀 2總體設(shè)計(jì)3預(yù)期結(jié)果5課題計(jì)劃6目錄可行性分析4課題背景，內(nèi)容及意義1課題研究現(xiàn)狀 2總體設(shè)21.1課題背景

兩種互不相溶的液體（如油和水），通過(guò)攪拌、超聲波作用或其他機(jī)械分散作用使兩種流體充分混合，使一種液體以球形小液滴的形式精細(xì)地分散到另一種液體中，由于早期的這種液體混合物呈乳白色，故就被稱(chēng)為乳化液。其中，以小液滴形式存在的液體被稱(chēng)為分散相（也稱(chēng)作內(nèi)相），另外一種連續(xù)液體被稱(chēng)為連續(xù)相（也稱(chēng)作外相）。如果將油分散到水中，即油作分散相，水作連續(xù)相，得到的乳化液就叫做水包油型（O/W）乳化液；相反的情況就是油包水型（W/O）乳化液。

1.1課題背景兩種互不相溶的液體（如油3

乳化液在煤礦生產(chǎn)活動(dòng)中有廣泛的應(yīng)用，尤其是作為煤礦綜采工作面的采煤機(jī)、液壓支架和液壓支柱等液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)，它不僅起傳遞動(dòng)力、潤(rùn)滑、冷卻的作用，而且還對(duì)腐蝕和銹蝕有抑制作用，乳化液被成為液壓系統(tǒng)的“血液”。目前我國(guó)煤礦廣泛采用質(zhì)量濃度為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。

乳化液在煤礦生產(chǎn)活動(dòng)中有廣泛的應(yīng)用，尤其是作為煤礦41.2問(wèn)題的提出由防爆外殼提供

乳化液的性能對(duì)液壓系統(tǒng)工作的可靠性和安全性以及使用壽命有著很大的影響。乳化液中乳化油的百分比即乳化液的濃度是評(píng)價(jià)乳化液性能的一個(gè)重要指標(biāo)。濃度過(guò)小會(huì)影響抗硬水能力、穩(wěn)定性、防銹性和潤(rùn)滑性；濃度過(guò)高不僅會(huì)增加費(fèi)用，而且會(huì)降低消泡能力和增大對(duì)橡膠密封材料的溶脹性。。而當(dāng)前井下乳化液檢測(cè)的手段一般為手持式折光儀測(cè)量，這種方法需要人工操作、人眼讀數(shù)，造成人為誤差、整體精度低等缺點(diǎn)。而隨著井下綜采自動(dòng)化水平越來(lái)越高，研制新型能夠在井下自動(dòng)測(cè)量、高精度的乳化液傳感器成為乳化液檢測(cè)的趨勢(shì)。1.2問(wèn)題的提出由防爆外殼提供1.3研究意義研究設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)檢測(cè)的乳化液濃度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測(cè)、無(wú)需人工操作，避免人為誤差，提高測(cè)量精度。自動(dòng)測(cè)量可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，減小測(cè)量周期，提高測(cè)量效率。實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)與乳化液泵站的配比系統(tǒng)結(jié)合可以形成乳化液自動(dòng)配比檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動(dòng)控制乳化液濃度在一定濃度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)乳化液自動(dòng)配比。1.3研究意義研究設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)檢測(cè)的乳化液濃度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)62.研究現(xiàn)狀

煤礦井下乳化液的濃度檢測(cè)方式最初廣泛采用破乳法，現(xiàn)在井下使用的檢測(cè)裝置大多是基于折光儀法的便攜式折光儀。破乳法檢測(cè)是在乳化液樣品中加入破乳劑（一種表面活性物質(zhì)），它能使乳化液的分散體系破壞，以達(dá)到乳化液中各成分分離出來(lái)的目的，利用其化學(xué)作用將乳化狀的油水混合液中的油和水分離開(kāi)來(lái)，從而得到乳化液中油和水的比例值，計(jì)算出其濃度值。

2.研究現(xiàn)狀7

折光儀法基于光的全反射定理，即：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，當(dāng)出射角為90°（掠入射）時(shí)，入射角達(dá)到最大，這個(gè)角度被稱(chēng)為臨界角。所有的出射光線，其入射光線均在臨界角內(nèi)，而臨界角外沒(méi)有光線。這樣就形成了一個(gè)亮區(qū)，一個(gè)暗區(qū)，他們的分界線就是臨界角處的光線。而介質(zhì)的濃度不同，折射率不同，臨界角也就不同，這樣亮區(qū)和暗區(qū)分界線的位置也就不同。測(cè)量光路如圖（1）所示。折光儀法基于光的全反射定理，即：光從光密介質(zhì)射入8

隨著電子測(cè)量技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展以及井下液壓系統(tǒng)對(duì)乳化液質(zhì)量要求的提高，井下乳化液濃度檢測(cè)也朝著自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)讀數(shù)、高精度的方向發(fā)展，采用超聲波、電容電阻法、光學(xué)等方法自動(dòng)檢測(cè)乳化液濃度的系統(tǒng)和裝置相繼出現(xiàn)。超聲波法測(cè)量乳化液濃度分兩種：聲速法和聲衰減法。聲速法就是通過(guò)測(cè)量超聲波穿過(guò)一定厚度的乳化液所消耗的時(shí)間（即間接測(cè)量聲速）來(lái)反映乳化液的濃度。聲衰減法是通過(guò)測(cè)量超聲波穿過(guò)一定厚度的乳化液后的強(qiáng)度變化來(lái)反映乳化液的濃度。隨著電子測(cè)量技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展以及井下液9

光全反射法：采用光全反射法的測(cè)量光路與前文折光儀法相同，只是將分劃板換成能檢測(cè)出射光光強(qiáng)或位置的光電傳感器（硅光電池、CCD、PSD等）。渾濁度法：乳化液實(shí)際上為水中含有懸浮及膠體狀態(tài)的微粒（乳化油油滴），使得原來(lái)無(wú)色透明的水產(chǎn)生混濁現(xiàn)象，其混濁的程度稱(chēng)為混濁度。通過(guò)光學(xué)散射方法檢測(cè)液體中顆粒的散射光強(qiáng)度,從而反映出液體的混濁度變化，即乳化液中乳化油的濃度。溶液中顆粒殼體散射檢測(cè)器光源光全反射法：采用光全反射法的測(cè)量光路與前文折光10

此外還有采用光柵法、阻容法、光吸收法等測(cè)量乳化液濃度的設(shè)想和研究，但以上大多數(shù)方法都存在測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜、精度不高等缺點(diǎn)，很多還僅僅處于實(shí)驗(yàn)室階段，能應(yīng)用于井下測(cè)量的高精度商業(yè)化濃度傳感器還比較少。此外還有采用光柵法、阻容法、光吸收法等測(cè)量113.研究?jī)?nèi)容

本課題的研究目標(biāo)為：針對(duì)以往和現(xiàn)行檢測(cè)乳化液濃度的方法和手段，基于光學(xué)折射原理和位置傳感器來(lái)設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單可靠的乳化液濃度傳感器。新型乳化液濃度傳感器能在井下環(huán)境中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)乳化液濃度在線自動(dòng)檢測(cè)。（1）考慮溫度和靜置時(shí)間等參數(shù)，測(cè)量不同牌號(hào)不同濃度乳化液的折射率，建立在不同溫度和靜置時(shí)間下乳化液濃度與折射率的關(guān)系模型。（2）分析光學(xué)折射原理在測(cè)量乳化液濃度檢測(cè)方面的應(yīng)用。（3）使用B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)一維PSD傳感器做標(biāo)定。3.研究?jī)?nèi)容本課題的研究目標(biāo)為：針對(duì)以往和現(xiàn)行檢測(cè)乳12（4）PSD傳感器微小電流的整流、放大、濾波以及與上位機(jī)通信設(shè)計(jì)。（5）使用VB語(yǔ)言做乳化液濃度檢測(cè)上位機(jī)接口程序。（6）擴(kuò)展上位機(jī)程序和硬件設(shè)計(jì)，使該乳化液濃度傳感器能通過(guò)按鍵的方式測(cè)量多種常用牌號(hào)的乳化液濃度。（7）對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行工業(yè)化設(shè)計(jì)，使其達(dá)到MA認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，能在井下環(huán)境中應(yīng)用。乳化液濃度測(cè)量ppt課件134.技術(shù)路線

本文將選用阿貝折光儀測(cè)定乳化液的濃度作為測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)?；诠鈱W(xué)折射方法，使用激光作為光源，通過(guò)激光在不同濃度乳化液的折射率不同，用位置傳感器來(lái)檢測(cè)激光出射光線的落點(diǎn)，輸出信號(hào)經(jīng)電路整流、濾波、放大后在上位機(jī)進(jìn)行處理，從而確定測(cè)定乳化液的濃度，結(jié)果用液晶顯示。4.技術(shù)路線本文將選用阿貝折光儀測(cè)定乳化液的濃度14

如圖所示，式中：n2-乳化液的折射率；

θ-激光光束入射角；

d2-樣品池前后壁之間的距離；

Δ-激光光束穿過(guò)空樣品池與穿過(guò)充滿乳化液樣品池的偏移量的差值；X=Δ1-Δ0

15濃度（%）/折射率檢測(cè)方法0（水）0.51234568阿貝折射儀1.33161.33241.33311.33441.33591.33701.33781.33901.3419Δ（um）4384.504385.364386.114387.504389.104390.274391.124392.384395.43X（um）8.67.513.916.011.78.512.630.5選用ME10-2型乳化液作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究乳化液，配置0.5%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、8%濃度的乳化液帶入上式，得出δ、Δ、X。(x為相鄰濃度乳化液的出射光線落點(diǎn)之差)濃度（%）/折射率檢測(cè)方法0（水）0.51234568阿貝116

由上表數(shù)據(jù)可知相鄰濃度的乳化液變化引起的Δ變化最小為7.5um，而研究選用的位置傳感器最小分辨率為14um,所以放大濃度變化引起的出射光線的變化，使這個(gè)變化能被位置傳感器方便的測(cè)量成為光路設(shè)計(jì)階段的重點(diǎn)。放大出射光線的位移變化的方法有兩種：一種為改變濃度傳感器與乳化液的接觸形狀和尺寸，一種是在位置傳感器之前放大出射光線。由上表數(shù)據(jù)可知相鄰濃度的乳化液變化引起的Δ變化最小為17乳化液濃度測(cè)量ppt課件18濃度（%）/折射率檢測(cè)方法00.51234568阿貝折射儀1.33161.33241.33311.33441.33591.33701.33781.33901.3419Δ

（cm）2.92002.92302.92572.93062.93632.94052.94352.94812.9590x（um）30274957423046109當(dāng)L=2.5cm,入射角為60°時(shí),得出上表數(shù)據(jù)，由上表數(shù)據(jù)可知：第二種方法的最小Δ為27um>14um>7.5um。以上兩種改變傳感器與乳化液接觸尺寸的設(shè)計(jì)方案的不足之處均是出射光線不平行，導(dǎo)致各部件之間尺寸和位置精度需要很高的標(biāo)準(zhǔn)，以保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。另一個(gè)不足為需考慮激光在光疏和光密介質(zhì)之間的全反射條件對(duì)尺寸的制約。濃度（%）/折射率檢測(cè)方法00.51234568阿貝1.3319

放大出射光線的方法有基于顯微鏡的共焦系統(tǒng)放大和棱鏡放大兩種方法。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)為系統(tǒng)簡(jiǎn)單，放大后光線仍然為平行出射，便于測(cè)量，缺點(diǎn)為光斑也放大同樣倍數(shù)，PSD有效光敏面制約放大倍數(shù)。放大出射光線的方法有基于顯微鏡的共焦系統(tǒng)放大20

優(yōu)點(diǎn)為便于測(cè)量，缺點(diǎn)為全反射條件制約放大倍數(shù)，PSD傳感器的位置角精度影響系統(tǒng)精度。優(yōu)點(diǎn)為便于測(cè)量，缺點(diǎn)為全反射條件制約放大倍數(shù)，211.激光激光意為受激輻射光放大器。激光的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)60年代初重大科技成就之一。激光已經(jīng)在國(guó)防軍事、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)衛(wèi)生及科學(xué)研究的測(cè)量以及其它方面顯示其重要作用。與普通光源相比，激光器的特點(diǎn)如下：4可行性分析方向性好亮度高單色性好相干性好1.激光4可行性分析方向性好222.PSD位置傳感器

電位置敏感器件PSD是一種基于橫向光電效應(yīng)，對(duì)其感光面上入射光斑重心位置敏感的光電器件，具有分辨率高、響應(yīng)速度快、處理信號(hào)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)入射光斑落在器件感光面的不同位置時(shí)，PSD將對(duì)應(yīng)輸出不同的電信號(hào)。通過(guò)對(duì)此輸出電信號(hào)的處理，即可確定入射光斑在PSD的位置。入射光的強(qiáng)度和尺寸大小對(duì)PSD的位置輸出信號(hào)均無(wú)關(guān)。PSD的位置輸出只與入射光的“重心”位置有關(guān)。2.PSD位置傳感器電位置敏感器件PSD是一23I0=I1+I2

I0=I1+I224當(dāng)入射光點(diǎn)位置固定時(shí)，PSD的單個(gè)電極輸出電流與入射光強(qiáng)度成正比。而當(dāng)入射光強(qiáng)度不變時(shí)，單個(gè)電極的輸出電流與入射光點(diǎn)距PSD中心的距離x呈線性關(guān)系。若將兩個(gè)信號(hào)電極的輸出電流作如下處理：當(dāng)入射光點(diǎn)位置固定時(shí)，PSD的單個(gè)電極輸出電流253.B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

本文使用PSD位置傳感器測(cè)量出射光線的位置變化，精度達(dá)到um級(jí)別，而PSD位置傳感器本身因?yàn)楣饷裘娴墓杵牧闲阅艽嬖诓町?，?dǎo)致測(cè)量輸出有非線性誤差，為了提高傳感器的準(zhǔn)確性，本文采用B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)PSD進(jìn)行非線性校正。

B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是一種典型的前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是有導(dǎo)師的學(xué)習(xí)，訓(xùn)練方法為梯度下降法。BP學(xué)習(xí)算法是有信息正向傳遞和誤差反向傳播。它的思想是調(diào)整權(quán)值使網(wǎng)絡(luò)誤差最小。學(xué)習(xí)的過(guò)程是一種誤差向后傳播邊校正權(quán)系數(shù)的過(guò)程。非常適合精度要求很高的校正非線性誤差的場(chǎng)合。3.B-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法本文使用PSD26

PSD位置傳感器測(cè)量得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)整流、濾波、放大及A/D轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)接收處理顯示，因此要選用有一定A/D轉(zhuǎn)換且I/O管腳比較豐富的傳感器，再者傳感器將做成便攜式設(shè)備，因此要考慮功耗問(wèn)題，綜上所述，本文暫定單片機(jī)的類(lèi)型為MSP430系列。

MSP430系列單片機(jī)是由美國(guó)德州儀器TI公司出品的一個(gè)具有16位處理、具有精簡(jiǎn)指令集的、超低功耗的微控制器，該單片機(jī)有豐富的硬件資源，集成SPI、IIC、UART、多路PWM輸出、定時(shí)器、捕獲與比較器，為了方便的用于數(shù)據(jù)處理，內(nèi)部還集成了硬件乘法器，可以方便的進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，該系列單片機(jī)還有另外一個(gè)特點(diǎn)就是具有12位/16位AD轉(zhuǎn)換器，高精度的AD集成在微控制器內(nèi)部。4.單片機(jī)技術(shù)PSD位置傳感器測(cè)量得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)整流、濾波、放大及27

MSP430系列單片機(jī)另外突出的設(shè)計(jì)在于超低功耗。多種