基于光电技术的浓缩乳胶中干胶含量测量系统的制作方法

专利名称：基于光电技术的浓缩乳胶中干胶含量测量系统的制作方法
技术领域：
本发明所述的是一种基于光电技术的浓縮乳胶中干胶含量测量系统，它是基于光
电传感技术，涉及一种光电传感器的物理结构，浓縮乳胶中干胶含量的测量数据处理流程
以及整个系统测量稳定性，其中，使用了环状分布方式的LED和光电二极管作为光电传感 器的信号发生器和接收器，通过可升降载物台调节样品与感光模块之间的距离，同时采用 多元线性回归分析法处理测量数据，并增加一路参考信号用消除温漂对系统测量稳定性的 影响。
二背景技术：
天然橡胶是一种重要工业原料，它是从含胶植物中提取出来的，橡胶与钢铁、石油 和煤炭号称四大工业原料。天然橡胶由于具有诸多优越性质，因此市场的需求量大，并且作 为可再生资源，浓縮乳胶比起以石油为原料的合成橡胶具有相当大的生态优势。近年来，由 于全球性的环保政策使得天然橡胶的需求进一步的大幅度上升，造成价格的激增，而橡胶 乳胶中的干胶含量是决定橡胶价格的关键因素。 在实现对浓縮乳胶中干胶含量的测量中，通常采用标准化学分析方法，基本原理 是将浓縮乳胶试料稀释至总固体含量为20%，并用乙酸酸化。然后将凝固的橡胶压成薄片， 在7(TC下干燥，最后进行称量计算。 此外，也采用一些间接测量法，使用基于微波技术的测量方法和基于电容式传感 器的测量方法。微波测量法主要是测量微波通过乳胶衰减程度，利用高精度步进电机驱动、 计算机自动控制、信号处理、电子液晶显示等技术研制的测胶仪。电容式传感器测量技术主 要利用电容测量技术，基本原理是电容的容量正比与极板面积，介质的介电常数，反比与极 板之间的距离。如果极板面积和极板之间的距离保持不变，则电容容量正比于介质的介电 常数，通过测量电容容量来研究被测物质的浓度性质。 在上述的浓縮乳胶中干胶含量标准化学测量法中，整个操作过程需要非常仔细的 操作，并且每个细节操作必须按照相应的国家标准来进行，既费时又费力。如果两次平行测 定结果超过均值的O. 1%，就需要重新测定。尽管该方法从理论上讲是比较完美的，国际上 也有类似标准ISO 126:2005，但是其测量设备笨重，测量周期长，同时又为有损测量，测量 操作麻烦，其中系统设备如分析天平和恒温箱价格昂贵，同时还需一个熟练的工作人员来 使用这些仪器。 同样的，在上述的浓縮乳胶中干胶含量微波测量系统，其高昂的价格使一些小型 胶厂，研究所，产胶园望而生却，并且维护要求高，需要定期维护，原因是它的定标曲线使用 较长时间(l-2年)后，各参数会发生变化，这将引起定标曲线形状，宽窄幅度的变化，从而 导致检测过程产生较大误差。不管怎样调整定标点，都无法将定标曲线拉回至标准位置。因 而，定标曲线必须重新进行测定，才能保证检测结果的准确性，同时改定标操作较为复杂。 而电容传感器测量法还尚在实验室研究当中。 近年来，激光技术和光谱分析技术的高速发展使得红外光谱分析技术等广泛的应
3用在乳胶中干胶含量测量系统的研究中，其中廉价的LED使得系统光源不必去采用笨重的 传统白光发光源与分光器(光栅或A0FT)的组合却照样拥有较高精度的输出信号，同时适 用于感光模块光电流信号放大的高性能的运放也已经集成化市场化。本发明提出基于光电 技术的浓縮乳胶中干胶含量测量系统，利用光谱分析原理，采用环状结构的光电传感器，只 需将样品放入可升降载物台即可得到干胶含量测量值。该系统与通常使用的标准化学分析 测量设备相比，在测量速度，测量操作，设备价格以及维护方面都是很有进展的，因此可实 现廉价便携式快速测量浓縮乳胶中干胶含量。
三
发明内容本发明要解决的第一个问题是设计一种高精度的光电传感器；第二个问题是设计
配套的硬件电路，其中最主要的是设计优秀的光电流前置放大模块电路来对微电流信号进
行放大以及设计二级去温漂放大模块电路来减少温度变化对系统测量的影响；第三个问题 是设计数据处理流程实现对专用信号的处理，对所获得的信号进行有效值筛选，排序和均 值处理等，进而通过标准方程计算干胶含量值。 为了达到上述的发明目的，本发明的技术方案为基于光电技术的浓縮乳胶中干胶 含量测量系统，组成框图如图1所示，系统由光电传感器100和测量系统主体150组成，具 体包括下列模块 发光模块102，用于产生不同单波长光信号，将发出的光汇聚到乳胶表面，作为光 电传感器的光信号发生器，采用4个不同波长较高稳定性的LED，其波长选择由乳胶中干胶 特征反射波长决定。不同波长LED均发出单波长光信号，但每次只有某个波长的光能透过 透光转盘，并以15度角斜入射到乳胶表面，入射光信号通过与乳胶表面以及内部物质相互 作用后，承载浓縮乳胶干胶含量信息的光信号从浓縮乳胶表面出射。 感光模块101，用于接受光信号，并且用于将光信号转变成电流信号，作为光电传 感器的光信号接收器，采用高线性度的光电二极管，其波长选择应能响应发光模块的各个 光信号波长。应该注意，光电传感器中的发光模块和感光模块之间的物理位置具有一定的 分布方式，如图2所示，发光模块以感光模块为圆心成圆形分布，整齐的环绕在感光模块外 围，图中未画出透光转盘。这种环状分布方式使得不同波长的发光模块与感光模块之间的 位置关系具有等同性。 透光转盘模块103，用于对不同波长光信号的选择透过，其物理结构为圆形，表面
只开一个孔，使得每次只能使一个LED透光。透光转盘由电机控制转动，分为4个档位转动，
每个档位对应一个LED，电机根据处理器发出的控制消息进行档位转动。 光学系统104，用于汇聚浓縮乳胶表面出射光，作为光电传感器的光信号汇聚器，
主要由短焦距透镜组成，其功能是使得反射或散射回来的光信号汇聚到感光模块，提高光
电信号的耦合率。 可升降载物台105，用于调节样品与感光模块之间的距离，由高精度步进电机和机 械模块组成。 上述光电传感器包括这样的功能，即，当将被测样品放在可升降载物台105上，发 光模块102发送4个光信号，其中一个光信号透过透光转盘入射到乳胶，并与其物质表面 和内部作用后从乳胶表面出射，由光学系统104汇聚到感光模块IOI，进而输出光电流信号到达测量系统主体150，信号处理模块113响应有待测样品，并开始根据得到的感光模块输 出信号大小通过可升降载物台调节样品与感光模块之间的距离。这是一个循环过程，直到 输出光电流最大，停止测量光程调节。类似的，记录该次测量数据后，信号处理模块发出控 制消息到透光转盘转动电机，转动透光档位，另一波长LED的光信号入射，如此重复上述过 程，直到4个波长LED光信号的测量数据记录完毕。 光电流信号前置放大模块110，用于放大光电流信号并将电流信号转换为电压信 号，作为测量主体的核心部分，该模块基于微电流放大原理以及高精度，高增益的ICL 7650 运放来实现微弱光信号的放大转换。在这里，对光信号高精度放大原理以及基于ICL 7650 运放的微电流放大电路进行说明。 微电流放大原理如图3所示。对于输入阻抗与放大倍数均为无穷大的理想运放， 输出电压V。二 -1^&，其中L是被测电流，Rf是反馈电阻。理论上，只要Rf取得足够大，即 使电流Is很小，也可得到较大的输出电压V。。例如，Rf = 1010Q，IS= 10—"A，则V。 =-Is*Rf =0. IV。实际上，运放输入阻抗不是无穷大，反馈电阻Rf的增大要受到运放输入阻抗的限 制。考虑偏置电流lB对被测电流Is的分流，则V。 = -(1厂1》*1^，如果Ib大于Is，则Is无法 测量。影响微电流测量放大灵敏度的首要因素是运放偏置电流Ie，其次是噪声电压和零点 漂移。 应该注意，要实现微电流测量，运放须满足①输入阻抗R》反馈电阻Rf ;②偏置电 流IB <被测电流Is ;③失调电压及漂移小；④增益与共模抑制比高；⑤噪声小。 ICL 7650是采用CMOS工艺集成的斩波稳零高精度运放，满足上述运放的要求。基 于ICL7650微电流放大电路如图4所示，&为ICL7650输入限流保护电阻，R3与C2用来滤 去ICL7650的斩波尖峰噪声，Q与1 2组成反馈补偿网络，降低带宽，防止1 2，1 3，1 4以及G相 移产生自激振荡。小电阻R2， R3与&，组成T型网络代替图1中高阻Rf (大于109Q)，以提 高增益的稳定性和精度，减小噪声，此时输出电压V。 = -Is* (R2+R4+R2*R4/R3)。 二级上温漂放大模块lll，用于减少温度变化对系统测量影响，同时也用于电压信 号的再次放大。增加一路参考信号，其光电流信号前置放大测量模块以及光电传感器与测 量信号路完全一样，不同的是参考信号中光电传感器即标准反射样品，可升降载物台，光学 系统，透光转盘，感光模块和发光模块处于密封状态，减少外界除温度变化因素外的其他因 素影响。将两路光电流信号前置放大电路的输出通过二级去温漂放大模块进行差值放大， 这样对于由温度变化引起的运放性能漂移，光源强度波动，以及电阻等变化可经过做差输 出消除。二级去温漂放大模块中的运放也是采用ICL 7650运放，放大倍数为2，改变反馈电 阻值，可以改变放大倍数，实际上二级去温漂放大只是起辅助放大作用，关键是减少温漂对 系统测量的影响，而整个系统电路实际放大主要是由光电流信号前置放大模块完成的。 信号转换模块112，用于将输出的模拟电压信号转为数字信号。根据实验结果，当 取总放大倍数为2M(两级放大电路的总放大倍数)时，最低浓度和最高浓度二级运放输出 电压在1. 2 1. 6之间。间隔1%浓度电压输出变化为4mv.根据上述结果，在信号转换模 块112中A/D转换器其量程必须超过1. 6，且分辨率大于4mV，同时输出数据类型与处理器 要匹配，方便数据的读取。选用MC14433作为信号转换模块中的A/D转换器，采用字位动态 扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q。-Q3轮流输出，同时在DS「D^端输 出同步字位选通脉冲，这样使得信号处理模块能够很方便的获得A/D转换数据。[0022] 数据显示模块115，采用两个七段数码管作为显示器，基于共阳连接和静态显示， 用于显示测量所得的数据。个位数码管的小数点点亮时，意味着所显示的数据要加上0. 5， 反之则不需要加。 数据存储模块114，用于存储测量数据，主要采用Intel的6116R数据存储芯片。 信号处理模块113，用于控制透光转盘和可升降载物台，并用于对信号转换模块中 的A/D转换器输出数据的处理，以及数据的存储和显示。它是整个测量系统主题的核心部 分，分为硬件部分和数据处理流程部分。 硬件部分中数据处理器505采用8051系列中的通用处理器AT89C52，用户可用 RAM有256字节。如图5所示，处理器505P1 口与MC14433的数据口和数据位标志口相连。 获得数据的方式采用查询法，当MC14433转换完一个数据时，其EOC端会出现一个跳变沿， 且此跳变沿完全可被处理器监测到，处理器505P0 口和P2 口负责可升降载物台的电机驱动 508和透光转盘的电机驱动509控制消息的传送。当测量样品时，处理器完成获取MC14433 字位动态扫描BCD码输出方式输出的数据后，通过所测数据代入标准方程计算被测样品中 干胶含量，通过P3存入数据存贮器Intel 6116芯片502，并以串口通信方式传送数据到移 位寄存器503和504，实现LED506和LED507的静态显示测量数据。 数据处理流程如图6所示，分为两个部分， 一部分是读取A/D转换器采样数据和预 处理数据；另一部分是对所测量的数据代入标准方程进行计算，确定所测样品干胶含量。 在第一部分设计中，考虑到测量所需时间和外界环境因素变化，因此A/D转换器 采样次数采取动态设置，即根据实际测量环境情况来设置A/D转换器采样次数。若外界环 境各方面因素比较稳定，可以设置^ = 16，n2 = 1 3，即采样n^16次。比如^ = 2，实际 上是单片机先读取A/D转换器16个采样值，并将16数据进行有效性筛选，其筛选规则是对 16个数据先排序，取中间IO个数据。之后，在对中间的这16个数据取平均值P"从新再 读取A/D转换器16个采样值，也进行筛选后求均值，得到P2。实际上，n2的值是多少，就有 多少个平均值P^， n2 = 1，2，3，…，最后再对这N2个平均值P^求均值，得到一个某波长下 的一个A/D采样平均值Qp调整透光转盘，重复上述步骤，得到四个不同波长下的测量数据 qn3， n3 = 1 4，至此为止，一个样品的原始数据测量已经完成。上述做法做可以有效的减 少由于乳胶这种表面不稳定性造成的测量误差以及外界因素引起的突发性误差等。当然， N2设置的值太大，大量数据采样要耗费较多时间，因此根据综合情况设置合适的值，一般设 置为1 3。 在第二部分设计中，在定标实验中配置各个浓度的标准样品，通过对标准样品测 量的大量数据进行多元线性回归分析，确定回归方程Y = A。+A^Q,A^Q^A^Q^A,Q4的系 数，即A" i = 0 4。在定标实验中，Qi值是通过对二级去温漂放大电路的输出电压人工 计算得到，如若二级去温漂放大电路输出电压为V，则该Qi = V/2. 000*1999。当确定方程 系数后，测量干胶含量未知样品时，处理器将所测Qi的值代入方程即可知道干胶含量Y值。 在这里，对标准方程的建立方法，多元线性回归数据处理以及通过若干不同波长 的光源代替白光光源和分光器的依据进行说明。 光谱分析法大多数是对被测样品进行全波段光谱扫描，光谱数据其中包括负载样 品性质的有用信息，也包括不负载样品性质的无效信息，且往往后者较多。若将所有光谱数 据参入建模方程，不仅模型巨大，计算能力要求高，且实际获得的效果也不是很理想。因此，实际上往往进行光谱数据剔除操作，使得进入模型的变量尽量最少。可通过逐步回归法等 剔除无效数据，而最后留在方程中的变量一般为样品特征反射波长对应的测量值。这样通 过若干不同波长的LED光源代替白光和分光器来建立的简化模型在一定程度上比全波段 测量数据建立的模型测量效果更好，当然其数据处理速度和系统体积也更快更小。 浓縮乳胶中干胶含量比例与其总体的光反射率有关。研究被测物质的光谱分布， 确定若干个特征波长作为光电传感器发光模块波长，对多个标准样品进行测量，根据所得 数据建立线性回归方程。通过方程计算各个干胶含量相应的光强值，这样的数据处理方法 使得硬件上不需要全波段的光源以及分光器，系统体积大大减少。 系统分辨率为1%，系统测量数据的小数部分理论上是没有实际意义，因为定标用 的标准样品数据的最小浓度间隔为1X，因此对于测量数据结果带小数的，对测量数据Y取 整，并置小数标志位，一律认为小数部分为0. 5%，这样处理的结果测量误差最小。若所测 数据比15%的还小，就显示"下限超量程"标记；若所测数据比45%还大，就显示"上限超量 程"标记。如所测数据Y在15% 45%之间，则显示所测数据Y，并储存。

图l本发明所述系统的框图；图2本发明所述系统中光电传感器的结构图；图3本发明所述系统中采用的微电流放大原理示意图；图4本发明所述系统中采用的基于ICL 7650的微电流放大原理示意图；[0037]图5本发明所述系统中采用的1言号处理模块硬件电路示意图；图6本发明所述系统的处理器中数据处理流程图；图中符号说明100光电传感器101感光模块 102发光模块103透光转盘104光学系统 105可升降载物台109样品110光电流信号前置放大模块[0043]110二级去温漂放大模块112信号转换模块 113信号处理模块114数据存储模块115数据显示模块 150测量系统主体301恒流源501MC14433 502Intel 6116503移位寄存器2504移位寄存器1 505处理器506LED2507LED1508可升降载物台电机驱动509透光转盘电机驱动
五具体实施方式
实施例子以普通浓縮乳胶中干胶含量测量为例，在测量未知浓度样品之前需要 先进行定标，定标操作非常简单，当然在一定范围内只需一次定标即可，以后就可直接测量 了。配置标准浓度样品，最低干胶含量浓度为15%，最高干胶含量浓度为45%，间隔1%。 实验环境温度为15摄氏度。光信号前置放大电路的放大倍数为1M，二级去温漂放大电路的 差值放大倍数为2。设置数据处理流程中的& = 16， N2 = 2， N3 = 4。 如图1系统框图所示，当将被测标准样品放在可升降载物台105上，发光模块102发送4个光信号，其中一个光信号透过透光转盘103入射到乳胶，并与其物质表面和内部作 用后从乳胶表面出射，由光学系统104汇聚到感光模块101，进而输出光电流信号到达测量 系统主体150，信号处理模块113响应有待测样品，并开始根据得到的感光模块输出信号大 小通过可升降载物台105调节样品109与感光模块101之间的距离。这是一个循环过程， 直到输出光电流最大，停止可升降载物台105的调节。类似的，记录该次测量数据后，信号 处理模块113发出控制消息到透光转盘转动电机509，转动透光档位，另一波长LED的光信 号入射，如此重复上述过程，直到4个波长LED光信号的测量数据记录完毕。在定标过程 中，需要用万用表测量二级去温漂放大模块111输出电压，并根据公式Qi = V/2. 000*1999 计算得到多组Qi数据，i = 1 4，而后通过标准样品测量数据可建立回归方程，如Y =-41 5. 43+96. 913*0^86. 391*Q2++270*Q3+199. 348*Q4，，并载入处理器中的数据处理流程中的标 准方程。 至此，测量未知浓度样品时，只须将样品放在可升降载物台105上，启动系统，处 理器将样品的四个测量数据即Qp Q2， Q3， 94值代入标准方程中计算所测干胶含量值。配置 一个干胶含量为33%样品，放在可升降载物台105上，启动测量系统，几秒后即可显示测量 结果，十位LED显示为"3"，个位LED显示为"2"，且其小数点处于点亮状态，因此可知所测 干胶含量为32. 5%，其测量精度还是较高的。基于光电技术的浓縮乳胶中干胶含量测量系 统，其系统成本低，体积小，重量轻，测量精确度高，适用于便携式测量。同时采用LED光源， 系统的功耗低，续航力强。
权利要求基于光电技术的浓缩乳胶中干胶含量测量系统，包括下列模块a)发光模块，用于产生不同单波长光信号，将发出的光汇聚到乳胶表面；b)感光模块，用于接受光信号，并且用于将光信号转变成电流信号；c)透光转盘模块，该透光转盘模块由电机驱动，并连接到信号处理模块，用于对不同波长光信号的选择透过；d)光学系统模块，该光学系统模块由一个透镜构成，用于汇聚浓缩乳胶表面出射光；e)可升降载物台模块，该可升降载物台模块由步进电机驱动，并连接到信号处理模块，用于调节样品与感光模块之间的距离；f)光电流信号前置放模块，用于放大光电流信号并将电流信号转换为电压信号；g)二级去温漂放大模块，用于减少温度变化对系统测量影响，同时也用于电压信号的放大；h)信号转换模块，用于将输出的模拟电压信号转为数字信号，信号转换模块的转换参数由信号处理模块设置；i)数据存储模块，用于存储测量数据；j)数据显示模块，采用LED作为显示器，基于共阳连接和静态显示，用于显示测量所得的数据；k)信号处理模块，用于控制透光转盘模块和可升降载物台模块，并用于对信号转换器中转换参数的设置和根据数据处理流程对输出数据的相应处理，以及控制数据存储模块和数据显示模块存储和显示测量结果。其特征在于，发光模块采用不同波长的LED，其中LED以感光模块为圆心成环状分布，通过透光转盘模块来选择不同波长光信号的入射以及通过可升降载物台来调节样品与感光模块之间的距离，并采用测量信号和参考信号两路差值信号作为信号输出。
2. 根据权利要求1所述的基于光电技术的浓縮乳胶中干胶含量测量系统，其特征在 于，所述发光模块采用4个波长分别为1300nm， 1200nm， 1070nm， 850nm的近红外LED，感光模 块采用光电二极管，4个LED的入射角都为15度，且光电二极管与乳胶表面垂直。
3. 根据权利要求1所述基于光电技术的浓縮乳胶中干胶含量测量系统，其特征在于， 所述发光模块物理位置采用以感光模块为圆心成环状分布方式，整齐的环绕在感光模块外 围，这种环状分布方式使得不同波长的发光模块与感光模块之间的位置关系具有等同性， 且发光模块外一层的透光转盘保证每次只有某个波长LED发出的光出射。
4. 根据权利要求1所述基于光电技术的浓縮乳胶中干胶含量测量系统，其特征在于， 所述光电流信号前置放大模块中的运放采用基于载波放大技术的ICL7560运放，原始信号 以电流方式输入，以电压方式输出，运放反馈电阻阻值为IM(欧姆)，设置一路参考信号测 量，其发光模块，感光模块，透光转盘，可升降载物台，光学系统和标准样品都处于密封状 态，两路信号通过二级去温漂放大模块进行差值放大，放大倍数为2，其输出差值作为最终 模拟信号输出值。
专利摘要本实用新型所述的是基于光电技术的浓缩乳胶中干胶含量测量系统，它是基于光电传感技术，涉及一种光电传感器的新型结构和浓缩乳胶中干胶含量的测量数据处理流程，其中，光电传感器中的发光模块由4个不同波长的LED组成，LED以感光模块光电二极管为圆心整齐的环绕在感光模块外围，并以15度角斜入射到乳胶表面，通过透光转盘使得每次只有某一个LED光入射到样品上以及通过可升降载物台来调节样品与感光模块之间的距离，浓缩乳胶中干胶含量的测量数据处理流程由数据预处理及数据计算组成，数据预处理即在采样多次测量数据后进行有效性筛选，而后再进行均值处理，数据计算是对预处理后的数据代入标准方程进行计算，确定所测样品干胶含量值。这种基于光电技术的浓缩乳胶中干胶含量测量系统具有廉价，测量快速，体积小易于携带的优点。
文档编号G01N21/17GK201464359SQ200920039889
公开日2010年5月12日 申请日期2009年4月28日 优先权日2009年4月28日
发明者宋旸, 张 林, 赵志敏, 金小东, 陈刚 申请人:南京航空航天大学