利用光学多传感器阵列进行多物质成分分析的初步探索
|
摘要
多组分复杂物质的含量测量，尤其是非接触测量，是人们一直以来
致力于研究的课题。由于光学、光电子学方法本身快速、无污染的特点，
使其在这方面比其它方法更具有优势。但是传统的光学分析仪器体积大、
价格昂贵，不能适应自动化以及在线工业检测等方面的需要，开发成本
低、方便携带的高性能仪器正在引起国内、外研究人员的广泛兴趣。
传感器融合技术是信息科学领域内的一项高新技术，是多传感器阵
列结构和各种模式识别算法的有效结合。基于综合应用光谱分析原理和
传感器融合技术实现多组分物质分析系统微型化的一种全新思路，德国
Jena传感器研究所特别设计了光学多传感器阵列。本文是利用此器件开
发微型光谱系统即实现这种新思想的初步探索。
本文的研究工作表现在以下几个方面：
1．深入研究光谱分析技术原理、仪器结构及发展现状，结合新型传
感器结构、参数和性能，认为可行及确定大致方案；
2．在充分领会原理和新思想的基础上，精心设计了自动光强控制电
路及光电检测电路，并完成硬件调试，得到预想的效果；
3．选择快速、高精度的12位A／D转换IC，基于微机ISA总线开发
了具有查询、中断和DMA三种数据传送方式的采集卡，用C语言编写调
试查询式采集程序；
4．用实验室配置的重铬酸钾溶液测试了系统的性能，结果证明此器
件可以反映物质对特定波长吸收的光学定律，也发现了现有结构的局限
性和存在的问题，提出了改进建议和对后续工作的启发。
Content measurement of multi-component mixture, especially untouched
measurement, is a research subject which people applying to for a long time.
In this respect, optics and optoelectronics method is superior to others because
of its merit in speediness and non-pollution. But the traditional optical-
analysis equipment is too expensive and too big in volume to meet the needs
of industry automation online detection. The development of low price and
portable instrument with good characteristics is arousing people’s interests.
Sensor fusion technique is a new technique about information science. It
involves multi-sensor array structure and various pattern recognition methods.
Based on sensor fusion technique, a new idea of micromation of spectrum
analytical system has been proposed by Jena-sensor graduate school in
German. Multi-sensor array was also made for this thought. As an initiative
research, the paper designs a miniaturized spectrum analytical system.
The main efforts in this thesis are as follows:
1. Spectral technology is studied firstly in this paper. Structure and
Parameters of the new type sensor are also concerned. The feasible scheme is
proposed as an analysis result.
2. Automatic photon intensity control circuit and optoelectronic
detecting circuit are elaborately designed centered with optics multi-sensor
array which was specially made by Jena-sensor graduate school in German.
3. Data acquisition card is developed based on quick and high-precision
A/D converter. It has three kinds of data transmission mode: query,
interruption and DMA.
4. Single-component (K,Cr,07) sample liquid is used to test system
performance. The result proves that the sensor chip can reflect absorbance law.
Questions existed in the system are found and some advice is given.
致力于研究的课题。由于光学、光电子学方法本身快速、无污染的特点，
使其在这方面比其它方法更具有优势。但是传统的光学分析仪器体积大、
价格昂贵，不能适应自动化以及在线工业检测等方面的需要，开发成本
低、方便携带的高性能仪器正在引起国内、外研究人员的广泛兴趣。
传感器融合技术是信息科学领域内的一项高新技术，是多传感器阵
列结构和各种模式识别算法的有效结合。基于综合应用光谱分析原理和
传感器融合技术实现多组分物质分析系统微型化的一种全新思路，德国
Jena传感器研究所特别设计了光学多传感器阵列。本文是利用此器件开
发微型光谱系统即实现这种新思想的初步探索。
本文的研究工作表现在以下几个方面：
1．深入研究光谱分析技术原理、仪器结构及发展现状，结合新型传
感器结构、参数和性能，认为可行及确定大致方案；
2．在充分领会原理和新思想的基础上，精心设计了自动光强控制电
路及光电检测电路，并完成硬件调试，得到预想的效果；
3．选择快速、高精度的12位A／D转换IC，基于微机ISA总线开发
了具有查询、中断和DMA三种数据传送方式的采集卡，用C语言编写调
试查询式采集程序；
4．用实验室配置的重铬酸钾溶液测试了系统的性能，结果证明此器
件可以反映物质对特定波长吸收的光学定律，也发现了现有结构的局限
性和存在的问题，提出了改进建议和对后续工作的启发。
Content measurement of multi-component mixture, especially untouched
measurement, is a research subject which people applying to for a long time.
In this respect, optics and optoelectronics method is superior to others because
of its merit in speediness and non-pollution. But the traditional optical-
analysis equipment is too expensive and too big in volume to meet the needs
of industry automation online detection. The development of low price and
portable instrument with good characteristics is arousing people’s interests.
Sensor fusion technique is a new technique about information science. It
involves multi-sensor array structure and various pattern recognition methods.
Based on sensor fusion technique, a new idea of micromation of spectrum
analytical system has been proposed by Jena-sensor graduate school in
German. Multi-sensor array was also made for this thought. As an initiative
research, the paper designs a miniaturized spectrum analytical system.
The main efforts in this thesis are as follows:
1. Spectral technology is studied firstly in this paper. Structure and
Parameters of the new type sensor are also concerned. The feasible scheme is
proposed as an analysis result.
2. Automatic photon intensity control circuit and optoelectronic
detecting circuit are elaborately designed centered with optics multi-sensor
array which was specially made by Jena-sensor graduate school in German.
3. Data acquisition card is developed based on quick and high-precision
A/D converter. It has three kinds of data transmission mode: query,
interruption and DMA.
4. Single-component (K,Cr,07) sample liquid is used to test system
performance. The result proves that the sensor chip can reflect absorbance law.
Questions existed in the system are found and some advice is given.
引文
1． 沙占友。新编实用数字化测量技术。北京：国防工业出版社，1998． 01。
2． 陈泽宗，张锴，屠忠遂。单片精密函数发生器ICL8038及其应用，电 子技术应用，1997。
3． 康华光主编。电子技术基础-模拟部分(第三版)。北京：高等教育出 版社，1993． 08。
4． 阎石主编。数字电子技术基础(第三版)。北京：高等教育出版社， 1993． 02。
5． 谭浩强著。C程序设计(第二版)。北京：清华大学出版社，1999． 12。
6． 吴秀清、周荷琴编著。微型计算机原理与接口技术。合肥：中国科 学技术大学出版社，1999． 02。
7． 秦世才、钱其敖等编著。集成运算放大器实用电路。天津：天津科学 技术出版社，1981． 11。
8． 张福学编著。传感器应用及其电路精选(上、下册)。北京：电子工 业出版社，1992． 06。
9． 易洪佑、梁泽斌编著。环境监测仪器使用与维护(第二版)。北京： 冶金工业出版社，1999． 01。
10． 柯以侃、董慧茹主编。分析化学手册(第二版)第三分册-光谱分析。 北京：化学工业出版社，1998． 09。
11． 王博亮、刘迎春、刘安之、刘希顺编著。医用传感器及其接口技术。 北京：国防工业出版社，1998． 09。
12． 纪宗南编著。单片机外围器件实用手册(输入通道器件手册)。北京： 北京航空航天大学出版社，1998． 08。
13． R．F格拉夫、W．希茨编著。电子电路百科全书(第五卷)。北京：科学 出版社，1999． 01。
14． 余浩、詹志强、武威等编著。Protel 98详解。北京：电子工业出版 社，2000． 01。
15． 王国定等编著。中国集成电路大全-TTL分册。北京：国防工业出版 社，1985． 02。
16． 刘君华编著。智能传感器系统。西安：西安电子科技大学出版社， 1999． 03。
17． 刘光玉、陈明等编著。新型传感器技术及应用。北京：北京航空航天 大学出版社，1995． 06。
18． 李龙泉、林长山等。定量化学分析。合肥：中国科学技术大学出版社， 1997。
19． 毕诗章、徐晓轩等。现场光谱技术中的多组分和非线性问题。世界仪 表与自动化，2000，18(4) ：18～22。
20． Kwa T A。 Integrated grating／detector array fabricated in silicon using micromachining techniques。 sensors and actuators， 1992。
21． 温志渝、林鹏等。微型多道成像光谱分析系统集成化的探索。半导体 光电，1995，16(4) ：326～328。
22． 王峰、李炜等。用近红外光谱技术实现生物组织含氧量的无损检测。 清华大学学报(自然科学版)，1999，39(7) ：16～19。
23． 顾月清、钱志余等。血药浓度在位检测仪的光路设计。南京航空航天 大学学报，1997，29(2) ：202～206。
24． 褚柳宁。介绍一种测量溶解氧的微型光纤传感器。海洋技术，1999， 18(2) ：49～52。
25． 张志忠。光纤化学传感器及其在海水有机物监测中的应用。海洋技术， 1999，18(2) ：42～46。
26． 赵莘森等编著。光纤通信工程。北京：人民邮电出版社，1987． 02。
27． 殷一贤。关于光子学与光电子学。激光杂志，1998，19(1) ：1～5。
28． H．Ahlers：DD 261 673． Optoelektronische Sensoranordnung．
29． 吉海彦编译。具有启示性的近红外光谱法。国外分析仪器，1997(2) ： 12～17。
30． 赵海山。探测空气中甲烷的小型气体敏感器。红外与激光工程，1999， 28(2) :33～36。
2． 陈泽宗，张锴，屠忠遂。单片精密函数发生器ICL8038及其应用，电 子技术应用，1997。
3． 康华光主编。电子技术基础-模拟部分(第三版)。北京：高等教育出 版社，1993． 08。
4． 阎石主编。数字电子技术基础(第三版)。北京：高等教育出版社， 1993． 02。
5． 谭浩强著。C程序设计(第二版)。北京：清华大学出版社，1999． 12。
6． 吴秀清、周荷琴编著。微型计算机原理与接口技术。合肥：中国科 学技术大学出版社，1999． 02。
7． 秦世才、钱其敖等编著。集成运算放大器实用电路。天津：天津科学 技术出版社，1981． 11。
8． 张福学编著。传感器应用及其电路精选(上、下册)。北京：电子工 业出版社，1992． 06。
9． 易洪佑、梁泽斌编著。环境监测仪器使用与维护(第二版)。北京： 冶金工业出版社，1999． 01。
10． 柯以侃、董慧茹主编。分析化学手册(第二版)第三分册-光谱分析。 北京：化学工业出版社，1998． 09。
11． 王博亮、刘迎春、刘安之、刘希顺编著。医用传感器及其接口技术。 北京：国防工业出版社，1998． 09。
12． 纪宗南编著。单片机外围器件实用手册(输入通道器件手册)。北京： 北京航空航天大学出版社，1998． 08。
13． R．F格拉夫、W．希茨编著。电子电路百科全书(第五卷)。北京：科学 出版社，1999． 01。
14． 余浩、詹志强、武威等编著。Protel 98详解。北京：电子工业出版 社，2000． 01。
15． 王国定等编著。中国集成电路大全-TTL分册。北京：国防工业出版 社，1985． 02。
16． 刘君华编著。智能传感器系统。西安：西安电子科技大学出版社， 1999． 03。
17． 刘光玉、陈明等编著。新型传感器技术及应用。北京：北京航空航天 大学出版社，1995． 06。
18． 李龙泉、林长山等。定量化学分析。合肥：中国科学技术大学出版社， 1997。
19． 毕诗章、徐晓轩等。现场光谱技术中的多组分和非线性问题。世界仪 表与自动化，2000，18(4) ：18～22。
20． Kwa T A。 Integrated grating／detector array fabricated in silicon using micromachining techniques。 sensors and actuators， 1992。
21． 温志渝、林鹏等。微型多道成像光谱分析系统集成化的探索。半导体 光电，1995，16(4) ：326～328。
22． 王峰、李炜等。用近红外光谱技术实现生物组织含氧量的无损检测。 清华大学学报(自然科学版)，1999，39(7) ：16～19。
23． 顾月清、钱志余等。血药浓度在位检测仪的光路设计。南京航空航天 大学学报，1997，29(2) ：202～206。
24． 褚柳宁。介绍一种测量溶解氧的微型光纤传感器。海洋技术，1999， 18(2) ：49～52。
25． 张志忠。光纤化学传感器及其在海水有机物监测中的应用。海洋技术， 1999，18(2) ：42～46。
26． 赵莘森等编著。光纤通信工程。北京：人民邮电出版社，1987． 02。
27． 殷一贤。关于光子学与光电子学。激光杂志，1998，19(1) ：1～5。
28． H．Ahlers：DD 261 673． Optoelektronische Sensoranordnung．
29． 吉海彦编译。具有启示性的近红外光谱法。国外分析仪器，1997(2) ： 12～17。
30． 赵海山。探测空气中甲烷的小型气体敏感器。红外与激光工程，1999， 28(2) :33～36。