在氣象環(huán)境監測、產(chǎn)品質(zhì)量檢測等領(lǐng)域，經(jīng)常需要測定濁度。濁度表征了無(wú)色透明液體中懸浮物和膠體物質(zhì)對光線(xiàn)透射所產(chǎn)生的阻礙程度。在理想的狀況下，濁度可以通過(guò)理論計算獲得，但在實(shí)際工程中，液體中顆粒的大小、形狀、表面構造、表面性質(zhì)等因素都對濁度值有很大影響。所以在工程中為了得到準確的濁度參數，需要進(jìn)行實(shí)際的測量。

   為解決此問(wèn)題，根據透射率與吸光度之間的關(guān)系，采用激光透射的方法進(jìn)行測量，而高速高精度的數據采集卡才能勝任這一過(guò)程中的數據采集，才能保證系統的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測。對該系統而言，除了激光驅動(dòng)電路的穩定性和信號調理電路的質(zhì)量，數據采集平臺的可靠性和工作速度將是實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測目標的重要挑戰。

   系統設計的考慮

   系統結構框圖如圖1所示，經(jīng)調制后的激光通過(guò)分光器后，分得兩束光，其中一束經(jīng)過(guò)待測濁液后進(jìn)入接收端1，另一束光直接進(jìn)入接收端0，分別經(jīng)過(guò)接收端的信號處理后，形成兩路輸入信號，進(jìn)入數據采集系統，構成雙通道的液體濁度測量裝置。
  
            
                                    圖1 系統整體結構圖

   進(jìn)行硬件設計
  
  （1）光源驅動(dòng)電路

   系統使用635nm半導體激光器作為光源，為了降低噪聲信號的干擾，便于檢出有用信號，將激光源調制成1KHz的方波脈沖。頻率源選擇穩定性和精確性更好的1MHz有源晶振。采用分頻電路對1MHz信號進(jìn)行1000分頻以輸出頻率穩定性好的1KHz方波信號。

   （2）信號調理電路

   系統中采用對射式接收方式，采用光電二極管作為光電探測器。光電二極管將光信號轉變?yōu)殡娏餍盘柡?，進(jìn)行I/V轉換及前置放大，將電流信號轉變?yōu)閺姸雀蟮碾妷盒盘?。為了提取出有效信號，采用帶通濾波器對信號進(jìn)行濾波，以獲得1kHz的有效信號。為了進(jìn)一步提高采集信號的強度，采用同相比例放大電路進(jìn)行放大。

   （3）數據采集卡硬件

   系統的數據采集模塊采用高性能數據采集卡PCI-9846H來(lái)設計。PCI-9846H數據采集卡為凌華科技的高性能數據采集卡，為16位4通道型，如圖2所示。PCI-9846H數據采集卡可以對高達20MHz的高頻高動(dòng)態(tài)范圍的輸入信號進(jìn)行采樣，采樣率40MS/s。如此高的采樣率為實(shí)時(shí)在線(xiàn)測量提供了有效保證。PCI-9846H帶有512MB的板載內存作為緩存，不會(huì )受限于PCI總線(xiàn)的傳輸率，能記錄下更長(cháng)時(shí)間段內的波形情況，可以實(shí)現更廣泛的應用。PCI-9846H系列數字化儀配備了4個(gè)高度線(xiàn)性化的16位A/D轉換儀，能滿(mǎn)足具有高度動(dòng)態(tài)范圍設備的理想應用需求。PCI-9846H 擁有四個(gè)同步模擬輸入通道，四條通道可分別以最大采樣率10MS/s、20MS/s和40MS/s進(jìn)行同步采樣，可以有效滿(mǎn)足同步多通道數據采集，以保證系統各通道數據的同步性，對于實(shí)現高精度的測量系統提供有效的保障。
 
                  
                             圖2 數據采集卡外形圖

   本系統為雙通道測量系統，選擇使用其中的兩個(gè)通道CH0和CH1。CHO通道的輸入信號為參考信號，CH1通道的輸入信號為通過(guò)待測溶液之后的測量信號。

   軟件的實(shí)現

   軟件系統是虛擬儀器的重要組成部分，本測量系統中采用Visual Basic開(kāi)發(fā)系統的應用軟件，界面設計非常便捷，編程工作量小，開(kāi)發(fā)周期短。此外，ADLINK公司也提供了適用于Visual Basic環(huán)境下的控件：DAQPilot。通過(guò)查閱相關(guān)技術(shù)手冊，可以獲得該控件各屬性的使用方式。DAQPilot同時(shí)也附帶了一些程序模板，使軟件開(kāi)發(fā)更加方便，非常易于開(kāi)發(fā)軟件系統。在VB的開(kāi)發(fā)環(huán)境中，本系統的應用程序軟件界面如圖3所示。
 
                   
                                     圖3 上位機軟件界面

   在窗口程序設計界面，在DAQPilot向導中可以進(jìn)行板卡的設置，選擇通道0和1為輸入模擬信號的兩個(gè)端口。在采樣率方面，每個(gè)通道的采樣率設置為200000。由于輸入的有效信號頻率為1KHz，所以在每個(gè)信號周期中，能夠有效采集200個(gè)數據點(diǎn)，完全能夠滿(mǎn)足精度要求，能夠非常準確地描述信號波形數據。除了上述的各項設置，還可以對DGraph控件的X軸進(jìn)行屬性頁(yè)的設置，以改變在顯示窗口中的顯示狀態(tài)。

   測試與性能分析

   （1）系統測試

   在系統的實(shí)際測試中，采用標準量具測量液體的體積，采用滴定一定量的濃度均勻的牛奶來(lái)改變待測溶液的濁度。實(shí)驗步驟如下：

   a)將燒杯中加入定量體積的純凈水。

   b)校準好光學(xué)裝置，定量向純凈水中加入牛奶，使用膠頭滴管進(jìn)行定量滴定，每加入一滴牛奶，攪拌均勻并等濁液穩定下來(lái)后，按下系統軟件上的計算按鈕，得到兩路輸入信號強度之比，該數據即為透射率。每滴定一次，測量一組數據。

    將測量數據用MATLAB進(jìn)行處理，以加入牛奶的體積為橫軸，以每次測量透射率的平均值為縱軸，描點(diǎn)后如圖6所示。
 
                  
                                  圖 4 測量數據描點(diǎn)

    從圖中可以看出，這些點(diǎn)的走勢是符合指數特征的，采用一個(gè)適當的指數曲線(xiàn)可與之擬合，曲線(xiàn)SSE完全滿(mǎn)足了系統的設計要求。

    （2）系統性能分析  

   以加入牛奶的量為自變量，透射率的值為應變量，應變量和自變量滿(mǎn)足一定的函數關(guān)系。通過(guò)實(shí)際擬合曲線(xiàn)與理論推導函數的比對，可以得到如下系統性能測試結論：

    a)擬合曲線(xiàn)的前一項指數系數為0.9928，小于但非常接近于理論推導公式中的指數系數1。0.9928與1之間的誤差，是由于吸收和反射等因素造成的，透射率的實(shí)測值必然比理論值偏小。但是從實(shí)際擬合曲線(xiàn)來(lái)看，系統可靠性是比較高的。

    b)函數關(guān)系的第二項指數項前的系數遠遠小于1，該項表示了實(shí)際值與理論值的一個(gè)偏差，經(jīng)查閱相關(guān)技術(shù)資料，發(fā)現在顆粒濃度較高的情況下，由于存在重疊散射效應，會(huì )有更多的光線(xiàn)透射出去，也就是透射光更強，這也正符合了該項的變化趨勢。

    c)根據對數學(xué)模型和實(shí)際測得的擬合曲線(xiàn)函數形式的比對，可以推斷得出，在牛奶中影響透射光強弱的微粒應該以一種為主。為了驗證這一實(shí)驗結果，參考相關(guān)資料，可以發(fā)現：均勻的牛奶中主要由脂肪顆粒形成，脂肪表面被蛋白質(zhì)所包裹，所以能在水中穩定存在，牛奶所顯現的乳白色主要就是光線(xiàn)在這些包裹著(zhù)蛋白質(zhì)的脂肪顆粒上發(fā)生散射所造成的。這也反過(guò)來(lái)驗證了擬合曲線(xiàn)是比較符合實(shí)際情況的。

    總體而言，系統使用了凌華科技公司的PCI-9846H高性能多通道數據采集卡，大大提升了系統整體性能，所測量數據的可靠性和精度較高，達到了預期的開(kāi)發(fā)目的。因此，基于高速數據采集卡的光電式雙通道渾濁度測量系統，可以實(shí)現實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測。系統設計方案可以很容易移植到其它的應用系統中，在環(huán)境質(zhì)量監測、水質(zhì)監測、氣象參數監測、食品質(zhì)量監測等領(lǐng)域應用前景廣泛。