球磨機(jī)研磨泥漿粒度檢測(cè)研究

1、球磨機(jī)研磨泥漿粒度檢測(cè)研究摘 要:目前陶瓷泥漿粒度的檢測(cè)主要采用傳統(tǒng)的篩析法，測(cè)量效率低，精度也不高，嚴(yán)重阻礙著陶瓷生產(chǎn)的自動(dòng)化。本課題研究、設(shè)計(jì)了一套新型的檢測(cè)裝置，包括上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件與下位機(jī)檢測(cè)電路。依據(jù)量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室論證的光的后向散射光強(qiáng)與泥漿粒度呈線性關(guān)系理論，創(chuàng)造性地采用雙d光纖實(shí)現(xiàn)光束的發(fā)射和接收，將接收陶瓷泥漿顆粒對(duì)光信號(hào)的后向散射光線，利用光纖放大器將其轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過單片機(jī)的處理得到我們需要檢測(cè)的數(shù)據(jù)，通過檢測(cè)不同粒度下的陶瓷泥漿樣本，記錄、分析各組電壓值和陶瓷泥漿粒度的關(guān)系。得到的結(jié)論是測(cè)得的電壓值與泥漿粒度之間的曲線是

2、線性的。該檢測(cè)設(shè)備不僅擁有良好的粒度檢測(cè)功能，還擁有良好的人機(jī)交互 以及優(yōu)越的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能。本測(cè)量裝置性能穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確、性價(jià)比高，能夠廣泛應(yīng)用于陶瓷生產(chǎn)中。關(guān)鍵詞：雙d光纖傳感器，光纖放大器，單片機(jī)，后向散射理論abstract:at present ceramics mud densitys examination mainly depended on the traditional sieve analysis method.however,the low efficiency and accuracy seriously hindered the automation of the

3、 ceramics production.the project researched and designed a new detection device,which included host computers monitoring circuits and lower machines detection circuit.it depended on the quantum optics and quantum optics devices state key laboratorys theory that the intensity of backward light scatte

4、ring was proportional to the density of mud.the device utilized double-d fiber to transmit and receive beams creatively.it used fiber amplifiers to translate the backscattering light of light signal went through the ceramic mud to the corresponding voltage signal.then is the analog to digital conver

5、sion before we get the detection data disposed by the scm.through detecting the ceramic mud samples with different particle size,we analysed the relationship between the measured voltage and its corresponding ceramic muds paricle size.the conclusion was the voltage was proportional to the particle s

6、ize.the device has good particle size detection function,good man-machine interaction and excellent remote data transmission function.because of its stable performance,measurement accuracy and cost-effective, the measuring device can be used in ceramic production widely.key words: double-d optical f

7、iber sensor, optical fiber amplifiers, microcontroller, backscatter theory第一章 緒論1.1課題設(shè)計(jì)的目的與意義改革開放以來，由于陶瓷生產(chǎn)企業(yè)的迅速發(fā)展，先進(jìn)技術(shù)的不斷更新，我國(guó)的陶瓷產(chǎn)量迅速增加。目前，我國(guó)的陶瓷生產(chǎn)能力已形成相當(dāng)?shù)囊?guī)模，成為世界上陶瓷生產(chǎn)第一大國(guó)，占世界總產(chǎn)量的三分之一。山東淄博的陶瓷生產(chǎn)歷史悠久，可追溯到春秋時(shí)期的齊國(guó)，是中國(guó)三大陶瓷生產(chǎn)基地之一。陶瓷泥漿是生產(chǎn)陶瓷產(chǎn)品最基本的原料，當(dāng)前企業(yè)的陶瓷泥漿制作工藝比較簡(jiǎn)單。通常是先將粘土、長(zhǎng)石、石英等相關(guān)配料用打粘機(jī)打碎，然后投入到球磨機(jī)中，并按一定比例

8、加入水（配料、球石、水的比例各企業(yè)有所不同）1。之后封死球磨機(jī)的裝料口，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)球磨機(jī)旋轉(zhuǎn)，使球石在球磨機(jī)內(nèi)滾動(dòng)，從而達(dá)到研磨配料的目的。研磨一定時(shí)間后（各企業(yè)的球磨機(jī)工作時(shí)間不盡相同），放出配料和水混合而成的陶瓷泥漿，將陶瓷泥漿放入泥漿池存放。為了保證陶瓷產(chǎn)品的質(zhì)量，要求存放的陶瓷泥漿粒度大小要適中2,陶瓷泥漿的粒度要控制在2030 um之間。泥漿粒度過小，延長(zhǎng)了泥漿研磨時(shí)間，增加了能源的消耗；泥漿粒度過大，抗折強(qiáng)度低，造成較多的半成品破損，加工性能差，待別是雙面吃漿產(chǎn)品及立澆座便器等在雙面吃漿部位，易造成接觸不實(shí)，分層而在燒成中出現(xiàn)分層或凸起等現(xiàn)象，同時(shí)在繞成過程中，顆粒間接觸面少，瓷化

9、不完全，產(chǎn)品吸水率大，易出現(xiàn)風(fēng)驚、炸裂。因此，陶瓷泥漿的粒度是陶瓷生產(chǎn)企業(yè)中比較重要的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)從而陶瓷泥漿粒度檢測(cè)成為陶瓷生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，這也是本課題研究的主要內(nèi)容。目前，陶瓷泥漿的粒度檢測(cè)主要是采用傳統(tǒng)的物理篩析法3，要專人檢測(cè)陶瓷泥漿粒度的大小，具體方法是：(1) 用量杯從泥漿池盛出少量攪拌均勻的泥漿。（2）將坩堝放到天平上，并往坩堝內(nèi)放入陶瓷泥漿，稱量并記錄下質(zhì)量值。（3）將坩堝放到電爐上烘烤，直到坩堝內(nèi)泥漿中的水分全部蒸發(fā)。（4）將坩堝從電爐上拿開，待坩堝稍涼，放到天平上再次稱量，并記錄下數(shù)值。（5）讓烘干的粉體試樣通過一系列不同篩孔的標(biāo)準(zhǔn)篩，將其分離成若干個(gè)粒級(jí)，分別稱重，求得以

10、質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示的粒度分布。這樣的測(cè)量方式非常繁瑣，要?jiǎng)佑锰炱?、甘鍋、酒精燈、泥漿取樣勺、紙、筆、計(jì)算器等器材，測(cè)量一個(gè)陶瓷泥漿樣本需要經(jīng)過若干個(gè)步驟，整個(gè)過程的操作時(shí)間需40分鐘左右，效率非常低而且精度也不高。為了能快速、方便的測(cè)量陶瓷泥漿粒度，需要研制一種新型的檢測(cè)儀器。依據(jù)mie散射理論4，分析推導(dǎo)出反射總光強(qiáng)強(qiáng)度的積分運(yùn)算公式，證明采用后向散射方法5測(cè)量陶瓷泥漿粒度的可行性。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，雙d光纖傳感器6的一只光纖將波長(zhǎng)是650-700nm的紅色光線直接射入陶瓷泥漿，另一只光纖接收來自陶瓷泥漿顆粒的后向散射光線，光纖放大器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；分別測(cè)量配制好的泥漿顆粒粒徑在100040um

11、的若干陶瓷泥漿樣本，獲得一組數(shù)據(jù)，分析這組數(shù)據(jù)知道：陶瓷泥漿顆粒粒徑在100040um時(shí)的數(shù)據(jù)曲線是非線性的，陶瓷泥漿顆粒粒徑在10040um時(shí)的數(shù)據(jù)曲線是線性的。依據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研制了陶瓷泥漿粒度檢測(cè)設(shè)備。本測(cè)量設(shè)備通過參數(shù)的調(diào)整可以應(yīng)用于不同的生產(chǎn)部門中，例如石料廠生產(chǎn)、挖煤生產(chǎn)等過程中。因此，對(duì)這一課題進(jìn)行專門研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2 本課題研究的泥漿粒度測(cè)量設(shè)備論述設(shè)備采用光纖傳感器8接收后向散射光，測(cè)量設(shè)備采用差分輸入模式，避免外界環(huán)境對(duì)接收光的影響；利用光纖放大器將采集的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電壓信號(hào)；微處理器采用stc89c52實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)信號(hào)并使用lcd1602液晶顯示，當(dāng)

12、粒度超過設(shè)定值時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警并自動(dòng)切斷球磨機(jī)電源；相關(guān)粒度將通過無線收發(fā)模塊nrf903發(fā)給上位機(jī)，本設(shè)備上位機(jī)設(shè)在監(jiān)控室，微處理器也采用stc89c52，并通過串口于pc的labview界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。本系統(tǒng)還可以擴(kuò)展進(jìn)行投料機(jī)以及注水機(jī)的監(jiān)控，從而使泥漿粒度穩(wěn)定、達(dá)標(biāo)。本測(cè)量設(shè)備體積小、成本低、抗干擾能力強(qiáng)，優(yōu)勢(shì)明顯，更容易在大中型陶瓷生產(chǎn)企業(yè)推廣，具有廣闊的市場(chǎng)前景。第二章 泥漿粒度測(cè)量的組成及方案論證2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)基于光的mie散射理論，系統(tǒng)主要有光纖放大器模塊、信號(hào)放大與數(shù)據(jù)處理電路、mcu電路、lcd1602顯示電路、nrf903模塊、rs232通信模塊、鍵

13、盤電路、電源電路等部分組成。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖2-1所示： 無線通信labview界面上位機(jī)下位機(jī)激光發(fā)射接收信號(hào)處理電路聲光報(bào)警液晶顯示看門狗電路電源電路部分信號(hào)差放電路鍵盤電路rs232圖2-1系統(tǒng)整體框圖2.2 系統(tǒng)方案論證2.2.1 系統(tǒng)采用的理論論證 1) 陶瓷泥漿主要組成成份由于我們要對(duì)泥漿的粒度進(jìn)行測(cè)量，所以有必要對(duì)其主要成份進(jìn)行說明。（1）粘土，粘土是坯料中的主要來源，是陶瓷產(chǎn)品坯體耐火性能的主要依靠。粘土的可塑性和結(jié)合能力，使坯體具有一定的強(qiáng)度，在生產(chǎn)加工過程中避免變形和開裂，同時(shí)粘土的顆粒很細(xì)，與其它原料形成更合理的顆粒結(jié)構(gòu)。在陶瓷產(chǎn)品燒制過程中，高嶺土分解，與sio2作用生

14、成莫來石晶體，賦予坯體的強(qiáng)度。（2）長(zhǎng)石，長(zhǎng)石是熔劑原料，能降低陶瓷產(chǎn)品的燒成溫度。長(zhǎng)石在高溫熔融后具有熔解其他物質(zhì)的能力，能促使高嶺土和其它瓷土的顆?；ハ鄶U(kuò)散，互相滲透，加速莫來石晶體的生長(zhǎng)和發(fā)育；長(zhǎng)石熔成玻璃態(tài)后，填充于各晶體顆粒之間，氣孔率顯著下降，使坯體致密，可提高制品的機(jī)械強(qiáng)度和電氣特性。（3）石英，石英對(duì)泥料的可塑性起調(diào)劑作用，并能降低干燥收縮，縮短干燥時(shí)間和防止坯體變形。石英在高溫中的化學(xué)親和力較強(qiáng)，能與其它多種氧化物化和，高溫中的液相粘度較高，增加坯體的結(jié)合能力。同時(shí)，也能增加坯體的機(jī)械強(qiáng)度和白度。2) 光的后向散射理論論述陶瓷泥漿粒度的檢測(cè)是利用光的散射及光的后向散射7完成的

15、。光的散射是由于介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)不均勻性造成的，可以看作是反射、折射色散、衍射、共振輻射等作用的綜合效果。散射是一種可觀測(cè)的光與物質(zhì)的相互作用。通常所看見的物體的光，都是被散射過來的光。由于散射和人們的生活息息相關(guān)，人們對(duì)于散射的研究也越來越多，越來越深入。目前，前向散射法已被廣泛的應(yīng)用，向后散射法還鮮有報(bào)道。本文利用雙d光纖傳感器作為檢測(cè)設(shè)備，提出了用光后向散射法測(cè)量陶瓷泥漿粒度的技術(shù)，并理論分析了散射光照與陶瓷泥漿粒度的關(guān)系。圖2-2是后向散射測(cè)量陶瓷泥漿粒度原理圖。一束強(qiáng)度為i0的入射光經(jīng)過雙d光纖傳感器的輸入光纖射入陶瓷泥漿中，陶瓷泥漿顆粒將其散射到各個(gè)方向，對(duì)于與入射光方向夾角在90-

16、180范圍內(nèi)的這部分散射光被稱為后向散射光。假設(shè)陶瓷泥漿顆粒是球形的，其直徑是，其尺寸參量為。研究證實(shí)，顆粒散射光的特性主要取決于尺寸參量。當(dāng)顆粒尺寸與入射光的波長(zhǎng)可以比擬時(shí)，散射光的強(qiáng)度由mie散射理論來描述。目前，陶瓷泥漿顆粒粒徑分布范圍一般在之間8。選用波長(zhǎng)處在同一數(shù)量級(jí)的紅光信號(hào)作為檢測(cè)信號(hào)，就可以用mie散射理論來計(jì)算陶瓷泥漿后向散射光強(qiáng)，達(dá)到實(shí)際陶瓷泥漿粒度測(cè)量的目的。根據(jù)mie散射理論，當(dāng)波長(zhǎng)為，強(qiáng)度為的平行光束入射到顆粒粒徑為的球形粒子上時(shí)，在空間與散射粒子距離為處的散射光強(qiáng)為： (1)式（1）中為單顆粒的散射系數(shù)。對(duì)于陶瓷泥漿來說，在長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)甚至十幾個(gè)小時(shí)的球磨機(jī)研磨過程后，

17、顆粒粒徑比較均勻，對(duì)于一個(gè)散射體中的每一個(gè)粒子都暴露在其它粒子的散射光之下，它散射被散射過來的光的一部分，一些被一次散射的光從散射體中射出去之前，要經(jīng)過多次散射，但在不同粒度下的陶瓷泥漿測(cè)量過程中，粒度大，陶瓷泥漿顆粒就少，產(chǎn)生的顆粒多次散射量也少，粒度小，陶瓷泥漿顆粒就多，產(chǎn)生的顆粒多次散射量也多，而每一個(gè)顆粒的散射最終要從散射體中射出去，散射體中顆粒的多少與顆粒的多次散射量成正比，與散射體中射出的光總量成正比，因此，為了計(jì)算方便，可以將顆粒的多次散射量忽略。由于散射體中粒子隨機(jī)的空間分布，就使得散射是互相獨(dú)立和不相干的，因而在某一方向上的散射強(qiáng)度，就是散射體中各個(gè)粒子在這一方向上的散射強(qiáng)度

18、的相加。這時(shí)，若單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)為，則單位散射體的散射系數(shù)為，用顆粒的平均粒度來表示散射體中顆粒的粒度分布，那么，當(dāng)光入射到一個(gè)單位散射體上時(shí)，則在距離為處的散射光強(qiáng)為： (2)在式（1）、（2）中，為尺寸參量，為被測(cè)顆粒折射率，為散射角，和為散射強(qiáng)度函數(shù)，分別表示平行于與垂直于散射面的強(qiáng)度分量，可用散射振幅函數(shù),來分別表示。， （3） （4） （5） 與有關(guān)，其值可由ricattic-bessel函數(shù)決定，僅和散射角有關(guān)，其值可由legendre函數(shù)給出，由式（2）可看出，在入射波長(zhǎng)，入射光強(qiáng)，探測(cè)距離，被測(cè)粒徑的尺寸參量，折射率以及后向散射角已知時(shí)，散射光強(qiáng)與粒度成正比，這就是光后向散射

19、法測(cè)泥漿粒度的理論依圖2-2 后向散射示意圖據(jù)。從圖2-2的光后向散射原理中，我們不難想到，反射光纖采集的光強(qiáng)只是后向散射光強(qiáng)的一部分，為了使計(jì)算過程更加準(zhǔn)確，我們需要求出陶瓷泥漿顆粒后向散射的總光照強(qiáng)度。陶瓷泥漿顆粒均勻分布于液體中，一束紅光照射在與其垂直平面的粒子上，該被照射區(qū)域的散射光強(qiáng)由中心向外呈現(xiàn)逐漸衰減趨勢(shì)。根據(jù)圖2-3，利用公式（2）的散射光強(qiáng)度，可以得到散射光強(qiáng)密度衰減方程p（r） （5）式： （5）根據(jù)（5）式和圖2-4求得的散射光強(qiáng)密度衰減方程p（r），得到總的散射光照強(qiáng)度 （6）利用公式（6）得到總的散射光強(qiáng)，將ia再次代入公式（2）中進(jìn)行計(jì)算，最終可以求出單位體積內(nèi)的顆

20、粒數(shù)目。 圖2-3 光纖傳感器截面圖 圖2-4 光纖傳感器后向散射光截面圖 量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用精密的儀器與先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)上述過程進(jìn)行了精確的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)顆粒粒徑在幾微米-幾十微米之間時(shí)，后向散射光強(qiáng)與泥漿粒度具有很好的線性關(guān)系。利用一元線性回歸可以求得散射光強(qiáng)與粒度的關(guān)系，并且誤差保持在4%以內(nèi)?；谝陨侠碚摚瑸榱耸箿y(cè)量更加精確，我們可以將回歸線分為若干條，將誤差進(jìn)一步縮小。2.2.2反射式光纖傳感器的原理及應(yīng)用反射式光纖傳感器9（見圖2-5）具有原理簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，并且已經(jīng)在許多物理量（如位移、壓力、振動(dòng)、表面粗糙度等）的測(cè)量中獲得成功應(yīng)用。對(duì)于這類光纖傳感

21、器的研究，美國(guó)的w.f.frank和c.d.kissinger等人在六七十年代申請(qǐng)了專利，并成功將它應(yīng)用于位移的測(cè)量10。此后，r.o.cook等人對(duì)該類傳感器進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，詳細(xì)討論了頻率響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍、線性區(qū)間、工作距離、光纖參數(shù)對(duì)傳感器特性的影響等問題。國(guó)內(nèi)80年代不少學(xué)者也開始關(guān)注反射式光纖傳感器，并對(duì)其進(jìn)行深入得研究和廣泛的應(yīng)用。反射式光纖傳感器的工作原理是將光源發(fā)出的光經(jīng)過發(fā)送光纖照射到反射面，反射后再進(jìn)入接受光纖，最后輸出到光電轉(zhuǎn)換器接收。根據(jù)文獻(xiàn)11的定義，反射式光纖傳感器的光強(qiáng)調(diào)制12系數(shù)m為接收光纖接收的光功率與發(fā)送光纖發(fā)送的光功率之比，光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)m反映傳感器的特性

22、。由beckmann散射理論可知，發(fā)送光纖射出的光在反射面上的光場(chǎng)由鏡反射和漫反射兩部分組成，其中反射項(xiàng)遵守幾何光學(xué)原理；漫反射項(xiàng)較復(fù)雜。雙d型光纖傳感器是反射式光纖傳感器的一種，又稱為半圓型光纖傳感器，一般由光源光纖和接收光纖構(gòu)成，光纖只起傳輸信號(hào)的作用。當(dāng)光源發(fā)出的光經(jīng)光源光纖照射到反射體上后，被反射的光又經(jīng)接收光纖輸出，被光纖放大器接收。圖2-5 雙d光纖實(shí)物圖2.2.3 信號(hào)采集電路方案選擇信號(hào)采集電路主要完成后向散射光的采集，然后將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以供后級(jí)電路放大。這里我們需要選擇合適的光敏器件13，合理的電路，既要保證變化的光信號(hào)能夠順利采集到，又要防止外界光線、環(huán)境溫度的影響

23、。這里采用了模擬量輸出的光纖放大器。光纖放大器技術(shù)就是在光纖的纖芯中摻入能產(chǎn)生激光的稀土元素，通過激光器提供的直流光激勵(lì)，使通過的光信號(hào)得到放大。光纖放大器利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件, 被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制, 使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化, 再通過對(duì)被調(diào)制過的信號(hào)進(jìn)行解調(diào), 從而得出被測(cè)信號(hào)。圖2-6 光纖放大器我們使用的是日本山武hpx-ma系列光纖放大器，采用模擬量輸出，用途廣，檢測(cè)分辨率高。響應(yīng)時(shí)間快，檢測(cè)微小目標(biāo)，適應(yīng)各種環(huán)境，如圖2-6所示。 2.2.4 放大電路選擇智能儀表儀器通過傳感器輸入的信號(hào)，一般都具有“小”信號(hào)的特征：信號(hào)幅度很小(

24、毫伏甚至微伏量級(jí))，且常常伴隨有較大的噪聲。對(duì)于這樣的信號(hào)，電路處理的第一步通常是采用儀表放大器14先將小信號(hào)放大。放大的最主要目的不是增益，而是提高電路的信噪比，同時(shí)儀表放大器電路能夠分辨的輸入信號(hào)越小越好，動(dòng)態(tài)范圍越寬越好。儀表放大器電路性能的優(yōu)劣直接影響到智能儀表儀器能夠檢測(cè)的輸入信號(hào)范圍。儀表放大器電路以其高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移等特點(diǎn)在傳感器輸出的小信號(hào)放大領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在闡述儀表放大器電路結(jié)構(gòu)、原理的基礎(chǔ)上，基于不同電子元器件設(shè)計(jì)了四種儀表放大器電路實(shí)現(xiàn)方案。通過仿真與實(shí)際電路性能指標(biāo)的測(cè)試、分析、比較，總結(jié)出各種電路方案的特點(diǎn)。a. 儀表放大器電路的構(gòu)成及原理儀表

25、放大器電路的典型結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。圖2-7 儀表放大器典型結(jié)構(gòu)它主要由兩級(jí)差分放大器電路構(gòu)成。其中，運(yùn)放a1，a2為同相差分輸入方式，同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗，減小電路對(duì)微弱輸入信號(hào)的衰減；差分輸入可以使電路只對(duì)差模信號(hào)放大，而對(duì)共模輸入信號(hào)只起跟隨作用，使得送到后級(jí)的差模信號(hào)與共模信號(hào)的幅值之比(即共模抑制比cmrr)得到提高。這樣在以運(yùn)放a3為核心部件組成的差分放大電路中，在cmrr要求不變情況下，可明顯降低對(duì)電阻r3和r4，rf和r5的精度匹配要求，從而使儀表放大器電路比簡(jiǎn)單的差分放大電路具有更好的共模抑制能力。在r1=r2，r3=r4，rf=r5的條件下，圖2-7電路的增

26、益為：g=(1+2r1rg)(rfr3)。由公式可見，電路增益的調(diào)節(jié)可以通過改變r(jià)g阻值實(shí)現(xiàn)。b.儀表放大器電路實(shí)現(xiàn)方案 目前，儀表放大器電路的實(shí)現(xiàn)方法主要分為兩大類：第一類由分立元件組合而成；另一類由單片集成芯片直接實(shí)現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)有元器件，分別以單運(yùn)放lm741和op0715，集成四運(yùn)放lm324和單片集成芯片ad620為核心，設(shè)計(jì)出四種儀表放大器電路方案。方案1 由3個(gè)通用型運(yùn)放lm741組成三運(yùn)放儀表放大器形式，輔以相關(guān)的電阻外圍電路，加上a1，a2同相輸入端的橋式信號(hào)輸入電路，如圖2-8所示圖2-8單運(yùn)放組成的儀表放大器圖2-8中a1a3分別用lm741替換即可。電路的工作原理與典型儀表

27、放大器電路完全相同。方案2由3個(gè)精密運(yùn)放op07組成，電路結(jié)構(gòu)與原理和圖2-8相同。方案3以一個(gè)四運(yùn)放集成電路lm324為核心實(shí)現(xiàn)。它的特點(diǎn)是將4個(gè)功能獨(dú)立的運(yùn)放集成在同一個(gè)集成芯片里，這樣可以大大減少各運(yùn)放由于制造工藝不同帶來的器件性能差異；用統(tǒng)一的電源，有利于電源噪聲的降低和電路性能指標(biāo)的提高，且電路的基本原理不變。方案4 由一個(gè)單片集成芯片ad620實(shí)現(xiàn)，如圖2-9所示。它的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：一個(gè)ad620，一個(gè)增益設(shè)置電阻rg，外加工作電源就可以使電路工作，因此設(shè)計(jì)效率高。圖2-9中電路增益為：g=49.4k/rg+1。圖2-9 ad620集成運(yùn)算放大電路c.性能測(cè)試與分析 實(shí)現(xiàn)儀表

28、放大器電路的四種方案中，都采用4個(gè)電阻組成電橋電路的形式，將雙端差分輸入變?yōu)閱味说男盘?hào)源輸入。性能測(cè)試主要是從信號(hào)源vs的最大輸入和vs最小輸入、電路的最大增益及共模抑制比幾方面進(jìn)行仿真和實(shí)際電路性能測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)分別見表2-1和表2-2。其中，vs最大(小)輸入是指在給定測(cè)試條件下，使電路輸出不失真時(shí)的信號(hào)源最大(小)輸入；最大增益是指在給定測(cè)試條件下，使輸出不失真時(shí)可以實(shí)現(xiàn)的電路最大增益值。共模抑制比由公式kcmrr=20|g | avdavc|(db)計(jì)算得出。表2-1 軟件仿真數(shù)據(jù)測(cè)試對(duì)象 vs的最大輸入 vs的最小輸入 最大增益 kcmrr測(cè)試條件 f=25hz，g=4100，rp=

29、5k vs=100uf,rp=5k vcm=10v方案1 15.2mv 2uv 204 204 123db方案2 14.4mv 50nv 267 267 160db方案3 - 2uv - -方案4 14.8mv 2uv 60 600 145db由表2-1和表2-2可見，仿真性能明顯優(yōu)于實(shí)際測(cè)試性能。這是因?yàn)榉抡骐娐返男阅芑旧鲜怯煞抡嫫骷男阅芎碗娐返慕Y(jié)構(gòu)形式確定的，沒有外界干擾因素，為理想條件下的測(cè)試；而實(shí)際測(cè)試電路由于受環(huán)境干擾因素(如環(huán)境溫度、空間電磁干擾等)、人為操作因素、實(shí)際測(cè)試儀器精確度、準(zhǔn)確度和量程范圍等的限制，使測(cè)試條件不夠理想，測(cè)量結(jié)果具有一定的誤差。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)過程中，仿

30、真與實(shí)際測(cè)試各有所長(zhǎng)。一般先通過仿真測(cè)試，初步確定電路的結(jié)構(gòu)及器件參數(shù)，再通過實(shí)際電路測(cè)試，改進(jìn)其具體性能指標(biāo)及參數(shù)設(shè)置。這樣，在保證電路功能、性能的前提下，大大提高電路設(shè)計(jì)的效率。表2-2 實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)試對(duì)象 vs的最大輸入 vs的最小輸入 最大增益 kcmrr測(cè)試條件 f=25hz，g=4100，rp=5k vs=100uf,rp=5k vcm=10v方案1 13mv 2mv 16 250 98db方案2 17mv 1mv 23 250 117db方案3 17mv 2mv 19 750 99db方案4 17mv 1mv 14 250 110db由表2-2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出：方案2在信號(hào)輸

31、入范圍(即vs的最大、最小輸入)、電路增益、共模抑制比等方面的性能表現(xiàn)為最優(yōu)。在價(jià)格方面，它比方案1和方案3的成本高一點(diǎn)，但比方案4便宜很多。因此，在四種方案中，方案2的性價(jià)比最高。方案4除最大增益相對(duì)小點(diǎn)，其他性能僅次于方案2，具有電路簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越，節(jié)省設(shè)計(jì)空間等優(yōu)點(diǎn)。成本高是方案4的最大缺點(diǎn)。方案1和方案3在性能上的差異不大，方案3略優(yōu)于方案1，且它們同時(shí)具有絕對(duì)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但性能上不如方案2和方案4好。綜合以上分析，方案2和方案4適用于對(duì)儀表放大器電路有較高性能要求的場(chǎng)合,方案1和方案3適用于性能要求不高且需要節(jié)約成本的場(chǎng)合。故針對(duì)具體的電路設(shè)計(jì)要求，選取不同的方案，以達(dá)到最優(yōu)的資源利

32、用。2.2.5微處理器選擇球磨機(jī)工作環(huán)境較為復(fù)雜，下位機(jī)部分要求必須擁有很好的抗干擾能力。首先我們要考慮數(shù)字器件的抗干擾能力，尤其是微處理器的抗干擾能力。裝置完成的功能比較單一，無需功能強(qiáng)大的微處理器，因此我們選擇最熟悉的8051內(nèi)核單片機(jī)16。雖然51單片機(jī)型號(hào)很多，但是他們大部分還是很相似的，寫的c語言程序也可以相互移植。從抗干擾能力與性價(jià)比方面考慮，我們選擇stc單片機(jī)：stc單片機(jī)具有超強(qiáng)抗干擾能力：高抗靜電（esd保護(hù)），輕松過2kv/4kv快速脈沖干擾（eft測(cè)試），寬電壓，不怕電源抖動(dòng)，寬溫度范圍，-4085；加密性強(qiáng)，采用第六代加密技術(shù)，無法解密；超低功耗，掉電模式0.1ua,

33、正常模式功耗4ma-7ma，掉電模式可由外部中斷喚醒，適用與電池供電系統(tǒng)。宏晶公司開發(fā)的stc單片機(jī)價(jià)格在同類產(chǎn)品中是最低的，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)明顯。此類單片機(jī)內(nèi)部還集成有看門狗電路，考慮到系統(tǒng)需要存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，所以選用帶有512byte e2prom的專用看門狗芯片x25045. 上位機(jī)要控制無線收發(fā)芯片nrf903實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信，還要通過串口實(shí)現(xiàn)和pc的數(shù)據(jù)傳輸，并于專業(yè)軟件labview界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，相對(duì)上位機(jī)來說要求較低。鑒于成本，我們選擇at89c2051，它是美國(guó)atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能8位單片機(jī)。片內(nèi)含有2kb可重復(fù)擦寫1000次以上的只讀程序存儲(chǔ)器（perom）和1

34、28b的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ram），期間采用atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)，內(nèi)置8位中央處理器和flash存儲(chǔ)單元。它擁有15個(gè)可編程i/o口線、可編程uart通道完全可以滿足我們的要求。第三章 泥漿粒度檢測(cè)的硬件設(shè)計(jì)球磨機(jī)泥漿粒度測(cè)量設(shè)備硬件主要包括電源模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、顯示模塊、無線通信模塊、串口通信模塊等，各模塊之間相互協(xié)調(diào)構(gòu)成陶瓷泥漿粒度測(cè)量設(shè)備。下面對(duì)硬件模塊的構(gòu)成作詳細(xì)的論述。3.1 電源模塊的構(gòu)成我們?cè)O(shè)計(jì)的陶瓷泥漿測(cè)量設(shè)備安裝在球磨機(jī)上，球磨機(jī)在研磨時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)無法采用220v的交流電給設(shè)備供電17。而且檢測(cè)設(shè)備所消耗的電量比較

35、小，所以使用容量大的鋰電池為其供電12v電源主要供給光纖放大器與運(yùn)算放大電路。光纖放大器的電源電壓范圍10.8-26.4v，這里我們使用12v為其供電。運(yùn)算放大電路需要雙電源供電，使用l7812對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)壓得到+12v電源，lt1504產(chǎn)生負(fù)-12v電源。電路如圖3-1所示：圖3-1 12v電源裝置的微處理器及信號(hào)處理電路采用5v供電，由于微處理器對(duì)于電源的要求較高，我們應(yīng)搭建穩(wěn)定輸出5v電壓的電路。l7805為三端正穩(wěn)壓電路，能夠提供固定的5v輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。其含有過流、過熱和過載保護(hù)電路，帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá)1a。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用時(shí)需要外接元件，可獲得不同的電壓與電流。

36、利用+12v的電源作為輸入，7805可以輸出穩(wěn)定的5v電，雖然12v-5v=7v壓降較大，但考慮到5v負(fù)載總電流較小，穩(wěn)壓芯片產(chǎn)熱量很少，此方案是可行的。圖3-2為5v電源的制作電路，c4主要消除電源紋波，一般電容大小為330pf,而c5可改善電壓輸出的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。圖3-2 5v電源電路3.2 信號(hào)放大與a/d轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)3.2.1 信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)光信號(hào)采用差分輸入的方式，輸入信號(hào)十分微弱，在粒度較低的條件下，輸入電壓幾個(gè)mv，放大倍數(shù)應(yīng)該為幾十倍幾百倍。方案論述中詳細(xì)分析了四種放大電路的設(shè)計(jì)方案，我們選擇簡(jiǎn)單、性能高的方案四，采用一個(gè)單片集成的ad620儀表放大器。如圖3-3所示：圖

37、3-3 ad620放大電路 v0=(1+2r/rx)(v1-v2) (1) g=49.4k/rg+1 (2) rg=49.4k/(g-1) (3)其中1、8腳需跨接一個(gè)電阻（即公式（1）中的rx）來調(diào)整放大倍率，4、7腳需提供正負(fù)相等的工作電壓。由2、3腳接輸入的電壓即可以從6腳輸出放大后的電壓值，5腳則是參考基準(zhǔn)，如果接地則第6腳的輸出為與地之間的相對(duì)電壓。ad620的放大增益關(guān)系如式（2）、式（3）所示，由此二式我們即可推算出各種增益所要使用的電阻值rg。3.2.2 ad模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇與應(yīng)用 ad主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集電路中，是現(xiàn)代儀器應(yīng)用最多的器件之一。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換

38、為數(shù)字信號(hào)輸出。由于數(shù)字信號(hào)本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個(gè)相對(duì)大小。故任何一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的大小。由后向散射理論知，后向散射光強(qiáng)與泥漿粒度成線性關(guān)系，如果利用ad與微處理器測(cè)量出此刻后向散射光強(qiáng)的大小，便可得到此刻測(cè)量的泥漿粒度大小。tlc1549是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它采用cmos工藝，具有內(nèi)在的采樣和保持，采用差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，總不可調(diào)整誤差達(dá)到1lsb max（4.8mv）等特點(diǎn)。其外圍接口電路如圖3-4所示。圖

39、3-4 tlc1549的接口電路3.3人機(jī)交互及聲光報(bào)警電路1602液晶顯示電路應(yīng)用在球磨機(jī)中，實(shí)時(shí)顯示陶瓷泥漿粒度的數(shù)據(jù)，供給管理人員或車間工人作參考?？梢酝ㄟ^上位機(jī)軟件設(shè)置報(bào)警上限，若此時(shí)的粒度高于規(guī)定下限，繼續(xù)工作；若此時(shí)的粒度低于規(guī)定下限，則聲光報(bào)警并切斷球磨機(jī)電機(jī)供電電源，停止研磨?？梢酝ㄟ^鍵盤解除或拉上警報(bào)。陶瓷生產(chǎn)廠房工作環(huán)境復(fù)雜，聲光報(bào)警電路要求光照與警報(bào)能充分滿足人們的需要。我們選擇12v的led高亮度報(bào)警燈18,19，選擇220v的交流警報(bào)作為聲音報(bào)警信號(hào)。報(bào)警燈選擇由6個(gè)0.5w的led發(fā)光二極管組成的燈，燈做成環(huán)狀，采用12v供電。燈光的亮度能夠充分滿足廠房的要求，并且

40、其控制過程簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)。led控制電路如圖3-10所示，單片機(jī)通過io口控制npn三極管的工作狀態(tài)，從而控制led燈的亮滅。報(bào)警時(shí)，控制報(bào)警燈周期性的閃爍，以增強(qiáng)報(bào)警的質(zhì)量。聲音報(bào)警采用220v的交流警報(bào)報(bào)警，警報(bào)聲音分貝高，能夠在嘈雜的生產(chǎn)環(huán)境下提醒工作人員及時(shí)作出處理方案。220v聲音報(bào)警器控制電路如圖3-5所示，通過三極管控制12v的繼電器線圈，線圈帶電吸合后，常閉開關(guān)會(huì)吸合，接通220v報(bào)警器。繼電器采用cma512-s-12v，其最大電流為10a。圖3-5 聲光報(bào)警控制電路3.4 測(cè)量?jī)x器通信接口電路3.4.1 下位機(jī)和上位機(jī)的通訊（無線收發(fā)芯片nrf903） 下位機(jī)與上位機(jī)之間采用

41、無線數(shù)據(jù)傳輸。測(cè)量?jī)x器的無線發(fā)射模塊采用nordicvlsi公司的單片射頻收發(fā)芯片nrf903是nordic公司最新推出的單片無線收發(fā)一體的芯片，采用了藍(lán)牙核心技術(shù)設(shè)計(jì)，在一個(gè)32腳的芯片中包括了三段高頻發(fā)射、高頻接收、pll合成、i/q調(diào)制、i/q解調(diào)、多頻道切換、異步通信接口等部分，是目前集成度最高的無線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品。工作電壓要求比較低（2.7v），功耗小，接收待機(jī)狀態(tài)僅為1ua，可滿足低功耗設(shè)備的要求；該電路外圍元件很少 , 僅需一個(gè)基準(zhǔn)晶體及幾個(gè)無源器件，無需調(diào)試部件，天線可用微帶天線直接設(shè)計(jì)在線路板上；具有多個(gè)頻道(最多170個(gè)以上)，特別滿足需要多信道工作的特殊場(chǎng)合。它還具有發(fā)射距

42、離遠(yuǎn)，發(fā)射功率大和發(fā)送字節(jié)長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)：功率最大為+15dbm，發(fā)送數(shù)據(jù)字長(zhǎng)為64byte，開闊地帶通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000米。一系列的優(yōu)勢(shì)使它廣泛用于遙控遙測(cè)、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線抄表門禁系統(tǒng)、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標(biāo)簽、身份識(shí)別、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制等。 本系統(tǒng)中，下位機(jī)測(cè)量出數(shù)據(jù)后，經(jīng)連接的發(fā)射模塊把處理好的檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送出去。在上位機(jī)的一端有無線接收模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。下位機(jī)接收上位機(jī)的粒度設(shè)定值等數(shù)據(jù)也是通過此模塊。無線發(fā)射模塊引腳如圖3-6所示：圖3-6 nrf903接口管腳3.4.2 上位機(jī)和pc的通訊（rs232串口通信）rs232是個(gè)

43、人計(jì)算機(jī)上的通訊接口之一，是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)(electronic industries association，eia) 所制定的異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口。通常 rs-232 接口以9個(gè)接腳 (db-9) 或是25個(gè)接腳 (db-25) 的型態(tài)出現(xiàn)，一般個(gè)人計(jì)算機(jī)上會(huì)有兩組 rs-232 接口，分別稱為 com1 和 com2。rs232發(fā)展出了多種標(biāo)準(zhǔn)，我們這里選用常用的eia-rs-232c，對(duì)電器特性、邏輯電平和各種信號(hào)線功能都作了規(guī)定。 在txd和rxd上，邏輯1=-3v-15v 邏輯0(space)=+315v； 在rts、cts、dsr、dtr和dcd等控制線上， 信號(hào)有效（接通，on狀態(tài)

44、，正電壓）+3v+15v 信號(hào)無效（斷開，off狀態(tài)，負(fù)電壓)=-3v-15v 。以上規(guī)定說明了rs-323c標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邏輯電平的定義。對(duì)于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”（傳號(hào)）的電平低于-3v，邏輯“0”（空號(hào)）的電平高于+3v；對(duì)于控制信號(hào)，接通狀態(tài)（on）即信號(hào)有效的電平高于+3v，斷開狀態(tài)(off)即信號(hào)無效的電平低于-3v，也就是當(dāng)傳輸電平的絕對(duì)值大于3v時(shí)，電路可以有效地檢查出來，介于-3+3v之間的電壓無意義，低于-15v或高于+15v的電壓也認(rèn)為無意義，因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平在(315)v之間。 由于rs-232-c接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，難免有不足之處，接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接

45、口電路的芯片，又因?yàn)榕cttl 電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與ttl電路連接；接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式， 這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱； 傳輸距離有限，最大傳輸距離僅15米左右。但是上位機(jī)放置在監(jiān)控室內(nèi)，距離pc機(jī)距離近，且工作環(huán)境較為穩(wěn)定，因此選擇rs232通信方式，并采用max232芯片完成ttleia的雙向電平轉(zhuǎn)換，接口電路如圖3-7所示。通過串口上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)和labview中的visa進(jìn)行通信。圖3-7 上位機(jī)與pc機(jī)通信接口第四章 球磨機(jī)測(cè)量裝置的粒度標(biāo)定與計(jì)算根據(jù)顆粒后向散射理論，一定范圍內(nèi)陶瓷泥漿粒度與后向散射光強(qiáng)成線性關(guān)系

46、。我們可以利用傳統(tǒng)方法配備出不同粒度的泥漿樣本，然后利用儀器獲取測(cè)量值，通過多次測(cè)量平均，我們便可以得到泥漿粒度與數(shù)字電壓量的擬合直線，示意圖見圖4-1。圖4-1 雙d型光纖傳感器檢測(cè)陶瓷泥漿粒度示意圖具體實(shí)驗(yàn)過程如下：第一步：泥漿樣本的制備。從協(xié)作單位的陶瓷泥漿存放池中，取一桶泥漿密封，防止雜質(zhì)混入影響實(shí)驗(yàn)效果。將部分泥漿放入干燥箱中烘干得到陶土，密封存放備用，陶土樣本如圖4-2所示。圖4-2 制備的陶土樣本將烘干的陶土樣本用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，把不同粒度樣本分類保存。 將玻璃瓶清洗干凈，放入恒溫干燥箱中去除水分，在干燥箱中存放備用。將瓶子放到電子秤上，去皮后，用小勺取干燥好的陶土60克放入瓶中

47、，再用量杯量取40克水，加入到瓶中。重復(fù)上述方法直到溶液到達(dá)瓶高的2/3，放在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)均勻，這樣就制備好了待檢測(cè)陶瓷泥漿。依此類推，分別制備其它粒度的陶瓷泥漿待測(cè)樣本。 制作好陶瓷泥漿樣本后用橡膠蓋密封，并在瓶上貼好標(biāo)簽（如圖4-3）。圖4-3配制好的陶瓷泥漿樣本第二步：實(shí)驗(yàn)步驟。 接通實(shí)驗(yàn)裝置的電源。 將雙d型光纖傳感器的檢測(cè)頭豎直插入裝有純凈水的檢測(cè)瓶中（此時(shí)接收光纖接收不到散射光線），旋轉(zhuǎn)設(shè)備的rw可調(diào)電位器，待lcd顯示平穩(wěn)后找到合適的電壓值作為基準(zhǔn)電壓。 打開要測(cè)量的陶瓷泥漿瓶塞，將雙d型光纖傳感器的檢測(cè)端頭放入陶瓷泥漿中，開啟振動(dòng)臺(tái)，直到瓶中的陶瓷泥漿均勻后，從1602液晶讀取

48、測(cè)量值并記錄。 依次類推，分別檢測(cè)陶土顆粒粒徑為100040um的各種陶瓷泥漿。第三步：圖形繪制從檢測(cè)陶土顆粒的沉降速度來看，在檢測(cè)不同粒度陶瓷泥漿的試驗(yàn)過程中，特別是檢測(cè)粒度小的陶瓷泥漿時(shí)，要與振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)時(shí)間配合好，保障陶瓷泥漿粒度檢測(cè)的準(zhǔn)確性。用檢測(cè)設(shè)備對(duì)顆粒粒徑為100040um的陶瓷泥漿進(jìn)行檢測(cè)，從中尋找檢測(cè)數(shù)值與泥漿粒度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)設(shè)備檢測(cè)值取自光纖放大器轉(zhuǎn)換的電壓值，測(cè)量電壓與泥漿粒度成反比，為了使測(cè)量曲線更好的反映散射光強(qiáng)隨粒度變化的關(guān)系，圖4-4所示電壓曲線是光纖傳感器實(shí)際檢測(cè)的數(shù)據(jù)曲線。實(shí)驗(yàn)中為了找到測(cè)量過程不受反射光影響的最佳位置，分別在距離瓶底0.3cm、0.6cm、1

49、cm處測(cè)得三組數(shù)據(jù)曲線2、3、4與不受反射光影響的測(cè)量曲線1作比較。紅光豎直向下照射，當(dāng)穿透液體照射到瓶底后，由瓶底會(huì)反射一部分光線，使接收光纖接收的光增強(qiáng)，會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來很大的誤差。由曲線2、3、4可以看出光纖距瓶底越近，接收光線會(huì)接收到的反射光越強(qiáng)，測(cè)量電壓值越大，當(dāng)粒度增大時(shí)，散射光強(qiáng)增加，但光線被削弱的越強(qiáng)，反射光纖接收的反射光也越少。根據(jù)測(cè)量曲線1測(cè)量的數(shù)據(jù)，陶瓷泥漿顆粒粒徑在100040um之間，數(shù)值從0.674v上升到2.943v，此時(shí)隨著陶瓷泥漿粒度的減小，顆粒后向散射增強(qiáng)，測(cè)量的電壓值增大。 mie理論給出了三個(gè)描述散射顆粒的重要參數(shù)，用單個(gè)散射顆粒的有效散射本領(lǐng)和有效吸收本領(lǐng)

50、來分別衡量散射體系中散射顆粒的散射能力和吸收能力。一個(gè)散射體系，其散射率和吸收率分別為和，則有 （8） （9） (10)2.42.52.62.72.82.93.0908070605040陶瓷泥漿粒度檢測(cè)電壓值/v圖4-4 顆粒粒徑為10040um時(shí)的光纖傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)曲線100其中，v是單個(gè)粒子的體積， 為散射顆粒的粒子數(shù)濃度，r為散射顆粒所占的體積與散射體系總體積之比。根據(jù)mie理論，隨陶瓷泥粒粒度減小，散射顆粒濃度增大，散射顆粒所占體積與散射體系總體積之比r增大，散射率和吸收率也增大。圖4-5曲線陶瓷泥漿顆粒粒徑從100040um處檢測(cè)電壓逐漸增大，后向散射率與顆粒吸收率隨陶瓷泥漿粒度的減

51、小而增大，此時(shí)顆粒后向散射起主要作用；陶瓷泥漿顆粒粒徑從40um以后處檢測(cè)電壓逐漸減小, 雖然顆粒后向散射率與顆粒吸收率隨陶瓷泥漿粒度的減小而增大,但此時(shí)顆粒吸收率的增加程度00.511.5232.5100080060040020010040陶瓷泥漿粒度1234檢測(cè)電壓/v圖4-5陶土顆粒粒徑100040um時(shí)的光纖傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)曲線大于顆粒后向散射率的增加程度，從而使曲線呈衰減的趨勢(shì)。泥漿顆粒粒徑為1000100um實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線的總變化不是本課題研究的重點(diǎn)，本課題要重點(diǎn)觀察一下100040um之間的陶瓷泥漿樣本檢測(cè)數(shù)據(jù)曲線情況。為此，又配制了陶土粒度為90、80、70、60、50、40等6種

52、陶瓷泥漿樣本。 對(duì)上述6種粒度的陶瓷泥漿依次檢測(cè)，對(duì)每種粒度的泥漿讀取一系列數(shù)據(jù)作為樣本，求出檢測(cè)電壓的平均值作為檢測(cè)值，同時(shí)求出測(cè)量電壓值的波動(dòng)情況，如圖4-4示：利用虛擬儀器對(duì)上述6種陶瓷泥漿樣本采集幾組檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以求出對(duì)應(yīng)粒度測(cè)量電壓平均值和方差值，根據(jù)圖4-4所示特點(diǎn)，首先用公式11、12求得各樣本粒度檢測(cè)電壓的平均值與方差值。 （11） （12） 由圖4-4的測(cè)量值及上式，可以求出90、80、70、60、50、40樣本顆粒粒徑的平均電壓值、方差值，結(jié)果見表4-1.表4-1 雙d型光纖傳感器檢測(cè)陶瓷泥漿電壓均值與波動(dòng)情況陶瓷泥漿粒度（um）908070605040測(cè)量電壓平均值（mv

53、）2649.82703.62752.22805.62881.22956電壓波動(dòng)（d(x)）0.01360.00720.00490.00380.00220.0020 從圖4-4中可以看出，10040um陶瓷泥漿樣本電壓檢測(cè)值可以擬合成一條直線，根據(jù)表4-1得到的電壓平均值擬合得到一條與實(shí)際值相近的直線方程公式13： （13）公式中y為測(cè)量電壓值，x為檢測(cè)粒度值。實(shí)際檢測(cè)曲線與擬合直線如圖4-6所示：2.42.52.62.72.82.93.0908070605040陶瓷泥漿粒度實(shí)際檢測(cè)曲線1擬合直線2檢測(cè)電壓值圖4-6 實(shí)際檢測(cè)曲線與擬合直線比較100第五章 泥漿粒度檢測(cè)的軟件設(shè)計(jì)泥漿測(cè)量設(shè)備的軟

54、件設(shè)計(jì)十分重要，下位機(jī)要完成以下任務(wù)：采集測(cè)量環(huán)境下的電壓值，控制顯示電路顯示數(shù)據(jù)，接收及發(fā)送數(shù)據(jù)，控制聲光報(bào)警電路及切斷電源。上位機(jī)主要完成與pc以及下位機(jī)的通信。下面對(duì)主要程序進(jìn)行分析。5.1 ad信號(hào)采集控制流程裝置采用ad芯片tlc1549，采集信號(hào)也就是單片機(jī)控制tlc1549進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。軟件流程見圖5-1。nyad初始化送通道0地址通道0模數(shù)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)數(shù)據(jù)sars=1？差分輸入設(shè)置通道模數(shù)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)數(shù)據(jù)sars=1？圖5-1 ad信號(hào)采集流程yn5.2上位機(jī)與下位機(jī)通信程序流程設(shè)計(jì)nrf903用于完成數(shù)據(jù)基帶信號(hào)到 rf 信號(hào)的變換 , 單片機(jī)則用來完成對(duì)nrf903 的初始化以及數(shù)據(jù)的采集和傳輸?shù)目刂?,圖5-2為其軟件編程流程圖。頻率的設(shè)置通過單片機(jī)來設(shè)置 , 單片機(jī)將頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的分頻比 ,并通過 i/o口將頻率數(shù)據(jù)及功率設(shè)置等數(shù)據(jù)串行送入到nrf903的內(nèi)部控制寄存器 ,以設(shè)定工作頻率和其他配置。數(shù)據(jù)的發(fā)送通過 txen 和 data 腳來進(jìn)行 ,由于 nrf903是半雙工工作模式,接收和發(fā)射