智能浊度传感器的研究与设计毕业论文.doc
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1、硕士学位论文智能浊度传感器的研究与设计作者姓名:纪莹蕾学科专业:模式识别与智能系统导师姓名:陈锋副教授第二导师姓名:谢兴生副教授完成时间:二一四年五月六日_國_|Y2601680University of Science and Technology of ChinaA dissertation for masters degreeThe Research and Design ofIntelligent Turbidity SensorYinglei JiAuthors Name:Speciality:Pattern Recognition and Intelligent SystemSup
2、ervisor:Associate Prof. Feng Chen2nd Supervisor:Associate Prof.Xingsheng Xie中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作 了明确的说明。作者签名:fet%签字日期:糾“中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一,学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权,即:学校有权按有关规定向国家有关部
3、门或机构 送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文编入中 国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。i遵守此规定。签字日期:丄摘要水作为日常生活中必不可少的一部分,衡量其质量的好坏具有重要的意义。 浊度作为水质检测的重要指标之一,其测量要求也越来越严格,浊度检测越来越 受到关注和重视。目前,市场上国外浊度仪占主流趋势,但是价格昂贵。国内浊 度仪价格适中,但是质量优良的较少。国内浊度仪(尤其是在线浊度仪)在可靠 性和稳定性上都有很大的上升空间。为了提高浊度传感器的检测精
4、度,本文通过 分析浊度检测原理,利用最小二乘支持向量机对散射、透射、比值三种方法的检 测数据以及温度值和环境光值进行融合,从而提高了浊度测量精度和抗干扰能 力。论文的主要工作如下:1. 设计并实现浊度传感器系统。该系统主要包括硬件设计,光路设计和嵌 入式软件设计。硬件设计主要包括光源和探测器的电路设计,信号调理电路的 搭建,基于STM32的数据采集。光路设计则是对浊度仪结构进行设计,保证光 路的合理布局。它主要是光源和检测器的选型和放置,使其符合国际标准的要 求。嵌入式软件设计主要是软件初始化程序及其基本的硬件驱动程序,目的是 实现数据采集和数据传输的功能。2. 建立浊度的算法模型。分析浊度检
5、测中出现的干扰因素,并采用最小二 乘支持向量机建立浊度检测模型。该模型融合散射、透射和比值三种方法检测 的数据,并加入温度和环境光干扰因子,能够针对不同浊度范围分配输入因子 的权重,从而能够适应环境检测以提高检测精度。3. 设计并进行了浊度传感器性能评估实验。实验结果表明本文设计的浊度传感器在低浊度范围的检测精度和抗干扰能力上有所提高。关键词:浊度,散射,透射,比值,最小二乘支持向量机AbstractABSTRACTWater is the source of life, and it is necessary to measure the quality of water. Turbidit
6、y is an important index of water measurement, and the measurement of water turbidity is mandatory and more and more strict The detection of turbidity has been attracted more and more attention. At present, foreign turbidity meters are dominated used in China, but their prices are expensive. Domestic
7、 turbidity meters are reasonable in price, but their reliability and stability (especially online turbidity meters) still have a very large upside potential. There are many kinds of domestic turbidity meters, but the few has outstanding quality. In order to improve the detection accuracy of turbidit
8、y sensor, this dissertation uses LS-SVM to fuse the following data to improve the measurement precision and anti-interference ability by analyzing the turbidity detection accuracy: the test data detected by scattering method, transmission method and ratio method, the temperature data and the ambient
9、 light data.The main work of this dissertation is as follows:1. The overall design of this system is presented, including hardware design, optical design and embedded software design. The hardware design mainly includes the circuit design of light source and detector, the structure of conditioning c
10、ircuit, the data acquisition based on STM32. The turbidity structure is designed to ensure the reasonable layout of optical path, which mainly includes the choices and arranges of light source and detector so that it can meet the requirements of the international standard. The embedded software desi
11、gn mainly includes the initialization procedures and the basic hardware driving program so as to realize the function of data acquisition and data transmission.2. Turbidity algorithm model is established. The interference factors of turbidity senor are discussed, and LS-SVM is introduced to model th
12、e turbidity sensor. As a result, the detection accuracy by integrating the detected data of three methods is improved. In addition, light and temperature factors are joined in the model to improve the anti-interference capability.3. Design and carry out the evaluation experiment of turbidity sensor
13、?s performance. The experiment results prove that the low turbidity range detection accuracy and anti-interference ability of turbidity sensor which is designed in this dissertation have been improved.IllKey words: Turbidity; Scattering; Transmission; Ratio; LS-SVM5目录m iABSTRACTIll第1章绪论11.1研究背景与意义11
14、.2国内外研究现状21.3研究目标与内容41.3.1研究目标41.3.2研究内容41.4论文组织5第2章浊度测量的基础理论72.1浊度的定义和测量单位72.1.1浊度的定义72.1. 2浊度的单位72.2浊度的检测方法82. 2. 1透射检测方法82. 2. 2散射检测方法92.2.3比值检测方法112. 2. 4表面散射光测量法122. 3方法改进122. 4本章总结14第3章浊度传感器设计153.1浊度传感器的光学设计153.1.1光源选择153. 1. 2光电探测器选择163.1. 3试样槽选择19B_m.3. 1. 4传感器结构设计193. 2浊度传感器的硬件设计 213. 2.1电源
15、模块设计213. 2. 2调理电路设计223. 2. 3核心板设计273.2.4通信模块设计303. 3浊度传感器的软件设计313. 3. 1 A/D采集驱动的编写323. 3. 2 A/D数据预处理343. 3. 3温度采集程序343. 3. 4光照采集程序363. 3. 5浊度传感器与PC机通信373. 4本章总结39第4章基于LS-SVM的浊度传感器建模414.1最小二乘支持向量机概述414. 2常用浊度数据处理方法434. 3浊度传感器建模方法434. 3.1干扰因素分析434. 3. 2建模步骤454. 4本章总结46第5章系统实现与实验结果分析475. 1浊度标定475. 2实验结
16、果分析485. 2.1示值准确度实验485.2.2对比性分析495. 2. 3干扰分析525. 2. 4仪器校准535. 3 53第6章总结与展望 556.1总结55目录6. 2展望55参考文献57if61在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果63vnvni第1章绪论第1章绪论1.1研究背景与意义随着我国经济的快速发展,水污染的现象日益严重,大量含有有害化学物质 的污染物排入自然界水中。这些污染物不仅造成了严重的环境污染,也制约着社 会和经济的发展。如何进行水治理已经是国家高度重视的问题,水质的好坏与人 们的生活健康息息相关。为了更好地进行水治理,动态了解水质现状十分必要。 衡量水质好坏的
17、指标有很多,常用的水质指标有以下几项(李青山等,2003,王 心芳等,2002):(1) 水温、池度、悬浮物、电导率、透明度、PH、酸碱度、硬度等等。除 了这些一般的化学性质,有时还需要对水的色度、气味等进行检测。(2) 溶解氧、COD等与氧有关的指标体系。(3) 金属阳离子,如铅、镉、铬、砷、铜、锌、锰等,包括其不同价态和 状态的化合物。(4) 常见阴离子,如硝酸盐、氯离子、总氮、总磷等等,这些表征了水体 中植物营养元素的含量以及水的有机污染程度。(5) 有毒物质,如氰化物、氟化物、硫化物、挥发酚以及有机农药等等。(6) 微生物指标,如细菌总数、大肠菌群等。浊度作为水质衡量指标有一定的历史,
18、大概经历了 1年左右。无论是研究 机构,还是环保部门,都非常重视浊度检测。浊度的控制不仅影响到安全供水, 在工业生产中,也与产品质量和操作过程相关。生活用水中,当浊度偏高,就会导致某些无机物和有机物出现在水中,容易 滋生液体中细菌,大肠菌以及病毒等等。当浊度减小后,就会去除大多数有机物, 此时,微生物的含量也会相对减少。此外,浊度的大小也会影响消毒效果。人们 日常饮用水是经过消毒的,但是,如果浊度偏高,消毒剂的作用就会被削弱,因 此降低浊度出厂值十分必要。表1.1是各国水质标准中浊度的指标值,通过表中 内容可以发现国外对浊度的检测要求十分严格。我国在这方面,也做出严格规定, 要求供应的饮用水其
19、浊度值不应高于1NTU (生活饮用水卫生标准,2006)。工业生产中,浊度大小直接制约了产品质量。例如在医药工业和食品工业调 味剂中广泛应用的核糖核酸,其生产技术中,浊度就是一项关键因素。浊度越高, 核糖核酸的纯度就越低,产品质量也就随之下降。总之,浊度测量无论是在曰常 生活还是工业生产都十分重要,因此,浊度检测技术也必须相应地加强。3第1章绪论表1.1各国水质标准标准名称标准内容最新日本水质标准(2003年7要求标准项目浊度小于2度月)水质管理目标项目小于1度世界卫生组织WHO饮用水水单个水样不能超过3NTU质准则2011浊度的平均值小于1NTU (从消毒角度考虑)欧共体水质指令98、83、
20、EC不超过1.0NTU法国水质标准95-368 加拿大水质标准1996最大可容许浊度值2JTU 最大可接受浊度值1NTU 用户取样点小于等于5NTU 浊度在任何时候大小不得超过5NTU。采用过 滤工艺供水系统要确保浊度值小于等于1NTU (采 用常规过滤或直接过滤,小于等于0.5NTU)。要求美国现行饮用水水质标准每月内,每天的水样总计合格率至少大于95%。到 2001年,浊度任何时候不超过1NTU。每月内,每 曰所取水样的95%浊度不超过0.3NTU (朱普霞, 2004)。1.2国内外研究现状浊度的测量历史经历了以下几个阶段:目视比浊法:它利用被测物“浑浊的程度来表示浊度,配制标准液后,通
21、过 人眼比较液体浑浊程度与标准液浑浊度来判断浊度大小。此种方法十分简单,但 是其结果受人为因素影响很大,早已不用。重量法:通过过滤、烘干水样中的悬浮物,然后测量它的重量来衡量浊度大 小。尽管悬浮物和浊度并不是一个概念,但是在当时,二者存在一定的联系,因 此,将测量悬浮物的重量作为浊度的测量标准。分光光度法:通过测定液体的吸光度来判断浊度大小,需要绘制浓度和吸光 度的标准曲线,然后采集水样,测出其吸光度后根据吸光度大小来查找标准曲线 然后测得浊度大小。这种方法测量效率低下,且仪器操作复杂。光电检测法则是目前最常用的浊度分析方法,其中典型的是散射法、透射法、 比值法。这几种方法各有适用范围,它们被
22、广泛应用到浊度检测中。1) 透射法:入射光穿过一定厚度的溶液后,其透射光强和浊度大小满足朗 伯比尔定律。透射法则利用浊度和透射光强的这种关系来检测浊度。它 的测量方法很简单,但是不适合测量低浊度。因为低浊度时,入射光基 本上都直接透射过去,很难检测到细微的浊度变化。2) 散射法:散射法利用液体的悬浮微粒对入射光的散射来测量浊度,其散射光强度与浊度满足一定的关系。不同的粒子大小对散射产生的影响不 同,且满足的公式也不同。当粒子波长小于入射光波长时,满足瑞利散 射原理;当粒子波长大或接近入射光波长时,满足米氏散射定律。虽 然满足定律不同,但是都可以得到浊度和散射光强近似的线性关系。散 射法主要适合
23、中低浊度的测量,因为高浊度下粒子会产生重复散射,使 得散射光强快速衰减,从而使得浊度和散射光强的线性度变差。3) 比值法:比值是建立在散射和透射的基础上。入射光穿过待测溶液,既 发生散射,也发生透射。利用散射和透射的比值,可以得到一定范围内 浊度和比值的线性关系。它能够消除一定干扰,不过浊度和比值的线性关 系只局限于一定的范围。4) 在散射法的基础上,后向散射检测法和前向散射检测法被提出。主要是 通过测量大于90度的散射光强和小于90度的散射光强来对90度散射法 进行补充。宋启敏,Dana等证实了它们能够有效地扩大了浊度的测量范 围,同时改善了测量的非线性度。5) 随着先进光源的问世以及电子线
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