基于单片机的液体浓度监测系统设计

基于单片机的液体浓度监测系统设计内容摘要：

学原理，本文提 出了一种采用双隔离窗的光透射新型液体浓度检测的实验装置。 如图 所示。 入射光线 待测液体  d  n 蒸馏水 太原工业学院毕业论文 8 图 新型液体浓度检测系统光学部分 光学系统包括两个装有蒸馏水的参考水槽和一个装有待测液体的测量水槽，三个水槽之间由两个平行的光学透射窗隔开，水平入射的光线在由光学透射窗 1 进入待测液体时产生一个入射角  (图 )。 在装有蒸馏水 2 的水槽装有一个双平面镜，光线经过双平面镜的反射后，再进入待测液体，同样产生一个入射角  ，再次进入装有蒸馏水的水槽 1，最后通过窄带滤光片投射在位置敏感器件的光敏面上，当待测液体浓度发生变化时，透射到位置敏感器件的光敏面上的光斑位置也发生变化，位置敏感器件就会线性的输出这一变化，从而实现浓度的 检测。 加入滤波片的目的是为了滤除大部分环境杂散光对 检测 的影响 [11][13]。 光线的几何轨迹如图 所示。 在图 的几何光学光线轨迹中用 d 来表示 PSD所测得的被测液体是待测液体（实光线）和蒸馏水（虚光线）时的光线偏移量。 图 光线几何光学轨迹 根据图 所示几何关系和光学折射定律有： nx nx α－ β d1 d2 α－ β s1 s1 d d1 d2 蒸馏水 2 蒸馏水 1 水槽 双平面镜 待测液体 光学透射窗 2 光学透射窗 1 PSD 滤光片 激光器 太原工业学院毕业论文 9 21 ddd  ()      tan111 dsd ()      tan212 dsd () 和  sinsin0 gnn  ()  sinsin gx nn  () 式中， 1s 为两隔离窗距离。 从式中可以看到，当入射角、参比液体和两隔离窗间距选定以后，  、 0n 和 1s 就是固定值，将（ ）、（ ）式代入（ ）式得到光线偏移量为            tan1 tantan1 tan 1121 ssddd  xxx nfnnnnss i na r c s i nt a n1s i na r c s i nt a n2001 （ ） 半导体位置敏感器件 PSD 半导体位置敏感器件 (Position Sensitive Detector 简称 PSD)是一种对其感光面上的入射光点位置敏感的光电器件，即当入射光点落在器件感光面的不同位置时，将对应输出不同的信号。 通过对输出信号的处理，即可确定入射光点在器件感光面上的位置。 PSD 可分为一维 PSD 和二维 PSD。 一维可以测定光点的一维位置坐标，而二维可以检测出光点的平面二维位置坐标 [8]。 PSD 的结构 若有一轻微掺杂的 N 型半导体和一重掺杂的 P+型半导体构成 PN结，当内部载流子扩散和漂移达到平衡时，就建立了一个方向由 N 到 P 区的结电场。 当有光照射到 PN结时，半导体吸收光子后激发出电子 空穴对，在结电场作用下使空穴进入 P 区，而使电子进入 N区，从而产生结光电势，这就是一般所说的内光电效应。 但是，如果入射光仅集中照射在 PN结光敏面上某一点 A，如图 所示，则产生的电子和空穴也将集中在 A 点。 由于 P区的掺杂浓度远大于 N区，即 P 区的电导率远大于 N区，因此，P 区的空穴由 A 点迅速扩散到整个 P区，即 P区可以近似的视为等电位。 而由于 N区太原工业学院毕业论文 10 的电导率比较低，进入 N 区的 图 横向光电效应示意图 电子将仍集中在 A点，从而在 PN 结的横向形成不平衡电势，该不平衡电势将空穴拉回到 N 区，从而在 PN结横向建立了一个横向电场，这就是横向光电效应。 横向光电效应是由肖特基（ Schottky）在 1930 年首先发现的 [15]。 PSD 的基本结构仍为一 PN结结构，其工作原理是基于横向光电效应。 图 为PSD 的剖面图。 图 PSD的剖面图 PSD 的工作原理 PSD 是基于横向光电效应的光电位置敏感器件。 横向光电效应又称侧向光生伏特效应或殿巴（ Dember）效应。 半导体光照部分吸收入射光子能量后产生电子空穴对，使该部分载流子浓度高于未被光照部分，因而出现了载流子浓度梯度，形成载流子的扩散。 由于电子迁移率比空穴的大，因此电子首先向未被光照部分扩散，致使光照部 P+ N A 入射光点 输出电极 输出电极 入射光 公共电极 P 层 N 层 太原工业学院毕业论文 11 分带正电，未被光照部分带负电，两部分之间产生光生电动势的现象称为横（侧）向光生伏特效应 [14]。 当有光照射到 PSD 感光区，就会发生横向光电效应，在投射位置上就会产生光生电动势。 由于 P 层的阻抗是均匀分布的，这样在 P层两电极上聚集的光电流就与入射光位置和电极之间的距离成反比。 如图 ，假设光束入射到光敏 图 一维 PSD的工作原理 面所产生的总的光电流为 0I ， P 层两电极输出的光电流分别为 1I 和 2I ，显然有210 III  ， 1I 和 2I 的分流大小关系取决于入射光点的位置到电极间的等效电阻。 其具体关系遵循下列公式： 当以 PSD 的中心为原点： oA IL x )21(21I 1  () oB IL x )21(21 I 2  () LII II Ax22112  () AAxxLLII 2221  () 当以 PSD 的一端为原点： oB ILL x 1I () oB ILx I2 () L LII II Bx  22112 () 输出电极 输出电极 入射光 公共电极 L 太原工业学院毕业论文 12 BBxxLII 21 () 式中， 0I 是 PSD 中产生的总的光电流，并且 210 III  ； L 是 PSD 光敏面的长度； Bx是输出电极到入射光点的距离； Ax 是光敏面中心到入射光的距离。 从上式可以看出， Ax 、 Bx 值和总电流 0I 无关，即表示光斑的位置信息只与光斑的位置有关，而与光斑强度无关；输出信号和光的聚焦无关，即与光斑分布、对称性以及光斑的大小尺寸无关，只与光的重心位置有关，这给检测带来了方便，但在实际应用中还应于考虑 [27]。 PSD 是一种能够连续检测光点位置的非分割型光电测距器件，其结构原理和等效电路如图 所示 图 PSD结构原理和等效电路 常用 PSD 器件的种类 根据所传感的位置坐标维数， PSD 分一维和二维两类，根据器件结构，二维 PSD 有四边形结构、双面结构和枕形结构等几种。 （ 1）单晶硅 PSD PSD 发展的初期，无论表面结构如何变化，单晶硅基 PN 结的结构一直没有变化。 后来，随着研究的深入和应用方向的拓展，又开发了如氢化非晶硅和有机材料等等新的 PN 结材料。 但是，单晶硅基 PSD 在只需要小光敏面积的应用情况下，依旧保持着一些优势，线性度、灵敏度相当好，响应速度也比其它材料的要快。 另外，没有氢化非晶硅的氢游离和有机材料老化导致的器件性能下降的问题。 因此单晶硅 PSD 是目前唯一获得大规模商业应用的 PSD 产品。 （ 2）氢化非晶硅 (a2Si:H)PSD R2 x A Q B P I R1 RL L A I1 R R1 R2 B C1 I2 A C I0 Rt R N 太原工业学院毕业论文 13 由于受光刻设备和制作工艺的限制，单晶硅不适于做大面积器件，氢化非晶硅(a2Si:H)薄膜可在布材料上生长，适合大 尺寸制作，而且均匀性好，对红外透明，原材料价格低廉。 （ 3）有机材料双异质结 PSD 由于某些有机材料在可见光波段的吸收长度很小，可以做成光敏面较大又非常薄的器件。 另外，器件又可以制作在重量轻，表面粗糙或者可弯曲的塑料基底上。 这些特性，无疑对一些使用在特殊场合的光导和光伏器件具有一定的吸引力。 （ 4）面积挠性薄膜 PSD 这一 PSD 的尺寸达到了 5mm 80mm，与类似结构的传统 pin 型 PSD 相比，其暗电流要小得多。 通过分光光度计测量，最高灵敏度为入射光波长 500nm时的。 经过波长 632nm，功率 ，光斑直径 1mm 的激光器的测量，位置非线性度在177。 10%。 大面积挠性薄膜 PSD 的出现拓展了 PSD 的应用范围，其低成本、透明和可弯曲的优点适用于一些需要曲面探测器的特殊场合。 （ 5）阵列型 PSD 一维 PSD 阵列 随着 PSD 应用范围的不断扩大，其自身的一些局限也开始显露出来。 其中一个重要的问题就是单个光敏面的只能获得一个位置响应。 虽然也有学者从事过在单一 PSD光敏面上的多光束位置响应，但是处理方法过于复杂。 于是人们开始把目光转向阵列型的 PSD。 研究和开发了一维和二维的 PSD 阵列。 二维阵列 PSD 自适应光学技术是一种实时校正光学系统随机误差的新技术，它使光学系统能适应使用条件变化而保持良好性能，在太空望远镜系统等领域有着重要应用。 自适应光学的核心是对波前的精确探测和修复。 （ 6） CMOS 型 PSD CMOS ASIC 技术是当今电子集成芯片的主流制造技术。 将其移植到集成光学和光电子器件领域，可充分利用现有的平台，节约投资，实现光学器件的规模化、自动化生产，并且最终实现光学和电子器件的混合集成，真正实现SOC(system on chip)。 传统 PSD 的单一连续大面积光敏面要求口电阻非常大(10kΩ )且 分布均匀的分流电阻层，对工艺精度要求严格 [19]。 太原工业学院毕业论文 14 300 500 700 900 1100 1200 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 PSD 的主要性能参数 从使用的角度来看， PSD 的灵敏度、光谱响应特性、位置分辨率、位置线性度、灵敏面尺寸、暗电流、暗电流温度系数、响应速度等是使用者选择 PSD器件必须考虑的指标 [19]。 （ 1）光谱响应特性 PSD 器件的光谱响应特性，表示 PSD 的响应灵敏度与光波波长之间的关系，它与所使用的材料有关。 PSD 器件的光谱响应较宽，一般在 300—1100nm范围内， PSD光谱响应特性曲线如图 所示，其峰值响应波长在 900nm左右。 图 PSD 光谱响应特性曲线 （ 2）位置分辨率 位置分辨率是指在 PSD 受光面上能检测的最小变位，用受光面上的距离表示。 器件尺寸越大，即 L 越大， PSD 的位置分辨率越高。 现实中为了提高 PSD 的位置分辨率，就必须增大 PSD 的分流层电阻，减小暗电流，此外还需选择低噪声的运算放大器以及分辨率足够高的测试仪表。 （ 3）位置线性度 位置线性度是指光点沿着直线移动时 PSD 的位置输出偏离该直线的程度。 由于PSDN 区材料的不均匀性、电极形状等因素而造成 P 区结面上电阻率不为恒量从而成为 PSD 非线性的主要影响因素，因而在使用过程中不得不人为地将 PSD 敏感面划为a 区和 b 区， a 区为中央区域， b 区为边缘区域， a 区的位置准确度优于 b 区。 如图 所示，区域 a的尺寸为Φ 10mm，位置检测误差为177。 150μ m，区域 b直径尺寸为Φ 20mm，位置检测误差为177。 400μ m。 在实际运用中，应尽量使光点打在 PSD 的 a 区域，提高太原工业学院毕业论文 15 位置检测精度。 另外可以使用非线性性补偿算法，补偿非线性性，提高 b 区域的使用价值。 图 区域 a 及区域 b 的定义 1 区域 a 2 区域 b 3。