农药残留光电快速检测电气系统的设计_毕业设计(编辑修改稿)

农药残留光电快速检测电气系统的设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

电流小于 1nA）、响应快、接收面积大等特点。 工作过程 当 光照射 到光阴极时，光阴极向真空中激发出 光电子。 这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。 然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。 因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的 灵敏度 和极低的噪声。 另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。 二次发射倍增系统是最复杂的部分。 打拿极主要选择那些能在较小入射电子能量下有较高的灵敏度和二次发射系数的材料制成。 常用的打拿极材料有锑化铯、氧化的银镁合金和氧化的铜铍合金等。 打拿极的形状应有利于将前一级发射的电子收集到下一极。 在各打拿极 D D D3„ 和阳极 A 上依次加有逐渐增高的正 电压 ,而且相邻两极之间的电压差应使二次发射系数大于 1。 这样 ,光阴极发射的电子在 D1电场的作用下以高速射向打拿极 D1,产生更多的二次发射电子 ,于是这些电子又在 D2 电场的作用下向 D2 飞去。 如此继续下去，每个光电子将激发成倍增加的二次发射电子，最后被阳极收集。 电子倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类。 聚焦型的打拿极把来自前一级的电子经倍增后聚焦到下一级去，两极之间可能发生电子束轨迹的交叉。 非聚焦型又分为圆环瓦片式（即鼠笼式）、直线瓦片式、盒栅式和百叶窗式。 光电倍增管是依据光电子发射、二次电子发射和 电子光学 的原理制成的、透明真空壳体内装有特殊 电极 的器件。 光阴极在 光子 作用下发射电子，这些电子被外电场 (或磁场 )加速，聚焦于第一次极。 这些冲 击次极的电子能使次极释放更多的电子，它们再被聚焦在第二次极。 这样，一般经十次以上倍增 ,放大倍数可达到 108～ 1010。 最后 ,在高电位的阳极收集到放大了的光 电流。 输出电流和入射光子数成正比。 整个过程时间约 108 秒。 还有一种利用弯曲铅玻璃管自身内部的二次电子发射构成小巧的倍增管。 光电倍增管在全暗条件下，加工作电压时也会输出微弱电流，称为暗流。 它主要来源于阴极 热电子发射。 光电倍增管有两个缺点： ① 灵敏度因强光照射或因照射时间过长而降低，停止照射后又部分地恢复，这种现象称为 “ 疲乏 ” ； ② 光阴极表面各点灵敏度不均匀。 运行特性 光电倍增管的稳定性是由器件本身特性、工作状态和环境条件等多种因素决定的。 管子在工作过程中输出不稳定的情况很多，主要有： 、结构松动、阴极弹片接触不良、极间尖端放电、跳火等引起的跳跃性不稳现象，信号忽 大忽小。 环境温度升高，管子灵敏度下降。 ，引起暗电流增大和不稳。 4 光电检测系统硬件设计 本光电检测系统采用的是光强型直接测量法，即将携带被检测物理信息的光强，投射到光电探测器上转换为电信号，经放大后直接采集数据。 系统总体设计包括密封容器 (光源部分 )，光电探测器 (光电二极管 )，前置放大电路，滤波电路，主放大电路，模数转换 (A/D 转换 )电路，单片机， PC。 系统 框图如下： 图 2 系统框图 Fig 2 Block Diagram of System (1)光电密闭容器 : 其中放置石英杯 (装载发光物质与农药的混合物 )，光电探测器置于密封口出处； (2)光电探测器 : 用于检测光信号，并将之转换为电信号； (3)前置放大电路 : 对光电探测器检测到得信号进行放大； (4)滤波电路 : 滤除电路中的噪声； (5)主放大电路 : 对信号进行再次放大，使信号能够被 A/D 转换器接收到； (6)模数转换电路 : 把模拟信号转化为数字信号； (7)单片机 : 控制系统，使用户 AT89C51； (8)PC:即计算机。 光电检测系统硬件电路图 下面给出设计的光电检测系统的整体电路图。 如图 3 所示： 前置放大电路 光电系统中，光电检测器件所接收的光信号十分微弱，要有效利用这种信号，就必须对其进行放大。 光电检测系统中，光电器件的输出端都紧密连接一个低噪声前置 放大器组成前置放大电路。 它的任务是 :放大光电检测器件输出的微弱光信号 ,对前置放大器的要求是 :低噪声、高增益、低输出阻抗和良好的抗干扰能力 [6]。 图 3 光电检测系统硬件电路图 Fig 3 Circuitry of Photoelectric Detection System 此外，还要仔细地屏蔽，以消除散杂场信号。 前置放大器品质的优劣势整个信号处理系统中最关键的部分。 基本电路分析 用光电二极管组成的光电转换电路，实际上是一个光电流、电压的变换器。 光电二极管将接收的光信号变成与之成比例的微弱电流信号，通过运放和反馈电阻组成的放大器变换成电压信号 [7]。 基本电路如图 4 所示： 图 4 电流 电压转换电路 Fig 4 CurrentVoltage Switching Circuit 假定运放为 理想的运放，其输入电阻和放大倍数都为无穷大，则输出电压为Uo=IpR。 输出电压 Uo 的值与输入电流 Ip 成线性关系，灵敏度由反馈电阻 R 确定。 而实际应用中，不存在完全理想的运放。 受到运放失调电压 Vod 与偏置电流 Ib 的影响，输出电压将产生误差。 误差电压 Ue=Vod(l+R/Rd)+IbR，其中 Rd 为光电二极管的结电阻。 由此式中可以看出，当运放的失调电压与偏置电流都较小时，输出电压误差才会减小。 因此，选择运放时我们要选择性能参数都符合要求的运放。 噪声分析 首先，给出光电转换电路的等效电路图， 如图 5 所示： 其中左端的电路是硅光电二极管的等效电路。 Rf是反馈电阻， Cf是为消除震荡的反馈电容 .可以推导出输出电压的公式 ： (5) 可以看出， RD 越大， CT 越小，噪声影响越小， Cf 可以限制高频段的噪声增益。 除了电路中探测器和运放带来的噪声外，电路的主要噪声来源于电阻 Rf在纯电阻电路中电阻的热噪声 UT 取决于检测电路的实际通频带△ f。 (6) 图 5 光电转换电路的等效电路图 Fig 5 Equivalent Circuitry of Photoelectric Converting Circuit 前置放大器的选择 本系统选用 AD795KN 作为前置放大电路的放大器。 它是一种低噪声、高精度、FET 输入的放大器。 参数如下 ： (1) 失调电压 :25℃，最大为 250uV(K 级 )； (2) 失调电压漂移 :最大为 3V/℃ (K 级 )； (3) 输入偏置电流 :25℃，最大为 1pA(K 级 )； (4) :； (5) 在正负 15V 的功耗为 40MW； (6) 增益带宽乘积 1MHz。 前置放大电路的设计 第一种前置放大电路是在光电转换电路上的初步改进，如图 6 所示。 它在运放的同相输入端串联了一个电阻 R1 来消除运放的偏置电流造成的偏压误差 (其中包含了由温度引起的偏置电流漂移的影响 )，但它的引入同时又带来了电阻热噪声，因此常在其两端并联一个电容 C1 以减小噪声宽带 [8]。 第二种是 T 型电阻网络的前置放大电路。 图 6 优化的前置放大电路 Fig 6 Optimized Preamplification Circuit T 型电阻网络的前置放大电路，是用一个 T 型电阻网络代替 Rf，如图 7 示。 RT=R2+Rf+R2Rf/R3，一般情况下， Rf 远远大于 R3，从而减少电阻的寄生电容的影响，提高信号的频带宽度。 图 7 T 型电阻网络的前置放大电路 Fig 7 Preamplification Circuit of T Style Resistance Network 通过图 6和图 7可以推导出 UO=IpRT+En(1+RT/RD+Rf/R3) (7) 电路的缺 点是， T 型网络使得运放的偏置电压、电压噪声以及电阻上的热噪声比非 T 型网络都放大了 1+Rf/R3 倍，而 Rf远大于 R3。 所以电路的噪声很大，精度较差。 第三种是复合前置放大电路。 本系统的前置放大电路选择的是一种复合放大电路，如图 8 所示。 它选用两个运放，由一个内反馈电路与一个外反馈电路组成。 这种电路具有降低噪声带宽而不影响信号频带的特点。 图中， R R C3 组成了内反馈电路，它控制着 U2A 的增益响应特性。 在直流情况下，该反馈由 C3 断开，此时放大器的开环增益是两个放大器开环增益的乘积。 合理地设置 R4/R3 的比值 有减小噪声带宽的功效。 图中 R2 是为了补偿因R1 过大所造成的直流误差， R2 上的并联电容 C2 用以去除它上面的杂散噪声。 外反馈电阻 R1 上并联的电容 C1 为消振电容，它的作用是减小电路的通频带 [9]。 图 8 复合前置放大电路 Fig 8 Compound Preamplification Circuit 防泄漏措施和接地 从光电二极管出来的光电流是十分微弱的，如果电路板上再存在泄漏出去的路径，就会使得流过反馈电阻的有效电流减小，这就大。