专利名称：一种红外水分检测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光电检测仪器，具体涉及一种在线式红外水分检测仪，可广泛应
用于建筑工程砂料、冶金烧结料以及粮食等多种工业生产领域，实现对颗粒类物料水分的 在线实时动态自动检测。
背景技术：
在许多工业生产领域，需要对物料(如冶金钢铁行业的烧结物料、粮食食品加工 行业的粮食物料和烟草行业的烟丝等)的水分进行精确检测，以保证产品的质量，提高生 产效率，降低能源消耗。现有水分检测装置和仪器所应用的方法包括干燥法、电导法和电容 法等，这些方法的缺点是无法实现非接触检测，难以实现高精度的检测。虽然现在也有红 外式水分检测装置和仪器，但它们大都采用传统的光学仪器方法，存在着结构复杂、制造难 度大、成本高等缺陷。 如图1所示，现有的美国NDC红外技术公司生产的匪710型红外式水分仪的结构 为光源2向离轴收集镜1发出一定功率的光，此发射光中包含对水分有较强吸收特性的红 外波长的光。发射光再经过电机驱动的旋转调制盘3的斩光变成调制的光，射向光束分离 器8，光束分离器8将入射光的一部分分成向下的光，经过保护镜9投向被测物料10， 一部 分分成参考光并经反光镜7投射到参考探测器7之上。物料10反射回的光11经过分格收 集镜4成为检测光12再被主探测器5所接收。主探测器5接收到的光信号就包含有物料 水分信息。而参考探测器6所接收的光信号则用于对主探测器5温度变化等的补偿，以消 除这些温度变化所带来的误差影响。 上述产品的技术思路，基本上是传统的光学仪器的设计和技术，包含多个光学元 件，这些光学元件的加工困难，工艺要求高，因而成本较高。另外，检测仪器的装配也很复 杂，仪器耐振动性能也有限。
发明内容本实用新型的目的在于提供的一种红外水分检测仪，该检测仪具有系统结构简 单、成本低和抗振动性能好的特点。 本实用新型提供的红外水分检测仪，其特征在于在支架板上安装有直流电机，直 流电机的轴上安装有斩光调制盘，斩光调制盘为叶片状，其上方安装有第一、第二光源，斩 光调制盘的叶片尺寸和叶片之间的空隙尺寸大于第一、第二光源的出光光束直径，第一、第 二探测器分别安装在斩光调制盘外侧，第一、第二探测器的前段分别安装有第一、第二窄带 滤光器，在斩光调制盘的下方安装有保护镜；检测仪的信号检测及处理电路分别与直流电 机，第一、第二光源和第一、第二探测器电连接。 本实用新型应用相关领域所熟知的红外检测原理来实现物料水分检测，此原理 为物料所包含的水分会对某一特殊波长的红外光具有明显的吸收效应，水分越多，吸收越 强。因此，若将包含此特殊波长的一束强度一定的光投射到被测物料上，则物料反射回的光之强度大小就与物料水分大小有关，即反射光强度愈大，说明物料水分就愈小；反之，反射 光强度愈�。得魑锪纤志陀�。可将上述对水分有较大吸收特性的特殊波长定义为"工 作波长"。若能定量检测出反射光中"工作波长"强度，就可实现物料水分的检测。本实用 新型采用独特的设计，在结构上采用探测光源和红外探测器均直接面向被检测物料，而不 是象现有的检测仪器那样采用多个光学滤光片和光学元件，这样就能以较为简单的系统结 构和较少的零部件，分别获得有光源照射下物料红外反射信号(包含有物料水分信息和其 它误差因素信息)和无光源照射下红外反射信号(仅包含其它误差因素信息)，再通过基于 微型单片计算机电子系统的信号分析和处理，可以得到被测物料的水分信息，从而实现物
料水分在线实时动态的检测。因此，依据本实用新型所实现的红外水分检测仪可称为"直接 式"红外水分检测仪。 本实用新型提供了一种直接式红外水分检测仪器的新技术，其与上述现有技术和 产品的最大差别在于将探测器前移至直接面向被测物料来接收物料反射回来的光信号，而 省去了许多收集镜和分离器等光学元件，从而简化了系统结构，降低了生产加工的难度，也 可较大幅度降低系统成本，并使检测仪器耐受工业应用现场的振动和冲击性能得到提高。 本实用新型较之现有技术的优势主要有省掉了许多需要精密加工的光学镜头等 元件，检测仪结构更加简化紧凑，成本也较低。
图1是现有的一种水分检测结构示意图； 图2是本实用新型的一种具体实施方式
的结构示意图； 图3是检测仪信号检测及处理电路的结构示意图； 图4是斩光调制盘几何形状以及光源、探测器平面位置示意图； 图5是滤波器输出电压波形图； 图6(a) (b)分别是滤波器和施密特比较器输出波形图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本实用新型的结构作进一步详细的说明。 如图2所示，本实用新型提供的红外水分检测仪的结构为检测仪有一个壳体 101，在壳体101内有一个支架板103，在支架板103上安装有直流电机109，两个光源(分 别是第一光源110和第二光源110')和两个红外探测器(分别是第一探测器104和第二 探测器104')。直流电机的轴上安装有一个斩光调制盘106，以对光源进行斩光调制。红 外探测器104和104'前段分别安装有一个中心波长为"工作波长"的第一、第二窄带滤光 器105和105'，被测物料107放置于光源和红外探测器的下方。检测仪的信号检测及处理 电路102安装于支架板103上面，其控制电机的旋转，向两个光源供电以及从两个探测器获 得检测信号。信号检测及处理电路102有一个电缆连接器lll，其引出的电缆为112，电缆 112包括检测仪与外部更上一级的测控系统进行信息交换的电缆和引入供电电源的电缆。 在壳体下方还安装有一个保护镜108，以防止工业应用现场的物料及其它外物对探测器和 光源的脏污和损伤。 如图2所示检测仪的工作过程为两个红外光源110和110'发出功率一定的包含红外"工作波长"在内的红外光，此发射光经直流电机109所驱动的旋转调制盘106的斩 波而成为调制的光。当调制盘的叶片没有遮挡住光源时，光源的光就投射到被测物料107 上，此时探测器104和104'所检测到的光信号就包含两部分的光信号一是"工作波长"的 光被物料水分吸收后再反射回的光，另一部分就是物料自身的红外辐射光(其也含有"工 作波长"的光，光的强度大小主要取决于物料自身温度和表面辐射率)和背景光中所含有 的"工作波长"的光。当调制盘叶片遮挡住光源时，就没有光投射到物料上，红外探测器104 和104'所检测到的光信号就仅仅只有物料自身的红外辐射光和背景光中所含有的"工作 波长"的光。上述两个不同时段的信号被检测仪的信号检测及处理电路102所获得并得到 滤波处理，然后电子单元的单片机软件再将两个信号进行相减处理，就可得到较精确的物 料水分检测结果。 以下说明检测仪实施方案中信号检测及处理电路的结构及信号处理工作过程。 如图4所示，信号检测及处理电路包括前置放大器201、带通滤波器202、调理器 203、施密特比较器204、 A/D采样器205、单片机206、显示电路207和键盘208。 红外探测器104和104'所检测到的光电转换电流信号以求和的形式输入至前置 放大器201，前置放大器201对探测器的信号进行初步放大并转换成电压信号。电压信号再 输入至带通滤波器202进行滤波放大以消除燥声和干扰。产生"峰值/谷值标志信号"的 施密特比较器204向单片机发出中断信号，施密特比较器204的高电平中断信号则标志着 202滤波器输出的信号是在"峰值"时段，反之，施密特比较器204的低电平中断信号则标志 着202滤波器输出的信号是在"谷值"时段。放大器203是对滤波器202输出的信号进行进 一步的调理放大然后输入至A/D采样器205，将信号转换成数字信号以输入至单片机206。 单片机206中的程序则是对信号进行进一步的滤波处理，特别是完成"峰值"信号减去"谷 值"信号的运算，然后将最后的水分检测结果输出至检测仪的显示电路207。检测仪的键盘 208用于供使用人员对检测仪进行命令和参数的设置。串口通讯电路209完成检测仪与上 位测控系统的信息交换。 以下结合图4、图5和图6说明电子单元信号检测及处理的工作过程。 投射到物料107上的光是经过电机109驱动旋转的斩光调制盘106所调制，而斩
光调制盘106的几何形状、斩光叶片的大小、光源110和110'出光直径大小、探测器104
和104'的直径大�。约罢豆庖镀⒐庠春吞讲馄鞯钠矫娌贾梦恢萌缤�4所示。从图4可
知斩光调制盘106为叶片状，斩光调制盘的叶片尺寸和叶片之间的空隙尺寸大于红外光源
器件的出光光束直径，这样，斩光叶片全部遮住光源和光源完全不被遮住的两种情形均会
持续一段时间，因此，探测器所检测到的有光源照射条件下的信号和无光源照射条件下的
信号均会有一个较平稳持续时间。图6所示的滤波器202的输出电压波形即表明了上述情
形。图中峰值信号Vp持续一段时间，对应斩光叶片未遮住光源时探测器的信号时段，其是
光源投射到物料上被水吸收后再返回来并被探测器所接收到的信号，该信号当然也包括物
料自身红外辐射信号(其大小主要由物料自身的温度和表面辐射率决定)以及背景光的干
扰信号等。图中谷值信号波形Vv也持续一段时间，对应斩光叶片遮住光源时探测器的信号
时段，这时该信号就只包含物料自身红外辐射信号以及背景光的干扰信号等。 显然，为了提高检测精度，必须消除物料自身红外辐射、背景光干扰等误差因素的
影响。本实用新型提出的一种消除上述误差因素的技术方法为将峰值信号Vp减去谷值信号Vv，其差值就能较精确地反映物料水分大小。为了达到上述目的，本实用新型提出的一种较为简单的电路检测及处理方法为在信号检测和处理电子单元中增设一个"峰值/谷值
标志信号电路"，其由具有滞迴特性的施密特比较器204所具体实现，施密特比较器的两个电压比较翻转阀值点可设计为Vp和Vv之间的某合适值。这样，施密特比较器的输出波形就为图6中S(204)所示。S(204)信号即为"峰值/谷值标志信号"。检测仪在具体的工作过程中，应该处理时序和延时问题。具体方法为施密特比较器204产生"1"正跳变的^时刻向单片计算机系统206发出一个中断信号，单片机识别出是"l"正跳变，则记下此标记信号，然后延时一段时间至t2时刻开始采集若干数据至t3时刻，这样保证A/D采样器所采样的数据是在t2-t3时间区间内的峰值。在峰值采样完成后，单片机更改S(204)信号中断的跳变极性设置，即S(204)为一个"O"跳变时产生中断信号。当单片机识别出是"O"跳变时刻t4时，则控制一段时间的延时至t5时刻开始采样，采样至t6时刻结束，这样保证A/D采样器所采集的数据是位于t5-t6时间区间内的谷值。然后，在单片机内部，对峰值和谷值采集的多个数据再进行软件滤波处理得到一个有效的峰值Vp和有效的谷值Vv，并求取两者的差Vp-Vv，即可得到水分大小信息。当然，由Vp-Vv求解物料实际水分的大小是从存储在单片计算机内的标定特性数据表上查表获得。 以上所述的实施方案，无论在检测仪还是在信号检测及处理电路方面，均是较为简单易行、可靠低廉的技术方案。 以上所述为本实用新型的较佳实施例而已，但本实用新型不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本实用新型所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本实用新型保护的范围。
权利要求一种红外水分检测仪，其特征在于在支架板(103)上安装有直流电机(109)，直流电机(109)的轴上安装有斩光调制盘(106)，斩光调制盘(106)为叶片状，其上方安装有第一、第二光源(110、110′)，斩光调制盘(106)的叶片尺寸和叶片之间的空隙尺寸大于第一、第二光源(110、110′)的出光光束直径，第一、第二探测器(104、104′)分别安装在斩光调制盘(106)外侧，第一、第二探测器(104、104′)的前段分别安装有第一、第二窄带滤光器(105、105′)，在斩光调制盘(106)的下方安装有保护镜(108)；信号检测及处理电路(102)分别与直流电机(109)，第一、第二光源(110、110′)和第一、第二探测器(104、104′)电连接。
2. 根据权利要求1所述红外水分检测仪，其特征在于第一、第二探测器(104、104') 对称安装在斩光调制盘(106)外侧。
3. 根据权利要求1所述红外水分检测仪，其特征在于该红外水分检测仪还包括壳体 (101)，支架板(103)安装在壳体(101)内，第一、第二光源(110、110')和第一、第二探测 器(104、104')均安装在支架板(103)上。
4. 根据权利要求1、2或3所述红外水分检测仪，其特征在于信号检测及处理电路包 括依次连接的前置放大器(201)、带通滤波器(202)、调理器(203)、A/D采样器(205)和单 片机(206);施密特比较器(204)的一端连接在带通滤波器(202)和调理器(203)之间，另 一端与单片机(206)相连，显示电路(207)和键盘(208)分别与单片机(206)相连；前置放大器(201)用于对第一、第二探测器(104、104')的输出的求和信号进行初步 放大，并转换成电压信号后传送给带通滤波器(202);;带通滤波器(202)对电压信号进行滤波放大，消除燥声和干扰后分别传送给调理器 (203)和施密特比较器(204)，调理器(203)用于对带通滤波器(202)输出的信号进行调理放大，再输入至A/D采样 器(205)，由A/D采样器(205)将采集信号传送给单片机(206);施密特比较器(204)用于 产生峰值/谷值标志信号，并传送给单片机(206);单片机(206)对接收的信号进行进一步的滤波处理，完成峰值信号减去谷值信号的运 算，然后将最后的水分检测结果输出至显示电路(207)显示；键盘(208)用于供使用人员对进行命令和参数的设置。
5. 根据权利要求4所述红外水分检测仪，其特征在于单片机(206)还连接有串口通 讯电路(209)。
专利摘要红外水分检测仪，属于光电检测仪器，用于对颗粒状物料(如冶金烧结料、粮食等)所包含水分大小的定量检测。其结构为在支架板上安装有直流电机，直流电机的轴上安装有斩光调制盘，斩光调制盘为叶片状，其上方安装有二个光源，二个探测器分别安装在斩光调制盘外侧，其前段分别安装有窄带滤光器，在斩光调制盘的下方安装有保护镜；信号检测及处理电路分别与直流电机，光源和探测器电连接。本实用新型设计电子系统硬件和单片微型计算机软件实现将峰值信号减去谷值信号的功能，从而可消除误差因素影响，提高水分检测精度。本实用新型较之现有的产品和技术，可省去许多精密光学元件，因而可简化系统结构，降低仪器生产加工难度和成本。
文档编号G01N21/35GK201464353SQ20092008755
公开日2010年5月12日 申请日期2009年7月27日 优先权日2009年7月27日
发明者何晓东, 叶林, 吴伟生, 张 杰, 张洪, 郑英, 黄二超 申请人:珠海市长陆工业自动控制系统有限公司;华中科技大学
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