光纤传感器浓度智能检测系统的设计

光纤传感器浓度智能检测系统的设计
摘要：本文主要介绍设计一种基于光纤传感器的实时智能液体浓度检测系统。

该系统以通用单片机作为此次研究系统的核心部分，同时以相关发光二极管(LED)作为光源来通过调制脉宽控制光脉冲，进一步有效传输光纤光信号，同时进行测量反射光的光纤传感器为相对应的敏感元件，处理雪崩光电二极管(APD)接收的采样信号，并根据测量结果实时智能监控液体浓度。

在此次基于光纤传感器浓度智能检测系统设计下其能够有效应用于生物制药以及食品加工和造纸化工等等多个行业当中，具有较为良好的发展应用前景。

关键词：光纤传感器；浓度；智能检测；系统设计；单片机
1 工作原理
光纤传感技术主要是相关光纤通信发展的产物，其在一定程度上改变了传统电类传感器的结构，即通过测量相关物理量来调制光纤内部传输的光强度，其改变诸如透射光的强度、频率以及相对应的相位或偏振的特性等等，然后检测调制的光信号，具有远程和耐化学腐蚀的优点。

根据相关光的折射以及反射斯内尔定律等等，当光波投射到两种介质的结合面当中时，反射率与两种相邻介质(芯层和填充层)之间的的折射率有关。

当包层作为相关待测量液体时，测量液体的浓度改变，那么相对应的折射率也会不可避免地发生改变，并且朝向纤芯反射的光也改变。

待测液体浓度的变化可以通过测量接收端强光的大小来获得。

根据这一原理，光纤可以转换成反射式光纤探头。

由发光二极管发出的恒定光由发射光纤发送到另一端的光纤探头的液体表面，一些光通过，来自其喙的光被反射。

当没有液体可测量时，透射的光量和反射的光量必须相等；当灌注待测液体时，光纤探头与待测液体接触，探头的光透射增加，反射量减少。

因此，反射的光量允许知道待测液体的浓度。

反射的光量取决于光纤探头的折射率和被测液体的折射率。

接收光纤的下端接收来自光纤探头的强光，调制待测液体后，光电探测器通过光纤接收进行光电转换，以获得待测液体浓度变化的特征信息。

2 光纤传感器浓度智能检测系统组成设计
2.1 光纤传感器浓度智能检测系统原理示意图
本次设计相关光纤传感器浓度智能检测系统的原理如下图2当中所示。

本次设计主要是能够有效采取单片机来有效调节发光二极管的电流，通过有效提高相关信噪比的方式来进一步有效提高此次系统设计的抗干扰能力大小。

另外在该系统利用过程当中通过宽频调节发光过程，有效通过单片机来控制脉宽调制，即在每次数据测量期间，发光二极管的照明时间是相对固定的，同时相关光信号从光电探测器转换成电信号放大后有效保持相关取样，一旦采集完成之后，通过单片机进行有效的数据处理，此时发光二极管不亮。

由于发光二极管处于低利用率的光发射脉宽调制状态，因此发光二极管可以在物理特性的最佳阶段工作，这确保了发光二极管光源能够有效发出较为稳定的光，并可以进一步有效延长发光二级管的实际寿命[2]。

图2 光纤传感器浓度智能检测系统原理示意图
2.2 主要元件
2.2.1 光源
在光纤传感器设计过程当中一般常用的光源是半导体，其主要通过有效利用受激辐射原
理来设计形成具有较高的耦合效率以及相对应较快响应速度的光源元件，但是相对应的价格
相对较高。

半导体发光二极管不仅仅具有体积较小以及集成方式较为简单、所需相关能耗较
低的优点，同时还具备输出功率稳定特性；具有从近红外到可见光以及紫外光的相应波段的
产品具有广泛的波长选择范围；低工作电压和低功耗工作；由于半导体元件还具有相关驱动
较为简单、同时寿命明显相较于其他元件较长、性能稳定可靠、使用寿命长等等优势，它可
以作为一种小型化光源集成元件从而受到社会方面的广泛关注。

2.2.2 单片机
液体的浓度一般来说都会受到温度以及其他等因素的不同程度影响，因此在实际检测过
程当中首先就需要注意避免由于外界光线等等干扰因素以及相对应的受控反馈量等的影响。

通过灵活使用单片机进行有效编程，同时还能够通过单片机来实现较为复杂的检测控制。

在
此次设计上有效选取相关SPCE061A单片机来作为此次设计的主要核心部件，在该单片机上
具有10位8通道模数转换器和ISP/ /IAP。

SPCE061A还具有相对应的双向脉冲宽度调制输出
功能，通过有效控制相关脉冲宽度来进一步有效达到调制信号的目的，从而可以通过单片机
的磨损来进行有效控制。

另外利用软件的脉宽调制产生过程，通过分频产生4Hz时基信号来
有效模拟特定占空比的脉宽调制波形，输出4位可调脉宽的脉宽调制信号。

此外，中断方法
一般都是用于周期性地激活发光系统。

为了给驱动器提供较为足够的功率，通过脉宽调制信
号被发送到发光二极管驱动芯片当中，采取以驱动芯片直接控制驱动器的方式来有效进行控
制[3]。

2.2.3 发射光纤与接收光纤
在此次设计过程当中相关系统具有许多光纤传感器，如光纤液体浓度传感器以及相对应
的温度传感器等等，其中最为重要的是光纤液体浓度传感器。

这种结构主要由两束光纤组成，其相对应的两端结合形成光纤探头形式；另一端则会逐渐分为两部分，一部分作为传输光纤，另一部分则作为接收光纤。

2.3 光纤浓度传感器设计
光纤传感器基本测量单元安装在相对应的测试液检测当中，通过相关计算机系统来将相
关光电转换箱、电源和二次仪表等等有效安装在仪表控制室当中，另外在光纤浓度传感器与
仪表控制室上这两者主要通过光缆进行有效连接，同时在相关待测液体现场当中进行有效非
电气检测。

相关光纤浓度传感器的设计如下图3当中所示。

如若相关发光二极管光源发出的
脉冲光与实际光纤发射发生耦合现象，那么其必然会通过相关光纤传输后投射到待测液体当中；如若相关待测液体发生反射后，那么反射光则进一步被相对应的光纤探头所接收，并由
光纤传输到光电探头当中；那么光电探测器就会将光信号逐渐转换成相对应的电信号，然后
通过相关单片机对数据进行下一步彻底分析处理，从而最终得到相对应的检测结果。

其中，
光电探测器所能够接收到的反射光强度与实际被测液体的浓度和光纤探头的结构具有一定的
关联[4]。

3 软件设计
图4 单片机主程序流程图
根据在实际应用过程当中所需要处理的相关信息，单片机主程序的流程如上图4所示。

该程
序主要包含了相关定期检测形式。

同时还将测量频率进一步有效提高到相对应的实际浓度检
测阈值附近，那么就可以将间歇测量和连续测量有效结合起来，从而能够使其满足相对应的
实时测量基本要求，同时还能够有效延长发光二极管和光电探测器的寿命。

检测某些程序的
关键主要是通过采取合理的算法，根据待测液体浓度的控制特性来定义相对应的实际测量点。

基于液体的浓度、温度对液体自身所具有的影响、液体中粒子的分散以及干扰外部光的因素
等等因素，采取权重调节等等有效机制从而得到较为适宜的计算参数。

参考文献：
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