2022年水下散射光式浊度检测前置放大电路的设计论文.docx

水下散射光式浊度检测前置放大电路的设计论文导读：该浊度调理电路是由美国intersil公司的CA3140芯片和通用TL082芯片构成的精密匹配电路该检测电路非常简单前置放大，水下散射光式浊度检测前置放大电路的设计关键词：浊度，检测，前置放大 1、引言水的浊度是一种光子效应，即光线透过水层时受到阻碍的程度，表示水层对于光线散射和吸收的能力它不仅与悬浮物的含量有关，而且还与水中杂质的成分和颗粒大小，形状及其外表的反射性能有关[1]免费论文，前置放大浊度是评价出厂水水质的主要依据之一光在水中的散射信号是极其微弱的，也很容易受到环境因素的干扰，甚至被淹没在北京噪声中因此，散射光的测量显得尤为重要本文将介绍一种实用的散射光式浊度测量电路2、测量原理由物理学光学的知识，当一束平行光由空气垂直照射到被测的水中，在水的深度Y处，其光强可表示为[2]：(1)其中：K0表示入射角为0°时光从空气到水中的透射系数，K1为溶液对光的吸收系数I0为入射光强度，T为浊度免费论文，前置放大当溶液中微粒大小均匀时，在Y轴方向的某一区域的dy，在某方向的散射光也与浊度成正比：〔2〕其中：为溶液对光的散射系数，为Y处的光强。

水下散射光测量法原理图如图1所示：图1 水下散射光测量法原理图水平轴下面充满水，有一光束强度为I0入射到水面，一局部经外表反射，另一局部进入水面传播，那么在Y坐标的小区域内即dy，其X方向的散射光，可由式(1)和式(2)得到[18]：〔3〕因为X方向的散射光经水的X方向吸收后过段距离后才能进入光电池〔关于光电池的知识将在后文介绍〕，故实际到达光电池的散射光强为：〔4〕式中X为散射光到达光电池的距离免费论文，前置放大因此从0到Y0，X方向的总散射光强为：(5)对进行泰勒展开，可以得到：在浊度较低的情况下，可以省略2阶及2阶以上的小量，那么可以得到：(6)同理，(7)并且在浊度很小的情况下，即<<1的情况下，〔8〕将简写式(7)和式(8)代入式(5)中得到线性公式〔9〕：≈(9)即到达光电池的光强与入射光强I0和浊度T成正比[3]免费论文，前置放大3、前置放大电路设计系统的光电转换器件选用硅光电池，硅光电池将散射光信号转换成电流信号，但电流信号非常微弱，0-10，需要经过放大器放大，然后输送至控制芯片设计时参考了大量的关于微电流放大的电路图，并做了相应的实验根据测量原理设计的浊度调理电路，如图2所示：图2 浊度调理电路图该浊度调理电路是由美国intersil公司的CA3140芯片和通用TL082芯片构成的精密匹配电路。

其中起放大作用的器件是运放CA3140，它具有输入阻抗高、低偏置电流、低噪声、高增益等特点，主要用来完成阻抗匹配、降低测量噪声、提高系统稳定性等免费论文，前置放大而TL082是电压跟随器，提高输入电阻，降低输出电阻，提高带负载能力它们使用的供电电源皆是±12V图2中标有Au和Ag符号的为调理电路的信号输入端，其中Au接硅光电池的正端，Ag接光电池的负端因为光电池是一电流源，内阻很大，电流很小，这么小的电流缺乏以驱动，需要将其叠加在一个直流信号上，来测量变化量因此设计了如图2中的a〕图所示的直流信号电路产生电路免费论文，前置放大由电压跟随器TL082的3脚输入端连接滑动变阻器P201，滑动变阻器P201和电容C201、电阻及三端稳压器LM336相并联通过调节滑动变阻器P201，使得滑动端对地电压在一定值〔本课题为0.7125V〕，然后利用了电压跟随器的特点，由电压跟随器TL082的1、2、3脚按如下图的连接对这一定值电压加以固定图2中标有Nout符号的为调理电路的信号输出端，送入C8051F020单片机[4]放大器CA3140的输入和输出端并联反应电阻R203和电容C202，在放大器CA3140的两脚间连接一个可调电阻P202，放大器CA3140的另一端连接电阻R202后接地。

考虑到低浊度，散射光非常微弱，经过屡次试验，通常在0～3〔<3〕范围内，因此在选择运算放大器CA3140的外围反应电阻进而选择调节信号的放大倍数时，同时兼顾和带有模数转换的C8051F020单片机的内部模数转换基准电压〔2.43V〕相匹配，如电路图所示，选择的反应电阻R203阻值约为820KΩ，这样由信号调理电路的输出电压：R203〔10〕计算出信号的实际输出电压范围约在0～2.43V之间，如假设水质较浑浊，使得输出电压超出了单片机内部基准电压的最大值，可以通过编程来改变单片机内部的可编程增益放大器PGA的大小来解决电压跟随器TL082的6、7脚的输入和输出端并联一个反应电阻R205和电容C203，5脚串接电阻R206后接地在此，同样利用了电压跟随器的特点，TL082对由运算放大器CA3140放大后的电压信号予以稳压4、结束语该检测电路非常简单，实用，可以根据用户的实际需要进行检测通道的扩展,实现一路到几十路的浊度检测，实际效果是很理想的该方案已经成功应用到多参数检测系统中，保证了系统的正常运行参考文献：[1]Burlingame,G.A.,M.J.Pickel,andJ.T.Roman.PracticalApplicationsofTurbidityMonitoring[J].JOURNALAWWA，1998.90(8):57-69.[2]HartJohnsonandLetterman.AnAnalysisofLow-levelTurbidityMeasurements[J].JOURNALAWWA,1992,84(12):40.[3]StevenA.Siano.AsimplemethodofcorrectionforforwardRayleighscatteringinturbiditymeasurement[J].AppliedOptics,1993,32(34):4646-4651.[4]鲍可进.C8051F单片机原理及应用[M].北京：中国电力出版社，2022.200-228.  。