基于ARM－Linux的便携式红外测油仪的设计

邵志鹏，王双保，李学青

(华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉 430074)

0 引言

当今在石油、化工等高污染行业，经常存在污水的不合理排放而造成的水质恶化，含油类物质严重破坏水体生态平衡系统，并危害到人的身体健康。为了有效的对污水进行处理，准确的检测水质中含油量是应对水质恶化、治理油污染、保护水体生态平衡和保持使用者身体健康的必要手段［1－2］。但是，传统的红外测油仪需要PC机协助进行数据处理和显示，体积庞大，对使用环境要求苛刻，智能化水平低，不适合移动运用如现场检测分析。同时，传统的测油仪容易受环境干扰，噪声大。为此，对水质中油类污染检测技术进行了相应的研究，文中研制出了一套基于ARM－Linux系统的红外测油仪，它能完全脱离PC机，独立的完成对水质中的矿物油和动植物油的测量，具有较高的稳定性和准确度。

1 系统总体设计

1.1 工作原理

红外测油仪的测油原理是基于朗伯－比尔定律，该定律可表述为:当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度d成正比。用数学表达式表示如下

式中:A为待测物质的吸光度;I0为入射光强度;I为透射光强度;T为透过率，T=(I/I0)×100%;k为吸光系数;d为吸收层厚度;c为样品浓度。

通常，油中含有多种有机物，对于特定种类的油，其组分稳定，且各组分的含量一定，所以特定种类的油对特定波长的光的吸收能力也是一定的，即其吸光系数k为常量［3］。当吸收层厚度d一定，吸光度A与样品浓度c成正比。这样，就可以根据二者的线性关系，通过求得样品的在特征波长处的吸光度A来计算样品的浓度c。

1.2 仪器系统结构

本系统的设计思想是结合嵌入式软、硬件技术和红外单色仪来开发实现一款便携式的红外测油仪，它主要由分光系统、信号处理系统、ARM－Linux控制系统三部分组成，整机系统结构图如图1所示。

依据国标《HJ637－2012》对水质中油类测定的标准，总油由石油和动植物油组成，总油和石油类的含量均由波数分别为2 930 cm－1(CH2基团中 C—H 键的伸缩振动)、2 960 cm－1(CH3基团中的C—H键的伸缩振动)和3 030 cm－1(芳香环中C—H键的伸缩振动)谱带处的吸光度A2930、A2960、A3030进行计算，二者的差值为动植物油含量［4］。

图1 整机系统结构图

为了计算样品中石油和动植物油的浓度，需要得到样品在上述三波数处的吸光度。仪器工作过程为:首先，用四氯化碳(CCl4)做参比溶液加入比色皿中，卤钨灯发出的红外复合光经过分光系统后，通过调节正弦机构，得到不同波长的单色光。红外单色光透过CCl4后照射到热释电红外探测器光敏面上产生电信号，锁相放大器对该电信号进行锁定提取并放大，进过A/D转换器转换成数字信号后送入ARM微处理器，嵌入式Linux系统对数据进行处理和保存。然后，将经过CCl4萃取后的样品溶液加入到比色皿中，借助单色仪的波长扫描可以获得不用波段单色光照射样品溶液后的电信号大小。由于参比溶液为CCl4，不含任何吸收红外光的物质，而萃取液中样品含有一些可以吸收特定波数红外光的基团，根据这两次采集到的电信号数据，计算出在波数分别为2 930 cm－1、2 960 cm－1和3 030 cm－1谱带处的电信号比值。同时，在特定波段处，热释电红外探测器的响应率是一定的，并且锁相放大电路对初始的电信号设定的是同等倍数的放大，所以，对于特定波段，电信号的比值就是相应光强大小的比值，依照朗伯－比尔定律，并结合式(1)即可得到三波段的吸光度A2930、A2960、A3030，最终得到样品中油的浓度。

2 系统硬件设计

2.1 红外分光系统

红外分光系统由光源、滤光片和单色仪组成，该系统的作用是将一束复合光通过反射闪耀式光栅色散为分开的波长，这样就可以对波长进行时分扫描，得到波数在2 930 cm－1，2 960 cm－1和3 030 cm－1的红外光。光源使用卤钨灯光源，功率为30 W。滤光片截止波长为2 700 nm，作用是消除多级光谱。单色仪采用交叉非对称式Czerny－Turner光路结构，采用消慧差设计，结构紧凑，能有效的控制杂散光［5］。原理图如图2所示，其工作原理表述为:光源发出的复合光，进过聚光镜汇聚到入射狭缝处，由滤光片进行滤波。光线进入单色仪后，准直镜使入射光变成平行光射向光栅。由于光栅表面有着细密的狭缝，能够将连续的复色光色散成各个波长分离的单色光，单色光经球面成像镜反射后汇聚成像在不同的位置。通过步进电机来带动光栅转动，各路出射光的像点也会水平移动，相应波长的光就会依次从出射狭缝射出，进入比色皿池中。这样只需控制步进电机转动的角度就可以实现波长的自动扫描，得到波数在2 930 cm－1、2 960 cm－1和3 030 cm－1的红外光。

2.2 信号处理系统

图2 分光系统原理图

信号处理系统主要由光电转换模块和锁相放大模块组成。该系统的作用是将光信号转化为电信号，并对初始微弱电信号进行滤波和放大处理，得到我们需要的模拟电压信号，该模拟电压信号最终由A/D进行转换，生成ARM处理器可以进行处理的数字信号。

2.2.1 光电转换模块

为了反映出光波某一波长光强的大小，需要对光信号进行光电转换，本模块采用钽酸锂热释电红外探测器PYD－1020。钽酸锂晶体材料的居里温度在600℃以上，因此，在很宽的室温范围内，材料的热释电系数随温度变化很小，输出信号的温度变化率只有1‰～2‰，探测器的温度稳定性能非常好。PYD－1020热释电红外探测器可用于0.3～9 μm波段范围内的光谱测量，具有较高的响应速度和精准的探测度，能够满足设计要求［6］。由于该探测器对10 Hz的光强信号具有较强的响应率，所以，嵌入式Linux系统上设计定时器对光源也进行了10 Hz的斩波调制，电路设计如图3所示。

图3 光电转换电路

2.2.2 锁相放大电路

从样品池透射后的光信号进过光电转换后，生成的电信号非常微弱，只有几十μV，很容易就淹没在噪声背景中，用传统的检测方法检测信号非常困难，并且其抗干扰能力比较差。因此，必须采用微弱信号检测技术中的锁相放大技术来实现对有用信号的提取。锁相放大器是利用互相关原理设计的一种同步相关检测仪，利用参考信号和被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同频率同相位的被测信号。锁相放大器的工作原理图如图4。

从上述原理图可以看出，锁定放大器主要由信号通道、参考通道、相关器三大部分组成。

信号通道的作用是对探测器输出的微弱电信号先经过前置放大器进行放大，然后滤波，对信号进行预处理，将外带噪声和干扰尽量排除。信号通道的调理电路图如图5。前置放大电路运放选用LT1028，该运放只有很小的电压噪声为1.0 nv/，共模输入阻抗高达300 MΩ，增益带宽积为75 MHz，具有噪声低，精度高等优点［7］。带通滤波器采用的是UAF42配合Filter42仿真软件进行设计，UAF42具备精确的频率和Q值，能极大的提高信噪比。

图4 锁相放大器原理框图

参考通道的参考信号由Linux系统下的定时器产生，为10 Hz的方波信号，通过调节滑动变阻器R18、R19可以分别实现对方波信号起始相位和占空比的调节，相位调节范围为0～180°。如图6所示。

相关器是锁相放大器的核心部件，锁相放大器之所以有很强的抑制噪声能力，主要是因为相关器在排除噪声和干扰方面具有优越性能。如图7所示，相关器主要由一个乘法器和一个低通滤波器组成。乘法电路采用AD630平衡调制解调IC来实现，该器件使用激光微调薄膜电阻，具有很高的准确性和稳定性［8］。

图5 锁相放大器信号通道电路图

图6 锁相放大器参考通道电路图

3 系统软件设计

为了使检测仪器能脱离上位机而具备便携功能，并且能独立完成对仪器整机的控制、管理、采集、数据保存、绘图等多项任务。因此，采用了多用户、多任务、支持多线程并且系统可裁剪的嵌入式Linux操作系统［9］。红外测油仪的软件系统主要包括Linux系统设备驱动模块和MiniGUI图形用户界面模块组成。

3.1 MiniGUI

MiniGUI［10］是国内比较优秀的开源软件之一，是一个实时性的轻量级的GUI软件，其具有轻型、占用资源少、高性能、支持多操作系统，可配置，易于移植等优点。MiniGUI基于事件驱动编程，窗口是MiniGUI当中最基本的GUI元素，一旦窗口建立之后，窗口就会从消息队列当中获取到属于自己的消息，然后交由它的窗口过程进行处理。基于MiniGUI的特点，该系统采用MiniGUI来设计红外测油仪的用户界面，MiniGUI主要实现的功能有红外光谱仪的初始化、参数配置、样品管理、光谱检测、数据处理、曲线绘制、结果显示、数据保存、数据打印等工作。为了便于调试和二次开发，这些功能都是以模块的方式组织在一起的，各主要模块的组织方式如图8所示。

3.2 主程序

图7 锁相放大器相关器调理电路

图8 应用程序主要功能模块

主程序主要完成嵌入式Linux系统初始化设定，并进入MiniGUI图形界面等待触摸指令。仪器开机成功后，进行系统初始化并通过对霍尔元件位置的判定来校准系统，然后显示MiniGUI图形用户操作界面，根据不同触摸命令执行相应服务程序，完成相应的操作。主程序流程图如图9所示。

图9 主程序流程图

3.3 样品采集程序

进入MiniGUI界面，需要配置好输入参数，然后加入CCl4溶液，点击扫描参比按钮，仪器开始对CCl4溶液进行扫描，仪器自动保存扫描数据结果。接着，加入样品，点击样品检测按钮，扫描结束后，系统自动计算样品溶液在波数分别为2930 cm－1、2960 cm－1和3030 cm－1的透过率和吸光度，样品采集程序流程图如图10。

图10 样品检测流程图

4 结束语

文中设计了基于ARM微处理器和开源嵌入式Linux系统的便携式红外测油仪。电路采用锁相放大技术可以对信号进行准确的提取，软件系统采用MiniGUI进行图形用户界面设计，所有的检测操作都通过触摸屏完成。该仪器结构紧凑、体积小、便携、实用性强、操作简便、能够自动计算透过率、吸光度和浓度以及自动绘制光谱图曲线，具有较高的稳定性和准确度，提高了仪器的智能化水平。

［1］吕华，马振民，邱鲁军.地下水油类污染系统形成机制研究—以某石油化工研究区为例.煤田地质与勘探，2005，33(6):38－41.

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［3］赵瑾，叶晓剑，吴叶兰，等.基于STM32的红外分光测油仪的设计.仪表技术与传感器，2014(3):26－28.

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［5］安岩，孙强，刘英，等.交叉型消像散Czerny－Turner结构光谱仪设计.中国光学，2012，5(5):470 －475.

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［9］刘文峰，李程远，李善平.嵌入式Linux操作系统的研究.浙江大学学报(工学版)，2004，38(4):447 －452.

［10］飞漫.MiniGUI编程手册.北京，2003.