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激光粒度仪测控系统的设计与开发

作　者: 李秀斌
导　师: 关守平
学　校: 东北大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 激光粒度仪测控系统单片机 Mie理论
分类号: TP274.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着粉体工业的不断发展,对颗粒粒度测量技术也提出了更高的要求。客观真实地反映颗粒大小和粒度分布是一项非常重要的工作。在目前众多的粒度测量技术中,基于光散射理论的激光粒度仪以其准确、快速、非接触等特点,得到了非常广泛的应用。但是由于国内这方面技术发展起步较晚,所以还与国外先进水平有着较大差距。激光粒度仪测控系统是指激光粒度仪中涉及到测量和控制功能的硬件和软件,是激光粒度仪的核心部分。本文系统研究了激光粒度测量的基本原理和数学模型,并在此基础上对激光粒度仪测控系统进行了总体设计。激光粒度仪的测控系统包括数据采集器和测控软件两部分,前者主要是指将光电探测器接收到的散射信号转换为可被计算机识别的数字量的硬件电路部分；而后者则是运行于计算机的软件部分。本文详细阐述了数据采集器的设计与开发。信号调理元件采用高性能的TLC2254芯片；主控芯片采用C8051F410单片机,它是具有12位A/D转换器、最多支持24路模拟输入的低功耗片上系统型MCU,是数据采集设备的最佳选择。测控软件使用微软Visual C++ 6.0开发,采用图形图像显示和ActiveX控件等技术,实现了数据读取与显示、数据存储、数学模型建立和粒度分布求解等功能,并进行了实际测量实验进行验证。最后,本文对Mie理论应用于激光粒度测量领域进行了研究和探索。提出一种精确、高效、快速的Mie散射光强算法；基于此算法,设计出一种广角式激光粒度仪,并进行了仿真实验。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-19
  1.1 颗粒粒度相关的基本概念  11-12
    1.1.1 颗粒粒度的概念  11
    1.1.2 颗粒的粒度分布  11-12
  1.2 颗粒粒度测量的重要性  12
  1.3 颗粒粒度测量的主要方法介绍  12-16
    1.3.1 筛分法  13
    1.3.2 显微镜法  13
    1.3.3 电感应法  13-14
    1.3.4 沉降法  14
    1.3.5 光散射法  14-16
  1.4 光散射法粒度测量的发展与现状  16-18
    1.4.1 光散射理论研究的历史  16-17
    1.4.2 激光粒度仪的发展与现状  17-18
  1.5 本论文的背景  18
  1.6 本论文完成的工作  18-19
第2章激光粒度测试基本原理与测控系统总体设计  19-37
  2.1 Mie散射理论  19-23
    2.1.1 光的散射现象  19
    2.1.2 Mie散射理论的基本理论  19-21
    2.1.3 Mie散射的近似——夫琅和费衍射  21-23
  2.2 激光粒度测量装置与原理  23-27
    2.2.1 激光粒度测量装置  23
    2.2.2 激光粒度仪的测量原理  23-25
    2.2.3 颗粒尺寸分段的选取  25-26
    2.2.4 激光粒度测量的几个前提条件  26-27
  2.3 激光粒度仪的总体结构  27-29
  2.4 激光粒度仪测控系统的总体设计  29-36
    2.4.1 测控系统的功能需求  29
    2.4.2 模拟信号的采集——A/D转换技术  29-31
    2.4.3 微弱电信号放大与多路信号的采集  31-32
    2.4.4 单片机选型  32-33
    2.4.5 多MCU通信的实现——LIN总线技术  33-34
    2.4.6 硬件开发环境  34-35
    2.4.7 测控软件需求分析与总体设计  35-36
    2.4.8 测控软件开发环境  36
  2.5 本章小结  36-37
第3章激光粒度仪数据采集器的设计与开发  37-57
  3.1 数据采集器的功能与结构设计  37-38
    3.1.1 数据采集器的功能  37
    3.1.2 数据采集器的结构  37-38
  3.2 信号调理电路的设计与实现  38-40
    3.2.1 信号调理电路的设计要求  38-39
    3.2.2 运算放大器件的选择  39-40
    3.2.3 信号调理电路的设计  40
  3.3 MCU模块的设计与实现  40-52
    3.3.1 C8051F410单片机概述  40-44
    3.3.2 多通道A/D转换的实现  44-46
    3.3.3 UART通信的实现  46-47
    3.3.4 看门狗功能的实现  47-48
    3.3.5 端口输入/输出配置  48-50
    3.3.6 调试接口的实现  50
    3.3.7 MCU模块电路设计  50-51
    3.3.8 单片机软件程序设计  51-52
  3.4 通讯模块的设计与实现  52-54
    3.4.1 通讯模块器件的选择  53-54
    3.4.2 通讯模块电路的设计  54
  3.5 电源模块的设计与实现  54-55
    3.5.1 电源模块器件的选择  55
    3.5.2 电源模块电路设计  55
  3.6 信号通道校准  55-56
  3.7 本章小结  56-57
第4章激光粒度仪测控软件的设计与开发  57-79
  4.1 测控软件结构和功能设计  57-58
  4.2 数据读取模块的设计与实现  58-62
    4.2.1 MSComm控件介绍  58-61
    4.2.2 数据处理方法  61
    4.2.3 数据读取程序流程  61-62
  4.3 数据显示模块的设计与实现  62-66
    4.3.1 TeeChart控件介绍  62-63
    4.3.2 使用TeeChart控件实现图形显示  63-66
  4.4 数据存储模块的设计与实现  66-69
    4.4.1 VC++中使用ADO进行数据库操作  66-68
    4.4.2 数据库设计  68-69
  4.5 数学建模模块的设计与实现  69-72
    4.5.1 光能贡献矩阵元素的求解  69-72
    4.5.2 数学建模的程序流程图  72
  4.6 粒度求解模块的设计与实现  72-78
    4.6.1 分布函数限定法  73-75
    4.6.2 自由分布法  75-76
    4.6.3 求解算法验证  76-78
  4.7 本章小结  78-79
第5章 Mie理论应用于激光粒度仪的研究  79-93
  5.1 研究在激光粒度仪中应用Mie理论的意义  79-80
    5.1.1 夫琅和费衍射理论的局限性  79
    5.1.2 Mie理论应用的难点和限制  79-80
  5.2 Mie理论数值计算方法的研究  80-84
    5.2.1 Mie散射光强的计算公式  80-81
    5.2.2 散射角函数的计算  81
    5.2.3 散射系数的计算  81-84
  5.3 Mie散射光强计算方法的改进  84-86
    5.3.1 改进算法的描述  84-85
    5.3.2 算法评价  85-86
  5.4 Mie理论在激光粒度仪中的应用——扩展测量下限的研究  86-92
    5.4.1 衍射式激光粒度仪的测量下限  86-87
    5.4.2 扩展测量下限方法介绍  87-89
    5.4.3 增大探测角度的方法扩展测量下限  89-91
    5.4.4 仿真实验及结果  91-92
  5.5 本章小结  92-93
第6章总结与展望  93-95
  6.1 工作总结  93
  6.2 后续工作展望  93-95
参考文献  95-99
致谢  99

激光粒度仪测控系统的设计与开发

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