近红外乙醇汽油分析仪电信号处理模块设计.pdf

近红外乙醇汽油分析仪电信号处理模块设计* 占细雄林君武子玉王志宏 (吉林大学电子科学与电气工程学院，长春130026) 摘要本文介绍了一种便携武近红外乙醇汽油成分分析仪的设计方案，给出了具体的电 信号提取、处理模块的设计方法，并做出了测试分析。该仪器基于液体透射原理．采用单光路 光栅扫描结构实现了微型化设计。通过制冷Pbs和外围制冷电路实现了恒温控制，刊用数字锁 相放大技术提取出了高精度的光谱信号。该仪器能准确地测量乙醇汽油的光谱信号，光谱测量 信噪比大干1500。 关键词 近红外；便携式；光谱分析；乙醇汽油 收红外光的分子)在这～区域有着不同于其他光谱段的光谱信息，可以用各种方法来提取被 测物体的信息，如散射、漫反射、特殊反射、折射率、透射和反射光的偏振等等【2J2。利用近 红外光谱分析方法，依据乙醇汽油中部分分子官能团对近红外光的吸收特性【3J，从而获得乙 醇汽油成分及含量的信息，是近红外光谱技术的新的应用领域。乙醇汽油是在汽油中加入一 定含量的变性乙醇，变性乙醇凋人汽油后可以提高汽油的辛烷值并提高汽油中的氧含量【4J， 使汽油燃烧更充分，有利于降低汽车尾气中的一氧化碳、碳氢化合物含量。它的推广使用既 可以减缓我国的石油供应问题又可以解决玉米等农产品的转化问题，还可以减少大气污 染L5J，因此国家正积极推动乙醇汽油的使用。由于水含量是车用乙醇汽油的重要指标，相关 国家标准怕J中严格规定变性燃料乙醇中水分含量不得大于0．8％，车用乙醇汽油中只允许加 入体积分数10％的变性燃料乙醇，水分含量不得大于0．15％。随着乙醇汽油在吉林、河南 等地的推广使用，由于保存时间过长或保存不当以及不法商贩恶性行为，造成乙醇汽油成分 不符合标准，影响汽车动力性并损坏发动机，造成车主不满，给推广工作带来困难。因此市 场急需能快速方便地进行检测的设备，吉林大学仪器科学与电气工程学院红外研究组根据红 外光谱特性，设计出了便携式近红外乙醇汽油分析仪，能满足检测需求。 我国市场上目前还没有用于现场乙醇汽油分析的便携式产品。因此研制便携式近红外乙 醇汽油分析仪可为国家节省大量外汇，对提升国产科学仪器的国际竞争力，增强科研自我装 备能力具有十分重要的意义，并将带来巨大的经济效益和社会效益。 1近红外光谱分析原理 乙醇汽油的主要成分是汽油、变性乙醇和水。这三种物质在近红外波段都有明显的吸收 g-本项目得到吉林省科拄厅项目和国家地质调查局项目(199920190116)资助。 219 峰，对于乙醇汽油中的水分，由于水的含量较低，吸收率高，进行透射分析时吸收峰较为明 显且不饱和。可以不经任何处理直接采样进行透射分析。根据朗伯一比尔定律，即液体吸收 的光能量(吸光度)除了与物质的吸收能力有关外，还与溶质的组分含量有关，其数学表达 式为： A=log(／o／／)=肠L (1) 式中A为某一波长下的吸光度；／o为入射光强度；，为透射过溶液的光强度；K为比例系 数，与物质吸光度等因素有关；L为透过液体的光程长度；c为液体的浓度。在入射光强 度、光程长度不变的前提下，某特定波长下溶液的吸收的光谱能量与溶液某一组分的含量呈 线性关系。可以通过某一波长下溶液的吸光度来推算出某一组分的含量。 2方案设计 仪器结构框图如图1。仪器为光栅扫描型仪器，光源为碘钨灯，利用透镜对光源进行聚 光以提高效率，利用切光器把直流光变换为 交流光。光经过样品池后由狭缝人射到分光u鲨5型墨划『i司闭 一 射光变为平行光射到光栅上，经过光栅分光 I墨苎I l切光器lofl匡型l磊l 激筹戮瓣嚣搿嚣龛圈晖卜_埋Hi卜圈 03 嚣譬鞴群Pb聚S竺麓姜茎霉翥萎曩塞薷譬l鬻性忐亟唯引i『 照射到制冷