乳化液作為一種金屬加工液，在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，其濃度對(duì)于以其為介質(zhì)的設(shè)備正常運(yùn)行和使用壽命有著重要影響。目前，國(guó)內(nèi)外有多種檢測(cè)乳化液濃度的方法，其中破乳法是一種比較早的乳化液濃度檢測(cè)方法，主要是在油水上下分離后，依據(jù)油和水的比例進(jìn)行濃度測(cè)定，然而此方法精度低、有時(shí)間差，不能反映實(shí)時(shí)的乳化液濃度；光透檢測(cè)法是根據(jù)瑞利散射規(guī)律來測(cè)量液體濃度，當(dāng)入射光強(qiáng)恒定時(shí)，只要測(cè)出透射光強(qiáng)即可唯一確定乳化液濃度[1]；比重法是根據(jù)水和乳化油密度不同的原理來測(cè)量乳化液濃度，其中比較著名的是丹麥U型管濃度測(cè)量法，但其造價(jià)昂貴，不適合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用；超聲波檢測(cè)法有超聲波衰減法和超聲波聲速法，文獻(xiàn)[2]利用超聲波的衰減機(jī)理研究了超聲波衰減量與高水基液體濃度的關(guān)系[2]，在一定條件下，超聲波穿過液體的衰減量與其濃度成比例關(guān)系，從而可以用衰減量來測(cè)量液體濃度，但是此方法在濃度大時(shí)線性差，應(yīng)用范圍受到限制。超聲波聲速法則是研究了超聲波聲速與液體濃度的關(guān)系[3]，聲波在溶液當(dāng)中的傳播速度與液體濃度、溫度和壓力之間有一定數(shù)學(xué)關(guān)系，利用此關(guān)系得到的擬合關(guān)系式可以計(jì)算出乳化液濃度，但是此方法受乳化液中氣泡、雜質(zhì)等因素影響較大；折光法是依據(jù)光的全反射原理對(duì)乳化液濃度進(jìn)行測(cè)量，不同濃度的乳化液在不同溫度下有著不同的折射率，乳化液濃度、溫度和折射率有一定的函數(shù)關(guān)系，通過測(cè)量處于全反射臨界光線處的臨界角來計(jì)算被測(cè)量乳化液的折射率，從而得到乳化液濃度。此方法原理簡(jiǎn)單、重復(fù)穩(wěn)定性高，但主要屬于離線檢測(cè)應(yīng)用，同時(shí)精度受限于人為因素。本文提出利用光的全反射原理結(jié)合電子自動(dòng)化技術(shù)來達(dá)到實(shí)時(shí)、精確檢測(cè)乳化液濃度的目的，以提高乳化液檢測(cè)效率和精度。
1 檢測(cè)原理
光線從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角等于或大于臨界角時(shí)，光會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象；而當(dāng)入射角小于臨界角時(shí)，入射光有一部分被反射，剩余部分則會(huì)被折射進(jìn)入光疏介質(zhì)中，如圖1所示。
圖1中，a、b、c為3條入射光線，從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)中，a1、b1、c1分別為對(duì)應(yīng)的3條入射光線a、b、c的反射光線，a2為入射光線a的折射光線。α為全反射的臨界角，所以入射光線b、c被全反射，而入射光線a發(fā)生折射，既有反射光線a1，又有折射光線a2。依據(jù)光學(xué)知識(shí)，光線發(fā)生折射時(shí)只有大約10%的光線被反射，大部分光被折射，顯然a1的光強(qiáng)要遠(yuǎn)小于b1和c1。依據(jù)此原理可知，當(dāng)光密介質(zhì)不變，光疏介質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，光疏介質(zhì)的折射率發(fā)生改變，光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)中發(fā)生全反射的臨界角α也會(huì)發(fā)生改變。文獻(xiàn)[4]提出一種用棱鏡內(nèi)反射傳感方法測(cè)量液體濃度，通過檢測(cè)出射光的能量改變來確定溶液濃度。隨著CCD圖像傳感技術(shù)的發(fā)展，在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上，提出利用CCD圖像傳感器對(duì)出射光線進(jìn)行采集并依據(jù)光線照射到CCD上產(chǎn)生明暗分界線處的像元值得到乳化液濃度的方法。圖2是將三棱鏡和CCD圖像傳感相結(jié)合的光線測(cè)量裝置，其主要部分為全角度光發(fā)射系統(tǒng)、直角三棱鏡和CCD圖像傳感器。全角度光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出相對(duì)于O點(diǎn)法線0°～90°的入射光線；三棱鏡用于與乳化液接觸，當(dāng)入射光線照射到三棱鏡的O點(diǎn)后，依據(jù)由乳化液折射率和三棱鏡折射率（注：為滿足全反射條件，所選三棱鏡的折射率要大于乳化液的最大折射率）所決定的全反射臨界角α，入射角大于等于臨界角的入射光線會(huì)被全部反射，從三棱鏡的右直角邊射出，入射角小于臨界角的入射光線會(huì)被折射進(jìn)入乳化液中，只有部分光線被反射，從三棱鏡右邊的直角邊射出；CCD圖像傳感器用于接收從三棱鏡右直角邊射出的光線。由于全反射光線和部分反射光線的亮度不一樣，在CCD上會(huì)出現(xiàn)明暗不同的兩個(gè)區(qū)，被測(cè)乳化液濃度的改變會(huì)改變明暗區(qū)的分界線在CCD上的位置。通過檢測(cè)明暗兩區(qū)分界線的位置，即可知被測(cè)乳化液的折射率，進(jìn)而知道被測(cè)乳化液的濃度值。運(yùn)用時(shí)可以利用像元值代替折射率，建立乳化液、溫度和CCD像元值的函數(shù)模型來計(jì)算濃度值。如圖2所示，其中1代表CCD的第一像元，5 000代表CCD的第5 000像元，即暗區(qū)處于低像元區(qū)，明區(qū)處于高像元區(qū)。
由于溫度變化會(huì)導(dǎo)致乳化液的折射率變化，因此乳化液濃度是其折射率的函數(shù)，同時(shí)也是溫度的函數(shù)[5]。本文用像元值代替折射率，所以濃度c、溫度T和像元值N的函數(shù)關(guān)系可表示為：
c=f（N，T）（1）
因此，通過測(cè)得CCD明暗分界線處的像元值和乳化液溫度，即可得到乳化液的濃度值。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
整個(gè)系統(tǒng)是以MSP430F149單片機(jī)為核心，主要包括主控模塊、測(cè)量模塊（由全角度光發(fā)射系統(tǒng)、三棱鏡、線陣CCD、A/D轉(zhuǎn)換與測(cè)溫電路構(gòu)成）、報(bào)警模塊、液晶顯示模塊和電源。圖3是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的框架。
2.2 各模塊原理及硬件實(shí)現(xiàn)
（1）主控模塊：采用MSP430F149單片機(jī)，此芯片是一種16位精簡(jiǎn)指令集的單片機(jī)，具有超低功耗特性，工作電壓范圍為1.8～3.6V，一般電壓為3.3V，指令周期為125ns，具有兩個(gè)16位的定時(shí)器、60KB+256KB的閃速存儲(chǔ)器和2KB的RAM，可串行在線編程，從而實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的主控功能。 ?。?）測(cè)量模塊：線陣CCD采用東芝公司的TCD1501D，它是一種高靈敏度、低暗電流，具有5 000個(gè)有效像元和76個(gè)虛設(shè)像元內(nèi)置采樣保持的線陣CCD圖像傳感器，工作時(shí)需要5V驅(qū)動(dòng)脈沖和12V電源供電，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的最大頻率為12MHz，光譜響應(yīng)范圍為400nm～1 000nm，響應(yīng)峰值波長(zhǎng)為550nm（綠光）。當(dāng)掃描一張A3圖紙時(shí)可達(dá)到16線/mm的精度，飽和輸出信號(hào)電壓典型值為3V，利用其可將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬電信號(hào)。由于主控芯片I/O口輸出電平為3.3V左右，而TCD1501D的驅(qū)動(dòng)脈沖為5V，所以可在主控芯片和TCD1501D之間加入電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245來達(dá)到驅(qū)動(dòng)目的；A/D轉(zhuǎn)換芯片采用AD9826，即一款專門針對(duì)CCD圖像信號(hào)的16位AD轉(zhuǎn)換器，此芯片單通道16位模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)的最大采樣速率可達(dá)12.5MSPS，工作電壓為5V，且自帶內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，支持低功耗模式，需主控芯片發(fā)出脈沖進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。為緩沖CCD電信號(hào)，將OS輸出信號(hào)經(jīng)過LM7171后，再把信號(hào)接入AD；測(cè)溫部分采用的溫度傳感器為DS18B20，此傳感器可全數(shù)字轉(zhuǎn)換輸出，采用單總線數(shù)據(jù)通信，測(cè)溫范圍為-55～+125℃，最高分辨率可達(dá)12位，精度可達(dá)±0.5℃，工作電壓范圍為+3.0～+5.5V，利用其檢測(cè)乳化液溫度。
（3）顯示和報(bào)警模塊：液晶顯示部分采用BJ12864M型號(hào)液晶屏，其分辨率為128×64，內(nèi)置字庫，可采用串并行兩種工作方式，工作電壓為+3.0～+5.5V，利用其顯示乳化液的濃度和溫度等值；報(bào)警模塊采用HYT-1212B蜂鳴器，其工作電壓為12V，通電時(shí)可產(chǎn)生2 600Hz左右的蜂鳴振蕩聲響。當(dāng)檢測(cè)的乳化液濃度超出規(guī)定值范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，使其發(fā)出聲音進(jìn)行提示。
（4）電源：系統(tǒng)各個(gè)模塊中器件的供電電壓不同，例如：MSP430F149供電電壓是3.3V直流，TCD1501D的供電電壓是12V，AD9826是5V直流供電。綜合可知，有3.3V、5V和12V三種電壓，所以系統(tǒng)采用伊萊科S-25-12開關(guān)電源供電，用LM2940提供5V電壓作為二級(jí)供電輸出，再使用LM1117-3.3V降壓至3.3V作為三級(jí)電壓輸出。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
考慮檢測(cè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，主要根據(jù)以下4點(diǎn)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)：①系統(tǒng)中主控模塊和其它各個(gè)模塊的初始化；②TCD1501D和AD9826的驅(qū)動(dòng)時(shí)序；③AD轉(zhuǎn)換、溫度采集、液晶顯示和報(bào)警；④數(shù)值處理。
首先對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，啟動(dòng)測(cè)量程序后開啟定時(shí)器中斷；然后依據(jù)測(cè)量要求，主控MSP430F149對(duì)TCD1501D和AD9826進(jìn)行實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)讀取AD9826數(shù)字輸出引腳D0～D7的轉(zhuǎn)換結(jié)果；之后驅(qū)動(dòng)DS18B20并從其DQ引腳讀取溫度轉(zhuǎn)換值，依據(jù)所測(cè)的AD信號(hào)值和溫度值，結(jié)合線性插值法得到乳化液濃度值；判定多次測(cè)量后誤差值是否達(dá)到要求，沒有達(dá)到則繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量；測(cè)量誤差值達(dá)到要求后，驅(qū)動(dòng)液晶屏顯示所測(cè)濃度和溫度值；之后檢測(cè)濃度值是否超限，若超限則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提醒，并停止測(cè)量，如果濃度值沒有超限，則繼續(xù)進(jìn)行下一次測(cè)量。
4 實(shí)驗(yàn)部分
4.1 實(shí)驗(yàn)原理驗(yàn)證
為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)乳化液濃度檢測(cè)原理的正確性，利用搭建的系統(tǒng)分別對(duì)濃度為1%、2%和3%的乳化液進(jìn)行檢測(cè)。將乳化液溫度加熱到50℃以上后使之自然冷卻，通過單片機(jī)算法分別推算得到冷卻過程中不同溫度下線陣CCD上明暗分界線的位置。結(jié)合圖2可知，被測(cè)乳化液折射率越大，明暗分界線在CCD上所處的像元位置則越高。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將3組不同濃度的乳化液分別從50℃開始降溫，按不等溫度間隔進(jìn)行測(cè)量，得出每一濃度所對(duì)應(yīng)不同溫度下CCD明暗分界面的像元值，如圖6所示。
在同一濃度下，溫度發(fā)生變化會(huì)導(dǎo)致CCD的像元值發(fā)生變化，其基本呈線性關(guān)系，從而可以推知溫度的變化對(duì)乳化液折射率的影響基本呈線性關(guān)系。
4.2 數(shù)值處理
本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)可以依據(jù)光學(xué)原理、相關(guān)公式和光源、三棱鏡、線陣CCD的位置關(guān)系得出線性CCD上明暗區(qū)的分界線位置與乳化液折射率的精確對(duì)應(yīng)關(guān)系，在建立折射率―濃度―溫度模型的過程中可以跳過折射率，直接由全反射角處的光線在CCD上的位置來代替折射率。本設(shè)計(jì)采用插值法得出乳化液濃度。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)置測(cè)量濃度范圍0%～6%，分別對(duì)濃度為0%、1%、2%、3%、4%、5%、6%的7種乳化液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，利用酒精燈將乳化液的溫度加熱50℃后自然冷卻到20℃，每隔1℃利用從單片機(jī)得到的值推算全反射角處的光線在CCD上的位置N。7N乳化液可以得到7組數(shù)據(jù)N0（T）、N1（T）、N2（T）、N3（T）、N4（T）、N5（T）、N6（T），T為乳化液溫度，每組數(shù)據(jù)記錄了同一濃度下的乳化液在不同溫度下的像元值。檢測(cè)乳化液濃度時(shí)，假設(shè)測(cè)得的溫度為Tx，CCD上交界線為Nx時(shí)，根據(jù)單片機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的CCD像元值數(shù)組，即可算出與實(shí)際測(cè)得的Nx最接近的數(shù)據(jù)N，若Ni（T）
