CN109270026B - 一种近红外接收与发射控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种近红外接收与发射控制装置。其包括电源模块、发射模块和接收模块。电源模块采用DC9‑36V输入，隔离输出DC±12V，再由DC+12V转换为DC+5V，故在输入端不会因市网等干扰影响到下一级。发射模块采用恒流驱动模式，使放大器与N沟道MOS管相结合，通过输入电压与采样电阻两端电压值作比较，在一定的负载范围内，保持输出电流恒定。接收模块采用电流转电压的方式，将光电二极管产生的光电流通过放大器转换成电压。通过控制放大器的反馈电阻可控制其接收光强的灵敏度。下一级加入反向放大器对电压进行放大。两级联动调节，方便调节灵敏度和放大倍数，这样在实际应用过程中可以更加方便，得到的信号更加稳定。
Description
技术领域
本发明涉及气液两相流检测和模拟电子技术领域，具体地说是一种近红外接收与发射控制装置。
背景技术
红外技术多用于红外载波编码无线数据传输上，最常见的就是红外遥控器。现有很多专利申请已经公开了红外发射、红外接收电路的相关结构。例如：红外发射电路、红外接收电路及红外收发系统（专利申请号：201310699015.7）应用于红外无线数据通讯，通过串口的数据经过系统的红外发射器可以将电能直接转换成近红外光（不可见光）辐射出去，然后由红外线接收器接收红外信号并独立完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的信号，适合于各种红外线遥控和红外线数据传输；一种用于红外探测系统的放大电路（专利申请号：201711475379.1），对中红外告警的接收放大电路进行了设计；一种收发一体化红外电路板（专利申请号：201410710503.8）由上位机发送控制信号来控制红外灯管的通断，并且将红外接收和发射做成了一体，一个灯座用于连接发射管和接收管；一种485转红外电路及数据传输方法（专利申请号：201610581236.8）利用纯硬件将485数据装换为红外数据，亦可将红外数据转换成485数据。
上述专利申请中的电路都是利用红外做数据传输的，其原理是将脉冲波经过一般波长为940nm的红外发射管，转换为光信号发射出去，载频以38kHz和40kHz为主，红外接收IC内部经过放大--增益--滤波--解调变--整形还原后，还原遥控器给出的原始编码，通过接收头信号输出脚输入到后面的代码识别电路。编码规则对于二进制信号“0”，一个脉冲占1.2ms；对于二进制信号“1”，一个脉冲占2.4ms，而每一脉冲内低电平均为 0.6ms。
在气液两相流的检测过程中，常基于近红外光谱的吸收特性对相含率进行测量。测量时，使近红外发射探头发射近红外光，近红外光穿过管道内的流体后被近红外接收探头所接收，近红外光在管道内会被流体吸收部分能量，根据近红外光被吸收前后的光强变化，结合朗伯比尔定律可计算得出两相流的相含率。
利用近红外的吸收特性对两相流相含率进行测量，尚需对近红外发射探头的驱动以及近红外接收探头接收信号后的调理做进一步研究。
发明内容
本发明的目的是在已有测量竖直管道气液两相流流量的装置上通过近红外接收与发射控制装置，解决在利用近红外测量两相流相含率的过程中，对近红外发射探头的驱动和接收信号的调理。上述设置可以通过近红外接收探头将光信号转换为电信号。同时，本发明通过合理的电路设计，在完成上述功能外，对电源干扰和外界电磁干扰具有一定的屏蔽作用。
本发明是这样实现的：一种近红外接收与发射控制装置，包括电源模块、发射模块和接收模块；
所述电源模块外接直流9V-36V电源；所述电源模块包括隔离高压电压源以及LDO电源芯片， 外接直流9V-36V电源经所述隔离高压电压源后输出+12V、0V和-12V直流电压；LDO电源芯片的输入端连接隔离高压电压源的+12V直流输出端，所述LDO电源芯片的输出端输出+5V的直流电压，所述LDO电源芯片用于为发光二极管的驱动提供电压；
所述发射模块包括发光二极管接口、N沟道MOS管和第一双路放大器；发光二极管接口用于连接发光二极管，发光二极管接口的一个引脚连接N沟道MOS管的源极，发光二极管接口的另一引脚经采样电阻后连接数字地；N沟道MOS管的漏极连接隔离高压电压源的+12V直流输出端，N沟道MOS管的栅极连接第一双路放大器的后级放大器的输出端；第一双路放大器的前级放大器作为跟随器，其同相输入端连接LDO电源芯片的输出端，其反相输入端与其输出端相接；第一双路放大器的前级放大器的输出端连接后级放大器的同相输入端，后级放大器的反相输入端连接采样电阻的非接地端；
所述接收模块包括光电二极管接口、放大器、电位器和第一电阻；光电二极管接口用于连接光电二极管，光电二极管接口的两个引脚分别与放大器的两个输入端相接，且光电二极管接口的其中一个引脚接数字地；电位器和第一电阻并联设置在光电二极管接口的非接地引脚与放大器的输出端之间；放大器用于将电流转化为电压；光电二极管接收到光照后产生反向电流，该反向电流经光电二极管接口再经放大器、电位器以及第一电阻后会产生电压输出；所述电位器用于调节光电二极管接收光强的灵敏度。
所述近红外接收与发射控制装置还包括电压放大电路；所述电压放大电路包括第二双路放大器、带通滤波器和外部接口；第二双路放大器的前级放大器作为跟随器，其同相输入端与接收模块中电位器的动触点相接，其反相输入端经一电阻后与其输出端相接；第二双路放大器的前级放大器的输出端经一电阻后与后级放大器的反相输入端相接，后级放大器的反相输入端同时经可变电阻后与输出端相接，后级放大器的同相输入端经一电阻后与数字地相接；后级放大器的输出端经所述带通滤波器与外部接口相接。
所述带通滤波器包括第二电阻、第三电阻、第一电容和第二电容；第二双路放大器的后级放大器的输出端依序经第一电容和第二电阻后与外部接口的非接地引脚相接，第二电容的两端分别与外部接口的两个引脚相接；第三电阻的一端与外部接口的接地引脚相接，另一端与第一电容和第二电阻的连接节点相接。
在电源模块中，外接直流9V-36V电源通过电源开关后连接滤波电容的一端，滤波电容的另一端接电源地；在滤波电容的两端还并联有EMC气体放电管。滤波电容的非接地端经一保险丝后与二极管的正极相接，二极管的负极经一功率电感后与隔离高压电压源的输入端相接；在隔离高压电压源的输入端与接地端设有并联的旁路电容和去耦电容。在所述去耦电容的两端还并联有瞬态稳压二极管。
本发明中红外发光二极管可选用970nm，驱动电路采用恒流源驱动；针对红外线中波长为780nm-1100nm的近红外短波，所用到的光电二极管可接收到的光波长在320nm-1100nm之间，且根据接收到的光强产生微弱的光电流，将这种微弱的光电流进行整型放大，放大共有三级，第一级放大可调节接收光强灵敏度，第二级放大可以增强输出电压的带载能力，使得外接设备不局限于A/D转换器也可作为控制信号，第三级放大可提高调理后的电压值。
将本发明中装置应用于两相流相含率的检测中，通过同一种介质不同厚度对近红外吸收不同的原理对两相流进行测试，提取有价值的电信号，并进行信号特征提取，计算气相体积含率，建立数学模型。基于不同的气相体积含率，结合本发明装置所得的电信号，建立两相流相含率测量公式，验证本发明装置的合理性与可行性。
附图说明
图1是本发明的电路结构框图。
图2是本发明中电源模块的电路结构图。
图3是本发明中发射模块的电路结构图。
图4是本发明中接收模块的电路结构图。
图5是本发明中电压放大电路图。
具体实施方式
本发明在理论分析及前期工作经验的基础上，根据光电效应机理，对近红外发光二极管所发近红外光透过两相流后光电二极管接收光强与输出电信号之间的关系进行设计。
本发明所提供的近红外接收与发射控制装置整体结构是一个电路板，在电路板上可以设置8个通道，在电路板上设有电源模块、发射模块、接收模块、电压放大电路；同时还设有电源接口、电源开关、电源指示灯、光敏感度调节旋钮、电信号放大旋钮、近红外发射探头接口、光电二极管接收探头接口和电信号输出接口等。
本发明通过驱动红外发光二极管（对应近红外发射探头）和对光电二极管（对应近红外接收探头）接收光强所产生的反向光电流进行电压转化，实现光强的可测量化。下面结合图1-图5对本发明中电源模块、发射模块、接收模块、电压放大电路进行详细描述。
图1是本发明电路结构的总体框图。电源模块用于给发射模块、接收模块和电压放大电路提供所需电压，发射模块用于驱动红外发光二极管，红外发光二极管发出近红外光照射管道里的两相流，近红外光经两相流被吸收部分能量后由光电二极管接收，接收模块可将光电二极管接收光信号后产生的光电流转换为电压输出；电压放大电路用于对接收模块输出的电压值进行放大。
图2是本发明中电源模块的电路结构图。外接电源SVCC为电源模块提供DC9-36V电压，外接电源SVCC通过电源开关S1后连接滤波电容C2的一端，滤波电容C2的另一端接电源地OGND，通过滤波电容C2，可以保证外接电源SVCC的平稳。在滤波电容C2的两端并联有EMC气体放电管D2，EMC气体放电管D2用于防护整个电源模块。EMC气体放电管D2的管脚1与滤波电容C2的非接地端相接，EMC气体放电管D2的管脚3接电源地OGND，EMC气体放电管D2的管脚2接大地PG；同时在大地PG与电源地OGND之间设置有高电压（1KV）电容C8，高电压电容C8可以滤除外界干扰信号。滤波电容C2的非接地端通过自恢复保险丝F1连接二极管D1的正极，保险丝F1能够在后级电路短路等产生大电流时及时断开电源，待电路正常后保险丝F1自动恢复，又可保证电路正常工作。二极管D1可防止电源反接造成电路元件烧毁。二极管D1的负极通过功率电感L1连接旁路电容C6和去耦电容C7，旁路电容C6和去耦电容C7并联设置，旁路电容C6、去耦电容C7以及功率电感L1组成滤波器。在去耦电容C7的两端还并联有瞬态稳压二极管D3，瞬态稳压二极管D3能够将瞬间输入的大电压钳制在一定电压范围内。旁路电容C6和去耦电容C7的两端分别连接隔离高压电压源U2的输入端Vin和地端GND，隔离高压电压源U2的地端GND连接电源地OGND。隔离高压电压源U2是宽电压输入DC±12V输出，且输出DC±12V是隔离输出，能够保证前级干扰不被传输耦合到下级。隔离高压电压源U2具有三个输出端，分别为+Vo、0V和-Vo；输出端+Vo连接电源VCC，输出+12V直流电压；输出端-Vo连接电源VEE，输出-12V直流电压；输出端0V连接数字地DGND，输出0V电压。在电源VCC与数字地DGND之间设置有并联的钽电容C3和钽电容C4，钽电容C3和钽电容C4均起滤波作用。LDO电源芯片U1的输入端Vin通过引脚2连接电源VCC，LDO电源芯片U1的地端G通过引脚1连接数字地DGND，LDO电源芯片U1的输出端Vo通过引脚3连接电源W-VCC，且LDO电源芯片U1的输出端Vo输出DC5V，为发光二极管的驱动提供电压。在电源W-VCC与数字地DGND之间设置有用来滤波的钽电容C5，钽电容C5并联有两个支路，一个支路上为起滤波作用的电容C1，另一支路上设有串联的电阻R1和电源指示灯D4，电阻R1起限流作用，电源指示灯D4的负极连接数字地DGND，通过电源指示灯D4的亮灭可以显示电源模块是否正常工作。
本发明中电源模块采用了DC9-36V输入，隔离输出DC±12V，再由DC+12V转换为DC+5V，这样在输入DC9-36V端不会因市网等干扰影响到下一级电压上，而且该部分电路考虑了EMC防护、防反接保护、短路保护等。
图3是本发明中发射模块的电路结构图。本发明设计了恒流驱动发射电路。图3中示出了双路放大器（即第一双路放大器），分别为第一路放大器U3A（也称前级放大器）和第二路放大器U3B（也称后级放大器），为增强驱动能力将第一路放大器U3A作为跟随器使用。第一路放大器U3A的同相输入端+INA经引脚1连接电源W-VCC，电源W-VCC可提供DC5V电压，第一路放大器U3A的反相输入端-INA经引脚8连接第一路放大器U3A的输出端OUTA，输出端OUTA连接引脚7；第一路放大器U3A的电源负极V-经引脚2连接数字地DGND。第二路放大器U3B的电源正极V+经引脚6连接电源VCC，电源VCC可提供+12V直流电压，第二路放大器U3B的同相输入端+INB经引脚3连接第一路放大器U3A的输出端OUTA，第二路放大器U3B的反相输入端-INB经引脚4连接采样电阻R6的一端，采样电阻R6的另一端接数字地DGND。因此，对于第二路放大器U3B来说，其同相输入端+INB为第一路放大器U3A的输出DC5V，其反相输入端-INB为采样电阻R6端电压，这样构成了比较器。第二路放大器U3B的输出端OUTB经引脚5连接N沟道MOSFET管Q1（MOSFET管简称MOS管）的栅极，N沟道MOSFET管Q1的漏极接电源VCC，N沟道MOSFET管Q1的源极接发光二极管接口P1的引脚1，发光二极管接口P1的引脚2连接采样电阻R6的非接地端。发光二极管接口P1用来连接发光二极管。当采样电阻R6端电压小于DC5V时，N沟道MOSFET管Q1打开，发光二极管有电流流过；当负载发生变化，采样电阻R6端电压大于DC5V则N沟道MOSFET管Q1关闭，发光二极管无电流流过。负载在一定范围内变化时，就构成了PWM波驱动N沟道MOSFET管Q1来控制电流的恒定，驱动发光二极管的电流恒定。
本发明中发射模块采用了恒流驱动的模式，利用放大器与N沟道MOS管相结合的方式，通过输入电压与采样电阻R6两端电压值作比较，在一定的负载范围内，保持输出电流的恒定。
图4是本发明中接收模块的电路结构图。图4中P2为光电二极管接口，其用于连接光电二极管。光电二极管接收到光照，会产生反向光电流。U5为放大器，应用为电流转电压，光电二极管产生的反向电流很小，放大器U5的偏置电流和偏置电压非常小，足够满足转换精度。光电二极管接口P2的引脚1连接放大器U5的引脚3，光电二极管接口P2的引脚2连接放大器U5的引脚2。放大器U5的引脚3和引脚2是两个输入端，放大器U5的引脚1和4悬空，放大器U5的引脚3、引脚5、引脚8均接数字地DGND，放大器U5的引脚6为输出端，放大器U5的引脚7连接电源VCC，电源VCC与数字地DGND之间还设置有电容C11。光电二极管接口P2的引脚2连接电容C10的一端，电容C10的另一端连接放大器U5的引脚6。光电二极管接口P2的引脚2还连接电位器R2的其中一个固定触点，电位器R2的另一固定触点悬空。电容C9与电阻R3并联，且电容C9的一端连接光电二极管接口P2的引脚2，电容C9的另一端连接电位器R2的动触点。电位器R2的动触点连接电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接放大器U5的引脚6。光电二极管接收到光照产生反向电流，反向电流经电位器R2与电阻R3并联的反馈电阻会产生电压输出。电位器R2可以调节光电二极管接收光强的灵敏度，即当电位器R2非常大时，近红外发射探头照射近红外接收探头时会有一部分死区现象出现。所以适当的调节电位器R2电阻值，会改善接收光强的灵敏度，如果近红外光要传输的距离长，则可适当提高电位器R2的电阻值。
图5是本发明中电压放大电路图。当依据图4所示调节好接收光强的灵敏度之后，进入下一级由轨到轨放大器构成的放大电路。轨到轨放大器也是包括两路放大器（即第二双路放大器），分别为第一路放大器U4A（也称前级放大器）和第二路放大器U4B（也称后级放大器）。第一路放大器U4A的同相输入端经引脚3连接图4中电位器R2的动触点，第一路放大器U4A的反相输入端经引脚2连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接第一路放大器U4A的输出端，第一路放大器U4A的输出端连接引脚1。第一路放大器U4A的引脚4连接电源VEE，电源VEE可提供-12V直流电压，在电源VEE与数字地DGND之间设置有电容C14。第一路放大器U4A的引脚8连接电源VCC，在电源VCC与数字地DGND之间设置有电容C12。第一路放大器U4A的输出端经电阻R7后连接第二路放大器U4B的反相输入端，第二路放大器U4B的同相输入端经引脚5连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端接数字地DGND。第二路放大器U4B的引脚4连接电源VEE，第二路放大器U4B的引脚8连接电源VCC。第二路放大器U4B的反相输入端经引脚6连接可变电阻R5的一个固定触点，可变电阻R5的另一个固定触点悬空，可变电阻R5的动触点经引脚7连接第二路放大器U4B的输出端。第二路放大器U4B的输出端经引脚7还连接电容C13的一端，电容C13的另一端经电阻R9连接外部接口P3的引脚1，外部接口P3的引脚2连接数字地DGND。电容C15的两端分别连接外部接口P3的引脚1和引脚2。电阻R10的一端连接数字地DGND，另一端连接在电容C13与电阻R9的连接节点处。电容C13、电阻R10、电阻R9和电容C15构成了带通滤波器。为了保证外部接口P3输出的电压信号具有一定的驱动能力，保证外部接口P3输出的信号可接A/D采集也可作为驱动信号源等，本发明将第一路放大器U4A设计为跟随器，第二路放大器U4B设计为反向放大器，通过调节可变电阻R5的电阻值大小，可以对输出电压值的大小进行调节。
本发明中接收模块采用电流转电压的方式，将光电二极管产生的光电流通过放大器转换成电压值。通过控制该部分放大器的反馈电阻可以控制其接收光强的灵敏度，该反馈电阻阻值越大，则灵敏度越高，但电阻值过大，会出现一部分死区，接收的光电二极管反向电流饱和。将光电二极管产生的光电流通过放大器转换成电压值后，下一级加入反向放大器，对该电压值进行放大。两级联动调节，方便调节灵敏度和放大倍数，这样在实际应用过程中可以更加方便，得到的信号更加稳定。
本发明在竖直管道气液两相流流量的装置内针对两相流的相含率测量提供了实验装置的支持。通过改变管道内水的厚度d对两相流相含率进行测试，经过本发明的信号调理，提取有价值的电信号，并进行信号特征提取，利用非线性数据处理方法得到信号特征参数，计算气相体积含率，建立数学模型。管道内水的厚度d的改变，电信号稳定且衰减趋势也非常明显，由于本发明装置电源部分采用了隔离技术，充分考虑了EMC防护，能够有效地减少噪声的干扰，所以通过采集电信号得到的两相流相含率具有良好的可信度，测量结果更加准确，这样的测量形式更加合理有效。
Claims (4)
1.一种近红外接收与发射控制装置，其特征是，包括电源模块、发射模块和接收模块；
所述电源模块外接直流9V-36V电源；所述电源模块包括隔离高压电压源以及LDO电源芯片， 外接直流9V-36V电源经所述隔离高压电压源后输出+12V、0V和-12V直流电压；LDO电源芯片的输入端连接隔离高压电压源的+12V直流输出端，所述LDO电源芯片的输出端输出+5V的直流电压，所述LDO电源芯片用于为发光二极管的驱动提供电压；
所述发射模块包括发光二极管接口、N沟道MOS管和第一双路放大器；发光二极管接口用于连接发光二极管，发光二极管接口的一个引脚连接N沟道MOS管的源极，发光二极管接口的另一引脚经采样电阻后连接数字地；N沟道MOS管的漏极连接隔离高压电压源的+12V直流输出端，N沟道MOS管的栅极连接第一双路放大器的后级放大器的输出端；第一双路放大器的前级放大器作为跟随器，其同相输入端连接LDO电源芯片的输出端，其反相输入端与其输出端相接；第一双路放大器的前级放大器的输出端连接后级放大器的同相输入端，后级放大器的反相输入端连接采样电阻的非接地端；
所述接收模块包括光电二极管接口、放大器、电位器和第一电阻；光电二极管接口用于连接光电二极管，光电二极管接口的两个引脚分别与放大器的两个输入端相接，且光电二极管接口的其中一个引脚接数字地；电位器和第一电阻并联设置在光电二极管接口的非接地引脚与放大器的输出端之间；放大器用于将电流转化为电压；光电二极管接收到光照后产生反向电流，该反向电流经光电二极管接口再经放大器、电位器以及第一电阻后会产生电压输出；所述电位器用于调节光电二极管接收光强的灵敏度；
所述近红外接收与发射控制装置还包括电压放大电路；所述电压放大电路包括第二双路放大器、带通滤波器和外部接口；第二双路放大器的前级放大器作为跟随器，其同相输入端与接收模块中电位器的动触点相接，其反相输入端经一电阻后与其输出端相接；第二双路放大器的前级放大器的输出端经一电阻后与后级放大器的反相输入端相接，后级放大器的反相输入端同时经可变电阻后与输出端相接，后级放大器的同相输入端经一电阻后与数字地相接；后级放大器的输出端经所述带通滤波器与外部接口相接；
外接直流9V-36V电源通过电源开关后连接滤波电容的一端，滤波电容的另一端接电源地；在滤波电容的两端还并联有EMC气体放电管。
2.根据权利要求1所述的近红外接收与发射控制装置，其特征是，滤波电容的非接地端经一保险丝后与二极管的正极相接，二极管的负极经一功率电感后与隔离高压电压源的输入端相接；在隔离高压电压源的输入端与接地端设有并联的旁路电容和去耦电容。
3.根据权利要求2所述的近红外接收与发射控制装置，其特征是，在所述去耦电容的两端还并联有瞬态稳压二极管。
4.根据权利要求1所述的近红外接收与发射控制装置，其特征是，所述带通滤波器包括第二电阻、第三电阻、第一电容和第二电容；第二双路放大器的后级放大器的输出端依序经第一电容和第二电阻后与外部接口的非接地引脚相接，第二电容的两端分别与外部接口的两个引脚相接；第三电阻的一端与外部接口的接地引脚相接，另一端与第一电容和第二电阻的连接节点相接。
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