一、高精度酒精测量的重要性

 

高精度的酒精测量在科学研究和化学工业中具有重要性。它不仅可以帮助科研人员准确测量和控制实验中的酒精含量，促进科学研究的进展，还可以在化学工业中实现生产过程的监控和质量控制，提高生产效率和产品质量，同时也有助于安全管理和防范酒精泄漏事故。

 

• 科学研究：在科学研究中，酒精测量常用于实验室实验和数据分析。高精度的酒精测量可以帮助研究人员准确测量和控制实验中的酒精含量，确保实验结果的可靠性和可重复性。例如，在生物医学研究中，酒精测量可以帮助研究人员了解酒精对细胞和组织的影响，从而深入研究相关的疾病机制和治疗方法。

• 化学工业：在化学工业中，高精度的酒精测量对于生产过程的监控和质量控制非常重要。酒精是许多化学反应和工艺的重要组成部分，其浓度的准确控制对于确保产品的质量和稳定性至关重要。高精度的酒精测量可以帮助工程师和操作人员实时监测和调整酒精浓度，从而提高生产效率和产品质量。

• 安全管理：在化学工业中，高精度的酒精测量也用于安全管理和防范酒精泄漏事故。酒精是易燃易爆的物质，其泄漏可能引发火灾和爆炸等危险。通过高精度的酒精测量，可以及时发现和控制酒精泄漏，保障工作场所的安全。

二、酒精检测的一些应用

• 呼气酒精测试：呼气酒精测试是一种常见的非侵入性检测方法，通过测量被测试者呼出的气体中的酒精含量来判断其酒精浓度。常见的呼气酒精测试仪包括呼气酒精测试仪和口腔呼气酒精测试仪。

• 血液酒精测试：，通过采集被测试者的血液样本，使用专用的酒精测量仪器进行分析，来确定其血液中的酒精含量。

• 唾液酒精测试：通过采集被测试者的唾液样本，使用特定的试纸或酒精测量仪器进行分析，来判断其唾液中的酒精含量。

• 尿液酒精测试：通过采集被测试者的尿液样本，使用特定的试纸或酒精测量仪器进行分析，来判断其尿液中的酒精含量。

• 现场快速测试：现场快速测试是一种便携式的酒精检测方法，常见的有酒精测试纸和酒精测试仪器。

三、酒精原理的探析

对上述酒精测试原理进行了分析，主要基于酒精与其他物质之间的化学反应或物理性质的差异。

常见的酒精检验原理包括：

• 气体浓度法：基于酒精在呼气气体中的浓度来判断酒精含量。呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量存在一定的关系，通过测量呼气气体中的酒精浓度，可以估算出血液中的酒精含量。

• 化学反应法：基于酒精与特定试剂之间的化学反应来进行检验。常见的化学反应法包括酶法和氧化还原法。例如，酒精酶法利用酒精酶催化酒精与辅酶NAD+之间的反应，产生可测量的光学信号或电化学信号，从而确定酒精的含量。

• 光学测量法：基于酒精与特定物质之间的光学性质差异来进行检验。例如，红外光谱法利用酒精分子在红外光谱范围内的吸收特性来测量酒精含量。通过测量样品吸收红外光的强度，可以推算出酒精的浓度。

• 物理性质测量法：基于酒精与其他物质之间的物理性质差异来进行检验。例如，密度法通过测量液体中的密度来判断酒精含量。由于酒精和水等溶剂的密度不同，可以通过测量液体的密度来确定酒精的浓度。

 

四、具体优缺点分析及项目原理的选择

• 气体浓度法：以呼气酒精测试为例  优点：非侵入性，操作简单，结果迅速可得，适用于现场快速筛查。 缺点：准确度受多种因素影响，包括测试仪器的质量和校准情况、测试者的呼气技巧，吃食引用、测试环境等，结果可能受到外界因素的影响
• 化学反应法：主要为气相色谱法、质谱法，但是要考虑产物是否稳定的，能否长期保存下去，醇类物质反应是否彻底，测量是否相对繁琐，结果精确度是否与测试者本身有很大关联，酒精测量的时间是不是有很大的限制，最重要需要注意安全性。酒精是易燃物质，操作时要注意防止火灾和爆炸的发生。
• 谱学方法：光谱学方法，包括非色散红外(NDIR)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、差分吸收激光雷达(DIAL)、差分光学吸收光谱(DOAS)和可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）等，是通过测量酒精分子对特定波长光的吸收或散射来测量酒精浓度的。这些方法无需样品准备，可以实现快速、非破坏、高效、动态的测量，适用于现场快速检测以及实时在线分析。优点很多，基本没有缺点，很赞。

五、设计过程

光谱学方法在酒精测量中具有许多优点。这些方法无需样品准备，可以直接对酒精样品进行测量，避免了繁琐的前处理步骤。光谱学方法还能够实现快速测量，通常只需要几秒钟到几分钟的时间就可以得到结果。

非色散红外(NDIR)是一种常用的光谱学方法，通过测量酒精分子在红外波段的吸收来判断酒精浓度。傅立叶变换红外光谱(FTIR)则可以提供更详细的光谱信息，可以用于定量分析和酒精分子结构的研究。

差分吸收激光雷达(DIAL)和差分光学吸收光谱(DOAS)是利用激光的散射和吸收特性来测量酒精浓度的方法。这些方法可以实现远距离测量，并且对环境干扰较为稳定。

可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS）是一种基于激光的光谱学方法，通过测量酒精分子对特定波长激光的吸收来测量酒精浓度。TDLAS具有高分辨率、高灵敏度和快速响应的特点，适用于高精度的酒精测量。

光谱学方法在酒精测量中具有高效、动态和非破坏性的特点，适用于现场快速检测和实时在线分析。这是我在schem it 的设计的流程图附加链接

六、设计要求：

在数据采集方面：

1. 选择高质量的传感器和放大器，以最大程度地减少信号噪声和漂移。这些组件应该具有低噪声、高增益和低漂移的特点。

2. 采用高速、低抖动的增强隔离器件，以最大程度地减少信号传输过程中的干扰和失真。这些隔离器件应该具有高速度、低抖动、高隔离度和低失真的特点。

3. 选择低噪声、低EMI的电源，以最大程度地减少系统中的电源噪声和干扰。这些电源应该具有低噪声、低EMI、高效率和低纹波的特点。

4. 优化信号处理算法，以最大程度地提高信噪比、带宽和动态范围。这些算法应该能够有效地抑制噪声、提高信号质量，并且具有高效率和低延迟的特点。

七、芯片选型

TLC2652 和 TLC2652A 是高精度斩波稳定运算放大器，选自ti公司，适用于低电平信号处理应用，具有极高的直流精度和低频噪声电压。它们的输入共模范围包括负电源轨，且需要两个外部电容器，具有低频噪声电压的显著降低。这意味着它们能够提供更清晰、更准确的信号放大，减少了噪声对信号质量的影响。在精密仪器的测量中由于TLC2652和TLC2652A采用了CMOS输入级，具有极高的输入阻抗。这意味着它们对输入信号的影响非常小，能够准确地放大低电平信号，同时还能提供高阻抗输入，减少了对传感器的负载影响。

综上所述，TLC2652和TLC2652A是非常理想的选择，特别适用于需要高精度和低噪声的低电平信号处理应用

TLC2652，芯片应用两级设计，第一级为双通道放大器，第二级为单通道放大器的电路，第一级为双通道放大器，第二级为单通道放大器的电路斩波稳定运算放大器提供所有单芯片运算放大器中最佳的直流性能。这种卓越的性能是使用两个运算放大器（一个主放大器和一个调零放大器）以及振荡器控制的逻辑和两个外部电容器来创建一个表现为单个放大器的系统的结果。

 

降低基准电压源的噪声是实现高精度数据转换器系统的关键因素之一。选择低噪声的基准电压源和电路元件、使用低通滤波器以滤除高频噪声以及选择合适的采样时间和频率范围可以有效降低噪声误差。在数据采集系统中，缓冲模拟输入信号和基准电压的设计同样重要。输入缓冲器可以防止输入信号的干扰，并提供稳定的基准电压。确保正确设计和选择输入缓冲器，以确保输入信号和基准电压的准确性和稳定性。

 

EF5025系列是一款具有高精度、低噪声、低漂移的产品系列，特别适用于高精度数据采集系统。该系列产品提供了低噪声、低漂移和高精度的电压基准，能够同时支持灌电流和拉电流，并具有出色的线性调整率和负载调整率。

REF5025系列采用了专有的设计技术，实现了出色的温度漂移（仅为3ppm/°C）和高精度（仅为0.05%）。这些特性加上非常低的噪声，使得REF50xx系列非常适合于需要高精度的数据采集系统。可以实现系统优化，提高信噪比、带宽和动态范围，从而最大限度地减少测量误差，提高测量精度。

八、技术细节

• 设计高精度电路时，热电效应是一个重要的考虑因素。通过注意元件选择和电路布局，可以最大限度地减少热电效应的影响，从而实现更高的精度和性能

• 电源设计时：

  整体电路设计功率要求不高，不考虑开关电源，线性电源是一种将交流电转换为稳定直流电的电源，其输出具有较低的纹波和噪声。但线性电源的效率较低，体积较大，成本较高

  通过整流和滤波电路将其转换为直流电。滤波电路可以有效地去除纹波和噪声，从而获得较为稳定的直流输出。

• 在选择输入缓冲器和滤波器时，必须考虑系统的生增益峰值。生增益峰值是指在系统中信号被放大的最大增益值。确保选择的缓冲器和滤波器能够处理和限制这个增益峰值。通过选择低噪声的运算放大器和使用适当的滤波器来实现。防止过分滤波导致测量精度不够     
• 输入旁路电容器和降噪电容器：为了获得最佳性能，必须添加输入旁路电容器和降噪电容器。输入旁路电容器用于阻止高频噪声进入系统，而降噪电容器用于去除系统中的低频噪声。这些电容器的选择和布局应该与系统的其他组件相匹配，以确保最佳性能。电容器的参数，如容值和电压额定值，应根据系统需求进行选择。确保选择的电容器能够提供所需的容值和频率响应。                                                                                                              
• 正确选择基准电压源可以确保数据采集系统具有准确和稳定的基准电压，从而提高系统的性能和精度。基准电压源的精度和稳定性对于数据采集系统的准确性至关重要。确保正确设计和选择输入缓冲器，以确保输入信号和基准电压的准确性和稳定性。                          
• 酒精易于挥发，受温度影响较大，而TLC2652A具有斩波稳定技术，它们能够在温度、时间、共模电压和电源电压变化期间连续清零输入失调电压，从而实现了极高的直流精度。这使得它们非常适合处理低电平信号

• 在设计系统时，需要综合考虑初始精度、焊料偏移和其他误差源，并选择合适的校准方法来减小这些误差的影响

 

九、光学原理补充

光电二极管是一种半导体器件，由P型和N型半导体材料组成。当光照射到光电二极管上时，光子会激发半导体中的电子，使其跃迁到导带中，从而产生电流。这个电流的大小与光照强度成正比。为了将光电二极管输出的微弱电流信号转换为更强的电压信号，需要使用放大器来放大信号。放大器可以增加电流信号的幅度，以便后续的处理和控制。光电二极管广泛应用于光通信、光电传感和光学测量领域。在光通信中，光电二极管被用作光接收器，将光信号转换为电信号，以便在光纤中传输和处理。在光电传感中，光电二极管被用来检测和测量光强、光功率等参数。在光学测量中，光电二极管被用来测量光频率、光幅度等。

常见光电二极管选型

1. BPW34：BPW34是一种高速光电二极管，适用于光通信和光电传感应用。它具有快速响应和高灵敏度的特点。
2. PIN-3BG：PIN-3BG是一种高速光电二极管，适用于高频率和低噪声应用。它具有低暗电流和宽带宽的特点。
3. TEMD6200FX01：TEMD6200FX01是一种环境光传感器，用于测量环境光强度。它具有高灵敏度和广泛的光谱响应范围。
4. TSL235R：TSL235R是一种光强度传感器，用于测量光照强度。它具有高线性度和低功耗的特点。

十、单片机原理补充

软件滤波：

限幅滤波

1、方法

根据经验判断两次采样允许的最大偏差值A

每次采新值时判断：若本次值与上次值之差<=A，则本次有效；若本次值与上次值之差>A，本次无效，用上次值代替本次。

2、优缺点

克服脉冲干扰，无法抑制周期性干扰，平滑度差。

3、代码

/* A值根据实际调，Value有效值，new_Value当前采样值，程序返回有效的实际值 */

#define A 10

char Value;

char filter()

{

  char new_Value;

  new_Value = get_ad();                                        //获取采样值

  if( abs(new_Value - Value) > A)   return Value;             //abs()取绝对值函数

  return new_Value;

}

中位值滤波

1、方法

连续采样N次，按大小排列

取中间值为本次有效值

2、优缺点

克服波动干扰，对温度等变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果，对速度等快速变化的参数不宜。

3、代码

#define N 11

char filter()

{

 char value_buf[N];

 char count,i,j,temp;

 for(count = 0;count < N;count++)                                //获取采样值

 {

  value_buf[count] = get_ad();

  delay();

 }

 for(j = 0;j<(N-1);j++)

  for(i = 0;i<(n-j);i++)

  if(value_buf[i]>value_buf[i+1])

  {

   temp = value_buf[i];

   value_buf[i] = value_buf[i+1];

   value_buf[i+1] = temp;

  }

 return value_buf[(N-1)/2];

}

算数平均滤波

1、方法

连续采样N次，取平均

N较大时平滑度高，灵敏度低

N较小时平滑度低，灵敏度高

一般N=12

2、优缺点

适用于存在随机干扰的系统，占用RAM多，速度慢。

3、代码

#define N 12

char filter()

{

int sum = 0;

for(count = 0;count<N;count++)

sum += get_ad();

return (char)(sum/N);

}

递推平均滤波

1、方法

取N个采样值形成队列，先进先出

取均值

一般N=4~12

2、优缺点

对周期性干扰抑制性好，平滑度高

适用于高频振动系统

灵敏度低，RAM占用较大，脉冲干扰严重

3、代码

/* A值根据实际调，Value有效值，new_Value当前采样值，程序返回有效的实际值 */

#define A 10

char Value;

char filter()

{

  char new_Value;

  new_Value = get_ad();                                        //获取采样值

  if( abs(new_Value - Value) > A)   return Value;             //abs()取绝对值函数

  return new_Value;

}

中位值平均滤波

1、方法

采样N个值，去掉最大最小

计算N-2的平均值

N= 3~14

2、优缺点

融合了中位值，平均值的优点

消除脉冲干扰

计算速度慢，RAM占用大

3、代码

char filter()

{

 char count,i,j;

 char Value_buf[N];

 int sum=0;

 for(count=0;count<N;count++)

  Value_buf[count]= get_ad();

 for(j=0;j<(N-1);j++)

  for(i=0;i<(N-j);i++)

   if(Value_buf[i]>Value_buf[i+1])

   {

     temp = Value_buf[i];

     Value_buf[i]= Value_buf[i+1];

      Value_buf[i+1]=temp;

   }

   for(count =1;count<N-1;count++)

    sum += Value_buf[count];

   return (char)(sum/(N-2));

}

十一、数据处理分析

1. 数据预处理：对导入的数据进行必要的预处理，数据清洗、缺失值处理、异常值处理等。
2. 数据分析：根据具体的数据分析目的，选择合适的分析方法和算法。可以统计分析、回归分析、信号处理等。
3. 数据可视化：使用MATLAB的绘图函数和工具箱将数据可视化，以便更好地理解数据和分析结果。可以绘制各种图表。
4. 误差分析：残差平方和（Residual Sum of Squares，RSS）：表示实际观测值与拟合曲线之间的差异。         均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）：表示实际观测值与拟合曲线之间的平均差异。       决定系数（Coefficient of Determination，R-squared）：表示拟合曲线能够解释因变量变异的比例。相对误差（Relative Error）：表示实际观测值与拟合曲线之间的相对差异。拟合优度（Goodness of Fit）：表示拟合曲线与实际观测值的整体拟合程度。

十二、结果展示

拟合效果(部分)