基于光譜吸收法的爆燃過程CO檢測系統設計

王金明，菅少晗，李忠虎，張 飛

(內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古包頭 014010)

0 引言

爆燃過程通常在瞬間完成，在短暫的過程中，包含了豐富的過程信息。從宏觀角度來說，壓力、溫度、速度等參數反映了爆燃過程變化的信息[1]；從微觀角度來說，包含著氣體爆燃瞬間化學鍵的斷裂與重新組合信息，以及中間產物的短暫生成與轉換等信息[2]。這些信息是爆燃過程的最直接反映，對這些信息的獲取是研究爆燃本質的重要手段。

瞬態(tài)光譜技術是研究爆燃過程中間產物常用的方法[2-3]。對爆燃瞬態(tài)過程的研究離不開高速數據采集設備。目前，進行高速數據采集通常借助于高速示波器、高速數據采集板卡等設備。這些設備通常價格昂貴，同時便攜性差。本文設計了一款基于光譜吸收法的氣體爆燃過程中間產物檢測系統，并對丁烷氣體爆燃瞬間CO的變化過程進行一定時間長度的數據采集。以期望能實現低成本、小型化的爆燃過程中間產物檢測。

1 光譜吸收原理

光譜吸收法是本文實現CO氣體檢測的理論基礎[4]，被測氣體分子對光能量的吸收具有選擇性。被測氣體的吸光度與氣體分子濃度存在一定關系，朗伯-比爾定律是此關系的具體表述，是光譜吸收法的理論基礎[5]。該定律可以表述為：在光的波長與氣體分子吸收波長相同的情況下，原始光強為I0的光通過被測氣體后，光強衰減為I，而I0與I之間關系如式(1)所示：

I=I0e-αCL

(1)

式中：α為吸收系數；C為被測氣體濃度；L為光路吸收長度。

在α、L、I0為定值的情況下，I與C存在著一定的對應關系。本文設計的系統，通過對光強I對應電壓信號的數據采集，間接反映爆燃瞬間中間產物CO氣體濃度C的變化。

2 系統硬件描述

2.1 系統整體結構

本文設計的基于光譜吸收法的爆燃過程中間產物CO檢測系統的整體結構圖如圖1所示。

在檢測系統中，選擇合適波長的近紅外光作為激光光源；該近紅外光通過準直器，在爆燃容器中被CO氣體吸收；吸收后的光照射到光電探測器模塊，將光強轉變?yōu)殡娦盘枺ㄟ^信號調理模塊、高速數據采集模塊和STM32模塊組成的系統進行CO變化數據采集。

2.2 激光光源

對激光光源的選擇需要根據被測氣體的吸收譜線確定。丁烷氣體爆燃瞬間產生的主要中間產物是CO，CO氣體在近紅外波段和中遠紅外波段都有可測的光譜吸收峰[6-7]。

本系統使用的激光光源型號為GM82009C，該激光光源體積小，有USB通訊接口，可以通過計算機設置輸出的近紅外激光波長；激光輸出接口為FC規(guī)格，可方便地通過光纖將激光光源與準直器連接。該激光器可以輸出的近紅外光波長最大為1 566 nm。CO氣體在1 566 nm波長的近紅外光下有比較合適的吸收強度，基于實驗設備條件，選擇1 566 nm的近紅外光作為激光光源。光源輸出的近紅外光通過光纖準直器，由光纖內較為發(fā)散的光轉變?yōu)檩^為集中的平行光束輸出，穿過爆燃裝置中的被測氣體，實現對被測氣體檢測。

2.3 爆燃裝置

爆燃裝置由爆燃容器以及爆燃點火裝置組成。爆燃容器選擇一個圓柱形的硬質容器，在容器的側面容器壁上鉆取2個左右對稱的通孔。從準直器出射的光從一側通孔穿入，經過爆燃容器內部，經由另一側的通孔穿出照在光電探測器的激光接收端口；氣體的引爆通過高壓電弧點火實現。在容器的底部將電弧的放電端固定，STM32模塊通過S8550三極管控制電弧點火裝置開關。爆燃裝置示意圖如圖2所示。

2.4 光電檢測模塊

光電檢測模塊包括光電探測器以及相應的信號調理電路。經過被測氣體吸收的近紅外光由型號為LSIPD-A400的PIN光電二極管進行檢測，這種光電探測器價格相對便宜，具有響應時間短以及使用方便等優(yōu)點。該光電探測器可響應波長在800～1 700 nm的近紅外光，響應時間約為60 ps，完全能夠滿足爆燃瞬態(tài)過程的檢測需求。

光電探測器輸出的微弱電流信號，經過I/V轉換以及電壓放大電路的調理連接到高速數據采集模塊進行信號采集。微弱的電流信號通過AD825芯片以及外圍電阻網絡實現電流到電壓的信號轉換，轉換后的電壓經過兩級的LF353放大電路，通過可調電阻實現信號放大倍數以及偏置電壓的調整。

2.5 高速數據采集模塊

高速數據采集模塊以模數轉換芯片AD9481為核心。該模數轉換電路的設計采樣速率為200 MSa/s，高速數據采集模塊包括高速模數轉換電路以及高速數據緩存電路，數據緩存電路還包含時鐘信號時序的調整、數據鎖存等電路。AD9481芯片轉換的模擬信號以差分的形式輸入，因此還包含單端-差分信號轉換電路；高速數據緩存電路采用IDT 72V263芯片，文中電路采用了2片72V263芯片，在200 MSa/s的采樣速率下能緩存約160 μs時間長度的被測信號。AD9481芯片采集模擬信號采用的單端-差分轉換電路如圖3所示。

高速數據采集模塊與STM32芯片組成的高速數據采集電路如圖4所示。

光電信號調理模塊輸出的信號經圖3的SIGN端口輸入。緩存的數據通過STM32模塊讀取，進行后續(xù)的數據處理。

3 系統軟件實現

高速數據采集模塊由STM32模塊控制完成初始化，初始化完成后STM32控制模數轉換啟動。高速數據采集模塊脫機獨立完成160 μs時間長度的數據采集，高速數據采集任務完成后，STM32模塊讀取緩存的數據。本文設計的系統在讀取到緩存數據后僅需要將生成的數據通過串口發(fā)送到計算機生成數據變化曲線。爆燃數據采集系統的主程序流程圖如圖5所示。

STM32模塊上電后首先完成I/O端口以及高速模數轉換模塊的初始化；初始化完成以后LED1點亮，系統等待進入數據采集狀態(tài)。當按鍵KEY1按下時，啟動點火裝置，在輸出光敏信號的下降沿處啟動數據采集模塊，進行160 μs的信號采集；當高速數據采集模塊的數據緩存滿之后，停止數據采集，關閉點火裝置，LED2點亮，系統進入數據處理狀態(tài)；通過按鍵KEY2控制STM32模塊將緩存數據通過串口發(fā)送到計算機；緩存的數據發(fā)送完后，LED1點亮，系統等待進入下一次數據采集狀態(tài)。

4 實驗與分析

4.1 實驗裝置

通過硬件模塊搭建的爆燃過程CO檢測系統實物圖如圖6所示。

4.2 實驗過程與分析

向爆燃容器內充入一定濃度的丁烷氣體，STM32模塊控制啟動點火裝置，通過爆燃光敏響應信號的邊沿變化觸發(fā)示波器與爆燃過程CO檢測系統進行數據的采集。通過示波器與設計系統采集數據的比對，來驗證設計系統的CO檢測性能。通過高速示波器采集到的響應信號波形圖如圖7所示。

由于實驗系統采用了高壓電弧來進行點火引爆，電弧在工作瞬間產生的大電流會對周圍電路產生一定的尖峰干擾噪聲。因此，通過圖7的波形圖可知，在時間點A處啟動了點火裝置，在時間點B處開始發(fā)生爆燃，在時間點C處CO等中間產物在短時間內迅速增加達到最大值，之后隨著爆燃過程的結束而減少。由于使用的近紅外光源的波長為1 566 nm，爆燃過程產生一定的水蒸氣等產物會對CO的檢測造成影響。這也是時間點D處爆燃過程結束之后光強信號比爆燃之前光強信號稍弱的一個因素。

圖7的波形圖中，區(qū)間E處信號快速下降，下降沿觸發(fā)高速數據采集模塊的啟動。通過波形數據的對比，在區(qū)間F前的信號下降幅度比較大，能看到明顯的信號下降波形；而在區(qū)間F后的波形數據又有緩慢的上升區(qū)，只有在區(qū)間F處信號強度是緩慢下降的。而AD9481模塊采集到的原始數據是從70左右緩慢下降到55左右的，與區(qū)間F處160 μs長度的信號變化趨勢相符合。因此，區(qū)間F為爆燃過程CO檢測系統抓取到的信號變化區(qū)間。

在示波器上對區(qū)間F進行放大，區(qū)間F處示波器波形圖如圖8所示。

爆燃過程CO檢測系統采集的數據通過串口發(fā)送到計算機生成采集數據曲線圖如圖9所示。

通過圖8與圖9的對比，可以看出本文所設計的數據采集系統采集的瞬態(tài)過程數據與高速示波器采集的過程數據變化趨勢相同。設計的小型化高速光敏信號采集系統能夠對160 μs時間長度的瞬態(tài)光敏信號進行數據采集，采集的數據能反映出信號的瞬態(tài)變化過程。

5 結論

實驗表明系統可以對爆燃瞬間CO變化的光敏信號進行高速數據采集，實現了小型化爆燃過程中間產物檢測系統的設計。本文僅對爆燃瞬間的CO變化信號采集了160 μs的時間長度，系統在實際使用時，則需要根據采集目標信號的響應時間長度，相應地調整數據緩存深度。若要加大數據緩存深度，可用多片72V263芯片對數據緩存電路進行結構上的擴展，從而實現對時間更長的瞬態(tài)過程的檢測。通過對爆燃過程信號觸發(fā)機制的優(yōu)化改進，可實現對信號瞬變區(qū)間更有效的采集。

本文設計的高速數據采集模塊與STM32等模塊組合形成高速數據采集系統與傳統的高速數據采集系統相比，在價格成本和便攜性方面有著明顯的優(yōu)勢。調整檢測激光的波長與相應的光電探測器，可以實現對爆燃過程中其他中間產物的檢測；調整不同的檢測傳感器與信號調理模塊，不僅能對瞬態(tài)光敏信號進行數據采集，還能對其他的瞬態(tài)響應過程進行檢測，系統具有較好的擴展性。