王金明，菅少晗，李忠虎，張 飛

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)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(shù)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(xué)鍵的斷裂與重新組合信息，以及中間產(chǎn)物的短暫生成與轉(zhuǎn)換等信息[2]。這些信息是爆燃過程的最直接反映，對(duì)這些信息的獲取是研究爆燃本質(zhì)的重要手段。

瞬態(tài)光譜技術(shù)是研究爆燃過程中間產(chǎn)物常用的方法[2-3]。對(duì)爆燃瞬態(tài)過程的研究離不開高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備。目前，進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集通常借助于高速示波器、高速數(shù)據(jù)采集板卡等設(shè)備。這些設(shè)備通常價(jià)格昂貴，同時(shí)便攜性差。本文設(shè)計(jì)了一款基于光譜吸收法的氣體爆燃過程中間產(chǎn)物檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)丁烷氣體爆燃瞬間CO的變化過程進(jìn)行一定時(shí)間長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)采集。以期望能實(shí)現(xiàn)低成本、小型化的爆燃過程中間產(chǎn)物檢測(cè)。

1 光譜吸收原理

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

I=I0e-αCL

(1)

式中：α為吸收系數(shù)；C為被測(cè)氣體濃度；L為光路吸收長(zhǎng)度。

在α、L、I0為定值的情況下，I與C存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，通過對(duì)光強(qiáng)I對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，間接反映爆燃瞬間中間產(chǎn)物CO氣體濃度C的變化。

2 系統(tǒng)硬件描述

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的基于光譜吸收法的爆燃過程中間產(chǎn)物CO檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

在檢測(cè)系統(tǒng)中，選擇合適波長(zhǎng)的近紅外光作為激光光源；該近紅外光通過準(zhǔn)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(cè)器模塊，將光強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過信號(hào)調(diào)理模塊、高速數(shù)據(jù)采集模塊和STM32模塊組成的系統(tǒng)進(jìn)行CO變化數(shù)據(jù)采集。

2.2 激光光源

對(duì)激光光源的選擇需要根據(jù)被測(cè)氣體的吸收譜線確定。丁烷氣體爆燃瞬間產(chǎn)生的主要中間產(chǎn)物是CO，CO氣體在近紅外波段和中遠(yuǎn)紅外波段都有可測(cè)的光譜吸收峰[6-7]。

本系統(tǒng)使用的激光光源型號(hào)為GM82009C，該激光光源體積小，有USB通訊接口，可以通過計(jì)算機(jī)設(shè)置輸出的近紅外激光波長(zhǎng)；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(zhǔn)直器連接。該激光器可以輸出的近紅外光波長(zhǎng)最大為1 566 nm。CO氣體在1 566 nm波長(zhǎng)的近紅外光下有比較合適的吸收強(qiáng)度，基于實(shí)驗(yàn)設(shè)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(zhǔn)直器，由光纖內(nèi)較為發(fā)散的光轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為集中的平行光束輸出，穿過爆燃裝置中的被測(cè)氣體，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)氣體檢測(cè)。

2.3 爆燃裝置

爆燃裝置由爆燃容器以及爆燃點(diǎn)火裝置組成。爆燃容器選擇一個(gè)圓柱形的硬質(zhì)容器，在容器的側(cè)面容器壁上鉆取2個(gè)左右對(duì)稱的通孔。從準(zhǔn)直器出射的光從一側(cè)通孔穿入，經(jīng)過爆燃容器內(nèi)部，經(jīng)由另一側(cè)的通孔穿出照在光電探測(cè)器的激光接收端口；氣體的引爆通過高壓電弧點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)。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(diǎn)火裝置開關(guān)。爆燃裝置示意圖如圖2所示。

2.4 光電檢測(cè)模塊

光電檢測(cè)模塊包括光電探測(cè)器以及相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路。經(jīng)過被測(cè)氣體吸收的近紅外光由型號(hào)為L(zhǎng)SIPD-A400的PIN光電二極管進(jìn)行檢測(cè)，這種光電探測(cè)器價(jià)格相對(duì)便宜，具有響應(yīng)時(shí)間短以及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。該光電探測(cè)器可響應(yīng)波長(zhǎng)在800～1 700 nm的近紅外光，響應(yīng)時(shí)間約為60 ps，完全能夠滿足爆燃瞬態(tài)過程的檢測(cè)需求。

光電探測(cè)器輸出的微弱電流信號(hào)，經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換以及電壓放大電路的調(diào)理連接到高速數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行信號(hào)采集。微弱的電流信號(hào)通過AD825芯片以及外圍電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電流到電壓的信號(hào)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電壓經(jīng)過兩級(jí)的LF353放大電路，通過可調(diào)電阻實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大倍數(shù)以及偏置電壓的調(diào)整。

2.5 高速數(shù)據(jù)采集模塊

高速數(shù)據(jù)采集模塊以模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9481為核心。該模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)采樣速率為200 MSa/s，高速數(shù)據(jù)采集模塊包括高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及高速數(shù)據(jù)緩存電路，數(shù)據(jù)緩存電路還包含時(shí)鐘信號(hào)時(shí)序的調(diào)整、數(shù)據(jù)鎖存等電路。AD9481芯片轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)以差分的形式輸入，因此還包含單端-差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路；高速數(shù)據(jù)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(shí)間長(zhǎng)度的被測(cè)信號(hào)。AD9481芯片采集模擬信號(hào)采用的單端-差分轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

高速數(shù)據(jù)采集模塊與STM32芯片組成的高速數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示。

光電信號(hào)調(diào)理模塊輸出的信號(hào)經(jīng)圖3的SIGN端口輸入。緩存的數(shù)據(jù)通過STM32模塊讀取，進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

高速數(shù)據(jù)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(shù)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)。高速數(shù)據(jù)采集模塊脫機(jī)獨(dú)立完成160 μs時(shí)間長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)采集，高速數(shù)據(jù)采集任務(wù)完成后，STM32模塊讀取緩存的數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在讀取到緩存數(shù)據(jù)后僅需要將生成的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)生成數(shù)據(jù)變化曲線。爆燃數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)轉(zhuǎn)換模塊的初始化；初始化完成以后LED1點(diǎn)亮，系統(tǒng)等待進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。當(dāng)按鍵KEY1按下時(shí)，啟動(dòng)點(diǎn)火裝置，在輸出光敏信號(hào)的下降沿處啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊，進(jìn)行160 μs的信號(hào)采集；當(dāng)高速數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)緩存滿之后，停止數(shù)據(jù)采集，關(guān)閉點(diǎn)火裝置，LED2點(diǎn)亮，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理狀態(tài)；通過按鍵KEY2控制STM32模塊將緩存數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)；緩存的數(shù)據(jù)發(fā)送完后，LED1點(diǎn)亮，系統(tǒng)等待進(jìn)入下一次數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

通過硬件模塊搭建的爆燃過程CO檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖6所示。

4.2 實(shí)驗(yàn)過程與分析

向爆燃容器內(nèi)充入一定濃度的丁烷氣體，STM32模塊控制啟動(dòng)點(diǎn)火裝置，通過爆燃光敏響應(yīng)信號(hào)的邊沿變化觸發(fā)示波器與爆燃過程CO檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。通過示波器與設(shè)計(jì)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的比對(duì)，來驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的CO檢測(cè)性能。通過高速示波器采集到的響應(yīng)信號(hào)波形圖如圖7所示。

由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用了高壓電弧來進(jìn)行點(diǎn)火引爆，電弧在工作瞬間產(chǎn)生的大電流會(huì)對(duì)周圍電路產(chǎn)生一定的尖峰干擾噪聲。因此，通過圖7的波形圖可知，在時(shí)間點(diǎn)A處啟動(dòng)了點(diǎn)火裝置，在時(shí)間點(diǎn)B處開始發(fā)生爆燃，在時(shí)間點(diǎn)C處CO等中間產(chǎn)物在短時(shí)間內(nèi)迅速增加達(dá)到最大值，之后隨著爆燃過程的結(jié)束而減少。由于使用的近紅外光源的波長(zhǎng)為1 566 nm，爆燃過程產(chǎn)生一定的水蒸氣等產(chǎn)物會(huì)對(duì)CO的檢測(cè)造成影響。這也是時(shí)間點(diǎn)D處爆燃過程結(jié)束之后光強(qiáng)信號(hào)比爆燃之前光強(qiáng)信號(hào)稍弱的一個(gè)因素。

圖7的波形圖中，區(qū)間E處信號(hào)快速下降，下降沿觸發(fā)高速數(shù)據(jù)采集模塊的啟動(dòng)。通過波形數(shù)據(jù)的對(duì)比，在區(qū)間F前的信號(hào)下降幅度比較大，能看到明顯的信號(hào)下降波形；而在區(qū)間F后的波形數(shù)據(jù)又有緩慢的上升區(qū)，只有在區(qū)間F處信號(hào)強(qiáng)度是緩慢下降的。而AD9481模塊采集到的原始數(shù)據(jù)是從70左右緩慢下降到55左右的，與區(qū)間F處160 μs長(zhǎng)度的信號(hào)變化趨勢(shì)相符合。因此，區(qū)間F為爆燃過程CO檢測(cè)系統(tǒng)抓取到的信號(hào)變化區(qū)間。

在示波器上對(duì)區(qū)間F進(jìn)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(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)生成采集數(shù)據(jù)曲線圖如圖9所示。

通過圖8與圖9的對(duì)比，可以看出本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的瞬態(tài)過程數(shù)據(jù)與高速示波器采集的過程數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相同。設(shè)計(jì)的小型化高速光敏信號(hào)采集系統(tǒng)能夠?qū)?60 μs時(shí)間長(zhǎng)度的瞬態(tài)光敏信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)能反映出信號(hào)的瞬態(tài)變化過程。

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)可以對(duì)爆燃瞬間CO變化的光敏信號(hào)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了小型化爆燃過程中間產(chǎn)物檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文僅對(duì)爆燃瞬間的CO變化信號(hào)采集了160 μs的時(shí)間長(zhǎng)度，系統(tǒng)在實(shí)際使用時(shí)，則需要根據(jù)采集目標(biāo)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)度，相應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)緩存深度。若要加大數(shù)據(jù)緩存深度，可用多片72V263芯片對(duì)數(shù)據(jù)緩存電路進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間更長(zhǎng)的瞬態(tài)過程的檢測(cè)。通過對(duì)爆燃過程信號(hào)觸發(fā)機(jī)制的優(yōu)化改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)瞬變區(qū)間更有效的采集。

本文設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)采集模塊與STM32等模塊組合形成高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與傳統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，在價(jià)格成本和便攜性方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。調(diào)整檢測(cè)激光的波長(zhǎng)與相應(yīng)的光電探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)爆燃過程中其他中間產(chǎn)物的檢測(cè)；調(diào)整不同的檢測(cè)傳感器與信號(hào)調(diào)理模塊，不僅能對(duì)瞬態(tài)光敏信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，還能對(duì)其他的瞬態(tài)響應(yīng)過程進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性。