基于STM32 單片機光纖傳感系統的研究

湯龍飛，于會山，王宗良

（聊城大學物理科學與信息工程學院，聊城252059）

0 引言

氣體的實時準確檢測對當今社會的各行各業(yè)起著越來越重要的作用[1]，特別有毒和易燃易爆等對人民生命安全造成威脅氣體的快速檢測就顯得尤為重要[2]。雖然在國內對于危險氣體已經有了比較成熟的電化學式氣體傳感器，但是電化學式氣體傳感器的缺點也是極大。首先電化學式氣體傳感器容易引起電火花從而引發(fā)氣體爆炸，其次電化學式氣體傳感器的壽命極短，平均壽命只有兩年更換頻繁[3]。光纖傳感具有抗干擾能力強，絕緣性好，具有極高的靈敏度、耐高溫、測量速度快等優(yōu)點[4]。因此對于易燃易爆氣體的檢測光纖傳感器有著電化學式傳感器無法比擬的優(yōu)勢[5]。本文在光纖傳感的基礎上基于光聲光譜技術進行檢測，光聲光譜技術是將檢測氣體吸收光能后產生的熱能通過聲壓釋放出來而后被微音器檢測。與電化學式傳感器檢測方法相比光聲光譜技術具有不消耗氣體、檢測時間短、系統結構簡單等優(yōu)點。

1 基本原理

本文中光纖傳感氣體檢測的基本原理就是光聲效應，如圖1 所示光聲效應就是待測氣體受到激光照射導致待測氣體吸收了一定的光能從而使氣體分子從基態(tài)變化到激發(fā)態(tài)，在密閉的容器中經過膨脹冷卻后返回基態(tài)時產生熱能，根據氣體定律可知，一定質量的氣體在體積不變的情況下，氣體溫度發(fā)生變化，壓強也會隨之改變，壓強的改變形成了聲波[6]。

圖1 光纖傳感氣體檢測流程

本實驗通過鎖定中心波長獲得的光聲信號的噪聲更小，通過檢測二次諧波峰值來作為氣體濃度的有效信號，因為一次諧波信號中不僅僅包含了氣體吸收光能產生的信號還有未被氣體吸收的調制光[7]。氣體吸收中心波長的鎖定是通過采用單片機發(fā)射固定周期的鋸齒波信號疊加高頻正弦波信號用來作為激光器驅動信號，激光器照射的激光經過光聲池氣體吸收后產生光聲信號，經微音器檢測轉換為電流傳給前置放大器，前置放大器將電流放大并轉換為電壓，隨后被鎖相放大器檢測，最后檢測出來的二次諧波的峰峰值對應的鋸齒波電流即為激光器的驅動電流，并將驅動電流反饋給單片機，而后單片機持續(xù)產生驅動電流。氣體中心波長鎖定后，不再用掃描信號進行激光器波長的掃描，減小了測量周期，同時可以在氣體吸收波長鎖定的基礎上優(yōu)化鎖相放大器帶寬進一步提高系統信噪比。氣體中心波長鎖定如圖2 所示。

圖2 二次諧波和激光器驅動信號

2 系統硬件設計

氣體檢測系統結構如圖3 所示，整體系統裝置有紅外光源、氣室、STM32 單片機、微音器、前置放大器、鎖相放大器以及傳輸光纖等組成。

在光聲池內由光信號轉換成聲信號總是伴隨著能量的衰減，為了解決這種問題，一種方法是加強激光頻率，但是這種方法的成本太高并且效果甚微，因此本實驗通過設計光聲池諧振腔的尺寸使得聲波在光聲池中產生共振從而實現增強信號的作用。光聲池兩端設有氣體緩沖區(qū)，以用來降低池內氣體流動對光聲信號采集所造成的干擾，將微音器置于光聲池的中間位置用來探測最大的光聲信號，在兩端氣體緩沖區(qū)的上面分別設有進氣口和出氣口，以此來降低開口對光聲信號的影響。本實驗所采用的共振光聲池，最佳共振頻率為5.2KHz，故光源的高頻調制信號設定為2.6KHz 的正弦波，同時由信號發(fā)生器產生5.2KHz 的方波作為鎖相放大電路的參考解調信號。根據HITRAN 中的數據顯示，水蒸氣的吸收線在1368nm 處的吸收強度最大，因此本系統中的紅外光源采用的是四川致遠光科技公司中心波長為1370nm 的14 針蝶形分布反饋式激光器，實測激光器中心波長為1368nm。由單片機和信號發(fā)生器共同作用來控制激光器產生調制激光。

單片機的是本實驗的重要部件之一,采用STM32F4 系列單片機作為氣體檢測系統采集和處理部分的核心。STM32F4 系列單片機是由意法半導體開發(fā)的一種高性能的微控制器[8]。它采用多達7 重AHB 總線矩陣和多通道DMA 控制器，支持程序執(zhí)行和數據傳輸的并行處理，因此具有超快速數據傳送功能。STM32F4 是內部集成了兩路12 位的D/A 和三路12 位的A/D，且A/D 轉換僅需要0.41us 即可完成，其集成了單精度FPU，提升控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率，使系統的性能得到更好的優(yōu)化。

圖3 系統總體結構

3 結果顯示

實驗中采用的固定流速的水汽作為實驗的靶氣體來驗證系統的可靠性。從圖4（a）中可以看出不鎖頻前光聲信號的幅度差值大約是21mv，從圖4（b）中看出鎖頻之后光聲信號的幅度差值大幅度降低只有8mv 左右，經過鎖頻前后可以對比出鎖頻后的光聲信號更加穩(wěn)定。

圖4

本實驗通過五組已標定濃度的水汽進行實驗檢測，將測得二次諧波峰值進行線性擬合。通過實驗測得五種不同濃度水汽對應的二次諧波信號的峰值分別為0.22v、0.45v、0.61v、0.86v、1.17v，對五種不同濃度水汽氣體進行擬合，所測擬合度達到0.9992，可以看出經鎖頻后該系統對水汽的檢測有著極高的準確度。

圖5 五組不同濃度的水汽對應的擬合曲線

4 結語

本文介紹了基于STM32F42 單片機的水汽濃度檢測系統的硬件組成，構建了一個鎖頻信號和諧波檢測相結合的氣體濃度檢測系統，通過優(yōu)化光聲池使光聲信號得到了有效的增強，有效地增加了系統的抗干擾能力和二次諧波的檢測能力。選擇氣體吸收中的二次諧波光聲信號最大值實現了氣體吸收峰的鎖定，減小了測量時間，相比之前的三次諧波不再需要光電探測器，簡化了系統結構。此裝置對水汽的擬合度高達0.9992，體現出了極高的準確度，在各種氣體檢測領域有著廣泛的應用前景。