王金明，菅少晗，李忠虎，張 飛

(內(nèi)蒙古科技大學信息工程學院，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(chǎn)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(shù)據(jù)采集設備。目前，進行高速數(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(chǎn)物檢測系統(tǒng)，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(shù)據(jù)采集。以期望能實現(xiàn)低成本、小型化的爆燃過程中間產(chǎn)物檢測。

1 光譜吸收原理

光譜吸收法是本文實現(xiàn)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(shù)；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(tǒng)，通過對光強I對應電壓信號的數(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)整體結構

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

在檢測系統(tǒng)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?，通過信號調(diào)理模塊、高速數(shù)據(jù)采集模塊和STM32模塊組成的系統(tǒng)進行CO變化數(shù)據(jù)采集。

2.2 激光光源

對激光光源的選擇需要根據(jù)被測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紅外波段都有可測的光譜吸收峰[6-7]。

本系統(tǒng)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(nèi)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(xiàn)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(jīng)過爆燃容器內(nèi)部，經(jīng)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(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(diào)理電路。經(jīng)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(jīng)過I/V轉換以及電壓放大電路的調(diào)理連接到高速數(shù)據(jù)采集模塊進行信號采集。微弱的電流信號通過AD825芯片以及外圍電阻網(wǎng)絡實現(xiàn)電流到電壓的信號轉換，轉換后的電壓經(jīng)過兩級的LF353放大電路，通過可調(diào)電阻實現(xiàn)信號放大倍數(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)轉換芯片AD9481為核心。該模數(shù)轉換電路的設計采樣速率為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)緩存電路還包含時鐘信號時序的調(diào)整、數(shù)據(jù)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(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(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。

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

3 系統(tǒng)軟件實現(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)轉換啟動。高速數(shù)據(jù)采集模塊脫機獨立完成160 μs時間長度的數(shù)據(jù)采集，高速數(shù)據(jù)采集任務完成后，STM32模塊讀取緩存的數(shù)據(jù)。本文設計的系統(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)送到計算機生成數(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)轉換模塊的初始化；初始化完成以后LED1點亮，系統(tǒng)等待進入數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集模塊，進行160 μs的信號采集；當高速數(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，關閉點火裝置，LED2點亮，系統(tǒng)進入數(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)送到計算機；緩存的數(shù)據(jù)發(fā)送完后，LED1點亮，系統(tǒng)等待進入下一次數(shù)據(jù)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(tǒng)實物圖如圖6所示。

4.2 實驗過程與分析

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(tǒng)進行數(shù)據(jù)的采集。通過示波器與設計系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的比對，來驗證設計系統(tǒng)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(tǒng)采用了高壓電弧來進行點火引爆，電弧在工作瞬間產(chǎn)生的大電流會對周圍電路產(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(chǎn)物在短時間內(nèi)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(chǎn)生一定的水蒸氣等產(chǎn)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(shù)據(jù)采集模塊的啟動。通過波形數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(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(tǒng)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(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到計算機生成采集數(shù)據(jù)曲線圖如圖9所示。

通過圖8與圖9的對比，可以看出本文所設計的數(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)變化趨勢相同。設計的小型化高速光敏信號采集系統(tǒng)能夠對160 μs時間長度的瞬態(tài)光敏信號進行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)能反映出信號的瞬態(tài)變化過程。

5 結論

實驗表明系統(tǒng)可以對爆燃瞬間CO變化的光敏信號進行高速數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了小型化爆燃過程中間產(chǎn)物檢測系統(tǒng)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(tǒng)在實際使用時，則需要根據(jù)采集目標信號的響應時間長度，相應地調(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芯片對數(shù)據(jù)緩存電路進行結構上的擴展，從而實現(xiàn)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(xiàn)對信號瞬變區(qū)間更有效的采集。

本文設計的高速數(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，在價格成本和便攜性方面有著明顯的優(yōu)勢。調(diào)整檢測激光的波長與相應的光電探測器，可以實現(xiàn)對爆燃過程中其他中間產(chǎn)物的檢測；調(diào)整不同的檢測傳感器與信號調(diào)理模塊，不僅能對瞬態(tài)光敏信號進行數(shù)據(jù)采集，還能對其他的瞬態(tài)響應過程進行檢測，系統(tǒng)具有較好的擴展性。