黃 超, 趙宇紅, 張洪明, 呂 波, 尹相輝, 沈永才, 符 佳, 李建康, 6

1. 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院, 湖南 衡陽 421001

2. 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所, 安徽 合肥 230031

3. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院, 安徽 合肥 230031

4. 合肥師范學(xué)院物理與材料工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601

5. 合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院, 安徽 合肥 230031

6. 南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 湖南 衡陽 421001

引 言

近紅外(near infrared, NIR, 波長范圍: 780～2 500 nm)光譜分析技術(shù)具有方便、 快速、 高效、 準確等優(yōu)點, 廣泛應(yīng)用于食品加工、 化工和制藥等工業(yè)現(xiàn)場的在線檢測[1-2]。 相對于傳統(tǒng)實驗室或化驗室離線使用的光譜分析系統(tǒng), 工業(yè)在線檢測對光譜分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要求更高。 在線光譜分析系統(tǒng)的光譜儀主要由分光光路和用于光譜信號檢測的半導(dǎo)體探測器組成。 溫度變化容易引起微型光譜儀內(nèi)半導(dǎo)體器件的參數(shù)變化和光學(xué)器件的變形, 從而導(dǎo)致探測器上譜線中心位置發(fā)生偏移, 造成譜線漂移, 而且溫度升高還會增加探測器的暗電流噪聲, 降低測量精度[3-4]。 除此之外, 溫度過高還會影響光譜儀器件的使用壽命, 試驗表明, 溫度每增加25 ℃, 器件的壽命會減小一半[5], 因此控制光譜儀的工作溫度非常重要。 由于在線檢測對設(shè)備的穩(wěn)定性要求較高, 需要在線光譜分析系統(tǒng)運行過程中對系統(tǒng)進行恒溫控制, 以降低環(huán)境溫度變化對系統(tǒng)的干擾。 但目前的光譜儀大多采用僅對傳感器進行恒溫制冷的方式, 而外界溫度變化仍會對光路部分及探測器電路產(chǎn)生影響, 測量結(jié)果受環(huán)境溫度變化的影響仍然比較大, 在一定程度上降低了檢測結(jié)果的穩(wěn)定性[6-8]。

此外, 為了方便開展數(shù)據(jù)處理程序的設(shè)置及調(diào)試, 在線光譜分析系統(tǒng)多采用計算機來進行數(shù)據(jù)采集和控制。 目前許多微型光譜儀的控制系統(tǒng)主要采用PC主機, 系統(tǒng)體積龐大、 功耗高, 而且在工業(yè)檢測領(lǐng)域, PC主機系統(tǒng)長時間運行的穩(wěn)定性較低, 難以應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場長時間在線檢測的工作模式[9]。 在采集光譜再完成樣品的理化指標計算之后, 需將計算結(jié)果通過獨立的工業(yè)通訊模塊實現(xiàn)與產(chǎn)線總控系統(tǒng)的通訊。 這種架構(gòu)不僅增加了設(shè)備成本與體積, 也顯著降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 因此, 使用更加一體化、 穩(wěn)定性高的控制系統(tǒng), 并降低溫度對光譜儀光路和電路部分的影響, 以降低光譜的噪聲和溫漂, 延長光譜儀使用壽命, 從而達到提升在線光譜分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。

STM32單片機系統(tǒng)作為工業(yè)級的單片機控制系統(tǒng), 其運行穩(wěn)定性遠高于PC計算機, 且能較好地斷電重啟恢復(fù), 適合用于工業(yè)現(xiàn)場的在線控制。 此外, STM32系統(tǒng)成本較低, 適合于在工業(yè)現(xiàn)場大量布置。 因此, 國內(nèi)外也有嘗試基于STM32單片機系統(tǒng)進行光譜儀數(shù)據(jù)采集的相關(guān)研究。 魏旭可等[10]、 周安萌等[11]實現(xiàn)了STM32控制微型光譜儀, 如控制光譜采集、 改變單次采集積分時間、 實現(xiàn)上位機的顯示。 袁晨[12]等采用STM32實現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)采集、 光譜儀與激光器工作狀態(tài)控制和系統(tǒng)工作環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。 但對于應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域長時間檢測的光譜儀, 保持較高的測量穩(wěn)定性更為重要, 所以對光譜儀冷卻控溫抑制溫漂也得到越來越多的重視。 目前國內(nèi)外許多團隊對微型光譜儀恒溫控制方面做了大量研究。 周安萌等[11]基于STM32實現(xiàn)了對光譜儀探測器的制冷, 中國臺灣超微光學(xué)開發(fā)的SW8與SW9系列制冷光譜儀, 以及美國海洋光學(xué)(Ocean Optics)公司設(shè)計的制冷型微型光譜儀NIRQUEST, 都能將溫度降到-20 ℃。 但是, 前人的研究都只是針對探測器部分制冷, 這種制冷方式雖然能較好地降低傳感器的暗噪聲, 但光譜儀的光路部分仍然會受到環(huán)境溫度變化的影響, 光學(xué)器件的溫漂問題仍未完全徹底解決。 此外, 制冷型探測器成本遠高于非制冷型探測器, 因此, 采用制冷型探測器的光譜儀成本通常較高, 極大增加了企業(yè)裝配在線光譜檢測設(shè)備的成本。

綜上, 上述研究目前均未全部實現(xiàn)光譜儀數(shù)據(jù)采集、 恒溫控制和工業(yè)信號通訊功能的一體化設(shè)計。 針對這一問題, 本文基于STM32單片機開展了在線恒溫光譜分析系統(tǒng)的研制與測試[13-15]。 本系統(tǒng)使用STM32單片機控制近紅外光譜儀, 設(shè)定和修改采集間隔時間并采集光譜數(shù)據(jù), 對光譜數(shù)據(jù)進行預(yù)處理, 并計算得到目標樣品的理化指標。 開發(fā)了在STM32單片機上運行的基于比例-積分-微分(PID)控制算法[16-19]的恒溫控制系統(tǒng), 對光譜儀整體(包含光路和電路部分)實現(xiàn)了閉環(huán)恒溫控制。 開發(fā)了基于STM32單片機的工業(yè)通訊接口(包含Modbus協(xié)議通訊和4～20 mA電流信號通訊)。 對系統(tǒng)性能進行了測試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計與工作原理

1.1 在線光譜分析系統(tǒng)整體介紹

本研究采用了基于數(shù)字微鏡(DMD)微型近紅外光譜儀來開展在線光譜分析系統(tǒng)研制。 該光譜儀為基于德州儀器(TI)的DLP技術(shù)所設(shè)計的微型光譜儀, 采用了TI的數(shù)字微鏡DMD與單點探測器的組合來替代價格昂貴的線陣探測器, 在不降低光學(xué)性能的前提下, 大幅度降低了設(shè)備成本, 便于開展多通道分布式在線檢測。 本款光譜儀輸入端為標準的SMA905光纖接口, 便于開展光學(xué)調(diào)試與系統(tǒng)裝配。 其波長觀測范圍約為900～1 700 nm, 波長分辨率約為10 nm, 單次數(shù)據(jù)采集時間通常約為2 s, 基本可以滿足工業(yè)在線檢測的需求。 光譜儀可以通過MiniUSB或UART串口與計算機或STM32單片機系統(tǒng)連接, 以實現(xiàn)光譜儀數(shù)據(jù)采集控制與光譜數(shù)據(jù)傳輸。

由于光譜儀采用的探測器為非制冷探測器, 在環(huán)境溫度變化的條件下會有較為明顯的溫度漂移。 因此, 本研究中為了降低外界環(huán)境的干擾, 為此光譜儀設(shè)計了一款微型恒溫腔室, 如圖1所示。 本設(shè)計可以將光譜儀整體放置在恒溫腔室內(nèi), 以實現(xiàn)對光路與探測器的整體恒溫控制, 降低環(huán)境溫度變化對光路和電路產(chǎn)生的干擾。 制冷系統(tǒng)采用內(nèi)外風扇散熱, 使用半導(dǎo)體制冷片對微型光譜儀進行制冷, 為實現(xiàn)光譜儀制冷效果最大化, 在腔室內(nèi)外表面添加保溫層。

圖1 在線光譜分析系統(tǒng)整體布局

1.2 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖

如圖2所示, 在控制電路設(shè)計部分, 本研究采用STM32F407作為主控芯片, 主頻率達到168 MHz, 能實現(xiàn)光譜儀的控制與數(shù)據(jù)的預(yù)處理, 同時也能在主程序中運行增量式PID算法, 以實現(xiàn)對光譜的恒溫控制。

圖2 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)整體框圖

由圖2可知, 電路控制系統(tǒng)主要由STM32單片機系統(tǒng)、 光譜儀、 可編程恒壓恒流電源和TEC制冷片組成。 主要功能可以分為兩部分: 首先是STM32單片機系統(tǒng)控制光譜儀采集數(shù)據(jù), 并開展目標樣品的理化指標計算, 并通過Modbus協(xié)議和4～20 mA電流信號將計算得到的理化指標實時地反饋給產(chǎn)線的總控系統(tǒng); 其次是通過在STM32單片機系統(tǒng)上運行PID算法來實現(xiàn)光譜儀整體的恒溫控制。

STM32系統(tǒng)通過UART串口與光譜儀相連, 采集的光譜數(shù)據(jù)通過RS232串口回傳給STM32系統(tǒng)并將數(shù)據(jù)存儲于SD卡中。 在STM32系統(tǒng)中對光譜數(shù)據(jù)進行預(yù)處理, 并計算目標樣品的理化指標, 通過Modbus協(xié)議和4～20 mA電流信號將數(shù)據(jù)結(jié)果傳送給產(chǎn)線總控系統(tǒng)。

STM32單片機通過放置在恒溫腔室內(nèi)的DS18B20溫度傳感器進行溫度的實時監(jiān)測, 并將實時溫度作為輸入量, 輸入給PID算法。 單片機通過RS232串口與可編程恒壓恒流電源相連, 恒壓恒流電源的輸出端與半導(dǎo)體制冷片相連。 根據(jù)PID的計算結(jié)果, 可以實時調(diào)整恒壓恒流電源的輸出電壓, 進而調(diào)整半導(dǎo)體制冷片的制冷功率, 最終實現(xiàn)對光譜儀溫度的閉環(huán)控制。

1.3 主程序設(shè)計

本研究采用Keil5實現(xiàn)了STM32系統(tǒng)程序的開發(fā), 程序主要流程如圖3所示。 程序設(shè)置有定時器, 可以設(shè)定循環(huán)周期時間。 在每個循環(huán)開始之初, 首先對STM32的UART串口和用于Modbus協(xié)議通訊的RS485串口等進行初始化; 然后讀取配置文件, 完成設(shè)定溫度和光譜儀采集參數(shù)設(shè)定。 之后STM32系統(tǒng)讀取溫度傳感器DS18B20所采集的恒溫腔室的實時溫度, 將實時溫度作為輸入量輸入系統(tǒng)運用PID算法, PID算法經(jīng)過計算后來調(diào)整可編程恒壓恒流電源的輸出電壓, 以調(diào)整制冷片制冷功率, 最終實現(xiàn)腔室的恒溫控制。 在光譜儀數(shù)據(jù)采集方面, 在完成光譜儀參數(shù)設(shè)置之后, STM32系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令并等待光譜儀完成光譜數(shù)據(jù)采集。

圖3 主程序流程圖

如圖4所示, 所用到的PID控制算法的核心公式為

圖4 PID程序框圖

式中,Kp為比例系數(shù);Tt為積分時間常數(shù);TD為微分時間常數(shù);U(t)為PID控制器的輸出信號;e(t)為控制器輸入與設(shè)定值之間的誤差。

在收到光譜儀回傳的光譜數(shù)據(jù)之后, STM32系統(tǒng)開展光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理, 所采用的預(yù)處理的方法由從配置文件讀取的配置參數(shù)決定。 主要的預(yù)處理方法包含平滑、 標準正態(tài)變換(SNV)、 一階求導(dǎo)、 二階求導(dǎo)和多元散射校正(MSC)等。 在完成數(shù)據(jù)預(yù)處理之后, 將預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)代入模型, 計算目標樣品的理化指標。 最終, 通過RS485串口以Modbus協(xié)議和4～20 mA模塊以電流信號將計算結(jié)果發(fā)送到產(chǎn)線的總控系統(tǒng)。

2 實驗部分

2.1 系統(tǒng)部件參數(shù)

在完成系統(tǒng)搭建與程序開發(fā)之后, 對系統(tǒng)進行了實驗測試。 在實驗中, 采用寬譜鹵素燈作為光源, 其可提供波段為360～2 500 nm, 壽命約10 000 h。 采用的可編程恒壓恒流電源最大輸出電壓為60 V, 最大功率為1 440 W, 可以滿足半導(dǎo)體制冷片的供電要求。 制冷片采用雙層TEC半導(dǎo)體制冷片, 最高電壓與最大電流分別為12 V和6 A, 最大制冷功率為72 W。 經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn), 在室溫為20 ℃情況下, 恒溫腔室內(nèi)的溫度可以恒定控制在-10 ℃, 實現(xiàn)腔室內(nèi)外溫差30 ℃。

2.2 測試方法

為測試所研制的在線光譜分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 以及溫度變化對微型光譜儀采集數(shù)據(jù)的影響, 對所研制的系統(tǒng)分別進行了有溫控和無溫控48 h的數(shù)據(jù)采集。 有無溫控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序相同, 二者唯一區(qū)別在于是否對采集系統(tǒng)進行恒溫制冷控制。 光譜儀采集數(shù)據(jù)間隔時間設(shè)置為30 s, 放置在恒溫腔室內(nèi)的溫度傳感器的采集頻率設(shè)置為1 Hz。 選用的測試樣品為蒸餾水, 且在測試期間其各項理化指標保持不變。 在線光譜分析系統(tǒng)分別在室溫無恒溫控制和恒溫控制在5 ℃的條件下連續(xù)運行采集48 h的光譜數(shù)據(jù), 然后分別對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理(數(shù)據(jù)平滑)), 并對有溫控和無溫控的光譜數(shù)據(jù)求平均值、 標準差、 相對標準差等指標進行對比分析, 以評估系統(tǒng)在有無恒溫控制條件下的系統(tǒng)穩(wěn)定性差異。

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度控制效果

在有無恒溫控制條件下溫度傳感器檢測的光譜儀腔室內(nèi)的溫度變化如圖5所示。 圖5(a)是在無溫控的條件下腔室內(nèi)的溫度變化曲線, 起始溫度值為24.75 ℃。 此后的5 h內(nèi), 隨著光譜儀的持續(xù)運行, 腔室內(nèi)溫度一直在上升, 最高達到29.25 ℃。 隨著外界環(huán)境溫度的降低, 當測試時間為24 h時, 光譜儀溫度回落到26 ℃左右, 表明無溫控的腔室內(nèi)溫度變化較大, 最大溫差約4.5 ℃, 溫度波動周期時間達到24 h。 這有可能是既受到光譜儀運行所產(chǎn)生的熱量累積的影響, 也受到外界環(huán)境溫度變化所產(chǎn)生的影響。 后24 h由于環(huán)境溫度變化不大, 光譜儀溫度基本穩(wěn)定在26 ℃左右。 可以推知, 在無溫控條件下, 如果環(huán)境溫度變化較大, 對采集光譜結(jié)果產(chǎn)生較大誤差, 會影響光譜儀的穩(wěn)定性, 尤其是長時間在線測量時, 溫度的變化通常是比較大的。

圖5 有無溫控時光譜儀溫度測試

圖5(b)展示了在恒溫控制條件下腔室內(nèi)溫度的變化。 系統(tǒng)設(shè)定溫度值為5.0 ℃。 在系統(tǒng)啟動后約5 min左右, 腔室內(nèi)溫度開始穩(wěn)定在5.0 ℃, 波動范圍在4.75～5.25 ℃之間, 有少數(shù)溫度值到達4.5或5.5 ℃, 總體的溫度差值在±0.25 ℃左右。 在48 h的測試過程中, 外界環(huán)境溫度依然有變化, 但是未對腔室內(nèi)的溫度產(chǎn)生影響。

3.2 光譜數(shù)據(jù)對比分析

在對比了系統(tǒng)的溫度控制效果之后, 對系統(tǒng)所采集的測試樣品蒸餾水的吸收光譜數(shù)據(jù)進行了分析。 圖6展示了在有/無溫控的條件下連續(xù)采集48 h的吸收光譜強度的平均值對比。 可以發(fā)現(xiàn), 兩種情況下其譜峰位置基本相同。 可以看出, 在985、 1 364與1 416 nm位置有較為明顯的吸收峰。 由于采用的光譜儀分辨率較低, 因此, 1 157與1 226 nm位置的吸收峰重疊較為嚴重, 在譜線上無法直接分辨。 但是通過化學(xué)計量學(xué)方法建立模型后[20], 可以較好的進行分析。 在無溫控條件下, 除了強度有一定差異之外, 還可以發(fā)現(xiàn)譜線的吸收峰的半高全寬和波長位置均有較為明顯的差異, 說明溫度的變化不僅影響了探測器的光電轉(zhuǎn)換效率也對系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的影響, 導(dǎo)致產(chǎn)生了一定的波長漂移。 實驗結(jié)果顯示了對光譜儀光學(xué)部分進行恒溫控制的必要性, 突出了本研究的重要意義。

通過分析連續(xù)測量的多個光譜數(shù)據(jù)的相對標準差來表征在線光譜分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 如圖7所示, 分別分析了有/無溫控條件下連續(xù)采集48 h的光譜數(shù)據(jù)的相對標準差。 整體上, 無溫控時光譜相對標準差較大, 有溫控時相對標準差要小得多, 尤其在900～1 300 nm波段之間的光譜。 在1 300～1 650 nm波段之間, 光譜相對標準差都較小, 主要是因為這個波段內(nèi)吸收光譜強度較大, 測量相對標準差小, 而900～1 300 nm之間的光譜強度相對較弱, 測量誤差偏大。 表1給出了有無溫控條件下幾個典型的波長位置的相對標準差, 可以發(fā)現(xiàn)在采用溫控的條件下吸收光譜強度的相對標準差數(shù)值顯著降低。 結(jié)果表明在有溫控的條件下系統(tǒng)的測量結(jié)果更為穩(wěn)定, 尤其是當測量強度較弱的譜線信號時, 溫度變化對譜線強度測量產(chǎn)生的干擾更為明顯。 因此, 在測量譜線強度較弱的情況下對在線光譜分析系統(tǒng)進行恒溫控制就更為重要。 實驗測試結(jié)果表明, 采用本文提出的對光譜儀整體進行恒溫控制的方法可以有效地降低溫度變化對光譜測試產(chǎn)生的影響,可以顯著提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

表1 不同波長下有無溫控吸收光譜強度相對標準差

圖7 有無溫控吸收光譜強度相對標準差

4 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)的在線光譜分析系統(tǒng)采用的僅對探測器制冷的恒溫控制方式、 計算機用來進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和控制及通訊方式等帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定性問題, 本研究基于STM32單片機開展了在線恒溫光譜分析系統(tǒng)研制, 并對系統(tǒng)進行實驗測試以驗證其性能。 本設(shè)計基于STM32單片機實現(xiàn)光譜儀的數(shù)據(jù)采集, 數(shù)據(jù)預(yù)處理, 樣品理化指標計算和工業(yè)通訊, 實現(xiàn)了控制和通訊系統(tǒng)的一體化設(shè)計, 提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 此外, 自主開發(fā)了在STM32單片機上運行的基于PID控制算法的恒溫控制系統(tǒng), 對光譜儀整體實現(xiàn)了閉環(huán)恒溫控制。 系統(tǒng)測試結(jié)果表明, 本設(shè)計能夠在無上位機的條件下獨立穩(wěn)定地運行, 并且發(fā)現(xiàn)恒溫控制有效降低了環(huán)境溫度變化對光譜數(shù)據(jù)產(chǎn)生的干擾。 在48 h的運行過程中, 光譜儀溫度穩(wěn)定控制在5 ℃左右, 溫控精度優(yōu)于0.25 ℃。 相對于未恒溫控制的運行模式, 恒溫控制條件下的平均吸收光譜強度相對標準差顯著減小。 本研究基于STM32單片機實現(xiàn)了光譜儀控制、 光譜數(shù)據(jù)處理、 工業(yè)信號通訊和溫度控制的一體化設(shè)計, 顯著提升了在線光譜分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 對促進在線光譜分析技術(shù)在工業(yè)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用有較好的參考意義。 下一步將基于本光譜儀系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)開展近紅外光譜數(shù)據(jù)建模等工作。