發布時間：2021-03-18所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:準確檢測CO濃度對環境保護和安全生產具有重要的意義，TDLAS技術是一種高效、高精度的CO氣體濃度檢測方案。設計了一種用于CO激光TDLAS型氣體檢測系統的光電檢測電路。CO氣體選擇性吸收由激光器發出的特定波長信號，而后光信號經過光電探測電路轉換為有效
摘要:準確檢測CO濃度對環境保護和安全生產具有重要的意義，TDLAS技術是一種高效、高精度的CO氣體濃度檢測方案。設計了一種用于CO激光TDLAS型氣體檢測系統的光電檢測電路。CO氣體選擇性吸收由激光器發出的特定波長信號，而后光信號經過光電探測電路轉換為有效的電壓信號，運用TLC4545模數轉換芯片進行數據采集，并將其發送到主控芯片STM32F105R8進行處理，使用W25Q128閃存完成對實驗數據的存儲，最后數據通過串口調試助手進行顯示。經過實驗表明，該電路可以實時、穩定、精確地將光信號轉換為電信號，且靈活性強，可應用于其它氣體檢測系統。
關鍵詞:CO;TDLAS;光電探測器;TLC4545
1引言
CO是一種無色、有毒、可爆燃的氣體，人體吸入后會和血液中的物質發生反應，從而導致機體組織無法吸收氧氣，出現缺氧現象甚至窒息死亡。同時，CO是含碳元素的物質燃燒過程產生的中間產物，在眾多可作為檢測燃燒生成物的指標氣體中，一氧化碳因濃度變化明顯、易于檢測等特點，在煤礦爆炸事故中被廣泛應用于火災預警的指標氣體[1-2]。隨著環境污染日益嚴重，CO也可作為評價空氣質量的主要污染物之一。
隨著技術的發展和人們安全意識的普遍提升，對氣體檢測的精度和全面性要求越來越高，CO檢測技術也隨之迅速發展。近年來，使用TDLAS技術的氣體檢測方法已經逐漸成為精確檢測氣體的重要辦法[3]。該方法參照被測氣體紅外波段的譜線強度變化選取特定的氣體吸收峰，采用電流調諧的方式控制激光器發出與吸收峰相對應的特定波長激光，激光信號經過被測氣體特征吸收后會發生光強的衰減，再對光電探測器檢測到的數據進行相應的處理，以此來實現對特定氣體濃度的高精度檢測。TDLAS氣體檢測技術具有選擇性好、靈敏度高、檢測速度快、使用壽命長等優點[4-8]。
設計了一種用于CO激光TDLAS型氣體檢測系統的光電檢測電路，將經過CO氣體特征吸收后的光信號轉變為電信號。光電探測器采用Thorlabs公司的FGA01，其為InGaAs近紅外光電二極管，通過AD8033芯片完成電流信號到電壓信號的轉換，采用TLC4545模數轉換芯片進行信號采集，將其發送給主控芯片STM32F105R8進行相應處理，處理結果存儲到W25Q128閃存里，最后經串口調試助手進行顯示。此電路設計可以快速精確地將光信號轉化為電信號，不僅適用于CO激光氣體檢測系統，而且同樣適用于其它TDLAS激光氣體檢測系統。
2模塊整體設計
本系統主要由4個部分構成:光電探測電路、采樣電路、主控電路、存儲電路。系統的基本框圖如圖1所示。圖1基本框圖光電探測器FGA01將接收到的光信號轉化為電信號，由于激光光強經過CO氣體特征吸收后發生衰減，選用AD8033高速放大器對輸出電信號進行放大，采用TLC4545芯片進行信號采集，將得到的數據發送回主控芯片STM32F105R8進行相應的處理，處理結果存儲到W25Q128閃存中，最后通過串口調試助手顯示，此設計可達到高精度光電轉換的需求。
3電路設計
3.1光電檢測電路
3.1.1光電探測器選擇
光電探測器以光電效應為工作原理進行光信號-電信號的轉換。由于本系統選用1568nm作為CO氣體的特定吸收波長，因此，采用Thorlabs公司InGaAs近紅外光電二極管FGA01，該光電二極管的接收波長范圍為800nm～1700nm，峰值波長為1550nm，最大偏置電壓為20V，暗電流最大值為2nA，其參數指標滿足CO激光TDLAS型氣體檢測系統的波長要求，可以將經過CO氣體吸收后的光信號轉變為電信號。
FGA01型InGaAs光電二極管的頻譜響應如圖2所示。
3.1.2放大電路
光電檢測放大電路對檢測系統的性能影響較大。激光器自身的輸出功率較低，信號經CO氣體吸收后光強變弱[9-10]，并且在實際的探測環境中背景噪音等也會影響光電探測器的探測精度。
設計的放大電路首先進行電流信號-電壓信號的轉換，然后進行電壓放大，在此過程中需要考慮高增益、寬頻帶、低噪聲的設計需求[11-12]。設計了一款針對以上需求的放大電路，可抑制系統噪聲影響從而獲得有效的電壓信號，便于后續主控器進行數據處理。
放大器選用AD8033，其是一種80MHz帶寬的場效應管輸入放大器，軌對軌輸出，具有寬電壓范圍(5～24V)、高共模抑制比(-100dB)、低噪音等優點，與同等價格的FET輸入放大器相比，適用范圍更廣。此放大器可以滿足本系統的需求。
光電探測器信號放大電路如圖3所示。經過實驗驗證，該放大電路輸出電壓信號穩定，具有較高的信噪比。
3.2采樣電路
光電探測電路得到的是與激光強度成比例的模擬信號，為了便于后面數據的處理，需要將此信號轉換為數字信號。本系統設計的數據采集電路模塊運用TLC4545芯片進行模數轉換，其是一款16位微型CMOS模數轉換器(ADC)，運行在5V電壓下，設備可用單、雙或單端偽差分輸入，具有性能高、功耗低的特點，芯片的自動斷電模式增強了節電功能。該芯片具有速度高達15MHz的SPI接口，可高速串行連接到CPU，完成對輸入模擬信號的高精度采樣。
TLC4545數據采樣電路如圖4所示，使用5V電壓進行供電，參考電壓為5V，模擬信號通過引腳6AIN(+)輸入，片選和時鐘信號由主控器STM32F105提供，轉換后的數字信號由引腳2(SD0)傳給主控器進行處理。
3.3主控器電路
本系統采用STM32F105R8作為主控芯片。其內核采用Cortex-M3，工作頻率最高為72MHz，供電范圍為2.0V～3.6V。芯片包含256K字節的閃存程序存儲器、64K字節的SRAM、兩個12位的模數轉換器、四個16位的定時器和14個不同的通信接口。
STM32F105R8具有速度快、低功耗、高性價比等優點，被廣泛地應用在嵌入式軟硬件系統控制與電路設計中。該芯片可以滿足系統設計需求，保證本系統準確高速地對電路進行控制和處理數據。STM32F105R8電路如圖5所示。
STM32F105R8驅動TLC4545進行模數轉換，并控制其信號采集的開始、停止、采樣速率，對轉換后的信號進行數據處理，存儲于W25Q128閃存中，然后通過串口調試助手發送至電腦進行顯示。
3.4存儲電路
為方便的存儲實驗數據，可以采用外擴SD卡和存儲芯片來實現。使用micro-SD卡來記錄數據，其可以提供幾乎“無限”的存儲空間，運用FatFS文件系統與主機交換數據，但是SD卡需要占用PCB的空間，插座為需要接觸的機械部件，在振動和腐蝕的環境中不可靠，并且成本高。為避免出現以上問題，本系統選擇FLASH芯片進行數據存儲，電路采用的是高容量的W25Q128閃存[13-17]。
W25Q128是一款SPI接口的閃存芯片，可用2.7～3.6V的電壓供電，激活時的電流功耗可低到4mA，睡眠時則可低到1μA。其具有128Mbit的存儲空間，即16M字節。操作時需要給W25Q128提供一個不低于4K的緩存區，因此，要求芯片必須有4K以上的SRAM。主控芯片STM32F105R8具有64K的SRAM，可以控制此芯片進行實驗數據的存儲。其硬件接口如圖6所示:
運用W25Q128芯片來存儲經主控器STM32F105R8處理后的數據，可以方便地進行數據的讀取和刪除。保證了整個系統穩定且高效。
4實驗結果
光電探測電路的探測板如圖7所示，主控板如圖8所示。
對本系統光電檢測電路穩定性和精度進行測試，光電探測電路前端放置VCSEL激光器，在實驗中采用不同的激光強度對光電器進行照射，通過串口調試助手記錄其輸出的電壓值，記錄測試數據如表1所示。
由上述測量結果可知，電路輸出的電壓值穩定、有效且精確度較高，符合本系統的預期期望，達到CO激光TDLAS型氣體檢測系統對光電檢測電路的需求。
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5結論
針對CO激光TDLAS型氣體檢測系統，研制了一種光電轉換電路。將FGA01型InGaAs光電二極管探測的信號，通過AD8033芯片完成電流到電壓的轉換，采用TLC4545模數轉換芯片進行信號采集，將其發送給主控芯片STM32F105R8進行相應處理，處理結果存儲到W25Q128閃存里，最后經串口調試助手進行顯示。經過實驗驗證該電路可以穩定、高精度地完成光信號到電信號的轉換，并且具有較強的靈活性，本系統也同樣適用于其他需要光電檢測電路的TDLAS氣體檢測系統。——論文作者：黃碩1，2，王彪1，戴童欣1，3，連厚泉1，3，程林祥1，2，俞泳波1，3
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