用于CO激光TDLAS型气体检测系统的光电检测电路研制

作者:查重猫     发表时间:2021-04-08 08:31:54   浏览次数:56



  摘要:准确检测CO浓度对环境保护和安全生产具有重要的意义,TDLAS技术是一种高效、高精度的CO气体浓度检测方案。设计了一种用于CO激光TDLAS型气体检测系统的光电检测电路。CO气体选择性吸收由激光器发出的特定波长信号,而后光信号经过光电探测电路转换为有效的电压信号,运用TLC4545模数转换芯片进行数据采集,并将其发送到主控芯片STM32F105R8进行处理,使用W25Q128闪存完成对实验数据的存储,最后数据通过串口调试助手进行显示。经过实验表明,该电路可以实时、稳定、精确地将光信号转换为电信号,且灵活性强,可应用于其它气体检测系统。

  关键词:CO;TDLAS;光电探测器;TLC4545

  1引言

  CO是一种无色、有毒、可爆燃的气体,人体吸入后会和血液中的物质发生反应,从而导致机体组织无法吸收氧气,出现缺氧现象甚至窒息死亡。同时,CO是含碳元素的物质燃烧过程产生的中间产物,在众多可作为检测燃烧生成物的指标气体中,一氧化碳因浓度变化明显、易于检测等特点,在煤矿爆炸事故中被广泛应用于火灾预警的指标气体[1-2]。随着环境污染日益严重,CO也可作为评价空气质量的主要污染物之一。

  随着技术的发展和人们安全意识的普遍提升,对气体检测的精度和全面性要求越来越高,CO检测技术也随之迅速发展。近年来,使用TDLAS技术的气体检测方法已经逐渐成为精确检测气体的重要办法[3]。该方法参照被测气体红外波段的谱线强度变化选取特定的气体吸收峰,采用电流调谐的方式控制激光器发出与吸收峰相对应的特定波长激光,激光信号经过被测气体特征吸收后会发生光强的衰减,再对光电探测器检测到的数据进行相应的处理,以此来实现对特定气体浓度的高精度检测。TDLAS气体检测技术具有选择性好、灵敏度高、检测速度快、使用寿命长等优点[4-8]。

  设计了一种用于CO激光TDLAS型气体检测系统的光电检测电路,将经过CO气体特征吸收后的光信号转变为电信号。光电探测器采用Thorlabs公司的FGA01,其为InGaAs近红外光电二极管,通过AD8033芯片完成电流信号到电压信号的转换,采用TLC4545模数转换芯片进行信号采集,将其发送给主控芯片STM32F105R8进行相应处理,处理结果存储到W25Q128闪存里,最后经串口调试助手进行显示。此电路设计可以快速精确地将光信号转化为电信号,不仅适用于CO激光气体检测系统,而且同样适用于其它TDLAS激光气体检测系统。

  2模块整体设计

  本系统主要由4个部分构成:光电探测电路、采样电路、主控电路、存储电路。系统的基本框图如图1所示。图1基本框图光电探测器FGA01将接收到的光信号转化为电信号,由于激光光强经过CO气体特征吸收后发生衰减,选用AD8033高速放大器对输出电信号进行放大,采用TLC4545芯片进行信号采集,将得到的数据发送回主控芯片STM32F105R8进行相应的处理,处理结果存储到W25Q128闪存中,最后通过串口调试助手显示,此设计可达到高精度光电转换的需求。

  3电路设计

  3.1光电检测电路

  3.1.1光电探测器选择

  光电探测器以光电效应为工作原理进行光信号-电信号的转换。由于本系统选用1568nm作为CO气体的特定吸收波长,因此,采用Thorlabs公司InGaAs近红外光电二极管FGA01,该光电二极管的接收波长范围为800nm~1700nm,峰值波长为1550nm,最大偏置电压为20V,暗电流最大值为2nA,其参数指标满足CO激光TDLAS型气体检测系统的波长要求,可以将经过CO气体吸收后的光信号转变为电信号。

  FGA01型InGaAs光电二极管的频谱响应如图2所示。

  3.1.2放大电路

  光电检测放大电路对检测系统的性能影响较大。激光器自身的输出功率较低,信号经CO气体吸收后光强变弱[9-10],并且在实际的探测环境中背景噪音等也会影响光电探测器的探测精度。

  设计的放大电路首先进行电流信号-电压信号的转换,然后进行电压放大,在此过程中需要考虑高增益、宽频带、低噪声的设计需求[11-12]。设计了一款针对以上需求的放大电路,可抑制系统噪声影响从而获得有效的电压信号,便于后续主控器进行数据处理。

  放大器选用AD8033,其是一种80MHz带宽的场效应管输入放大器,轨对轨输出,具有宽电压范围(5~24V)、高共模抑制比(-100dB)、低噪音等优点,与同等价格的FET输入放大器相比,适用范围更广。此放大器可以满足本系统的需求。

  光电探测器信号放大电路如图3所示。经过实验验证,该放大电路输出电压信号稳定,具有较高的信噪比。

  3.2采样电路

  光电探测电路得到的是与激光强度成比例的模拟信号,为了便于后面数据的处理,需要将此信号转换为数字信号。本系统设计的数据采集电路模块运用TLC4545芯片进行模数转换,其是一款16位微型CMOS模数转换器(ADC),运行在5V电压下,设备可用单、双或单端伪差分输入,具有性能高、功耗低的特点,芯片的自动断电模式增强了节电功能。该芯片具有速度高达15MHz的SPI接口,可高速串行连接到CPU,完成对输入模拟信号的高精度采样。

  TLC4545数据采样电路如图4所示,使用5V电压进行供电,参考电压为5V,模拟信号通过引脚6AIN(+)输入,片选和时钟信号由主控器STM32F105提供,转换后的数字信号由引脚2(SD0)传给主控器进行处理。

  3.3主控器电路

  本系统采用STM32F105R8作为主控芯片。其内核采用Cortex-M3,工作频率最高为72MHz,供电范围为2.0V~3.6V。芯片包含256K字节的闪存程序存储器、64K字节的SRAM、两个12位的模数转换器、四个16位的定时器和14个不同的通信接口。

  STM32F105R8具有速度快、低功耗、高性价比等优点,被广泛地应用在嵌入式软硬件系统控制与电路设计中。该芯片可以满足系统设计需求,保证本系统准确高速地对电路进行控制和处理数据。STM32F105R8电路如图5所示。

  STM32F105R8驱动TLC4545进行模数转换,并控制其信号采集的开始、停止、采样速率,对转换后的信号进行数据处理,存储于W25Q128闪存中,然后通过串口调试助手发送至电脑进行显示。

  3.4存储电路

  为方便的存储实验数据,可以采用外扩SD卡和存储芯片来实现。使用micro-SD卡来记录数据,其可以提供几乎“无限”的存储空间,运用FatFS文件系统与主机交换数据,但是SD卡需要占用PCB的空间,插座为需要接触的机械部件,在振动和腐蚀的环境中不可靠,并且成本高。为避免出现以上问题,本系统选择FLASH芯片进行数据存储,电路采用的是高容量的W25Q128闪存[13-17]。

  W25Q128是一款SPI接口的闪存芯片,可用2.7~3.6V的电压供电,激活时的电流功耗可低到4mA,睡眠时则可低到1μA。其具有128Mbit的存储空间,即16M字节。操作时需要给W25Q128提供一个不低于4K的缓存区,因此,要求芯片必须有4K以上的SRAM。主控芯片STM32F105R8具有64K的SRAM,可以控制此芯片进行实验数据的存储。其硬件接口如图6所示:

  运用W25Q128芯片来存储经主控器STM32F105R8处理后的数据,可以方便地进行数据的读取和删除。保证了整个系统稳定且高效。

  4实验结果

  光电探测电路的探测板如图7所示,主控板如图8所示。

  对本系统光电检测电路稳定性和精度进行测试,光电探测电路前端放置VCSEL激光器,在实验中采用不同的激光强度对光电器进行照射,通过串口调试助手记录其输出的电压值,记录测试数据如表1所示。

  由上述测量结果可知,电路输出的电压值稳定、有效且精确度较高,符合本系统的预期期望,达到CO激光TDLAS型气体检测系统对光电检测电路的需求。

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  5结论

  针对CO激光TDLAS型气体检测系统,研制了一种光电转换电路。将FGA01型InGaAs光电二极管探测的信号,通过AD8033芯片完成电流到电压的转换,采用TLC4545模数转换芯片进行信号采集,将其发送给主控芯片STM32F105R8进行相应处理,处理结果存储到W25Q128闪存里,最后经串口调试助手进行显示。经过实验验证该电路可以稳定、高精度地完成光信号到电信号的转换,并且具有较强的灵活性,本系统也同样适用于其他需要光电检测电路的TDLAS气体检测系统。——论文作者:黄硕1,2,王彪1,戴童欣1,3,连厚泉1,3,程林祥1,2,俞泳波1,3

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