王金明，菅少晗，李忠虎，张 飞

(内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 014010)

0 引言

爆燃过程通常在瞬间完成，在短暂的过程中，包含了丰富的过程信息。从宏观角度来说，压力、温度、速度等参数反映了爆燃过程变化的信息[1]；从微观角度来说，包含着气体爆燃瞬间化学键的断裂与重新组合信息，以及中间产物的短暂生成与转换等信息[2]。这些信息是爆燃过程的最直接反映，对这些信息的获取是研究爆燃本质的重要手段。

瞬态光谱技术是研究爆燃过程中间产物常用的方法[2-3]。对爆燃瞬态过程的研究离不开高速数据采集设备。目前，进行高速数据采集通常借助于高速示波器、高速数据采集板卡等设备。这些设备通常价格昂贵，同时便携性差。本文设计了一款基于光谱吸收法的气体爆燃过程中间产物检测系统，并对丁烷气体爆燃瞬间CO的变化过程进行一定时间长度的数据采集。以期望能实现低成本、小型化的爆燃过程中间产物检测。

1 光谱吸收原理

光谱吸收法是本文实现CO气体检测的理论基础[4]，被测气体分子对光能量的吸收具有选择性。被测气体的吸光度与气体分子浓度存在一定关系，朗伯-比尔定律是此关系的具体表述，是光谱吸收法的理论基础[5]。该定律可以表述为：在光的波长与气体分子吸收波长相同的情况下，原始光强为I0的光通过被测气体后，光强衰减为I，而I0与I之间关系如式(1)所示：

I=I0e-αCL

(1)

式中：α为吸收系数；C为被测气体浓度；L为光路吸收长度。

在α、L、I0为定值的情况下，I与C存在着一定的对应关系。本文设计的系统，通过对光强I对应电压信号的数据采集，间接反映爆燃瞬间中间产物CO气体浓度C的变化。

2 系统硬件描述

2.1 系统整体结构

本文设计的基于光谱吸收法的爆燃过程中间产物CO检测系统的整体结构图如图1所示。

在检测系统中，选择合适波长的近红外光作为激光光源；该近红外光通过准直器，在爆燃容器中被CO气体吸收；吸收后的光照射到光电探测器模块，将光强转变为电信号，通过信号调理模块、高速数据采集模块和STM32模块组成的系统进行CO变化数据采集。

2.2 激光光源

对激光光源的选择需要根据被测气体的吸收谱线确定。丁烷气体爆燃瞬间产生的主要中间产物是CO，CO气体在近红外波段和中远红外波段都有可测的光谱吸收峰[6-7]。

本系统使用的激光光源型号为GM82009C，该激光光源体积小，有USB通讯接口，可以通过计算机设置输出的近红外激光波长；激光输出接口为FC规格，可方便地通过光纤将激光光源与准直器连接。该激光器可以输出的近红外光波长最大为1 566 nm。CO气体在1 566 nm波长的近红外光下有比较合适的吸收强度，基于实验设备条件，选择1 566 nm的近红外光作为激光光源。光源输出的近红外光通过光纤准直器，由光纤内较为发散的光转变为较为集中的平行光束输出，穿过爆燃装置中的被测气体，实现对被测气体检测。

2.3 爆燃装置

爆燃装置由爆燃容器以及爆燃点火装置组成。爆燃容器选择一个圆柱形的硬质容器，在容器的侧面容器壁上钻取2个左右对称的通孔。从准直器出射的光从一侧通孔穿入，经过爆燃容器内部，经由另一侧的通孔穿出照在光电探测器的激光接收端口；气体的引爆通过高压电弧点火实现。在容器的底部将电弧的放电端固定，STM32模块通过S8550三极管控制电弧点火装置开关。爆燃装置示意图如图2所示。

2.4 光电检测模块

光电检测模块包括光电探测器以及相应的信号调理电路。经过被测气体吸收的近红外光由型号为LSIPD-A400的PIN光电二极管进行检测，这种光电探测器价格相对便宜，具有响应时间短以及使用方便等优点。该光电探测器可响应波长在800～1 700 nm的近红外光，响应时间约为60 ps，完全能够满足爆燃瞬态过程的检测需求。

光电探测器输出的微弱电流信号，经过I/V转换以及电压放大电路的调理连接到高速数据采集模块进行信号采集。微弱的电流信号通过AD825芯片以及外围电阻网络实现电流到电压的信号转换，转换后的电压经过两级的LF353放大电路，通过可调电阻实现信号放大倍数以及偏置电压的调整。

2.5 高速数据采集模块

高速数据采集模块以模数转换芯片AD9481为核心。该模数转换电路的设计采样速率为200 MSa/s，高速数据采集模块包括高速模数转换电路以及高速数据缓存电路，数据缓存电路还包含时钟信号时序的调整、数据锁存等电路。AD9481芯片转换的模拟信号以差分的形式输入，因此还包含单端-差分信号转换电路；高速数据缓存电路采用IDT 72V263芯片，文中电路采用了2片72V263芯片，在200 MSa/s的采样速率下能缓存约160 μs时间长度的被测信号。AD9481芯片采集模拟信号采用的单端-差分转换电路如图3所示。

高速数据采集模块与STM32芯片组成的高速数据采集电路如图4所示。

光电信号调理模块输出的信号经图3的SIGN端口输入。缓存的数据通过STM32模块读取，进行后续的数据处理。

3 系统软件实现

高速数据采集模块由STM32模块控制完成初始化，初始化完成后STM32控制模数转换启动。高速数据采集模块脱机独立完成160 μs时间长度的数据采集，高速数据采集任务完成后，STM32模块读取缓存的数据。本文设计的系统在读取到缓存数据后仅需要将生成的数据通过串口发送到计算机生成数据变化曲线。爆燃数据采集系统的主程序流程图如图5所示。

STM32模块上电后首先完成I/O端口以及高速模数转换模块的初始化；初始化完成以后LED1点亮，系统等待进入数据采集状态。当按键KEY1按下时，启动点火装置，在输出光敏信号的下降沿处启动数据采集模块，进行160 μs的信号采集；当高速数据采集模块的数据缓存满之后，停止数据采集，关闭点火装置，LED2点亮，系统进入数据处理状态；通过按键KEY2控制STM32模块将缓存数据通过串口发送到计算机；缓存的数据发送完后，LED1点亮，系统等待进入下一次数据采集状态。

4 实验与分析

4.1 实验装置

通过硬件模块搭建的爆燃过程CO检测系统实物图如图6所示。

4.2 实验过程与分析

向爆燃容器内充入一定浓度的丁烷气体，STM32模块控制启动点火装置，通过爆燃光敏响应信号的边沿变化触发示波器与爆燃过程CO检测系统进行数据的采集。通过示波器与设计系统采集数据的比对，来验证设计系统的CO检测性能。通过高速示波器采集到的响应信号波形图如图7所示。

由于实验系统采用了高压电弧来进行点火引爆，电弧在工作瞬间产生的大电流会对周围电路产生一定的尖峰干扰噪声。因此，通过图7的波形图可知，在时间点A处启动了点火装置，在时间点B处开始发生爆燃，在时间点C处CO等中间产物在短时间内迅速增加达到最大值，之后随着爆燃过程的结束而减少。由于使用的近红外光源的波长为1 566 nm，爆燃过程产生一定的水蒸气等产物会对CO的检测造成影响。这也是时间点D处爆燃过程结束之后光强信号比爆燃之前光强信号稍弱的一个因素。

图7的波形图中，区间E处信号快速下降，下降沿触发高速数据采集模块的启动。通过波形数据的对比，在区间F前的信号下降幅度比较大，能看到明显的信号下降波形；而在区间F后的波形数据又有缓慢的上升区，只有在区间F处信号强度是缓慢下降的。而AD9481模块采集到的原始数据是从70左右缓慢下降到55左右的，与区间F处160 μs长度的信号变化趋势相符合。因此，区间F为爆燃过程CO检测系统抓取到的信号变化区间。

在示波器上对区间F进行放大，区间F处示波器波形图如图8所示。

爆燃过程CO检测系统采集的数据通过串口发送到计算机生成采集数据曲线图如图9所示。

通过图8与图9的对比，可以看出本文所设计的数据采集系统采集的瞬态过程数据与高速示波器采集的过程数据变化趋势相同。设计的小型化高速光敏信号采集系统能够对160 μs时间长度的瞬态光敏信号进行数据采集，采集的数据能反映出信号的瞬态变化过程。

5 结论

实验表明系统可以对爆燃瞬间CO变化的光敏信号进行高速数据采集，实现了小型化爆燃过程中间产物检测系统的设计。本文仅对爆燃瞬间的CO变化信号采集了160 μs的时间长度，系统在实际使用时，则需要根据采集目标信号的响应时间长度，相应地调整数据缓存深度。若要加大数据缓存深度，可用多片72V263芯片对数据缓存电路进行结构上的扩展，从而实现对时间更长的瞬态过程的检测。通过对爆燃过程信号触发机制的优化改进，可实现对信号瞬变区间更有效的采集。

本文设计的高速数据采集模块与STM32等模块组合形成高速数据采集系统与传统的高速数据采集系统相比，在价格成本和便携性方面有着明显的优势。调整检测激光的波长与相应的光电探测器，可以实现对爆燃过程中其他中间产物的检测；调整不同的检测传感器与信号调理模块，不仅能对瞬态光敏信号进行数据采集，还能对其他的瞬态响应过程进行检测，系统具有较好的扩展性。