基于STM32 单片机光纤传感系统的研究

汤龙飞，于会山，王宗良

（聊城大学物理科学与信息工程学院，聊城252059）

0 引言

气体的实时准确检测对当今社会的各行各业起着越来越重要的作用[1]，特别有毒和易燃易爆等对人民生命安全造成威胁气体的快速检测就显得尤为重要[2]。虽然在国内对于危险气体已经有了比较成熟的电化学式气体传感器，但是电化学式气体传感器的缺点也是极大。首先电化学式气体传感器容易引起电火花从而引发气体爆炸，其次电化学式气体传感器的寿命极短，平均寿命只有两年更换频繁[3]。光纤传感具有抗干扰能力强，绝缘性好，具有极高的灵敏度、耐高温、测量速度快等优点[4]。因此对于易燃易爆气体的检测光纤传感器有着电化学式传感器无法比拟的优势[5]。本文在光纤传感的基础上基于光声光谱技术进行检测，光声光谱技术是将检测气体吸收光能后产生的热能通过声压释放出来而后被微音器检测。与电化学式传感器检测方法相比光声光谱技术具有不消耗气体、检测时间短、系统结构简单等优点。

1 基本原理

本文中光纤传感气体检测的基本原理就是光声效应，如图1 所示光声效应就是待测气体受到激光照射导致待测气体吸收了一定的光能从而使气体分子从基态变化到激发态，在密闭的容器中经过膨胀冷却后返回基态时产生热能，根据气体定律可知，一定质量的气体在体积不变的情况下，气体温度发生变化，压强也会随之改变，压强的改变形成了声波[6]。

图1 光纤传感气体检测流程

本实验通过锁定中心波长获得的光声信号的噪声更小，通过检测二次谐波峰值来作为气体浓度的有效信号，因为一次谐波信号中不仅仅包含了气体吸收光能产生的信号还有未被气体吸收的调制光[7]。气体吸收中心波长的锁定是通过采用单片机发射固定周期的锯齿波信号叠加高频正弦波信号用来作为激光器驱动信号，激光器照射的激光经过光声池气体吸收后产生光声信号，经微音器检测转换为电流传给前置放大器，前置放大器将电流放大并转换为电压，随后被锁相放大器检测，最后检测出来的二次谐波的峰峰值对应的锯齿波电流即为激光器的驱动电流，并将驱动电流反馈给单片机，而后单片机持续产生驱动电流。气体中心波长锁定后，不再用扫描信号进行激光器波长的扫描，减小了测量周期，同时可以在气体吸收波长锁定的基础上优化锁相放大器带宽进一步提高系统信噪比。气体中心波长锁定如图2 所示。

图2 二次谐波和激光器驱动信号

2 系统硬件设计

气体检测系统结构如图3 所示，整体系统装置有红外光源、气室、STM32 单片机、微音器、前置放大器、锁相放大器以及传输光纤等组成。

在光声池内由光信号转换成声信号总是伴随着能量的衰减，为了解决这种问题，一种方法是加强激光频率，但是这种方法的成本太高并且效果甚微，因此本实验通过设计光声池谐振腔的尺寸使得声波在光声池中产生共振从而实现增强信号的作用。光声池两端设有气体缓冲区，以用来降低池内气体流动对光声信号采集所造成的干扰，将微音器置于光声池的中间位置用来探测最大的光声信号，在两端气体缓冲区的上面分别设有进气口和出气口，以此来降低开口对光声信号的影响。本实验所采用的共振光声池，最佳共振频率为5.2KHz，故光源的高频调制信号设定为2.6KHz 的正弦波，同时由信号发生器产生5.2KHz 的方波作为锁相放大电路的参考解调信号。根据HITRAN 中的数据显示，水蒸气的吸收线在1368nm 处的吸收强度最大，因此本系统中的红外光源采用的是四川致远光科技公司中心波长为1370nm 的14 针蝶形分布反馈式激光器，实测激光器中心波长为1368nm。由单片机和信号发生器共同作用来控制激光器产生调制激光。

单片机的是本实验的重要部件之一,采用STM32F4 系列单片机作为气体检测系统采集和处理部分的核心。STM32F4 系列单片机是由意法半导体开发的一种高性能的微控制器[8]。它采用多达7 重AHB 总线矩阵和多通道DMA 控制器，支持程序执行和数据传输的并行处理，因此具有超快速数据传送功能。STM32F4 是内部集成了两路12 位的D/A 和三路12 位的A/D，且A/D 转换仅需要0.41us 即可完成，其集成了单精度FPU，提升控制算法的执行速度和代码效率，使系统的性能得到更好的优化。

图3 系统总体结构

3 结果显示

实验中采用的固定流速的水汽作为实验的靶气体来验证系统的可靠性。从图4（a）中可以看出不锁频前光声信号的幅度差值大约是21mv，从图4（b）中看出锁频之后光声信号的幅度差值大幅度降低只有8mv 左右，经过锁频前后可以对比出锁频后的光声信号更加稳定。

图4

本实验通过五组已标定浓度的水汽进行实验检测，将测得二次谐波峰值进行线性拟合。通过实验测得五种不同浓度水汽对应的二次谐波信号的峰值分别为0.22v、0.45v、0.61v、0.86v、1.17v，对五种不同浓度水汽气体进行拟合，所测拟合度达到0.9992，可以看出经锁频后该系统对水汽的检测有着极高的准确度。

图5 五组不同浓度的水汽对应的拟合曲线

4 结语

本文介绍了基于STM32F42 单片机的水汽浓度检测系统的硬件组成，构建了一个锁频信号和谐波检测相结合的气体浓度检测系统，通过优化光声池使光声信号得到了有效的增强，有效地增加了系统的抗干扰能力和二次谐波的检测能力。选择气体吸收中的二次谐波光声信号最大值实现了气体吸收峰的锁定，减小了测量时间，相比之前的三次谐波不再需要光电探测器，简化了系统结构。此装置对水汽的拟合度高达0.9992，体现出了极高的准确度，在各种气体检测领域有着广泛的应用前景。