1 吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，长春 130012
2 吉林省红外气体传感技术工程研究中心，长春 130012
由于红外热释电探测器在低温环境下易发生温度漂移，导致非分散红外（NDIR）二氧化碳（CO2）农业火灾检测仪受低温影响较大。针对上述问题，本文设计了一种应用于-40 ℃低温环境的探测器温度控制系统。给出了NDIR农业火灾检测仪的原理，探究了热释电探测器温度漂移现象，在此基础上，设计了以STM32F103为核心的温度控制系统。将温度控制系统集成于火灾检测仪中，在-40 ℃环境温度下，将探测器温度从20 ℃起始温度控温，稳定在21 ℃的响应时间为16 s，温度波动的1σ值为0.012 6 ℃，响应时间和稳定性均满足低温环境下的控温需求。在控温条件下，对传感器进行了标定，将气体标定实验得到的吸收通道与参考通道电压信号的一次谐波幅值比和标准气体浓度值进行指数拟合，拟合优度达到了99.852%。利用纯氮气（N2）样品，对检测仪进行了25 min的稳定性测试，测得的浓度波动范围为-28.128 76×10-6~27.240 5×10-6。引入Allan方差进行评估，当积分时间为0.25 s时，检测下限为1.213 01×10-6；当积分时间为114.75 s时，理论上系统的检测下限可达到4.822 5×10-7。实验结果表明，该温度控制系统可以保证火灾检测仪在低温环境下的正常工作。
火灾检测 气体吸收 温度控制 BUCK电路 牛顿迭代法 增量式PID Fire detection Gas absorption Temperature control Buck circuit Newton iteration method Incremental PID
1 吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，长春 130012
2 吉林省红外气体传感技术工程研究中心，长春 130012
基于非分散红外吸收光谱技术，利用CO气体分子在4.6 μm处的基频吸收带，采用宽带红外热光源和双通道热释电探测器，研制了一种用于早期火灾探测的红外CO传感系统。根据系统检测原理，对CO分子在红外波段的吸收谱线进行了选择；推导了光学矩阵理论，设计并优化了气室结构，优化后气室的吸收光程达到180 cm。对研制的锁相放大器进行标定，1σ检测下限为0.15 μV，背景噪声为38.89~43.23 μV。对传感系统的性能进行了实验测试。结果显示，CO的检测分辨率优于2.00×10-5，响应时间为35~38 s。对纯氮气（N2）样品进行了长达80 min的监测，其浓度波动范围为-1.42×10-5~1.51×10-5，当积分时间为0.25 s时，系统的检测下限为1.54×10-6；当积分时间为300 s时，系统的理论检测下限可达3.50×10-7。引入卡尔曼滤波算法来提高系统的稳定性，对纯氮气进行长达80 min的探测，引入该算法后系统的检测下限降低到原来的23%，同时，当积分时间为0.25 s时，检测下限降低到3.60×10-7。利用该传感系统，开展了棉花、纸张和木材的火灾阴燃实验，研究了CO浓度随阴燃时间的变化关系，验证了可通过CO浓度的变化来探测火灾发生的方法，证实了该传感系统呈现出良好的早期火灾探测能力。
传感系统 红外吸收光谱 矩阵光学 气体检测 火灾探测 Sensor system Infrared absorption spectrum Matrix optics Gas detection Fire detection
1 吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室，电子科学与工程学院，吉林 长春 130012
2 吉林省红外气体传感技术工程研究中心，吉林 长春 130012
由于火灾阴燃过程会产生二氧化碳（CO2）气体，故采用基于非色散红外（non-dispersion infrared，NDIR）原理的火灾预警系统来监测CO2浓度来预防火灾事故。该预警系统基于中红外吸收光谱技术，利用CO2气体分子在4.26 μm处的基频吸收带，结合红外宽带热光源和双通道热释电探测器，实现了中红外CO2的高灵敏检测。利用配备的CO2气体样品，研究了该系统对CO2气体的传感特性。由于需要将火灾预警系统放在农业机械上工作，机械振动会影响系统光路结构，因此需要对装置进行减振处理。基于杜哈梅积分模型及其在求解振动系统响应问题上的应用，设计了一种减振装置，并对该装置进行了建模仿真，结果显示振动幅度减少了82%。将该减振装置进行室外振动测试，结果显示仪器振动幅度减小了86%~87%，采用减振装置时CO2测量浓度的方差相较未采用减振装置时减小了50.01%，不确定度降低了29.52%。仿真分析及室外振动实验结果表明，该减振系统的减振效果良好，具有性价比高、减振结构简单等优势，具有工程应用价值。
光谱学 中红外吸收光谱 CO2检测 减振设计 系统稳定性 激光与光电子学进展
2021, 58(23): 2330002
山东大学机械工程学院 高效洁净机械制造教育部重点实验室, 山东 济南 250061
随着全球对食品安全性重视的提高, 对水果实现产品追溯成为必然要求。目前, 对于水果追溯大都是通过在水果表面粘贴纸质标签实现, 然而, 由于纸质标签粘贴强度稳定性差, 有些容易脱落, 造成信息丢失; 有些又难以去除, 给广大消费者带来麻烦。针对此问题, 利用激光技术在水果表面直接标刻二维条码成为新的研究热点。为此, 本文以香蕉为研究对象, 利用CO2-S100XP激光器在香蕉表面标刻Data Matrix(DM)二维条码, 研究了直接标刻二维条码在香蕉表面应用的可行性, 分析了激光参数对二维条码颜色和对比度的影响, 同时, 分析了影响条码识读的各个因素。实验表明: 激光功率和标刻速度是影响条码质量主要因素; 香蕉划痕、黑斑和标刻位置会影响条码的质量和条码的识读。
激光标刻 二维条码 香蕉 追溯 laser marking 2D-barcodes banana traceability
