基于STM32单片机的在线恒温光谱分析系统研制与测试

摘要

近红外波段(NIR,波长范围:780~2500 nm)在线光谱分析技术具有小型化、快速检测、结果稳定可靠等优点,在工业现场检测领域有着广泛的应用。由于近红外光谱分析系统受温度影响较大,传统的光栅分光在线光谱分析系统所采用的光谱仪通常仅对探测器制冷,光路部分仍然会受到温度影响产生波长漂移等测量误差。此外,系统也多采用PC计算机来进行数据采集和控制,并通过配备独立的工业通讯模块实现光谱分析系统与产线总控系统的通讯,不仅增加了设备成本与体积,也显著降低了系统的稳定性。针对这些问题,基于STM32单片机开展了在线恒温光谱分析系统研制与测试。系统采用STM32单片机来控制近红外光谱仪,通过设定和修改采集间隔时间并采集光谱数据,对光谱数据进行预处理,来计算得到目标样品的理化指标。对于温度控制,开发了在STM32单片机上运行的基于比例-积分-微分(PID)控制算法的恒温控制系统,对光谱仪整体(包含光路和电路部分)实现了闭环恒温控制。同时,开发了基于STM32单片机的工业通讯接口(包含Modbus协议通讯和4~20 mA电流信号通讯)。系统实验测试结果表明,该设计能够长时间稳定运行,并有效降低了环境温度变化对光谱数据带来的干扰。在长达48小时的系统运行过程中,光谱仪温度稳定控制在5℃左右,温控精度优于0.25℃。相对于未恒温控制的运行模式,恒温控制条件下的平均吸收光谱强度相对标准差显著减小,并实现了数据采集、预处理、样品理化指标计算、工业信号通讯及温度控制的一体化设计,以满足工业现场在线检测需求。