煤矿氧气检测高精度VCSEL驱动及温控电路设计

为解决当前常用煤矿氧气检测仪器易受交叉气体干扰且功耗大的问题,基于GD32F303RCT6微控制器和ADN8834热电冷却控制器,设计了一种软启动开关电路控制的垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity Surface-emitting Laser,VCSEL)高精度驱动及温控电路。驱动电路中,高频正弦波信号和低频锯齿波信号叠加的二进制数据由微控制器产生,经信号发生电路、电压电流转换电路转化成VCSEL高精度驱动电流信号;温控电路中,设计基于比例积分微分(Proportional Integral Differential,PID)补偿电路和数模转换控制器(Digital to Analog Converter,DAC)目标温度控制电路实现激光器温度自动调节。测试结果表明:驱动电路的电流输出区间为0.680~1.360 mA;锯齿波频率误差小于0.5%,正弦波频率误差小于0.1%;氧气吸收峰扫描精度高达0.07 pm,对应电流扫描精度为0.12μA;温控电路的温度控制精度为±0.012℃。满足了可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)煤矿氧气检测应用需求。

基于小波阈值函数降噪的实时煤矿氧气检测数据误差处理

基于可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术的氧气检测系统能够精准检测煤矿井下环境的氧气体积分数,然而应用该系统检测氧气体积分数时往往会受到散粒噪声、热噪声、高斯白噪声等噪声信号的影响,导致氧气体积分数检测误差较大。为了降低噪声对氧气体积分数检测数据的影响,首先,应用多项式平滑算法对氧气体积分数检测曲线进行高低频分析。其次,提出了基于小波阈值函数降噪的煤矿氧气检测数据误差处理方法,对比了Daubechies小波和Symlets小波的降噪效果,根据信噪比和均方根误差选出最佳降噪小波基函数。最后,通过计算氧气体积分数检测曲线的标准差和最大波幅对比降噪前后氧气体积分数检测的稳定性。试验结果表明:sym6小波基函数与二次谐波信号相关程度最大,应用该小波对二次谐波信号进行降噪,信噪比提升了16.785 dB,降噪前后20%氧气体积分数检测曲线最大幅值降低了0.04%,标准差降低了0.0295,显著提升了氧气体积分数检测稳定性。