近红外波段(NIR, 波长范围: 780～2 500 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。

激光气体遥测作为本征安全气体探测方法，可进行实时在线、非接触、远距离探测，具有独特的优势。基于非合作目标设计和开发一款具有完全自主知识产权的便携、轻巧、可实用化的手持式激光甲烷气体遥测仪，其温控芯片采用WTC3243，控温精度可达0.01 ℃，收发一体光学遥测组件采用平行光轴设计。通过标准气体比对测试，结果表明测量相对误差在±5%范围之内，测量综合偏差为293×10-6 m，遥测仪测量值与标准积分浓度值之间的拟合优度达0.999。经过不同遥测距离测试，结果表明遥测距离可达20 m，且系统具有不同遥测距离测量的一致性。通过甲烷泄漏气团实际环境模拟测试，结果表明设计与开发的该手持式激光甲烷气体遥测仪完全可用于实际燃气管道等场所甲烷气体泄漏的实时在线、非接触、远距离遥测，且满足测量要求。

为了探测月面静海熔岩管道区域, 该文设计了一套微型折叠探测机器人控制系统。采用MPU6050姿态传感器、光照传感器、红外传感器等构建机器人感知系统, 使用NRF24L01远距离通信电路和图像传输接收机构建机器人数据通信链路, 使用基于Qt的C++编程设计微型探测机器人控制系统上位机实现微型折叠探测机器人的运行。测试结果表明, 微型折叠探测机器人运行速度可达0.5 m/s, 爬坡角度为20.0°, 折叠角度为47.3°, 通信距离为200.0 m, 质量仅204.1 g。

半导体激光器的输出性能直接决定了光纤电流互感器的测量精度和长期运行稳定性。为提高光纤电流互感器的测量精度与稳定性, 设计了一种高精度半导体激光器数字驱动电路。以STM32微控制器为控制核心, 利用高精度电流源芯片ADN8810实现驱动电流的精密控制, 同时采用集成温控芯片MAX1978通过控制半导体制冷片的工作电流实现对激光器温度的精确控制。经实验测试, 其输出电流稳定度为0.028%, 温度控制稳定度为0.18%, 激光器输出光功率稳定度达到0.06%, 输出波长稳定度为0.05pm。该设计能够满足光纤电流互感器对光源输出性能的要求。

为实现近距离目标的准确测量, 充分利用线性调频连续波(LFMCW)信号的优良特性, 基于ARM单片机设计实现了毫米波LFMCW雷达测距系统。该系统采用“ARM+PLL+射频收发器”的结构, 其中,ARM单片机为主控芯片, 控制锁相环(PLL)和77 GHz射频收发器, 完成LFMCW信号的发射和接收, 同时使用ARM内部的ADC对中频回波进行IQ双路差分采样, 并在ARM内部实现快速傅里叶变换(FFT), 提取目标距离信息。当调制信号带宽为3.2 GHz, 调制信号周期为2 ms时, 该雷达系统可实现对2 m内目标的高精度测距, 误差距离控制在0.03 m内。实验结果表明, 系统能够通过发射宽带LFMCW信号, 实现近距离目标的有效探测, 具有探测精度高、通用性强、可靠性好、体积小等优点。