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泡沫起升仪中红外光电传感器的设计与抗干扰研究

一、引言

在泡沫起升仪检测模块中，红外光电传感器因非接触测量、响应快且对泡沫水分敏感，常用于监测泡沫参数。但工业环境光、泡沫杂质散射及传感器温漂，易致检测信号失真。优化传感器设计与抗干扰算法，对提升测量精度至关重要。

二、红外光电传感器的光学设计原理

2.1泡沫体系的红外光谱特性

泡沫光学特性由液相和气泡界面决定。水分子在近红外波段有O-H键倍频吸收峰，峰值约970nm，可测含水率；红外光与气泡粒径满足特定关系时发生米氏散射，散射光强与含气率相关。

2.2双波长差分检测结构设计

为消除干扰，采用双波长光路。发射端集成940nm（对水分敏感）和850nm（参考波长）LED光源，脉冲调制分时发光。接收端用硅基光电二极管，配双带通滤光片分离两路光电流信号。泡沫含水率与光强衰减量关系为C=k?ln(I0_850/I850I0_940/I940)+b，差分计算可抵消共模干扰。

三、抗干扰技术方案

3.1硬件级抗干扰设计

3.1.1光学滤波与结构防护

接收端用半峰宽10nm干涉滤光片抑制环境光，实测可将干扰信号衰减至1/50。设计“Z”型光路通道，内壁哑光黑化，减少杂散光漫反射。

3.1.2电路抗干扰设计

用TPS61165芯片为LED提供稳定电流，抑制光源波动。通过STM32生成同频参考信号，对输出信号同步解调，提升信噪比至40dB以上。

3.2软件级抗干扰算法

3.2.1动态阈值自适应算法

建立泡沫界面特征数据库，用SVM分类器判断信号区域。检测到光强波动时，若持续时间50ms判定为干扰，用中值滤波处理；若≥50ms判定为真实界面变化，更新阈值并采集数据。

3.2.2温度漂移补偿模型

传感器集成DS18B20温度传感器，建立补偿模型Ical=Iraw?(1+α?ΔT)。实验表明，该模型可将温漂误差从±5%降至±0.8%。

四、实验验证与结果分析

4.1实验平台搭建

搭建测试系统，含泡沫起升仪、待测传感器、标准信号源和数据采集卡。

4.2抗干扰性能测试

4.2.1环境光抑制实验

无泡沫时增加环境光强，单波长检测信号漂移大，双波长差分检测漂移量＜0.05V，干扰抑制率达98%。

4.2.2泡沫界面检测精度实验

对比传感器与激光测距仪测量结果，传统单波长传感器误差大，优化后的双波长传感器精度高，满足检测需求。

五、结论与展望

未来可探索红外热成像同步检测、动态光路切换及智能算法，为泡沫检测提供新思路，可应用于多行业。