基于諧波分析的NDIR氣體檢測系統(tǒng)

趙　玲，何秀麗，賈　建，高曉光，李建平

(中國科學院電子學研究所，傳感技術(shù)國家重點實驗室，北京　100190)

0　引言

非分光紅外(NDIR)氣體檢測技術(shù)利用紅外光譜對待測氣體進行檢測，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好和抗干擾能力強等特點，已廣泛應用于環(huán)境氣體檢測以及工業(yè)廢氣監(jiān)測等領域[1-4]。目前紅外氣體檢測系統(tǒng)的研究重點主要集中在器件選擇及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計等方面，探測器信號的后續(xù)處理環(huán)節(jié)相對薄弱。由非分光紅外氣體檢測技術(shù)原理可知，氣體傳感器輸出的信號為固定頻率信號，后續(xù)處理的目的是為了獲取信號幅值以此反映待測氣體濃度。目前應用于紅外氣體檢測系統(tǒng)的信號處理方法主要有峰峰值和鎖相放大方法。

最初的紅外氣體檢測系統(tǒng)普遍采用峰峰值的信號處理算法，由于算法簡單，普通的單片機就能支持。然而，其信噪比較低，導致氣體濃度檢測精度不高[5-6]。

隨著信號處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，將鎖相放大技術(shù)應用于紅外氣體監(jiān)測系統(tǒng)，有效提高了信噪比[7-8]。鎖相放大方法能夠準確檢測周期信號幅值，但是由于它的核心是互相關(guān)檢測，對于低頻信號的提取，實時性不是很好。傳統(tǒng)的紅外氣體檢測系統(tǒng)采用機械斬波的方法實現(xiàn)紅外光源的調(diào)制，斬波頻率相對較高，因此鎖相放大方法完全適用。該系統(tǒng)采用電調(diào)制光源，受到光源特性的限制，調(diào)制頻率較低，探測器信號為低頻信號，采用鎖相方法時，檢測有延遲。并且在實際應用中，由于參考信號與調(diào)制頻率間不能完全一致，導致鎖相放大方法對于信號頻率漂移的適應性不好。

基于傅里葉變換的諧波分析方法是目前諧波檢測中應用最為廣泛的一種分析方法，它采用快速傅里葉變換，能夠準確提取周期信號各個頻率成分，檢測精度高,實時性較好，并且通過加窗、插值等修正算法可以消除信號頻率漂移的影響，在紅外氣體檢測信號處理中有很好應用前景[9-10]。

文中開發(fā)了以單板機為核心的紅外氣體檢測系統(tǒng)，采用虛擬儀器技術(shù)，實現(xiàn)了紅外傳感器硬件系統(tǒng)和數(shù)字信號處理技術(shù)的結(jié)合。借助單板機強大的計算處理能力，研究了傅里葉諧波分析算法在探測器信號處理方面的應用。

1　NDIR氣體檢測與信號諧波分析原理

NDIR氣體檢測技術(shù)基于朗伯-比爾(Lambert-Beer)吸收定律[11]。當一定頻率強度為I0的入射紅外光穿過氣體時，氣體吸收特征頻率紅外光的能量，使出射光能量減弱為I，光強變化量滿足：

I=I0exp(-KCL)

(1)

式中：I0為入射平行光強度；I為出射光的強度；L為氣體介質(zhì)的厚度；C為氣體濃度；K為氣體吸收系數(shù)。

吸收定律說明極性分子選擇性地吸收紅外光，其吸收強度取決于被測氣體的濃度。

圖1為NDIR紅外氣體分析原理圖。紅外光源輻射紅外光，經(jīng)樣品氣室內(nèi)的氣體吸收后，再經(jīng)過一個只允許待測氣體對應吸收波長紅外光透過的窄帶濾光片，最后到達紅外探測器。紅外探測器檢測透過的紅外光強度，轉(zhuǎn)換為電信號輸出，以此反映樣品氣室內(nèi)待測氣體的濃度。

圖1　NDIR紅外氣體分析原理圖

采用熱釋電紅外探測器和方波調(diào)制紅外光源，探測器輸出信號波形近似正弦，信號峰峰值的變化反映了氣體濃度的變化。為了準確提取信號峰峰值，采用基于快速傅里葉變換的諧波分析方法。

將熱釋電探測器的電壓信號用一個周期函數(shù)來表示：

f(t)=f(t+kT)，k=0，1，2，3……

(2)

式中T為信號周期。

信號滿足狄里赫利條件，可分解如下形式的傅里葉級數(shù)[12]：

(3)

由此可知，探測器電壓信號可分解為直流分量和各個諧波分量。

為了提取傅里葉變換諧波分量，取一個周期的探測器信號，設信號周期為N，對應連續(xù)周期為T，該離散的有限長序列表示為X(n)={X(1)，X(2)，X(3) …X(N)}，其離散傅里葉變換表達式：

(4)

其中，式(3)與式(4)有關(guān)系式[13]：

(5)

由式(5)可知，通過信號序列的傅里葉變換可以得到信號的各次諧波分量幅值?？焖俑道锶~變換是根據(jù)離散傅里葉變換的奇、偶、虛、實等特性改進的快速算法。采用基于快速傅里葉變換的諧波分析方法提取熱釋電探測器信號的幅值變化，具有計算效率高、計算機內(nèi)存占用少、精度高、使用簡單等特點。

2　設計與實現(xiàn)

2．1硬件設計

紅外氣體檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括紅外傳感器模塊、信號采集模塊和光源調(diào)制模塊。通過可觸摸數(shù)字液晶屏設定系統(tǒng)參數(shù)；紅外傳感器模塊由MEMS紅外光源、鍍金氣室和熱釋電探測器組成；光源調(diào)制模塊輸出方波電壓信號調(diào)制紅外光源；由信號調(diào)理電路對熱釋電探測器的輸出信號進行濾波放大，單板機PCM3353擴展采集卡PM518采集調(diào)理后的輸出信號，經(jīng)分析處理后在液晶屏上顯示。

圖2　紅外氣體檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

單板機集成AMD低功耗LX800處理器，其主頻達500 MHz，擴展8G存儲空間，可輕松搭載Windows XP系統(tǒng)。通過單板機PC/104接口擴展數(shù)據(jù)采集卡，由采集卡的A/D口對探測器信號進行采集。信號采用雙端差分輸入方式，有效降低了噪聲。采樣頻率設為40 kHz，能夠滿足系統(tǒng)對信號采集速度與精度要求。圖2的硬件設計有效提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，為軟件設計提供可靠的硬件支持。

2．2軟件實現(xiàn)

基于LabVIEW[14-15]開發(fā)的紅外氣體檢測系統(tǒng)程序主要由前面板和程序框圖2部分組成。在前面板中實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設置、數(shù)據(jù)顯示和系統(tǒng)控制，在程序框圖中實現(xiàn)熱釋電探測器信號采集、數(shù)字濾波和信號處理。

圖3為系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及功能流程圖，軟件功能包括數(shù)據(jù)采集、人機界面、數(shù)據(jù)分析與處理3部分。通過人機界面，可以實現(xiàn)對采樣頻率、存儲路徑、濃度線性參數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)的設置。采集卡采集熱釋電紅外探測器信號，在單板機LabVIEW平臺上進行數(shù)據(jù)濾波存儲、分析與處理，最終根據(jù)線性參數(shù)計算氣體濃度值，實現(xiàn)氣體的實時檢測。

圖3　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及功能流程圖

數(shù)據(jù)分析與處理的程序框圖如圖4所示。熱釋電紅外探測器信號包含大量的噪聲，在信號分析之前需要對采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)字平滑濾波，降低信號噪聲。 采集卡進行4路采樣，每路采樣頻率為10 kHz．設置采集卡讀取緩存的頻率為5，即0.2 s采集得到2 000個探測器原始信號。對其進行預處理，每50個數(shù)據(jù)取平均值，因此每0.2 s獲得40個探測器信號。光源的調(diào)制頻率為1 Hz，數(shù)據(jù)周期為1 s．對平均后的數(shù)據(jù)進行周期移動平均濾波，設置數(shù)據(jù)長度為3個周期600個數(shù)據(jù)，移動位移為讀取周期0.2 s對應的數(shù)據(jù)長度40個，因此每0.2 s獲得1個周期的數(shù)據(jù)，取其最后40個數(shù)作為最新獲得的0．2 s的數(shù)據(jù)。以上對數(shù)據(jù)的兩次平滑濾波有效降低了信號噪聲。

圖4　數(shù)據(jù)分析與處理的程序框圖

對經(jīng)過預處理之后的數(shù)據(jù)分別采用峰峰值分析方法和諧波分析方法進行分析處理。峰峰值分析的實現(xiàn)方法為取每個周期信號的最大值和最小值，獲得信號的上下包絡線，并且對包絡線進行移動平均濾波，上下包絡線的差值即為信號峰峰值。諧波分析的實現(xiàn)方法為使用LabVIEW中提供的基于快速傅里葉變換的諧波失真分析函數(shù)，該函數(shù)采用漢寧窗對信號進行加窗處理，以減小頻譜泄漏，并且對快速傅里葉變換頻譜的諧波分量進行修正，提高了諧波提取的準確性。采用該函數(shù)提取熱釋電探測器信號的諧波分量，以此計算待測氣體濃度。

3　功能測試

由于不同類型熱釋電探測器響應特性不同，對同一紅外光調(diào)制信號的響應波形是不一致的。系統(tǒng)分別采用兩個特性不同的熱釋電探測器Ⅰ號和Ⅱ號進行氣體測試。Ⅰ號為實驗室自制的電壓型熱釋電紅外探測器，Ⅱ號為InfraTec公司的電流型熱釋電紅外探測器，型號為LIM262。圖5(a)和圖5(b)分別為Ⅰ號和Ⅱ號探測器的輸出波形，由圖5可知，Ⅰ號熱釋電探測器的信號波形接近正弦波形，而Ⅱ號熱釋電探測器的波形則畸變嚴重。

3．1近似正弦信號

選用Ⅰ號熱釋電探測器，系統(tǒng)氣室中安裝7.3 μm窄帶濾光片，使用流量計向氣室內(nèi)通入濃度為5 ppm和20 ppm SO2氣體，測試系統(tǒng)SO2氣體響應。圖6(a)、圖6(b)和圖6(c)、圖(d)分別為傳統(tǒng)峰峰值計算方法和諧波分析函數(shù)提取信號一次諧波幅值所得的響應恢復曲線。氣體測試結(jié)果總結(jié)為表1。

圖5　兩種類型熱釋電探測器的信號波形

圖6?、裉枱後岆娞綔y器SO2氣體響應曲線

表1?、裉枱後岆娞綔y器20 ppm和5 ppm SO2氣體測試結(jié)果

Ⅰ號探測器的信號波形接近正弦波形，由傅里葉變換原理可知，諧波分解后信號的一次諧波對應光源調(diào)制頻率，能夠充分反映探測器信號波形幅值，高次諧波分量很小可被忽略。如圖6和表1所示，一次諧波信號幅值同峰峰值信號幅值相同。在通入SO2氣體后峰峰值信號與一次諧波信號的響應幅值一致；一次諧波信號的噪聲遠小于峰峰值信號噪聲，其信噪比為峰峰值信號信噪比的5倍。當SO2氣體濃度為5 ppm時，峰峰值信號幾乎無法分辨響應恢復過程，而一次諧波信號的響應恢復曲線則比較明顯。由表1的結(jié)果，理論計算諧波分析和峰峰值兩種信號分析算法的檢測下限分別為4 ppm和18 ppm(噪聲等效氣體濃度)。相對于峰峰值算法，諧波分析使系統(tǒng)SO2氣體檢測下限降低至原來的1/4。

3．2畸變信號

選用自帶7．3 μm窄帶濾光片的Ⅱ號熱釋電探測器，使用流量計向氣室內(nèi)通入濃度為20 ppm 的SO2氣體，測試系統(tǒng)的SO2氣體響應。圖7(a)和圖7(b)分別為峰峰值計算方法和諧波分析方法提取信號一次諧波幅值獲得的20 ppm SO2氣體響應恢復曲線。由于Ⅱ號探測器的信號波形畸變比較嚴重，波形嚴重偏離正弦波，諧波分解后高次諧波分量較大，不能被忽略，一次諧波信號不能完全反應探測器信號幅值，因此一次諧波信號幅值遠小于峰峰值幅值。如表2所示，一次諧波信號響應幅值小于峰峰值信號幅值，但是一次諧波的信號噪聲遠小于峰峰值信號噪聲，最終信噪比為峰峰值信號信噪比的2倍。由此可知，一次諧波信號能夠較好地反映氣體響應變化幅值，但是丟失了部分有用的氣體響應信息。

表2 Ⅱ號熱釋電探測器20 ppm SO2氣體測試結(jié)果

針對以上問題，為了進一步提高諧波分析的精度，提取三次諧波信號進行分析。圖7(c)為諧波分析方法提取信號三次諧波幅值獲得20 ppm SO2氣體響應恢復曲線。三次諧波信號的幅值較大，響應恢復過程明顯，不能被忽略。提取一次諧波和三次諧波信號，得到的總諧波信號響應恢復曲線如圖7(d)所示。增加三次諧波信號后，總諧波信號的幅值得到提高，更靠近峰峰值幅值，且信號的響應恢復趨勢更加明顯。如表2所示，增加三次諧波后的總諧波信號信噪比提高至峰峰值信號的3倍。由此可知，提取一次諧波和三次諧波，得到的總諧波信號能夠較好反映波形畸變的熱釋電探測器信號幅值和氣體響應幅值，信噪比更高，對氣體濃度變化具有更好的識別能力。

圖7?、蛱枱後岆娞綔y器20 ppm SO2氣體響應曲線

4　結(jié)束語

搭建了基于電調(diào)制紅外光源、熱釋電探測器、單板機PCM3353擴展采集卡PM518的NDIR氣體檢測系統(tǒng)，并研究了基于快速傅里葉變換的諧波失真分析函數(shù)的探測器信號分析處理方法。相比較傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)，該系統(tǒng)的軟硬件設計大大提高了數(shù)據(jù)處理能力，能夠利用LabVIEW進行數(shù)據(jù)量較大的精密計算，實現(xiàn)了較為復雜諧波分析算法?；诳焖俑道锶~變換的諧波分析方法將NDIR氣體檢測系統(tǒng)信噪比提高了3～5倍，檢測下限降低至原來的1/4。

參考文獻：

[1]JONGSEON P，HEECHAN C，SEUNGHWAN Y．NDIR CO2gas sensor with improved temperature compensation．Procedia Engineering，2010(5)：303-306．

[2]ZHANG W D，TAN Q L，LIU J，et al．Two-channel IR gas sensor with two detectors based on LiTaO3single-crystal wafer．Optics & Laser Technology，2010，42：1223-1228．

[3]RUBIO R，SANTANDER J，F(xiàn)ONSECA L，et al．Non-selective NDIR array for gas detection．Sensors and Actuators B，2007，127：69-73．

[4]FRODL R，TILLE T．A high-precision NDIR gas sensor for automotive applications．Sensors Journal，2006，6：1697-1705．

[5]熊金．車載紅外氣體分析儀的設計與實現(xiàn)：[學位論文]．重慶：重慶大學，2010．

[6]祁澤剛，張永懷，孟艷鋒，等．基于智能紅外氣體傳感器的儀表設計，計測技術(shù)，2010(10)：137-139．

[7]董磊，馬維光，尹王保，等．利用數(shù)字鎖相放大器對甲烷氣體進行諧波探測的實驗研究，光譜學與光譜分析，2005，25(3)：473-476．

[8]趙俊娟，趙湛，耿道渠，等．光聲光譜信號的檢測與處理，儀表技術(shù)與傳感器，2010(9)：68-70．

[9]HARRIS F J．On the use of windows for harmonic analysis with the discrete Fourier transform．Proceedings of the IEEE，1978，66(1)：51-83．

[10]ZHANG F S，GENG Z X，YUAN W．The algorithm of interpolating windowed FFT for harmonic analysis of electric power system．IEEE Trans．on Power Delivery，2001，16(2)：160-164．

[11]王汝琳，王詠濤．紅外檢測技術(shù)．北京：化學工業(yè)出版社，2006．

[12]ARRILLAGA J，WATSON N R．Power system harmonics，Second Edition．Chichester：John Wiley & Sons Ltd，2003．

[13]李達義，陳喬夫，賈正春．基于Matlab中FFT 函數(shù)的電力諧波分析方法．電測與儀表，2002(7)：23-26．

[14]雷振山．LabVIEW高級程序設計．北京：中國鐵道出版社，2004．

[15]ELLIOTT C，VIJAYAKUMAR V，ZINK W，et al．National Instruments LabVIEW：A programming environment for laboratory automation and measurement，JALA 2007，12：17-24．