石英晶體的光聲光譜法CO2濃度檢測技術(shù)研究

陳 亮，周海龍

(沈陽理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

石英晶體的光聲光譜法CO2濃度檢測技術(shù)研究

陳 亮，周海龍

(沈陽理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

利用光聲光譜技術(shù)對CO2進行濃度檢測過程中的精度問題進行研究，提出光纖光路石英增強光聲光譜系統(tǒng)方案，利用與CO2光聲中心頻率范圍內(nèi)的激光器發(fā)射的激光產(chǎn)生聲波，使石英音叉晶振產(chǎn)生諧振，通過石英音叉的壓電效應(yīng)檢測到電信號并通過鎖相放大器進行信號放大，利用互相關(guān)法抑制過程噪聲，達到檢測微量級CO2高精度濃度的目的。實驗結(jié)果表明，石英晶體的光聲光譜法檢測CO2濃度達到了ppm量級。

鎖相放大器；光聲光譜；石英音叉；壓電效應(yīng)；互相關(guān)法

隨著科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源與環(huán)境問題日益突出，CO2氣體的濃度檢測逐漸成為了研究的熱點。光聲光譜法由于其精度高、抗干擾能力強、設(shè)備簡單，已經(jīng)成為檢測CO2氣體濃度的主流趨勢。在國外，巴西M.S.Sthel等人[1]利用CO2激光器對氨氣的檢測精度達到了數(shù)十ppm級別。意大利Aime Lay-Ekuakille等人[2]設(shè)計制作了關(guān)于生物醫(yī)療相關(guān)氣體檢測的實驗裝置，能檢測到2ppm量級的待測氣體。在國內(nèi),徐春梅等人[3]在光聲光譜法測量煤礦瓦斯氣體的實驗中，通過定量分析模型將干擾氣體自動扣除。李勁松等人[4]通過對光聲池的性能及分子弛豫效應(yīng)對光聲探測CO2信號的靈敏度方面進行分析。光聲光譜氣體檢測的研究越來越面向?qū)嶋H應(yīng)用，激光光源及光聲光譜儀的快速發(fā)展也為光聲光譜氣體檢測開闊了更加廣闊的前景。

相比較之前對CO2氣體的光聲檢測方法，本文提出了一種新的方法—用石英音叉來檢測CO2氣體的濃度。在誤差處理過程中，采取互相關(guān)檢測法對微弱信號進行噪聲處理，在強噪聲中提取光聲信號。通過上述方法，實現(xiàn)了對CO2氣體濃度高精度檢測的目的。

1 石英增強型光聲光譜檢測CO2氣體系統(tǒng)設(shè)計

本文所建立的石英增強型光聲光譜系統(tǒng)框架如圖1所示，系統(tǒng)主要由以下四個模塊組成：光聲激光發(fā)射模塊、光纖傳感器探測模塊、數(shù)字鎖相放大器、仿真模塊(函數(shù)發(fā)生器)。使用連續(xù)可調(diào)的近紅外DFB半導(dǎo)體激光作為激發(fā)光聲信號的光源，通過激光控制器來控制激光器的電流和溫度。使用共振頻率為94.339kHz的石英音叉探測光聲信號，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波(f/2)用來調(diào)制激光，使激光器產(chǎn)生一個頻率為f、一個周期內(nèi)兩次經(jīng)過吸收峰位置的激光，受調(diào)制的激光用一個準(zhǔn)直透鏡進行準(zhǔn)直后再用一個聚焦透鏡L把激光聚焦到石英音叉中央。由于激光的頻率達到了CO2的光聲中心振蕩頻率使其產(chǎn)生光聲聲波，并在石英音叉的作用下發(fā)生光聲諧振。由于石英音叉相當(dāng)于一個振蕩介質(zhì)，因此發(fā)生壓電效應(yīng)產(chǎn)生壓電電流，并通過一個反饋信號放大器進行信號放大，產(chǎn)生一個電壓信號。經(jīng)過放大器放大后的信號用鎖相放大器在頻率f處進行解調(diào)，即得到QEPAS信號。解調(diào)后的QEPAS信號通過安裝有數(shù)據(jù)采集卡的電腦進行采集和處理。

1.1 光聲激光發(fā)射模塊

本系統(tǒng)光源采用近紅外分布反饋式(DFB)半導(dǎo)體激光器。由于其價格低廉、體積小、易于集成到系統(tǒng)中、易與光纖耦合、單模輸出、室溫工作、通過改變電流既可改變激光輸出波長等優(yōu)點，使其特別適合用于石英增強型光聲光譜檢測CO2系統(tǒng)的光源。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 光纖傳感器探測模塊

光纖傳感器的解調(diào)原理是依據(jù)石英音叉與探測光纖端面的空隙中央之間形成一個光聲腔體，通過波長相適應(yīng)的激光光束從探測光纖進入到光聲腔內(nèi)形成多光束干涉。

1.3 石英音叉模塊

石英由硅原子和氧原子組合成的二氧化硅結(jié)晶型態(tài)，具有高硬度和高熔點的特性。石英音叉由壓電材料石英晶體制作而成，把晶片做成音叉形狀，構(gòu)成石英音叉型晶振。

1.4 前置信號放大器

石英音叉產(chǎn)生的信號比較微弱，同時帶有雜波的干擾，因此必須在鎖相放大器前進行信號的放大和濾波處理，產(chǎn)生一個干凈的光聲電信號。

1.5 鎖相放大器模塊

數(shù)字鎖相放大器的核心器件是一款A(yù)RM芯片STM32，其最大主頻達到72MHz，典型的實時數(shù)字鎖相放大器系統(tǒng)如圖2所示。將輸入的模擬信號x(t)的帶寬經(jīng)過濾波器進行濾波處理，ADC將經(jīng)過濾波之后的x(t)通過固定的算法轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號x(n)。此時，STM32系統(tǒng)將接收到的數(shù)字信號進行ADC處理，產(chǎn)生一個輸出數(shù)字信號y(n)，再經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號，之后再通過低通濾波器對輸出的數(shù)字信號進行濾波處理，產(chǎn)生一個輸出模擬信號y(t)，得到最終實驗測得的鎖相放大之后的信號。鎖相放大系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：(1)將模擬輸入信號進行抗混疊濾波帶限之后發(fā)送給STM32系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換器；(2)STM32輸入與待測的模擬信號頻率相同的參考信號，并收集被噪聲所干擾的信號與參考信號；(3)STM32將接收到的同頻信號移相位處理后作相關(guān)運算和數(shù)字低通濾波處理；(4)將最終的直流分量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號同時發(fā)送給上位機進行數(shù)據(jù)采集與處理。

圖2 數(shù)字鎖相放大器

1.6 函數(shù)發(fā)生器模塊

因為石英音叉的振動帶寬非常窄，解調(diào)出來的頻率必須與石英音叉的起振頻率非常吻合，因此對函數(shù)發(fā)生器的輸出精度要求很高，選用能輸出4～5000Hz的正弦波，并要求精度達到1uHz的函數(shù)信號發(fā)生器。

2 石英音叉增強型光聲光譜系統(tǒng)性能分析

傳統(tǒng)的光聲光譜檢測系統(tǒng)除了采用聲學(xué)共振腔之外，同時還要使用微音器作為聲傳感器對聲波信號進行探測。然而，在石英增強光聲光譜中，石英音叉不僅能累積光聲能量，同時能探測光聲信號，更重要的是石英音叉由于其響應(yīng)帶寬窄、品質(zhì)因數(shù)高等特點，使其擁有極強的噪聲免疫能力。

由于光聲信號在檢測中十分微弱，需最大限度的得到光聲信號。當(dāng)激光通過含有CO2混合氣體時，由石英音叉不同位置所得到的光聲信號的強度不同，實驗研究過程中，對不同光路位置產(chǎn)生的QEPAS信號進行檢測，在光束位置處于石英音叉狹縫開口下方0.8mm得到最大的輸出信號[5]。

3 互相關(guān)法增強CO2檢測濃度的精度

由于被測的光電信號十分微弱且信號可近似等效成一個正弦波形的周期信號，因此選用相關(guān)法對信號進行處理。由于互相關(guān)檢測的抗干擾能力強于自相關(guān)檢測，本系統(tǒng)選擇互相關(guān)檢測。

(1)

式中互相關(guān)函數(shù)z(t)、u(t)是時延為τ的兩個函數(shù)之間的時間t的積分。互相關(guān)函數(shù)能有效抑制與鎖相放大器的參考信號不相關(guān)的噪聲信號，尤其適用于檢測微量氣體高精度濃度方面。

本文用ARM芯片STM32系統(tǒng)實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，并對信號進行處理，其系統(tǒng)實現(xiàn)流程圖如圖3所示。

圖3 互相關(guān)法實現(xiàn)流程圖

通過定點采集離散CO2的光聲電信號，運用互相關(guān)算法得到相對的去除噪聲之后的光聲信號。設(shè)其中預(yù)測信號為Vs(k)=Asin(2πft+ψ),根據(jù)采樣定理fs=N×f,其中預(yù)測頻率為f；采樣頻率為fs。則離散待測信號Vs(k)可表示為

Vs(k)=Asin(2πk/N+ψ)

(2)

將待測信號分解為一個正弦信號sin(2πf0t)和一個余弦信號cos(2πf0t)，進行同步采樣，得

Vrs(k)=sin(2πk/N)，Vrc(k)=cos(2πk/N)

(3)

(4)

(5)

式中，Rxrs為待測的離散信號Vs(k)與正弦信號Vrs(k)的離散互相關(guān)函數(shù)；Rxrc為待測的離散信號Vs(k)與余弦信號Vrc(k)的離散互相關(guān)函數(shù)。

由式(4)、(5)可得預(yù)測信號的振幅和相位：

(6)

4 實驗測試

搭建石英音叉增強型光聲光譜檢測CO2氣體濃度的實驗系統(tǒng)平臺后，調(diào)節(jié)激光發(fā)生器的頻率，通過STM32自帶的14位ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將接收到的電壓值通過一定的算法轉(zhuǎn)換成CO2濃度，將結(jié)果顯示到LCD顯示屏上，當(dāng)調(diào)節(jié)激光發(fā)生器的頻率接近CO2的光聲中心震蕩頻率(94.334kHz)時，檢測到的光聲電信號最強；在光聲中心震蕩頻率附近選取幾點，運用互相關(guān)算法進行噪聲處理，得到相對純凈的CO2光聲電信號，外界大氣良好的情況下得到的光聲電信號為16mV，空氣中CO2的濃度為0.0385%，即385ppm。在密閉空間中，增加CO2氣體的含量，再用石英音叉增強型光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)進行檢測，當(dāng)激光頻率達到94.334kHz時，檢測到的最強的光聲電信號的值如表1所示。

表1 不同CO2濃度時檢測到的光聲電信號

表1中，CO2濃度的真值為采用英國沃特森DR70CD系列智能在線式二氧化碳檢測儀測得的值(精度為0.65%)。由表1可知，當(dāng)CO2濃度逐漸升高時，檢測到的光聲電信號越強，且近似滿足一元線性關(guān)系，通過A/D轉(zhuǎn)換將檢測得到的電壓值轉(zhuǎn)為CO2的濃度值。在A/D轉(zhuǎn)換算法中，設(shè)CO2的濃度為Nv(ppm),光聲電信號為Ig(mv),正比例系數(shù)為Kg，偏移量Wn(Wn值在800～850之間選取)，通過觀察大量數(shù)據(jù)可將檢測到的電壓信號的值與CO2的濃度值之間近似形成如下關(guān)系式：Nv=KgIg-Wn(Kg約為75)。將檢測到的電壓信號利用上述關(guān)系式帶入到A/D轉(zhuǎn)換中，輸出CO2的濃度值，與真值對比發(fā)現(xiàn)誤差接近2%左右。

對系統(tǒng)整體進行誤差分析。由于產(chǎn)生誤差的原因很多，對本光聲系統(tǒng)而言誤差主要來源于以下兩個方面：

(1) STM32 A/D轉(zhuǎn)換精度產(chǎn)生的誤差

STM32系統(tǒng)的ADC為逐次逼近型的14位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，此ADC模塊要求輸入模擬電壓信號的范圍為0～3.3V，參考電壓取最大值3.3V，A/D轉(zhuǎn)換的最大精度為0.003523，A/D轉(zhuǎn)換誤差為0.0934%。

(2) 前端放大濾波電路產(chǎn)生的干擾誤差

由于光聲信號十分微弱，因此要將光聲信號進行放大處理，而放大電路會產(chǎn)生噪聲誤差，其失調(diào)電壓及失調(diào)電流對光聲信號的精度形成主要影響。

5 結(jié)論

采用石英音叉作為介質(zhì)檢測CO2氣體的濃度，在誤差處理中采用微弱信號檢測方法—互相關(guān)檢測法，最大限度的抑制了在CO2濃度檢測過程中產(chǎn)生的干擾噪聲的影響。整個光聲檢測系統(tǒng)使測量CO2濃度達到了ppm量級，有利于人們將其應(yīng)用到更廣闊的領(lǐng)域。

[1]M.S.Sthel,D.U.Schramm.CO2laser photoacoustic detection of ammonia emitted by ceramicindustries[J].Spectrochimica Acta,2000,23(5):1517-1520.

[2]Aime Lay-Ekuakile,Giuseppe Vendramin.LED-based sensing system for biomedical gas monitoring:Design andexperimentation of a photoacoustic chamber[J].Sensors and Actuators,2006,13(3):123-125.

[3]徐春梅，劉先勇，袁長迎，等.激光光聲光譜法測量煤礦瓦斯氣體的研究[J].激光技術(shù)，2001,25(4):326-328.

[4]李勁松，劉琨，張為俊，等.近紅外波段CO2分子弛豫動力學(xué)效應(yīng)對光聲信號的影響[J].光譜學(xué)與光譜分析,2008,28(8):308-311.

[5]朱永，鮑偉義.石英增強光聲光譜技術(shù)研究與探索[J].光譜學(xué)與光譜分析，2011,8(5):19-24.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

The Technology of Detection of CO2Concentration Based on Photoacoustic Spectroscopy of Quartz Crystal

CHEN Liang，ZHOU Hailong

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

By using photoacoustic spectroscopy technology detect the concentration of CO2of the accuracy problem,puts forward the optic quartz enhanced photoacoustic spectroscopy system scheme,use and frequency range of CO2in the center of photoacoustic laser emitted by the laser generated acoustic waves,make the quartz tuning fork crystal resonant,through the piezoelectric effect of quartz tuning fork to detect electrical signals and by lock-in amplifier for signal amplificatio,using cross-correlation method inhibits the process noise,achieve high accuracy detection of trace level CO2concentration objective.Experimental results show that the concentration of photoacoustic spectroscopy detection of CO2quartz crystal to the order of ppm.

phase-lockedamplifier;photoacoustic spectroscopy;quartz tuning fork;piezoelectric effect;cross-correlation method

2014-03-04

陳亮(1979—)，男，副教授，研究方向：智能檢測與信息處理.

1003-1251(2015)02-0061-04

O659.34

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