基于FPGA的TDLAS氣體測量系統(tǒng)

康信文,唐 杰,張 彤

(1.東南大學儀器科學與工程學院,南京 210096;2.東南大學電子科學與工程學院,南京 210096;3.東南大學蘇州研究院蘇州金屬納米光電技術重點實驗室,江蘇 蘇州 215123)

基于FPGA的TDLAS氣體測量系統(tǒng)

康信文1,3,唐 杰1,3,張 彤1,2,3*

(1.東南大學儀器科學與工程學院,南京 210096;2.東南大學電子科學與工程學院,南京 210096;3.東南大學蘇州研究院蘇州金屬納米光電技術重點實驗室,江蘇 蘇州 215123)

提出了基于FPGA的氣體檢測系統(tǒng),實現了TDLAS氣體測量系統(tǒng)小型化、數字化。利用FPGA并行計算、易于實現DDS信號發(fā)生和正交數字鎖相等特點,可以滿足TDLAS測量過程中的高頻信號發(fā)生、諧波信號的提取等計算,從而采用正交數字鎖相方法及擬合法實現氣體的測量。將激光器、溫度控制模塊、電流驅動模塊、信號發(fā)生器、光電探測器、帶通濾波器、ADC采樣集成在同一塊印制電路板上,實現系統(tǒng)的小型化和集成化。最后,通過在空氣中對氧氣濃度進行長時監(jiān)測,驗證了本系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

氣體測量;TDLAS;FPGA;正交數字鎖相

可調諧半導體激光吸收光譜TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)作為一種新興的高靈敏、高分辨率的光學氣體參數測量技術,可實現對氣體的的快速、非侵入原位測量,已逐步用于大氣環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)現場氣體參數檢測、燃燒診斷等[1-3]?？烧{諧半導體激光吸收光譜通過對半導體激光器的工作溫度以及注入電流的控制實現對輸出激光的光強以及頻率的調節(jié)[4-5]。當輸出激光的頻率掃描過待測氣體的光譜吸收中心,通過對經過待測氣體的透射光強進行定量分析可以確定被測氣體的濃度和溫度等信息[6-7]。

目前現有的TDLAS測量儀器主要采用以下兩種方式來實現:①采用個人計算機作為數據處理核心,通過商用或自行設計的數據采集卡將測量信號轉換成數字信號,通過數字鎖相和擬合算法來反演氣體參數[8-9];②采用嵌入式系統(tǒng)作為處理核心,由于嵌入式系統(tǒng)的運算能力等限制因素,故多采用結合模擬鎖相放大器與峰值點比較法來測量氣體參數[10-11]。這兩種測量方法各有利弊,前者在數據處理能力上遠遠大于后者,但是系統(tǒng)龐大、不便于攜帶;后者便攜、小型,但模擬鎖相放大器則諧波信號提取易受溫度漂移影響、峰值點計算過程中易受隨機噪聲影響。

本文提出一種基于FPGA嵌入式系統(tǒng)[12-13]的TDLAS氣體測量系統(tǒng),目的在于克服現有TDLAS氣體測量系統(tǒng)的缺點,實現對氣體參數的精確反演,同時實現儀器的小型化,便攜式。

1 TDLAS氣體測量原理

當一束單一頻率υ的激光穿過某一均勻非散射的吸光氣體介質時,激光入射光強I0(υ)將會被氣體介質吸收而衰減,該衰減由Beer-Lambert定律進行定量描述,即

It(υ) =I0(υ)·exp[-PXLS(T)φ(v)]

=I0(υ)·exp[-α(υ)]

(1)

式中:It(υ)是經氣體介質吸收后的透射光強;S(T)[cm-2atm-1]是待測氣體吸收特征譜線的線強,它代表了所選譜線的吸收強度,是溫度的函數;P[atm]是氣體介質的總壓力;L[cm]是有效光程長;X是氣體介質中待測目標氣體的摩爾分數濃度;φ(υ)[cm]是歸一化線型函數,其表示待測氣體吸收譜線的形狀,與溫度、壓力和氣體種類有關;α(υ)為光譜吸收率。

TDLAS可分為直接吸收法和波長調制法兩種,其中波長調制法是通過在高頻調制頻率的諧波處提取待測氣體參數信息,可有效抑制低頻機械振動、電路中1/f噪聲等,同時采用諧波歸一化可消除非吸收性光強散射的影響,從而降低氣體濃度等參數的檢測下限,提高測量靈敏度[14]。

TDLAS波長調制法通過注入一低頻掃描信號上疊加高頻正弦信號的調制電流使可調諧半導體激光器的輸出光頻率與光強信號隨之變化,經過氣體吸收后會產生調制頻率的高次諧波。高次諧波的幅值與氣體的濃度、溫度等有關,對透射光強信號中的諧波信號進行鎖相提取從而實現對氣體參數的反演。

2 系統(tǒng)框架及構成

如圖1所示,TDLAS測量系統(tǒng)主要包括分布反饋式DFB(Distributed Feedback)激光器、溫度控制模塊、電流驅動模塊、信號發(fā)生器、光電探測器、帶通濾波器、ADC采樣以及FPGA。其中DFB激光器是由半導體構成,作為高效的電子光子轉換器件,其內部載流子吸收等損耗會產生熱量,從而引起激光器溫度升高。溫度的漂移會導致激光器波長的漂移,輸出功率下降,這些對于TDLAS光譜技術來說都會影響測量的精度。圖1中溫度控制模塊用于設定DFB激光器的工作溫度,同時它與DFB激光器內部的熱敏電阻、熱電制冷器構成閉環(huán)PID調節(jié),從而實現溫度的穩(wěn)定。電流驅動模塊用于將信號發(fā)生器產生的電壓信號轉換成DFB激光器的注入電流信號,實現對激光頻率和光強的調制。光電探測器用于將透射光強轉換成電壓信號,經帶通濾波器濾波放大后AD采樣至FPGA中進行數據處理。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件結構及電路

3.1 DFB半導體激光器溫度控制模塊

本文中溫度控制模塊選用TECA1-XV-XV-D作為溫度調節(jié)PID控制器,它具有高效穩(wěn)定、電磁干擾低等特點。溫度控制電路如圖2所示,其中溫度控制芯片的3引腳用于激光器工作溫度設定,9引腳外接至主控芯片FPGA用于實現對溫控的開關控制,12、13引腳分別連接DFB激光器中TEC正負極,11引腳與熱敏電阻連接。

圖2 溫度控制電路

圖3 電流驅動電路

3.2 DFB半導體激光器電流驅動模塊

電流驅動模塊采用低噪聲恒流激光控制器ATLS500MA103,它具有超低噪聲,大電流、高精度、高穩(wěn)定性等特點。它內部帶有溫度補償網絡,可以在溫度升高時保持輸出電流的穩(wěn)定,且集成了過熱保護裝置。電流驅動電路如圖3中所示,其中U31的1引腳外接至FPGA進行控制電流驅動模塊的工作狀態(tài),5引腳用于輸入外部調制電壓信號,9、10引腳分別連接DFB激光器中激光二極管的正負極用于驅動激光器發(fā)光。由于DFB激光器昂貴且易損,為防止輸出的驅動電流過大,該電流驅動模塊內部集成限流保護裝置,電流限制設置由其第4引腳設定。限制電流計算方法如Imax=220ULILM(mA),ULILM為第4引腳上的輸入電壓,可由電位器R297進行調整。輸出至DFB激光器的電流Ioutput=200ULIS(mA),其中ULIS表示 5引腳輸入外部調制電壓信號的大小。

3.3 DAC信號發(fā)生器

信號發(fā)生器采用DDS芯片AD9106作為主芯片。AD9106是四通道的低功耗、12 bit、180 MSPS數模轉換器和波形發(fā)生器,其信號發(fā)生電路如圖4所示。其中通道2用于產生低頻掃描信號,如三角波、正弦波、鋸齒波等;通道1用于產生所需的高頻正弦調制信號;這兩路信號先通過OP4177將差分信號轉換成單端電壓信號,再由OP4177運放電路進行加法運算,同時疊加一直流分量。FPGA通過SPI總線與AD9106進行通信,通過對AD9106寫控制寄存器可以讓它生成特定波形、頻率、初相的信號,同時通過調節(jié)外部電位器可以調節(jié)信號幅值。該疊加后的電壓信號用于電流驅動模塊的輸入,即ULIS。

圖4 DAC信號發(fā)生器

3.4 光電探測器

光電探測器用于將光信號轉換成電信號,主要由光電二極管、調理電路等構成。光電二極管和普通二極管一樣,是由PN結構成的半導體器件,具有單向導電性。它的耗盡區(qū)在光照條件下,會產生光電流,經過跨阻放大器可轉換成電壓信號供后續(xù)電路采集處理。光電探測器的帶寬和響應時間決定其應用場合。在波長調制光譜技術中,為獲得較高的低頻抑制效果,通常采用高頻調制信號對激光二極管進行調制,由于氣體的非線性吸收,會在透射光強中產生豐富的高頻調制信號的高次諧波,故對于光電探測器的帶寬提出較高的要求。對于光電探測器而言,其帶寬fBW和響應時間tr由光電二極管的結電容Cj和負載電阻RF共同決定。

fBW=1/(2πRFCj)

(2)

圖5 光電探測器前級跨阻放大電路

探測器電路前級跨阻放大電路如圖5所示。

(3)

式中:GBP為運算放大器增益帶寬積。

3.5 帶通濾波電路

透射光強中調制頻率的高次諧波是由氣體吸收而引起的,信號較為微弱,在AD采樣前對諧波信號分量進行放大,可以提高信噪比,利于后續(xù)處理。光電探測器輸出電信號經BNC線纜傳輸至帶通濾波器輸入端,先由一電位器調節(jié)輸入幅值,再通過電壓跟隨器緩沖隔離。如圖6所示,其中電壓跟隨器后有兩級多路反饋帶通結構和一級反相放大電路。根據濾波器傳遞函數,經推導可知該電路傳遞函數為[16]

(4)

式中:取C1=C2,C3=C4。

圖6 帶通濾波電路

圖7 AD采樣電路

3.6 AD采樣電路

AD采樣模塊采用AD8138將單端輸入信號轉換為差分輸出至AD轉換芯片AD7357,如圖7所示。AD7357為差分輸入、雙通道14 bit SAR ADC,其數字接口為串行接口,每一個采樣點至少需要16個時鐘周期,其時鐘信號由FPGA提供。

圖8 數據處理流程圖

4 數據處理

數據處理流程圖如圖8所示,首先分別對入射光強I0(υ)、透射光強It(υ)進行數字鎖相,提取它們的各次諧波信號分量,通過矢量減法扣除透射光強信號中的背景信號,同時用一次諧波對高次諧波(通常取二次諧波)進行歸一化得到實測扣背景歸一化信號。預設氣體濃度X,通過計算獲取仿真的歸一化二次諧波,計算仿真與實測方差誤差是否小于設定值。若是,則可認為預設氣體濃度X即為待測氣體濃度;反之則對預設氣體濃度值進行修改,在此迭代直至誤差小于設定值。

FPGA中實現數字鎖相功能提取透射光強諧波信號如圖9所示,通過正交矢量鎖定分別提取一次諧波、二次諧波,并用一次諧波對二次諧波進行歸一化。得到歸一化信號后,如圖10所示,進行曲線擬合,即可獲取氣體濃度參數。

圖9 FPGA中數字鎖相功能實現

圖10 曲線擬合示意圖

采用Nanoplus公司的波長中心為760 nm的DFB激光器測量空氣中氧氣含量的值對本測量系統(tǒng)進行驗證。其中,光程長為200 cm,測量時間為100 min,每隔10 min取一測量點,測量結果如圖11所示,測量平均值為20.68%,方差為0.166 2,均方差為0.407 7。

圖11 氧氣100 min測量結果

5 結論

本文采用FPGA作為核心控制芯片,實現了便攜式的TDLAS氣體測量系統(tǒng)。利用FPGA并行計算、便捷地實現DDS信號發(fā)生、正交數字鎖相提取諧波信號等特點,實現了系統(tǒng)中各功能單元及電路模塊的集成化。實驗中對空氣中氧氣濃度進行了長時測量,結果表明,氧氣濃度測量平均值為20.68%,方差為0.166 2,均方差為0.407 7,具有較高的測量精度和良好的穩(wěn)定性,驗證了該TDLAS氣體測量系統(tǒng)的功能。本文的研究工作對未來實現更高性能的集成化、小型化TDLAS氣體測量系統(tǒng)具有重要的意義。

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TDLASGasMeasurementSystemBasedonFPGA

KANGXinwen1,3,TANGJie1,3,ZHANGTong1,2,3*

(1.School of Instrument Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China;2.School of Electronic Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China;3.Suzhou Key Laboratory of Metal Nano-Optoelectronic Technology,Suzhou Research Institute of Southeast University,Suzhou Jiangsu 215123,China)

A gas detection system based on FPGA is proposed,which realizes the miniaturization and digitalization of TDLAS gas measurement system. FPGA have good performance on parallel computing,easy to realize DDS and quadrature digital phase-locked which can be used to calculate the high frequency signal and the extraction of harmonic signal in the process of TDLAS measurement. The laser,the temperature control module,the current drive module,the signal generator,the photoelectric detector,the band-pass filter and the ADC sampling are integrated on the same printed circuit board to realize the miniaturization and integration of the system. Finally,the stability of the system is verified by monitoring the oxygen concentration in the air for a long time.

aerometry;TDALS;FPGA;quadrature digital phase-locked

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.001

2017-05-09修改日期2017-07-19

TP212.2

A

1004-1699(2017)12-1781-06

康信文(1990-),男,碩士研究生,東南大學儀器科學與工程學院,主要研究方向為可調諧半導體激光吸收光譜學,kangxinwen_2013@163.com;

張彤(1967-),男,教授,博士生導師,東南大學電子科學與工程學院,主要研究方向為紅外氣體吸收光譜及傳感、納米光學,集成光學、表面等離激元學和微波光子學,tzhang@seu.edu.cn。