TDLAS一氧化碳檢測系統(tǒng)

顧利帥，裴彥軍，王立娜，郭海雷

(中國船舶重工集團公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

0 引 言

一氧化碳（CO）是一種常見的有毒氣體，長期暴露在CO濃度較高的環(huán)境中會對人的神經(jīng)系統(tǒng)造成損傷，尤其是在潛艇艙室等人員密集的密閉空間中需要對CO進行實時監(jiān)測[1]。目前常用的CO檢測方法有電化學(xué)法和紅外法，但電化學(xué)法在復(fù)雜氣體背景條件下易受氫氣（H2）等還原性氣體的干擾，紅外原理的檢測儀器中有切光片之類的運動件，易受振動的影響。其他如質(zhì)譜方法檢測會受到與CO質(zhì)量分數(shù)相同的氣體分子的干擾。

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）是一種目前發(fā)展迅速的微量氣體檢測技術(shù)[1-3]。該技術(shù)利用二極管激光光束單色性好、波長可調(diào)節(jié)的特性，具有選擇性好、測量精度高、穩(wěn)定且不受其他氣體干擾的特點。二極管激光器體積小，使用靈活方便，且隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，成本越來越低，適宜于開發(fā)體積較小且可靠實用的氣體檢測儀器，用于潛艇艙室之類的空間狹小、背景氣體復(fù)雜的密閉環(huán)境中的氣體檢測。本文介紹一種使用TDLAS技術(shù)的CO濃度檢測系統(tǒng)，用于CO的實時檢測。

1 工作原理

1.1 波長調(diào)制分析

根據(jù)朗伯-比爾定律，在弱吸收條件下，氣體對特定波長光束的吸收可用下式描述：

式中：It為氣體吸收后光束的光強；為其近似值；I0為吸收前光束的光強；α (v)=S(T)φ(v)P為光強吸收系數(shù)；S（T）為溫度T（K）時氣體吸收譜線強度，cm-2/atm，可通過Hitran數(shù)據(jù)庫查到；φ (v)為氣體吸收譜線展寬的線型函數(shù)，在常壓下通常使用洛倫茲線型；v為光束波長，cm-1；P為氣體壓強，atm；C為待測氣體濃度，ppm；L為氣體吸收光程，cm。

對激光器施加斜波掃描-正弦調(diào)制驅(qū)動信號后，激光器發(fā)出光束的波長和光強均被調(diào)制：

將式（2）和式（3）以及洛倫茲線型函數(shù)[3]代入式（1）并整理，得

式中： α0=2S(T)PCL/(πΔvC)；ΔvC為洛倫茲線型函數(shù)的半高全寬，cm-1；為洛倫茲線型函數(shù)代入波長調(diào)制信號后的傅里葉展開各項系數(shù)，是波長和波長調(diào)制系數(shù)Δv的函數(shù)。

從式（4）可知，經(jīng)氣體吸收后的光強信號的一次、二次諧波的幅值分別為：

式中：g0，g1，g2和g3為系數(shù)gn的前4項。

從式（5）和式（6）可知，一次諧波包含光強調(diào)制信息ΔI[4]，二次諧波幅值與氣體濃度成比例關(guān)系。根據(jù)Arndt[5]推導(dǎo)、Kluczynski[6]整理的系數(shù)gn，代入到A1f，A2f，繪制曲線如圖1所示。為了方便對比，去掉了A1f中的光強調(diào)制項ΔI。根據(jù)曲線特點[7]，選用二次諧波曲線反演氣體濃度。

1.2 二次諧波歸一化

光束在傳輸過程中因瑞麗散射、鏡片透光率等因素引起光強損失與光束光強經(jīng)光電探測器檢測轉(zhuǎn)換為電壓信號的過程中光電轉(zhuǎn)換引起的轉(zhuǎn)換損失，使得光電探測器輸出的電壓信號Ut與光束光強存在以下關(guān)系：

圖1 一次、二次諧波歸一化曲線Fig.1 1f and 2f harmonic wave profile

式中：ε=ε1·ε2，ε1分別ε2為光束傳輸、轉(zhuǎn)換系數(shù)。

由式（7）可知，從光電探測器輸出的電壓信號中提取出的各次諧波信號均帶有光強傳輸與轉(zhuǎn)換系數(shù)，若直接用此二次諧波反演氣體濃度則會因鏡片污染等因素的影響而導(dǎo)致檢測準(zhǔn)確度下降。利用一次諧波對二次諧波進行歸一化處理[8]：

則可除去光束傳輸與轉(zhuǎn)換因素的影響。因氣體對光強的吸收很弱，一次諧波幅值中光強調(diào)制項占主要部分，二次諧波與之求商后對幅值曲線形狀的改變不大，如圖2所示，不影響氣體濃度的反演。

圖2 二次諧波求商前后對比Fig.2 2f harmonic wave and itself normalized by 1f

2 檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

CO檢測系統(tǒng)主要包含激光器及電流驅(qū)動與溫度控制模塊、氣體吸收池、光電探測器、帶通濾波器、FPGA+MCU數(shù)據(jù)處理單元、顯示單元等，如圖3所示。此外還包含電源、氣路、抽氣泵等。

圖3 檢測系統(tǒng)組成框圖Fig.3 Composition block diagram of the system

系統(tǒng)工作時，F(xiàn)PGA電路板發(fā)出驅(qū)動信號施加在激光器電流驅(qū)動上激勵激光器產(chǎn)生光束；光束經(jīng)光纖傳輸、準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后進入吸收池，在吸收池內(nèi)經(jīng)多次反射、吸收后射出至光電探測器轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓信號經(jīng)帶通濾波除去基礎(chǔ)光強后回到FPGA電路板。FPGA對信號進行鎖相解調(diào)，提取出一次、二次諧波信號進行CO濃度反演。之后再將濃度數(shù)據(jù)送入到MCU經(jīng)校正后進行顯示。

激光器選用日本NEL公司的2 330 nm帶尾纖的DFB激光器。該波長位于CO第一泛頻吸收波段，吸收強度比1.57 μm附近的第二泛頻波段高2個數(shù)量級；另外DFB激光器比4.67 μm附近的基頻吸收波段需使用的QCL激光器成本低、體積小。使用帕爾帖效應(yīng)的溫控模塊調(diào)節(jié)溫度鎖定出射光束的中心波長；調(diào)節(jié)驅(qū)動電流，實現(xiàn)光束波長的斜波掃描與正弦調(diào)制。

為了提高檢測靈敏度、同時檢測系統(tǒng)的體積不至于過大，設(shè)計了Herriot氣體吸收池[9]，有效吸收光程9 m左右。吸收池上設(shè)有進、出氣口和溫度、壓力傳感器。

2.2 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理采用FPGA+MCU架構(gòu)，利用FPGA并行運算的特點，實現(xiàn)調(diào)制信號的產(chǎn)生與諧波信號的解調(diào)以及濃度反演等功能；利用MCU易于編程的特點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、CO濃度校正以及顯示、抽氣泵控制等功能。FPGA選用Xilinx公司的Spartan-6系列的XC6SLX75，該芯片包含74637個邏輯單元、FIR等多種IP內(nèi)核等；MCU選用TI公司的MSP430F169，該芯片包含AD，DA，UART等模塊。

FPGA發(fā)出的信號經(jīng)AD電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，電路如圖4所示。AD芯片使用16位精度的AD5542，該芯片以SPI通信方式從FPGA獲取波形數(shù)據(jù)，掃描斜波頻率設(shè)置為10 Hz，正弦調(diào)制頻率設(shè)置為10 kHz。AD轉(zhuǎn)換后的斜波、正弦信號各自通過一級運放后再經(jīng)低通濾波芯片LTC1563濾波，合成為掃描-調(diào)制鋸齒波信號，再經(jīng)一級運放生成驅(qū)動信號。

圖4 鋸齒波發(fā)生AD電路Fig.4 Saw wave generating circuitry

光電探測器發(fā)出的電壓信號經(jīng)帶通濾波去除基礎(chǔ)光強后，進入到FPGA電路板上的DA轉(zhuǎn)換電路，電路如圖5所示。信號先經(jīng)低通濾波，再由差分運放LTC6362轉(zhuǎn)換為差分信號，最后經(jīng)20位精度的DA芯片LTC2378轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號通過SPI通信送入到FPGA。

2.3 濃度數(shù)據(jù)反演

信號進入到FPGA之后的處理流程如圖6所示。FPGA首先使用鎖相參考信號對光強數(shù)據(jù)D進行一次、二次正余弦鎖相，使用低通濾波除去不相干信號后，分別將一次諧波正、余弦鎖相信號X1f，Y1f與二次諧波正、余弦信號X2f，Y2f求平方和再開平方得到一次、二次諧波幅值信號R1f和R2f[10]，這樣可以消除鎖相參考信號與光束光強諧波之間的相位差所造成的影響。之后將R2f除以R1f，消除光強背景信號，再通過求取最大值得到二次諧波幅值的峰值RP，標(biāo)定二次諧波峰值RP與CO濃度之間的關(guān)系，即反演出CO的濃度。

圖6 光強信號反演CO濃度流程圖Fig.6 The process of the caculation of CO concentration

在濃度反演完成后，F(xiàn)PGA通過UART將數(shù)據(jù)傳輸給MCU，MCU對數(shù)據(jù)進行校正等處理后通過另一路UART送至顯示屏。可通過溫度、壓力試驗，測試溫度、壓力對CO濃度的影響，在MCU內(nèi)進行校正。

3 實驗驗證

檢測系統(tǒng)組裝并調(diào)試完成后，進行CO標(biāo)準(zhǔn)氣測試實驗。實驗使用濃度分別為0 ppm（高純氮氣N2），10.3 ppm，30.1 ppm，50.3 ppm的CO標(biāo)準(zhǔn)氣進行多組測試，實驗過程按照先通高純氮氣使儀器回復(fù)到零值，再通CO標(biāo)準(zhǔn)氣進行檢測的流程進行，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

從表1數(shù)據(jù)可見，對不同濃度的CO標(biāo)準(zhǔn)氣的檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)氣之間的誤差小于1 ppm。

4 結(jié) 語

本文在對TDLAS檢測原理進行推導(dǎo)分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)了CO檢測系統(tǒng)，并使用CO標(biāo)準(zhǔn)氣進行測試實驗。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地檢測CO的濃度，達到了實用水平。另外檢測系統(tǒng)使用FPGA+MCU的數(shù)據(jù)處理架構(gòu)與Herriot氣體吸收池，使得檢測系統(tǒng)體積較小能作為單機設(shè)備靈活使用，具有很高的推廣價值。