基于TDLAS甲烷遙測(cè)的數(shù)字鎖相電路設(shè)計(jì)*

張 亮, 李 曉, 王志斌, 張 瑞

(1.中北大學(xué) 山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

傳統(tǒng)的甲烷氣體檢測(cè)一般采用熱催化測(cè)量法、熱導(dǎo)型測(cè)量法、紅外光譜吸收測(cè)量法[1]。熱催化測(cè)量法需要甲烷氣體接觸傳感器表面且會(huì)產(chǎn)生一定的熱量,不利于在天然氣運(yùn)輸管道附近的甲烷測(cè)量。熱導(dǎo)型測(cè)量法利用純甲烷或高濃度甲烷的熱導(dǎo)率與空氣的熱導(dǎo)率相差較大，在測(cè)量中需要有較高的甲烷濃度，而天然氣傳輸管道處甲烷濃度較低,所以熱導(dǎo)型測(cè)量法難以達(dá)到要求[2～4]。紅外光譜吸收測(cè)量法主要采用鎖相放大器對(duì)經(jīng)過(guò)甲烷氣體的帶有調(diào)制信號(hào)的紅外光進(jìn)行諧波分量的提取[5]，從而實(shí)現(xiàn)天然氣管道附近微量甲烷的檢測(cè)要求。

本文提出了一種采用紅外光譜吸收測(cè)量法的甲烷測(cè)量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方法。將激光器驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、溫控電路以及探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路合理優(yōu)化從而達(dá)到硬件電路小型化，通過(guò)調(diào)節(jié)正交鎖相放大參數(shù)使系統(tǒng)能夠達(dá)到較高測(cè)量精度。

1 工作原理

1.1 光譜吸收原理

Beer-Lambert定理是可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)(tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)的理論基礎(chǔ)。當(dāng)一束光強(qiáng)為I0且波長(zhǎng)一定的紅外激光穿過(guò)特定氣體的吸收池時(shí)，其光強(qiáng)會(huì)隨著介質(zhì)的吸收而有所衰減[6]。衰減規(guī)律為

I=I0e-PS(T)φ(v)XL

(1)

式中I0為入射激光光強(qiáng),I為通過(guò)氣體吸收后的透射光強(qiáng)度,S(T)為氣體吸收特征譜線的線強(qiáng)度,φ(v)為線型函數(shù),P為壓強(qiáng),L為樣品吸收程長(zhǎng),X為吸收介質(zhì)氣體體積濃度。

本設(shè)計(jì)的分布反饋式激光器(distributed feedback laser，DFB)輸出激光波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，且具有單色性好、亮度高、方向性和相干性強(qiáng)、輸出線寬窄等優(yōu)點(diǎn)。可用于微量氣體以及分辨率要求較高的氣體測(cè)量場(chǎng)所。

1.2 諧波檢測(cè)

TDLAS技術(shù)一般采用特定頻率的窄帶激光進(jìn)行連續(xù)掃描從而得到目標(biāo)氣體的吸收譜線，再利用DFB激光器波長(zhǎng)隨電流改變的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的單條或多條距離較近且難以分辨的吸收線精確測(cè)量目的。當(dāng)在激光器的直流驅(qū)動(dòng)信號(hào)上調(diào)制適當(dāng)頻率和幅度的正弦信號(hào)時(shí)，激光器輸出具有調(diào)制信號(hào)的激光，當(dāng)通過(guò)調(diào)制的激光通過(guò)氣體吸收池時(shí)氣體對(duì)調(diào)制激光產(chǎn)生吸收作用，即本文實(shí)現(xiàn)甲烷檢測(cè)的主要理論依據(jù)[7～9]。

1.3 數(shù)字鎖相原理

鎖相放大器是一種能夠?qū)蛔冃盘?hào)進(jìn)行相敏檢波的放大器，用來(lái)檢測(cè)淹沒(méi)在噪音中的微弱信號(hào)。通過(guò)用與被測(cè)信號(hào)具有相同頻率和相位的參考信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，其輸出結(jié)果只對(duì)與參考信號(hào)具有相同頻率(或倍頻)、相同相位關(guān)系的信號(hào)有響應(yīng)。因此，能夠抑制無(wú)用噪聲，改善檢測(cè)信噪比[10，11]。

本文采用四通道相關(guān)解調(diào)算法，4個(gè)通道的信號(hào)分別為一倍頻正弦序列、一倍頻余弦序列、二倍頻正弦序列、二倍頻余弦序列。一倍頻正弦序列的參考序列設(shè)為rs1(k)，輸入信號(hào)的頻率設(shè)為f0,模/數(shù)(analog to digital conversion,A/D)轉(zhuǎn)換的采樣頻率設(shè)為fS=N×f(N≥3)，對(duì)輸入信號(hào)S(t)采樣后獲得的數(shù)字序列為

S(K)=Asin(2πk/N+θ)

(2)

式中A為模擬信號(hào)的幅值,θ為初始相位。則rs1(k)和S(K)對(duì)整個(gè)周期采樣的互相關(guān)函數(shù)Rsrs1為

(3)

設(shè)一倍頻余弦序列的參考序列為rc1(k)，則rc1(k)和S(K)對(duì)整個(gè)周期采樣的互相關(guān)函數(shù)Rsrc1為

(4)

同理，二倍頻正弦序列的參考信號(hào)為rs2(k)，二倍頻余弦序列的參考信號(hào)為rc2(k)，則可得rs2(k)與rc2(k)分別和S(K)對(duì)整個(gè)周期采樣的互相關(guān)函數(shù)為Rsrs2和Rsrc2分別為

(5)

(6)

2 實(shí)驗(yàn)裝置

搭建的用于TDLAS型甲烷遙測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。甲烷遙測(cè)系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分，即光學(xué)部分、電學(xué)部分和計(jì)算處理部分。光學(xué)部分是由位于激光器前端和光探測(cè)器處的兩個(gè)透鏡以及位于探測(cè)器前端的濾光片組成；電學(xué)部分由近紅外光探測(cè)器、FPGA核心控制部分、激光器驅(qū)動(dòng)部分、TEC溫控電路組成；計(jì)算處理部分由模數(shù)轉(zhuǎn)換器和FPGA內(nèi)部NIOS軟核組成。

圖1 甲烷遙測(cè)系統(tǒng)原理

測(cè)量過(guò)程首先由DFB激光器向目標(biāo)區(qū)域發(fā)射一束經(jīng)過(guò)調(diào)制的激光，激光通過(guò)被測(cè)氣體后經(jīng)過(guò)反射聚焦于光探測(cè)器處。光探測(cè)器將接收的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入FPGA內(nèi)部計(jì)算處理。同時(shí)采用與調(diào)制信號(hào)同頻率的標(biāo)準(zhǔn)一次諧波量和二次諧波量作為參考信號(hào)即可提取所測(cè)信號(hào)中一次諧波和二次諧波，再將計(jì)算所得的一倍頻和二倍頻數(shù)據(jù)送入FPGA內(nèi)NIOS軟核中進(jìn)行濃度數(shù)據(jù)的反演即可得到此時(shí)光路區(qū)域甲烷濃度進(jìn)而可以得出天然氣濃度信息。

3 數(shù)字鎖相放大器電路設(shè)計(jì)

圖2所示為數(shù)字鎖相放大器的原理。在參考時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，相位累加器對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性累加，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)即為合成信號(hào)的相位，相位累加器的溢出頻率就是數(shù)字頻率合成器(direct digital synthesizer，DDS)輸出的頻率信號(hào)。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器(ROM)的相位取樣地址，將所要產(chǎn)生信號(hào)的幅值離散為不同的數(shù)字量放入ROM中，再將對(duì)應(yīng)的相位幅值線性累加，最終產(chǎn)生所需要的一定頻率的數(shù)字信號(hào)。DDS1cq為調(diào)制激光器驅(qū)動(dòng)電流所需要的正弦信號(hào)，DDS1 sin 1x,DDS1 sin 2x,DDS1 cos 1x,DDS1 cos 2x分別為一倍頻和二倍頻的正弦、余弦標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)。

圖2 數(shù)字鎖相放大器原理

在FPGA內(nèi)采用DDS技術(shù)，使用同一頻率控制字控制激光器驅(qū)動(dòng)信號(hào)和數(shù)字鎖相放大器參考信號(hào)的產(chǎn)生，使驅(qū)動(dòng)信號(hào)和參考信號(hào)頻率一致。FPGA在參考時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)分頻產(chǎn)生數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)鐘，能夠使檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的相位相對(duì)穩(wěn)定。將采集到的一次諧波分量和二次諧波分量存入FPGA內(nèi)暫存，再與參考信號(hào)一起傳輸?shù)匠死奂悠髦羞M(jìn)行積分運(yùn)算，并將處理所得一倍頻數(shù)據(jù)和二倍頻數(shù)據(jù)送入FPGA內(nèi)NIOS軟核中進(jìn)行計(jì)算處理。

4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

針對(duì)以往甲烷遙測(cè)系統(tǒng)中硬件電路龐大的缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)中硬件電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將電源電路與FPGA控制電路、溫度控制電路、激光器驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行分離設(shè)計(jì)。避免不同模塊之間噪聲的互相干擾。將FPGA核心控制電路與激光器驅(qū)動(dòng)電路以及激光器TEC溫控電路集成在一塊PCB板上。在以往的設(shè)計(jì)中電源系統(tǒng)是噪聲的主要來(lái)源，因此,本文將電源作為一個(gè)單獨(dú)的PCB板與核心電路進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)。

4.1 電源管理電路

系統(tǒng)采用直流(direct current,DC)12 V電源供電，考慮到系統(tǒng)中存在微弱信號(hào),因此在電源處應(yīng)盡量減少電源噪聲對(duì)信號(hào)的影響，通過(guò)測(cè)試在本文采用TI公司的大功率DC-DC轉(zhuǎn)換芯片作為系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換芯片。針對(duì)系統(tǒng)中存在微弱信號(hào)的特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)中特定部分采用單獨(dú)供電。電源系統(tǒng)可以分為FPGA核心控制模塊、溫控模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、激光器驅(qū)動(dòng)模塊、溫控模塊、探測(cè)器模塊。考慮到D/A轉(zhuǎn)換部分和探測(cè)器需要共地以減少電源信號(hào)干擾，因此D/A轉(zhuǎn)換模塊與探測(cè)器模塊使用同一路電源供電并在電源處進(jìn)行濾波處理。在本設(shè)計(jì)中使用吸收式濾波和反射式濾波兩種濾波器結(jié)合的方式對(duì)電源進(jìn)行濾波。具體濾波方法是先使用反射式濾波器將電源噪聲反射回電源端，在通過(guò)放置于電源端的吸收電容器以及串聯(lián)在電路中的磁珠將噪聲吸收。

4.2 溫控電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要求激光器能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作在固定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。本文采用的DFB是溫度敏感器件，激光器工作波長(zhǎng)隨溫度變化而變化，需要針對(duì)激光器進(jìn)行精密溫控器設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中采用TEC半導(dǎo)體制冷技術(shù)對(duì)激光器進(jìn)行精密溫度控制。對(duì)于甲烷遙測(cè)系統(tǒng)中要求DFB能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作在固定波長(zhǎng)處，且要求環(huán)境溫度對(duì)溫控電路影響最小，這就要求溫度控制電路具有良好的動(dòng)態(tài)性能。本設(shè)計(jì)采用MAX1968溫控芯片與比例積分(proportional integral,PI)電路相結(jié)合的方式進(jìn)行溫度的控制，如圖3所示為溫控電路原理，在實(shí)驗(yàn)中為確定PI調(diào)節(jié)參數(shù)考慮到激光器內(nèi)使用熱敏電阻器進(jìn)行測(cè)溫,因此,采用滑動(dòng)變阻器作為替代品進(jìn)行模擬溫度變化調(diào)節(jié)從而確定PI調(diào)節(jié)參數(shù)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證溫控電路能夠?qū)す馄鳒囟冗M(jìn)行有效控制，本電路設(shè)計(jì)完全符合要求。

圖3 激光器溫控電路原理

4.3 激光器驅(qū)動(dòng)電路

DFB為電流型負(fù)載需要有電流源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)中采用MAX3669激光器驅(qū)動(dòng)芯片作為電流源對(duì)FPGA產(chǎn)生的正弦信號(hào)進(jìn)行調(diào)制輸出。輸出電流調(diào)節(jié)范圍可以達(dá)到0～1 A。在激光器連接中使用一端接5 VDC另一端接MAX3669輸出的調(diào)制信號(hào)的接線方式。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)激光器對(duì)于電壓沖擊非常敏感，通過(guò)分析知道產(chǎn)生沖擊電壓的原因是系統(tǒng)上電初始階段因?yàn)橹骺刂破骷膀?qū)動(dòng)電路的初始化需要時(shí)間導(dǎo)致激光器5 VDC接線端直接加載在激光器上而另一端處于不確定狀態(tài)，在設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)激光器供電端進(jìn)行上電延時(shí)設(shè)計(jì)通過(guò)在激光器供電端串聯(lián)RC延時(shí)電路如圖4所示為激光器驅(qū)動(dòng)電路原理。

圖4 激光器驅(qū)動(dòng)電路原理

4.4 信號(hào)采集模塊

激光器發(fā)出的通過(guò)調(diào)制的特定波長(zhǎng)激光經(jīng)過(guò)天然氣中甲烷氣體吸收到達(dá)反射物后,在返回光路中再次通過(guò)待測(cè)氣體,再經(jīng)過(guò)透鏡進(jìn)行聚焦到達(dá)傳感器，可以保障光束能夠在探測(cè)器處聚焦以提高探測(cè)器的靈敏度。在探測(cè)器接收到激光信號(hào)后將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器濾波處理后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入FPGA內(nèi)進(jìn)行鎖相放大計(jì)算，通過(guò)鎖相放大計(jì)算產(chǎn)生的一倍頻及二倍頻數(shù)據(jù),再在NIOS中進(jìn)行甲烷濃度的計(jì)算。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中將激光器工作溫度設(shè)定為20 ℃，電流設(shè)定在500 mA，中心波長(zhǎng)為1 650.910 nm。為使激光器能夠有效探測(cè)到甲烷氣體,使用頻率為5 kHz的正弦波對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制，接收端選用InGaAs近紅外探測(cè)器。

在測(cè)試過(guò)程中,為了保護(hù)激光器，使用具有相同特性的二極管作為替代品進(jìn)行電測(cè)試。如圖5為未加保護(hù)電路與加入延時(shí)保護(hù)電路以后二極管兩端電壓波形，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)加入延時(shí)保護(hù)電路以后能夠有效減少對(duì)激光器的沖擊，達(dá)到保護(hù)激光器的目的。

圖5 添加保護(hù)電路前后上電波形

在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行通過(guò)調(diào)節(jié)反射物距離進(jìn)行調(diào)節(jié)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)將距離調(diào)節(jié)達(dá)到40～45 m范圍內(nèi)激光散射度已經(jīng)很大,通過(guò)示波器觀測(cè)接收信號(hào)具有大量的噪聲，而在35～40 m范圍內(nèi)通過(guò)調(diào)節(jié)位于探測(cè)器前端的透鏡可以在示波器中觀察到比較明顯的接收波形，通過(guò)用標(biāo)準(zhǔn)氣體為5 %的甲烷氣體在35～40 m范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試再通過(guò)計(jì)算可以得出甲烷濃度較標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度偏差在0.01 %～0.06 %范圍波動(dòng)，隨著距離較少甲烷濃度測(cè)量濃度逐步升高。

通過(guò)改變環(huán)境變量(溫度、濕度)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室所在地外界環(huán)境條件模擬了在冬季極限溫度零下10 ℃，夏季最高溫度40 ℃范圍內(nèi)隨機(jī)溫度調(diào)節(jié)，并進(jìn)行連續(xù)5天，每天測(cè)試10組數(shù)據(jù)共50組數(shù)據(jù)進(jìn)行激光器輸出波長(zhǎng)分析，可以觀察到激光器波長(zhǎng)沒(méi)有發(fā)生明顯的偏移達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)想要求。對(duì)InGaAs近紅外探測(cè)器接收到的調(diào)制信號(hào)，圖6為使用示波器進(jìn)行觀察分析后得出激光器波長(zhǎng)沒(méi)有發(fā)生明顯偏移。表明溫控電路及激光器驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定運(yùn)行滿足系統(tǒng)要求。

圖6 激光波長(zhǎng)隨環(huán)境變化

為驗(yàn)證甲烷吸收的靈敏度,實(shí)驗(yàn)使用美國(guó)NI公司標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字鎖相放大器進(jìn)行檢測(cè)測(cè)量，使用白板作為反射板，采用擠壓裝有天然氣氣體的透明氣球進(jìn)行靈敏度檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)中，將白板與激光器距離逐漸調(diào)遠(yuǎn)，分別在10，20,30,40,50 m 處通過(guò)不同程度擠壓氣球來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，圖7為在 40 m處采用示波器接收到激光波形。

圖7 激光器調(diào)制波形和探測(cè)器接收波形

通過(guò)LabVIEW上位機(jī)進(jìn)行二倍頻數(shù)據(jù)采集反演甲烷濃度，實(shí)驗(yàn)中，將氣體通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)配比濃度為5 %，6 %，7 %，8 %，9 %，10 %的6種甲烷氣體，在10～40 m范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)諧波檢測(cè)計(jì)算反演濃度可得氣體濃度平均偏差為0.006 %～0.06 %范圍內(nèi)。滿足高精度、高穩(wěn)定性的實(shí)測(cè)要求。

6 結(jié) 論

長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試結(jié)果顯示系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)對(duì)探測(cè)精度距離進(jìn)行測(cè)試可得利用紅外吸收原理的激光甲烷遙測(cè)儀實(shí)現(xiàn)了精確測(cè)量的目的。