基于熱導(dǎo)傳感器和卡爾曼算法的氧分析儀設(shè)計*

王文蓉，彭明仔，吳黎明

（1.廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，廣州 511442；2.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

當(dāng)前，精密氣體檢測系統(tǒng)的研究是熱點問題，主要應(yīng)用于環(huán)境污染氣體檢測、瓦斯氣體檢測、汽車尾氣排放檢測等方面，而且這些主要只用于開關(guān)檢測，達到上限或者下限值的時刻就提示報警信息等，在精密度上要求不高；此外，在檢測氫氣、氮氣、氧氣等雙原子分析氣體時，目前采用的基于朗伯比爾定律的檢測方法難以實現(xiàn)，于是基于熱導(dǎo)傳感的檢測方法應(yīng)運而生。當(dāng)前熱導(dǎo)傳感器的熱導(dǎo)池還存在氣體取樣不均、環(huán)境溫度補償困難、溫漂大等相關(guān)問題[1-3]。本文針對這些問題，基于嵌入式系統(tǒng)，在分析現(xiàn)有誤差來源的基礎(chǔ)上，通過熱導(dǎo)池信號采集電路、傳感信號放大電路、大氣壓傳感器對比檢測電路、溫度傳感器電路和高精度AD 轉(zhuǎn)換電路，以及軟件算法對信號進行濾波，實現(xiàn)系統(tǒng)的精密檢測，該裝置不需要參考氣體，可在高溫、高濕和高氧壓的條件下工作。

1 熱導(dǎo)氣體檢測原理及整體設(shè)計

本設(shè)計中的熱導(dǎo)池采用錸鎢絲作為熱敏元件，熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。錸鎢絲的阻值會因為氣體濃度的不同而變化，設(shè)計原理就是根據(jù)測量臂樣品的濃度變化，從而改變錸鎢絲的阻值，然后通過橋臂輸出與之對應(yīng)的電壓改變值，濃度不同，對應(yīng)的電壓信號不同，從而實現(xiàn)濃度測量。

圖1 熱導(dǎo)池結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖如圖2所示。主要包含熱導(dǎo)池、傳感信號放大處理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、嵌入式控制系統(tǒng)、大氣壓對比檢測電路、存儲電路和顯示電路等。供電系統(tǒng)中最主要的是給熱導(dǎo)池進行恒流供電，保持熱導(dǎo)池的穩(wěn)定性。經(jīng)過熱導(dǎo)池進行信號采集，輸出與濃度變化相對應(yīng)電壓信號，輸出信號非常微弱，經(jīng)過傳感信號放大電路進行處理，然后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，由嵌入式系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，然后對測試數(shù)據(jù)進行存儲和顯示。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

本設(shè)計采用平面六通閥和定量閥以及長管氣路設(shè)計的方式。進氣、檢測和排氣設(shè)計在同一個平面六通閥中，定量閥確定被測樣品氣體體積，確保每次測量的體積保證高度一致；此外，被測氣體在長管中能充分地混合均勻，避免了由于濃度具有隨機性而帶來的誤差，解決了人為確定被測樣體積與濃度不均產(chǎn)生的精度誤差。如圖3所示。

圖3 氣路連接圖

2 主要硬件電路

2.1 信號采集與處理電路

信號采集與處理電路如圖4 所示，通過平面六通閥接入樣氣，導(dǎo)入熱導(dǎo)池進行檢測，輸出的信號采用AD8220AR 儀表放大器進行初級放大。AD8220AR 是軍用級別的放大器，具有出色的交流特性，低功耗帶寬為1.5 MHz；輸入噪聲低，壓擺率僅為2 V/μs。在此基礎(chǔ)上選用OPA2188進行次級放大和信號跟隨，確保信號放大到合適范圍的同時，具有較高的信噪比。

圖4 信號采集與處理電路

2.2 AD轉(zhuǎn)換電路

AD 轉(zhuǎn)換電路采用24 位ADS1248、8 通道2KSPS 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，支持4 路差分輸入和7 路單端輸入。內(nèi)部集成了2.048 V的參考電壓，10 ppm 內(nèi)部溫度傳感器。使用內(nèi)部恒流源時需要啟用內(nèi)部電壓參考才能正常輸出；SPI為下降沿鎖存；SPI數(shù)據(jù)發(fā)送到ADS1248后需要等一段時間再把CS引腳拉高。具體的設(shè)計電路如圖5所示。

圖5 AD轉(zhuǎn)換電路

2.3 嵌入式控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用STM32F103 進行處理。具體的最小系統(tǒng)設(shè)計電路如圖6 所示，STM32F103 自帶SPI 通訊接口，資源豐富、處理速度快、價格低廉、下載方便，在設(shè)計過程中將測試的情況進行了說明。

2.4 數(shù)字隔離電路

設(shè)計采用ADuM7441 四通道標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器和雙通道高可靠數(shù)字隔離器ADuM1201，電路具有可靠性高、性噪比高，六路信號通過TP9-TP14輸出，具體的設(shè)計電路如圖7所示。

3 恒溫控制

由于熱導(dǎo)傳感器整體的檢測精度容易受環(huán)境溫度的影響，在整個系統(tǒng)設(shè)計過程中設(shè)計了高精度恒溫控制系統(tǒng)，恒溫系統(tǒng)為了不受環(huán)境的影響，設(shè)置的恒溫點在48 ℃，溫度變化范圍不超過0.1 ℃?？販匦Ч麍D如圖8所示。

4 卡爾曼濾波算法

軟件設(shè)計中最核心的部分是濾波算法的實現(xiàn)，本設(shè)計濾波算法采用Kalman（卡爾曼）濾波?？柭鼮V波的原理流程如圖9 所示。Kalman 濾波器是一種線性的離散時間有限維系統(tǒng)。Kalman濾波器具有估計性能：使濾波后的狀態(tài)估計誤差的相關(guān)矩陣P（n）的跡最小化，因此Kalman濾波器是狀態(tài)向量x（n）的線性最小差估計。在對單一信號源濾波的場合，由于測量值與估計值具備幾乎完全相同的概率分布，為了更好地實現(xiàn)去噪效果，在假定被測對象變化不顯著的情況下，可以將之前（1～N）個時間節(jié)點的測量值隨機作為當(dāng)前時間節(jié)點的測量值，以實現(xiàn)更好的去噪效果。

圖6 嵌入式控制系統(tǒng)

圖7 數(shù)字隔離電路

圖8 控溫效果圖

圖9 卡爾曼濾波原理流程圖

采用經(jīng)典卡爾曼濾波對虛擬信號及真實信號進行濾波，結(jié)果如圖10～11 所示。從濾波結(jié)果中可以看出，經(jīng)典卡爾曼對信號的濾波效果好、實時性好、計算量需求極小，能夠有效去除高斯噪聲以及非高斯噪聲，基本不受脈沖信號影響。

圖10 經(jīng)典卡爾曼濾波對虛擬信號濾波結(jié)果

圖11 經(jīng)典卡爾曼濾波對真實信號濾波結(jié)果

5 實驗測試

測試說明：一共有5 種氧標(biāo)氣，分別為0%、1.5%、6%、12%、20.7%。具體步驟：（1）以20.7%的標(biāo)氣進行標(biāo)定，控制流量在煙氣分析儀正常流量范圍內(nèi)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，進行標(biāo)定操作；（2）依次通入0%、1.5%、6%、12%、20.7%的標(biāo)氣，等數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)；（3）最后通入空氣，等數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，并一直通著空氣，24 h后記錄數(shù)據(jù)。

表1 實驗數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)表

表2 實驗數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)表

重復(fù)步驟（2）～（3），最終得到的測試數(shù)據(jù)如表1～2所示。從測試數(shù)據(jù)可以看出，裝置測試結(jié)果全部合格，線性誤差最大不超過±2%RS，飄移誤差小，測量精度達到國內(nèi)較高水平。

6 結(jié)束語

本文通過分析氣體探測的現(xiàn)狀和熱導(dǎo)傳感器在檢測雙原子氣體過程中存在的問題，重點對熱導(dǎo)池進行了優(yōu)化設(shè)計，改進了取樣氣路的設(shè)計，從源頭解決了氣體混合不均勻和取樣一致性問題。通過高精度信號處理電路和AD轉(zhuǎn)換，嵌入式控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)濾波處理。經(jīng)測試，該傳感器裝置測量精度高，線性誤差最大不超過±2%RS，飄移誤差小，測量精度達到國內(nèi)較高水平。此外該裝置不需要參考氣體，可在高溫、高濕和高氧壓的條件下工作，為氣體探測提供了新的解決方案。