混合氣體的光電檢測系統(tǒng)

王麗靜，張建軍，王麗君

(1.西安石油大學(xué)，陜西西安 710300；2.陜西國際商貿(mào)學(xué)院，陜西咸陽 712046)

0 引言

針對(duì)混合氣體的研究起步較晚，檢測技術(shù)仍然以化學(xué)方式為主[1]，這種技術(shù)仍然存在精度不高和延后的問題，而常用的混合氣體檢測方法都是以大型儀器為主，成本比較高且不方便移動(dòng)檢測，為方便人們使用，開發(fā)一種嵌入式的混合氣體光電檢測系統(tǒng)。

根據(jù)氣體波長不一樣的原理，設(shè)計(jì)一種混合氣體的光電檢測系統(tǒng)[2]，利用光吸收原理設(shè)計(jì)硬件檢測電路和氣體識(shí)別程序，通過檢測混合氣體和不同濃度氣體驗(yàn)證檢測系統(tǒng)。

1 混合氣體的光電檢測系統(tǒng)

光電檢測技術(shù)是光學(xué)與電學(xué)相結(jié)合的一種新型技術(shù)，先利用光學(xué)技術(shù)將非電量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈱W(xué)信號(hào)，再利用電學(xué)技術(shù)將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有盘?hào)[3]，經(jīng)由電路進(jìn)行放大、濾波、轉(zhuǎn)換等處理轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮战K端可以識(shí)別的信號(hào)。

由于光學(xué)信號(hào)比較微弱，在自然光和日照等條件下有效信號(hào)非常容易被淹沒在噪聲中，要求本系統(tǒng)擁有高的信噪比和靈敏度，為達(dá)到要求需采用下述手段[4]。調(diào)制光源來抵抗干擾，采用雙路對(duì)比的方式識(shí)別光學(xué)信號(hào)，盡量選擇增益可調(diào)的放大器、高精度的ADC轉(zhuǎn)換器、信號(hào)分析系統(tǒng)中也要有數(shù)字濾波和混合氣體的檢測分析程序[5]。

詳細(xì)過程如圖1所示，光源采用PWM調(diào)制后使用，激勵(lì)源調(diào)制后的光信號(hào)具有更好的抗噪聲能力；光照經(jīng)過混合氣體后會(huì)變成不同波長的信號(hào)，與參考信號(hào)比對(duì)后即可以識(shí)別出氣體的類型；不同氣體調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)過解調(diào)電路后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再利用硬件電路的RC濾波和低通濾波器消除環(huán)境的噪音干擾，硬件電路中的自動(dòng)增益放大器可以放大微弱的光學(xué)信號(hào)[6]，保證采集的數(shù)字量精度；信號(hào)分析系統(tǒng)比對(duì)數(shù)據(jù)庫中的氣體模型后識(shí)別出氣體的種類和濃度。

2 混合氣體檢測硬件系統(tǒng)

混合氣體檢測硬件系統(tǒng)可以分為激勵(lì)源電路、解調(diào)電路和調(diào)理電路等3部分。被測氣體為至少3種的混合氣體，激勵(lì)源電路用于調(diào)制光源產(chǎn)生載波信號(hào)，解調(diào)電路和調(diào)理電路用于提高信號(hào)的信噪比。

2.1 激勵(lì)源電路

使用TL431典型的恒流源電路如圖2所示，給光源提供激勵(lì)，R449作為采樣電阻，Iout輸出的電流為4 mA，根據(jù)輸出電壓為5 V，計(jì)算出采樣電阻阻值為1.25 kΩ。當(dāng)輸入電壓開始升高，流經(jīng)三極管的偏置電流增大[7]，從而導(dǎo)致流過R449的電流大幅度增大，R449的電壓降增大，一旦電壓升高，TL431會(huì)使陰陽極的電流大幅增加，最終使R449的電壓降為5 V。

2.2 解調(diào)電路

AD811是一款專用解調(diào)放大器，由于光電檢測環(huán)境需要低噪聲、寬頻率的條件，AD811放大器非常適合這種環(huán)境，而且具有電流反饋功能，相比電壓反饋系統(tǒng)來說更加穩(wěn)定。電路采用反向放大器接法，由于采用兩級(jí)運(yùn)放緩沖電路可以使輸出電壓的峰值達(dá)到5 V。由于此放大器的電流輸出驅(qū)動(dòng)能力比較強(qiáng)，所以在兩級(jí)放大器之間串聯(lián)1 kΩ的限流電阻，雙AD811構(gòu)成的解調(diào)電路高頻響應(yīng)效果良好。

解調(diào)電路具體應(yīng)用如圖3所示，主要功能為實(shí)現(xiàn)氣體種類的識(shí)別，IV變換后的電信號(hào)從REF_PWM和Vin兩個(gè)端子輸入作為對(duì)比，REF為氮?dú)獾碾妷盒盘?hào)，Vin為混合氣體的電壓信號(hào)，兩種信號(hào)通過對(duì)比和解調(diào)后，低頻率信號(hào)得出的即為有效信號(hào)[9]，但是頻域波形顯示存在高頻噪聲，后續(xù)還需要數(shù)字低通濾波器將噪聲部分濾除。

圖3 解調(diào)電路

2.3 調(diào)理電路

經(jīng)查詢AD603的手冊(cè)，其可以通過編程的方式控制輸出電壓的增益倍數(shù)，輸入信號(hào)越小則輸出增益倍數(shù)增大，反之也成立。本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用給出了一種利用AD603與2片OP07級(jí)聯(lián)而構(gòu)成的電路，用有效值電路來控制放大電壓。

調(diào)理電路部分的實(shí)際電路如圖4所示，主要功能為實(shí)現(xiàn)增益倍數(shù)的編程控制，程控放大電路為三級(jí)順序連接，信號(hào)采集部分輸出的信號(hào)經(jīng)過A/D采集，由MCU計(jì)算后輸出調(diào)節(jié)電壓，從而精確地控制放大器倍數(shù)，三級(jí)放大加數(shù)字閉環(huán)的調(diào)理方式更加靈敏穩(wěn)定。圖中的C352、C353用于電源去耦；C358、C359為放大器的級(jí)間耦合電容；C354、C355用于AD603頻響的高頻提升。

圖4 可編程增益放大電路

3 光電檢測的軟件系統(tǒng)

3.1 數(shù)字低通濾波器

數(shù)字濾波器與模擬濾波器相比參數(shù)修改更加靈活且穩(wěn)定性好，由于混合氣體擴(kuò)散過程緩慢，所以有效信號(hào)在低頻波段，而日照光噪聲、電路噪聲等都為高頻信號(hào)[10]，二階數(shù)字低通濾波器可以提取出有效信號(hào)，濾波器函數(shù)關(guān)系如式(1)所示。

(1)

式中：G(S)為傳遞函數(shù)；Wn為截止頻率；S為極點(diǎn)數(shù)值。

選定算法后，使用MATLAB仿真單位信號(hào)，濾波后效果如圖5所示，高頻段信號(hào)出現(xiàn)-70 dB以上衰減，低頻率有效信號(hào)可以完整保存下來，該算法的實(shí)現(xiàn)簡單可靠，非常適用于本系統(tǒng)。

圖5 低頻濾波效果

3.2 驅(qū)動(dòng)程序

本系統(tǒng)采用12位的A/D采集電路識(shí)別混合氣體的電壓信號(hào)，STM32對(duì)于A/D采集到的數(shù)據(jù)以DMA模式存儲(chǔ)到數(shù)組中，該部分主要包括初始化、DMA初始化等[11]，具體流程如圖6所示。開始先配置I/O端口為輸入接口，可以接收電壓信號(hào)，設(shè)置ADC端口、ADC時(shí)鐘、轉(zhuǎn)換速率和工作模式等部分，設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為DMA模式，可以高效準(zhǔn)確地存儲(chǔ)多種氣體的數(shù)據(jù)。

圖6 ADC驅(qū)動(dòng)程序

3.3 混合氣體檢測分析

混合氣體檢測程序流程如圖7所示，分光傳感器將混合氣體和光源的信號(hào)轉(zhuǎn)換為2種電壓信號(hào)，通過提取數(shù)據(jù)庫中特征參數(shù)判斷氣體種類[12]，傳感器的響應(yīng)曲線經(jīng)過分析運(yùn)算后判斷出濃度的數(shù)值。要實(shí)現(xiàn)多種混合氣體的檢測，就要提取盡可能多的模型存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

圖7 混合氣體檢測程序

4 混合氣體的檢測試驗(yàn)

混合氣體的光電檢測需要對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行測試，證明系統(tǒng)可以檢測不同的混合氣體，檢測系統(tǒng)的高靈敏度可以識(shí)別氣體的不同濃度。

4.1 混合氣體識(shí)別實(shí)驗(yàn)及分析

在70 ppm(1 ppm=10-6)的氨氣與40 ppm的硫化氫混合氣體中，放入10 ppm的氮?dú)?，?種氣體充分混合后開始檢測多種氣體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，表明本光電檢測系統(tǒng)可以快速識(shí)別不同的污染性氣體，隨著氣體擴(kuò)散兩種氣體的檢測濃度會(huì)降低，檢測精度和趨勢都符合試驗(yàn)環(huán)境，氮?dú)庾鳛槎栊詺怏w不會(huì)被檢測也符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖8 混合氣體檢測試驗(yàn)

4.2 靈敏度識(shí)別結(jié)果判斷

采用不同濃度氨氣檢驗(yàn)檢測系統(tǒng)的精度，結(jié)果如圖9所示，10 μg/mL濃度下檢測系統(tǒng)的輸出電壓為12.5 mV，檢測系統(tǒng)的精度可以達(dá)到10 mV級(jí)別，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%，滿足檢測系統(tǒng)精度和靈敏度的要求。

圖9 混合氣體檢測試驗(yàn)

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種混合氣體的光電檢測系統(tǒng)，采用光電對(duì)比的混合氣體信號(hào)采集檢測系統(tǒng)，首先分析光電檢測系統(tǒng)的原理，然后對(duì)激勵(lì)源電路、解調(diào)電路和調(diào)理電路進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，開發(fā)數(shù)字濾波器、驅(qū)動(dòng)程序和混合氣體檢測分析的軟件系統(tǒng)，利用混合氣體和化學(xué)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)此光電系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地識(shí)別多種混合氣體。