高精密紅外探硫傳感器的研究與設(shè)計(jì)

魏麗君，粟慧龍

（1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 實(shí)訓(xùn)中心，株洲 412001；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處，株洲 412001）

2021年10月發(fā)布的 《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》中數(shù)據(jù)顯示：2021年中國(guó)硫排放2267.8 萬(wàn)噸，位居世界第一，每年損失超5000 億，直接致人死亡超6000 人。重點(diǎn)在化石燃料的燃燒和航運(yùn)、交通等石油的應(yīng)用。面對(duì)如此沉重的數(shù)據(jù)，工業(yè)排放環(huán)境監(jiān)測(cè)被提到了非常重要的位置，但目前高性能監(jiān)測(cè)設(shè)備和核心儀表仍然是國(guó)外專利技術(shù)，研制自主創(chuàng)新的高精度SO2檢測(cè)傳感器及相關(guān)設(shè)備，推進(jìn)國(guó)產(chǎn)化替代具有重要意義和廣闊市場(chǎng)前景。

國(guó)內(nèi)主要以中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所劉文清院士團(tuán)隊(duì)為首，進(jìn)行了卓有成效的研究，推出了一系列的大氣污染物防治的產(chǎn)品，針對(duì)硫污染物，最高的檢出限大概在5 ppm 左右[1-3]；武漢四光科技有限公司、清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)和中北大學(xué)譚秋林團(tuán)隊(duì)等對(duì)非分光紅外技術(shù)應(yīng)用到硫氣體檢測(cè)等都進(jìn)行了較為深入的研究[4-6]。但隨著技術(shù)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，硫氣體（硫元素）的檢測(cè)精度要求越來(lái)越高、檢測(cè)時(shí)間要求越來(lái)越快，在線監(jiān)測(cè)已成為趨勢(shì)[7-9]?；诖?，本文擬采用非分光紅外技術(shù)，深入分析當(dāng)前硫傳感器檢測(cè)過(guò)程中主要的信噪比影響源，重點(diǎn)對(duì)光源的驅(qū)動(dòng)、紅外池的恒溫控制、信號(hào)采樣與微弱信號(hào)處理等進(jìn)行了改進(jìn)與創(chuàng)新[10-11]，從而實(shí)現(xiàn)一款高精密低硫探測(cè)裝置的設(shè)計(jì)。

1 紅外探硫傳感系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本紅外探硫傳感器系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由紅外光源及驅(qū)動(dòng)電路、紅外氣室、信號(hào)處理電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、MCU 控制單元與通訊模塊組成。光源驅(qū)動(dòng)采用點(diǎn)調(diào)制，為了最大限度的降低干擾的影響[12-13]，紅外氣室設(shè)置參比光路，信號(hào)處理電路主要是信號(hào)放大和去噪。

圖1 紅外探硫傳感器系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of infrared sulfur detection sensor system

其工作原理是當(dāng)紅外光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí)，氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光有吸收作用。非分光紅外氣體分析機(jī)理遵循朗伯—比爾（Lambert-Beer）吸收定律。定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（1）所示：

式中：I0為入射光強(qiáng)；I1為出射光強(qiáng)；L 為氣體介質(zhì)的厚度；c 為氣體濃度；μ 為氣體的吸收系數(shù)。

2 紅外光源的電調(diào)制

紅外光源的穩(wěn)定性，對(duì)該探測(cè)系統(tǒng)的信噪比有很大的影響，主要有機(jī)械調(diào)制和電調(diào)制兩種方案。機(jī)械調(diào)制時(shí)，裝置的振動(dòng)及器件的磨損會(huì)給裝置帶來(lái)較大的誤差，電調(diào)制時(shí)，光源的調(diào)制深度與調(diào)制頻率有很大關(guān)系，一旦頻率設(shè)置不好，調(diào)制深度會(huì)急劇下降，紅外光源采用mirl17，其關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 紅外光源調(diào)制深度與調(diào)制頻率關(guān)系圖Fig.2 Relation between modulation depth and modulation frequency of infrared light source

該方案選擇電調(diào)制方式，因此調(diào)制頻率的選擇和設(shè)置非常重要，設(shè)置時(shí)，采用CPLD ATF1508 產(chǎn)生，CPLD 的核心程序代碼如下：

3 紅外池恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅外池是本測(cè)量系統(tǒng)最核心的部分，主要有兩個(gè)方面的影響，其一是氣室的光潔度，其二是溫漂。氣室的光潔度主要采用高精度的拋光管，為了防止氧化，內(nèi)部鍍金。溫漂的主要解決方案就是設(shè)計(jì)高精度的恒溫控制系統(tǒng)[14-17]，將紅外池置于該恒溫系統(tǒng)中，另外恒溫溫度要高于室溫，這樣室溫的波動(dòng)不至于影響恒溫溫度，該系統(tǒng)中恒溫點(diǎn)設(shè)置為48 ℃，不能影響芯片的正常工作。恒溫控制采用增量式PID 算法實(shí)現(xiàn)。其算法示意圖和控溫流程如圖3和圖4所示。

圖3 增量式PID 階梯控制方法Fig.3 Incremental PID step control method

圖4 控溫流程Fig.4 Temperature control flow chart

在恒溫箱中設(shè)計(jì)有加熱片和風(fēng)扇，風(fēng)路采用迂回形式，使得整個(gè)系統(tǒng)中的溫度更加均勻。最終的控制結(jié)果如圖5所示?？販鼐冗_(dá)到±0.1 ℃，比當(dāng)前的一般控溫系統(tǒng)精度提高近10 倍。

圖5 溫度采集與A/D 轉(zhuǎn)換模塊Fig.5 Temperature acquisition and A/D conversion module

4 微弱信號(hào)處理電路的改進(jìn)設(shè)計(jì)

微弱信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)是信噪比改善的核心部分，主要解決信號(hào)的有效放大和降低噪聲兩個(gè)主要功能。本設(shè)計(jì)中的微弱信號(hào)處理電路主要采用兩級(jí)二階壓控電壓源濾波電路，兩級(jí)電路具有相同的選頻特性，放大倍數(shù)前一級(jí)要小，后一級(jí)稍大，能更有效地去處噪聲。

第一級(jí)放大如圖6所示。根據(jù)設(shè)計(jì)圖，可求得其特征頻率為

圖6 二階壓控電壓源濾波電路Fig.6 Second order voltage controlled voltage source filter circuit

通帶放大倍數(shù)為

因?yàn)槠渫◣Х糯蟊稊?shù)為1.152，小于3，電路不會(huì)自激震蕩，工作穩(wěn)定。

第二級(jí)二階壓控電壓源濾波電路如圖7所示。

圖7 第二級(jí)二階壓控電壓源濾波電路Fig.7 Second level and second order voltage controlled voltage source filter circuit

根據(jù)電路原理圖，可以計(jì)算得到電路的性能參數(shù)。其特征頻率為

與第一級(jí)的特征頻率一致，具有很好的選頻特性。

通帶放大倍數(shù)為

同時(shí)也可計(jì)算得到兩級(jí)電路的品質(zhì)因數(shù)分別如式（6）和式（7）所示：

因此可以計(jì)算得到整個(gè)電路的品質(zhì)因數(shù)為0.707，電路具有最佳的平坦特性。該電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)在作者的前期論文中進(jìn)行了論證。

5 信噪比改善的軟件設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)整體軟件流程

系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計(jì)流程主要講下位機(jī)的設(shè)計(jì)流程。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示與流程操作。下位機(jī)軟件主要完成傳感器信號(hào)檢測(cè)、A/D 轉(zhuǎn)換以及濃度換算等。其流程如圖8所示。

圖8 軟件流程Fig.8 Software flow chart

5.2 核心算法原理與設(shè)計(jì)

在完成傳感器信號(hào)檢測(cè)后，為了提高信噪比，在信號(hào)處理中加入了遞推平均濾波法。該算法將連續(xù)采樣的N 個(gè)值做成一個(gè)隊(duì)列，其長(zhǎng)度固定為N，數(shù)據(jù)采用先進(jìn)先出原則，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)后放入隊(duì)尾，并刪除隊(duì)首的數(shù)據(jù)，把隊(duì)列中的N 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，最后獲得新的濾波結(jié)果。其具體設(shè)計(jì)算法如下：

6 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過(guò)對(duì)非分光紅外傳感器影響信噪比的各個(gè)部分進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，提出了優(yōu)化改進(jìn)的方案，改進(jìn)前后探測(cè)器測(cè)到的信號(hào)波形分別如圖9和圖10所示。

圖9 改進(jìn)前探測(cè)的信號(hào)波形Fig.9 Signal waveform before improved detection

圖10 改進(jìn)后的信號(hào)波形Fig.10 Improved signal waveform

可以看出，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，信號(hào)的整體波動(dòng)從原來(lái)的140 uV 減小到50 uV 左右，改進(jìn)效果明顯。因此本文提出的改進(jìn)方案可行。后期應(yīng)用在測(cè)硫儀設(shè)備上，取得了較高的應(yīng)用效果。

7 結(jié)語(yǔ)

本文在分析現(xiàn)有NDIR 探硫傳感器系統(tǒng)中影響其信噪比的因素的基礎(chǔ)上，對(duì)溫漂、光源老化、探測(cè)氣室漫反射、微弱信號(hào)處理的硬件去噪電路設(shè)計(jì)以及軟件算法設(shè)計(jì)進(jìn)行了重點(diǎn)研究，最后對(duì)比了優(yōu)化前后的信號(hào)測(cè)試，信號(hào)的整體波動(dòng)從原來(lái)的140 uV減小到50 uV 左右，改進(jìn)效果明顯。通過(guò)研究可以得到相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和成果，后續(xù)在光源老化問(wèn)題上還可以考慮采用恒功率電源電路驅(qū)動(dòng)的方式等，能進(jìn)一步改善信噪比。

由于我國(guó)在低硫檢測(cè)領(lǐng)域被技術(shù)封鎖，因此本文的研究成果將應(yīng)用在低硫探測(cè)設(shè)備上，開(kāi)展檢出限到0.01 ppm 級(jí)別的探硫?qū)嶒?yàn)。