龔江濤

(1.成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

電調(diào)制NDIR傳感器信噪比改善方法研究

龔江濤1,2

(1.成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

介紹電調(diào)制非分光紅外(NDIR)傳感器信噪比改善方法。以煤中微量元素的測(cè)試為基礎(chǔ)，研究了采用NDIR傳感器在測(cè)量其中元素所對(duì)應(yīng)的氣體濃度中存在的以下問題：光源穩(wěn)定性對(duì)分析結(jié)果的影響、溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響、氣室噪聲對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響以及后期微弱信號(hào)處理過程中濾波方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響等問題，探討了這些問題可能存在的原因，并有針對(duì)性地進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)和方法優(yōu)化，使整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的信噪比有較大提高。

電調(diào)制； 非分光紅外氣體檢測(cè)； 信噪比； 信號(hào)處理

0 引 言

近年來,隨著人們對(duì)汽車尾氣的排放、天然氣和石油以及生物能源等為燃料的燃燒控制系統(tǒng)、鋼鐵等材料中微量元素的含量測(cè)定等領(lǐng)域的關(guān)注，氣體傳感器的研究成為了熱點(diǎn)問題[1,2]。而非分光紅外(non-dispersive infrared,NDIR)氣體傳感器是目前研究最深入、應(yīng)用最廣泛的一類，傳感器的輸出信號(hào)一般都是微弱信號(hào)，因此,如何提高傳感器的信噪比(SNR)是傳感器研制成功與否的重中之重。黃為勇等人通過實(shí)驗(yàn)研究表明，恒溫系統(tǒng)可以改善傳感器的信噪比[3]，Zdanhewicz Eeward M等人的研究結(jié)果表明[4]，傳感器氣室的熱噪聲和光源的穩(wěn)定性是噪聲的主要來源。中南大學(xué)王浩宇等人也驗(yàn)證了電源的穩(wěn)定性對(duì)信噪比的影響很大，而且通過微弱信號(hào)的處理電路和采用數(shù)字濾波的方式對(duì)其進(jìn)行了處理，取得了一定的效果[5]。

本文以煤中微量元素的測(cè)量為基礎(chǔ)，采用NDIR傳感器對(duì)其中微量元素對(duì)應(yīng)的氣體進(jìn)行測(cè)量，對(duì)現(xiàn)有的測(cè)試過程中采用的濾波方法進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)存在的光源的穩(wěn)定性、溫漂、氣室噪聲、微弱信號(hào)的處理等問題進(jìn)行了分析[6～8]，并得到了更為合理優(yōu)越的解決方案。

1 電調(diào)制NDIR傳感器氣體分析機(jī)理

當(dāng)紅外光通過待測(cè)氣體時(shí)，氣體分子對(duì)特定波長的紅外光有吸收作用，其吸收關(guān)系服從朗伯—比爾(Lambert-Beer)吸收定律：設(shè)平行入射光的強(qiáng)度為I0，出射光的強(qiáng)度為I1，氣體介質(zhì)的厚度為L,氣體的濃度為C,氣體的吸收系數(shù)為μ，則其關(guān)系表達(dá)式為

I1=I0exp(-L∑μiCi).

(1)

其中,μi為表示不同氣體的吸收系數(shù)，Ci為表示不同氣體的濃度。

當(dāng)為多種混合氣體時(shí)，為了分析特定的氣體組分，需要在傳感器或者紅外光源前安裝一個(gè)適合分析氣體吸收波長的窄帶濾光片，使傳感器的信號(hào)變化只反映被測(cè)氣體的濃度變化。

2 紅外光源電路設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

2.1 調(diào)制頻率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

光源調(diào)制有2種比較常見的方式：機(jī)械調(diào)制和電調(diào)制。機(jī)械調(diào)制受頻率的影響較小，但是在機(jī)械調(diào)制的過程中，振動(dòng)會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來比較大的噪聲[9～11]，此外,由于機(jī)械調(diào)制存在磨損，隨著時(shí)間的推移，同樣會(huì)給儀器帶來不可抗拒的誤差。本設(shè)計(jì)中光源采用電調(diào)制的方式，其調(diào)制頻率與調(diào)制深度關(guān)系如圖1所示。

圖1 調(diào)制深度與調(diào)制頻率的關(guān)系圖Fig 1 Relationship between modulation depth and modulation frequency

在考慮光源的調(diào)制頻率與調(diào)制深度關(guān)系的情況下，盡可能地提高光源的調(diào)制頻率，這樣能更好地抑制1/f噪聲，并且提高調(diào)制頻率，給整流電路和濾波電路設(shè)計(jì)都帶來了方便。 在總噪聲幅度不變的情況下，提高信號(hào)的幅度同樣能夠提高信噪比，調(diào)制頻率為10～20 Hz時(shí)的輸出信號(hào)幅值如表1。

表1 不同頻率下的信號(hào)幅度Tab 1 Signal amplitude at different frequencies

綜合考慮，參照10 Hz的調(diào)制頻率，可以將調(diào)制頻率提高到12 Hz或者13 Hz，就可以在原來的基礎(chǔ)上，使有效信號(hào)可以提高近8 mV。

2.2 光源的電源驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

紅外光源的電源驅(qū)動(dòng)模塊的選擇對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有著比較重要的影響，如果電源不夠穩(wěn)定，必然會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)[11,12]。此外，溫度同樣會(huì)對(duì)電源芯片產(chǎn)生影響，因此,為了保證光源的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一下的恒流源驅(qū)動(dòng)電路。如圖2所示。

圖2 恒流源驅(qū)動(dòng)電路Fig 2 Driver circuit of constant current source

經(jīng)過測(cè)試，與系統(tǒng)在沒有加恒流源驅(qū)動(dòng)電路比較，在抑制噪聲上有了明顯的改善，前后比較，在探測(cè)器輸出端的電壓波動(dòng)從原來的近300 μV下降到130 μV左右。

為了防止在控溫室中風(fēng)扇吹風(fēng)對(duì)電源芯片產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)在電源芯片上增加散熱片的同時(shí)，添加一個(gè)用于風(fēng)速緩沖的軟海綿，防止風(fēng)直接對(duì)吹，對(duì)信噪比的改善有一定作用。

3 紅外池恒溫系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

本測(cè)試系統(tǒng)的紅外池如圖3所示。

圖3 紅外池Fig 3 Infrared (IR)pool

為了能夠排除測(cè)試結(jié)果由于環(huán)境溫度的變化而引起的測(cè)量誤差，設(shè)計(jì)采用將紅外池置于高于室溫并且恒定的環(huán)境中，并將整個(gè)控溫系統(tǒng)與紅外池置于同一個(gè)長方形的試驗(yàn)腔體中，該腔體采用保溫海綿密封，恒定溫度設(shè)置在48 ℃,控溫后腔體中溫度的變化保持在±0.1 ℃。

其中應(yīng)考慮整個(gè)腔體中溫度的均勻性和整個(gè)紅外池的熱容量，因此，在腔體中的加熱源兩端加有保持氣體流動(dòng)的風(fēng)扇，并必須保證溫度傳感器不能被風(fēng)扇直吹。

在室溫下，探測(cè)器端測(cè)得的信號(hào)如圖4所示。

圖4 常溫下探測(cè)器的信號(hào)波形Fig 4 Signal waveform of detector at room temperature

經(jīng)過恒溫處理以后，在探測(cè)器端測(cè)得的信號(hào)如圖5。

圖5 恒溫處理后的信號(hào)波形Fig 5 Signal waveform after processing by constant temperature

通過輸出信號(hào)的比較，在常溫下，輸出信號(hào)的波動(dòng)范圍大約是130 μV, 經(jīng)過恒溫處理以后，探測(cè)器端的輸出信號(hào)的變化范圍大約在60 μV左右,對(duì)信噪比的改善比較明顯。

4 微弱信號(hào)處理電路對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

之前的信號(hào)是在探測(cè)器端沒有經(jīng)過任何的處理直接測(cè)量得到的，探測(cè)器選用的是不帶前置放大的探測(cè)器，因此,在探測(cè)器輸出端可以經(jīng)過微弱信號(hào)處理電路來改善電路整體的信噪比。

第一級(jí)采用積分與濾波電路和精密整流電路，如圖6。

圖6 積分與濾波電路和精密整流電路圖Fig 6 Integral and filtering circuit and precise rectifier circuit diagram

第二級(jí)電路采用線性平均值與濾波電路，如圖7所示。

圖7 線性平均值與濾波電路Fig 7 Linear mean value and filtering circuit

兩級(jí)電路的特征頻率一致，具有良好的選頻特性，并且放電電路采取前一級(jí)放大倍數(shù)較小，后一級(jí)放大倍數(shù)比較大，這樣就更好地消除了噪聲的影響。通過計(jì)算，還可以得出第一級(jí)電路的品質(zhì)因數(shù)為

(2)

第二級(jí)放大電路的品質(zhì)因數(shù)為

(3)

因此,本處理電路總的品質(zhì)因數(shù)為

Q″=Q·Q′=0.54×1.31=0.707.

(4)

因此,電路具有最佳的平坦特性。經(jīng)過處理電路處理以后，電路輸出的波形如圖8所示。

圖8 放大后的信號(hào)輸出波形Fig 8 Signal output waveform after amplifing

放大后總體的信號(hào)波動(dòng)范圍在放大倍數(shù)為5倍的情況下，波動(dòng)范圍約40 μV，信噪比得到比較明顯的改善。

5 結(jié) 論

NDIR氣體傳感器光源的穩(wěn)定性、溫漂、氣室噪聲、微弱信號(hào)的處理等問題經(jīng)過以上分析與對(duì)應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，得到了明顯的改善，信噪比得到了較大提高，當(dāng)然，這些問題還有待進(jìn)一步的改善和提高，比如:在信號(hào)處理過程中，還可以加入濾波算法和在紅外池的氣室的光潔度上可以采用更好的工藝以達(dá)到更好的信號(hào)，但就本項(xiàng)目而言，采用以上方法信噪比已得到明顯改善。

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Research on improving method of SNR of electrically modulated NDIR sensor

GONG Jiang-tao1,2

(1.College of Information Science and Technology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China; 2.Hunan Railway Professional Technology College,Zhuzhou 412001,China)

Introduce method for SNR improvement of electrically modulated non-dispersive infrared (NDIR) sensor . Based on test of trace elements in coal,there are some problems such as while using NDIR sensor to measure element corresponding to gas concentration,effect of light source stability on analysis results,effect of temperature on test results,influence of gas chamber noise on test results and influence of filtering method in process of post weak signal processing on test results and other issues, discuss reasons for these problems may exist,and make pointed design improvements and optimization of method are carried out,and SNR of the entire test system is improved greatly.

electrically modulated; NDIR gas detection; signal noise ratio(SNR); signal processing

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0034—03

2014—01—13

TP 334.3

A

1000—9787(2014)08—0034—03

龔江濤(1981-)，男，湖南株洲人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)橥ㄓ嵓夹g(shù)、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。