肖遼亮

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 株洲 412001）

高鐵對安全性能要求越來越高，針對威脅高鐵運行的安全風(fēng)險，充分利用各種檢測、監(jiān)測與監(jiān)控技術(shù)，加強列車運行過程中內(nèi)部、外部環(huán)境等的安全檢測、監(jiān)測與監(jiān)控，掌握設(shè)備運行狀態(tài)，采取針對性的防控和處置措施，是確保高鐵運行安全的重要技術(shù)支撐。文章介紹一種電調(diào)制非分光紅外傳感器構(gòu)成的新型氣體測試儀中關(guān)鍵問題的分析與設(shè)計，提高高鐵運行運行過程中SO2、CO、CO2等有關(guān)煙霧氣體的檢測性能。

NDIR（電調(diào)制非分光紅外）氣體傳感器采用電調(diào)制的紅外光源，同時采用高精度干涉濾光片以及鍍金氣室，避免了強震動的機(jī)械裝置，在氣體精密測控儀器上得到了迅速的發(fā)展。

電調(diào)制的紅外光源容易受到調(diào)制頻率的影響，其調(diào)制頻率與調(diào)制深度的關(guān)系曲線如圖1所示。為了實現(xiàn)100%調(diào)制深度且穩(wěn)定的狀態(tài)，設(shè)置調(diào)制頻率為10 Hz。紅外光源由恒功率電源供電，確保光源的發(fā)光功率基本不變，但是紅外光源、傳感器氣室以及探測器都會不同程度受到溫度變化的影響，同時，信號處理電路中元件也存在一定的溫漂，因此測試系統(tǒng)環(huán)境恒溫至關(guān)重要。此外紅外光通過窗口材料入射到測量氣室，被測氣體通過測量氣室，吸收特定波長的紅外光，透過測量氣室的紅外光由探測器接收，得到一個與氣體濃度相對應(yīng)的微弱直流信號[1-2]，此直流信號極易受外界的干擾，穩(wěn)定可靠、選頻特性優(yōu)良、抗干擾能力強的微弱信號處理電路同樣關(guān)鍵[3-7]。

圖1 光源的調(diào)制頻率與調(diào)制深度關(guān)系曲線圖Fig.1 The light source modulation frequency and modulation depth curve

1 測試系統(tǒng)中高精度恒溫的實現(xiàn)

1）溫度采集與A/D轉(zhuǎn)換模塊的電路原理圖如圖2。由電流型溫度傳感器AD590進(jìn)行溫度采集，通過電阻R1將電流轉(zhuǎn)換為電壓，再由AD轉(zhuǎn)換芯片ADS1110完成溫度的A/D轉(zhuǎn)換。

圖2 溫度采集與A/D轉(zhuǎn)換模塊Fig.2 Temperature acquisition and A/D conversion module

2）加熱控制電路如圖3所示。本電路是典型的以弱控強的電路?？刂菩盘朇TRL是由單片機(jī)控制輸出的PID信號，其中的三極管Q1在此信號的作用下，低電平時導(dǎo)通、高電平時截止，從而控制繼電器S1的通斷，繼而CON2端所接的加熱片，實現(xiàn)加熱的PID控制。

圖3 加熱控制電路原理圖Fig.3 Heating control module circuit schematic diagram

3）增量式PID算法設(shè)計實現(xiàn)

在本設(shè)計中溫度采集每100毫秒采集一次，在快速升溫階段采用模糊算法進(jìn)行控溫，而在恒溫時采用增量式PID算法[8]。為防止加熱過程中出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，溫度接近恒溫點時，采用階梯式恒溫控制方法，如圖4所示，從而實現(xiàn)精密控溫。

圖4 增量式PID階梯控制方法Fig.4 Incremental PID step control method

2 微弱信號處理電路

探測器輸出的信號非常微弱，極易受到外界的干擾，因此設(shè)計選頻特性優(yōu)良、強抗干擾能力的微弱信號處理電路，對于整個測試系統(tǒng)的性能體現(xiàn)具有決定性的意義。

1）積分與濾波電路以及精密整流電路，如圖5所示。

圖5 積分與濾波電路和精密整流電路圖Fig.5 Integral and filter circuit and a precision rectifier circuit diagram

此積分運算電路，當(dāng)初始值為0時，可得：

其中：t2截止時間，t1為起始時間。其增益為：

2）線性平均值電路與兩級二階壓控電壓源濾波電路，如圖6所示。

第一級壓控電壓源濾波電路電路特征頻率為：

第二級壓控電壓源電路性能特征頻率：

兩級電路的特征頻率一致，因此具有良好的選頻特性。

圖6 線性平均值與濾波電路Fig.6 Linear mean value and filter circuit

第一級電路的通帶放大倍數(shù)為：

其品質(zhì)因素為：

第二級電路的通帶放大倍數(shù)：

品質(zhì)因素：

其總的品質(zhì)因素為0.707，因此電路具有最佳的平坦特性，抗干擾能力強。

3 實驗與效果

通過以上關(guān)鍵問題的設(shè)計與研究，對整個系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和檢測，系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性好，溫漂小，其控溫效果如圖7所示。

圖7 控溫效果圖Fig.7 The temperature effect diagram

微弱信號處理電路選頻特性良好，抗干擾能力強，漂移非常小，信號穩(wěn)定度高，能實現(xiàn)精密放大，氣體測量精度高。測量效果如圖8所示。

圖8 信號測號波形圖Fig.8 Signal measuring signal waveform graph

4 結(jié)束語

文中分析了NDIR氣體測控系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題，并針對關(guān)鍵問題展開研究，提出了高精度恒溫的實現(xiàn)電路設(shè)計，與新的微弱信號處理電路設(shè)計，該設(shè)計溫度穩(wěn)定性好，溫漂小，電路選頻特性良好，抗干擾能力強，漂移非常小，信號穩(wěn)定度高，能實現(xiàn)精密放大，氣體測量精度高。已取得良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果，也同樣可應(yīng)用于其他的應(yīng)用環(huán)境。

[1]侯躍新，周東亮，肖丹，等.傳感器弱信號的放大應(yīng)用電路[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2008（11）:65-66，48.

[2]谷炳海，張友鵬，徐頊.強噪聲背景下的信號提取[J].科技資訊，2007（2）:22-23.

[3]孟祥忠，宋保業(yè)，許琳.熱釋電紅外傳感器及其典型應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2007（4）:42-43.

[4]張金利，景占榮，梁亮，等.微弱信號的調(diào)理電路設(shè)計和噪聲分析[J].電子測量技術(shù)，2007（11）:40-42.

[5]陳靜，熊繼軍，沈三民.基于高精度運算放大器的隧道式硅微加速度計信號處理電路[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（2）:58-60.

[6]孟麗霞，于林麗，濮鈺麒，等.微小信號放大電路設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報，2006（S1）:1012-1013.

[7]魏麗君，陳一平，戴濤，等.復(fù)合頻率直流逆變電路中L/C的域值計算與研究[J].物探化探計算技術(shù)，2010（3）:270-273，221.

[8]羅文軍.基于參數(shù)自整定的模糊PID控制在水箱控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].長沙：中南大學(xué)，2011.