顧利帥，裴彥軍，王立娜，郭海雷

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

0 引 言

一氧化碳（CO）是一種常見(jiàn)的有毒氣體，長(zhǎng)期暴露在CO濃度較高的環(huán)境中會(huì)對(duì)人的神經(jīng)系統(tǒng)造成損傷，尤其是在潛艇艙室等人員密集的密閉空間中需要對(duì)CO進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1]。目前常用的CO檢測(cè)方法有電化學(xué)法和紅外法，但電化學(xué)法在復(fù)雜氣體背景條件下易受氫氣（H2）等還原性氣體的干擾，紅外原理的檢測(cè)儀器中有切光片之類的運(yùn)動(dòng)件，易受振動(dòng)的影響。其他如質(zhì)譜方法檢測(cè)會(huì)受到與CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的氣體分子的干擾。

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）是一種目前發(fā)展迅速的微量氣體檢測(cè)技術(shù)[1-3]。該技術(shù)利用二極管激光光束單色性好、波長(zhǎng)可調(diào)節(jié)的特性，具有選擇性好、測(cè)量精度高、穩(wěn)定且不受其他氣體干擾的特點(diǎn)。二極管激光器體積小，使用靈活方便，且隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，成本越來(lái)越低，適宜于開(kāi)發(fā)體積較小且可靠實(shí)用的氣體檢測(cè)儀器，用于潛艇艙室之類的空間狹小、背景氣體復(fù)雜的密閉環(huán)境中的氣體檢測(cè)。本文介紹一種使用TDLAS技術(shù)的CO濃度檢測(cè)系統(tǒng)，用于CO的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

1 工作原理

1.1 波長(zhǎng)調(diào)制分析

根據(jù)朗伯-比爾定律，在弱吸收條件下，氣體對(duì)特定波長(zhǎng)光束的吸收可用下式描述：

式中：It為氣體吸收后光束的光強(qiáng)；為其近似值；I0為吸收前光束的光強(qiáng)；α (v)=S(T)φ(v)P為光強(qiáng)吸收系數(shù)；S（T）為溫度T（K）時(shí)氣體吸收譜線強(qiáng)度，cm-2/atm，可通過(guò)Hitran數(shù)據(jù)庫(kù)查到；φ (v)為氣體吸收譜線展寬的線型函數(shù)，在常壓下通常使用洛倫茲線型；v為光束波長(zhǎng)，cm-1；P為氣體壓強(qiáng)，atm；C為待測(cè)氣體濃度，ppm；L為氣體吸收光程，cm。

對(duì)激光器施加斜波掃描-正弦調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，激光器發(fā)出光束的波長(zhǎng)和光強(qiáng)均被調(diào)制：

將式（2）和式（3）以及洛倫茲線型函數(shù)[3]代入式（1）并整理，得

式中： α0=2S(T)PCL/(πΔvC)；ΔvC為洛倫茲線型函數(shù)的半高全寬，cm-1；為洛倫茲線型函數(shù)代入波長(zhǎng)調(diào)制信號(hào)后的傅里葉展開(kāi)各項(xiàng)系數(shù)，是波長(zhǎng)和波長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)Δv的函數(shù)。

從式（4）可知，經(jīng)氣體吸收后的光強(qiáng)信號(hào)的一次、二次諧波的幅值分別為：

式中：g0，g1，g2和g3為系數(shù)gn的前4項(xiàng)。

從式（5）和式（6）可知，一次諧波包含光強(qiáng)調(diào)制信息ΔI[4]，二次諧波幅值與氣體濃度成比例關(guān)系。根據(jù)Arndt[5]推導(dǎo)、Kluczynski[6]整理的系數(shù)gn，代入到A1f，A2f，繪制曲線如圖1所示。為了方便對(duì)比，去掉了A1f中的光強(qiáng)調(diào)制項(xiàng)ΔI。根據(jù)曲線特點(diǎn)[7]，選用二次諧波曲線反演氣體濃度。

1.2 二次諧波歸一化

光束在傳輸過(guò)程中因瑞麗散射、鏡片透光率等因素引起光強(qiáng)損失與光束光強(qiáng)經(jīng)光電探測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的過(guò)程中光電轉(zhuǎn)換引起的轉(zhuǎn)換損失，使得光電探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)Ut與光束光強(qiáng)存在以下關(guān)系：

圖1 一次、二次諧波歸一化曲線Fig.1 1f and 2f harmonic wave profile

式中：ε=ε1·ε2，ε1分別ε2為光束傳輸、轉(zhuǎn)換系數(shù)。

由式（7）可知，從光電探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)中提取出的各次諧波信號(hào)均帶有光強(qiáng)傳輸與轉(zhuǎn)換系數(shù)，若直接用此二次諧波反演氣體濃度則會(huì)因鏡片污染等因素的影響而導(dǎo)致檢測(cè)準(zhǔn)確度下降。利用一次諧波對(duì)二次諧波進(jìn)行歸一化處理[8]：

則可除去光束傳輸與轉(zhuǎn)換因素的影響。因氣體對(duì)光強(qiáng)的吸收很弱，一次諧波幅值中光強(qiáng)調(diào)制項(xiàng)占主要部分，二次諧波與之求商后對(duì)幅值曲線形狀的改變不大，如圖2所示，不影響氣體濃度的反演。

圖2 二次諧波求商前后對(duì)比Fig.2 2f harmonic wave and itself normalized by 1f

2 檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

CO檢測(cè)系統(tǒng)主要包含激光器及電流驅(qū)動(dòng)與溫度控制模塊、氣體吸收池、光電探測(cè)器、帶通濾波器、FPGA+MCU數(shù)據(jù)處理單元、顯示單元等，如圖3所示。此外還包含電源、氣路、抽氣泵等。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖Fig.3 Composition block diagram of the system

系統(tǒng)工作時(shí)，F(xiàn)PGA電路板發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加在激光器電流驅(qū)動(dòng)上激勵(lì)激光器產(chǎn)生光束；光束經(jīng)光纖傳輸、準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后進(jìn)入吸收池，在吸收池內(nèi)經(jīng)多次反射、吸收后射出至光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)帶通濾波除去基礎(chǔ)光強(qiáng)后回到FPGA電路板。FPGA對(duì)信號(hào)進(jìn)行鎖相解調(diào)，提取出一次、二次諧波信號(hào)進(jìn)行CO濃度反演。之后再將濃度數(shù)據(jù)送入到MCU經(jīng)校正后進(jìn)行顯示。

激光器選用日本NEL公司的2 330 nm帶尾纖的DFB激光器。該波長(zhǎng)位于CO第一泛頻吸收波段，吸收強(qiáng)度比1.57 μm附近的第二泛頻波段高2個(gè)數(shù)量級(jí)；另外DFB激光器比4.67 μm附近的基頻吸收波段需使用的QCL激光器成本低、體積小。使用帕爾帖效應(yīng)的溫控模塊調(diào)節(jié)溫度鎖定出射光束的中心波長(zhǎng)；調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)光束波長(zhǎng)的斜波掃描與正弦調(diào)制。

為了提高檢測(cè)靈敏度、同時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的體積不至于過(guò)大，設(shè)計(jì)了Herriot氣體吸收池[9]，有效吸收光程9 m左右。吸收池上設(shè)有進(jìn)、出氣口和溫度、壓力傳感器。

2.2 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理采用FPGA+MCU架構(gòu)，利用FPGA并行運(yùn)算的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生與諧波信號(hào)的解調(diào)以及濃度反演等功能；利用MCU易于編程的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、CO濃度校正以及顯示、抽氣泵控制等功能。FPGA選用Xilinx公司的Spartan-6系列的XC6SLX75，該芯片包含74637個(gè)邏輯單元、FIR等多種IP內(nèi)核等；MCU選用TI公司的MSP430F169，該芯片包含AD，DA，UART等模塊。

FPGA發(fā)出的信號(hào)經(jīng)AD電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電路如圖4所示。AD芯片使用16位精度的AD5542，該芯片以SPI通信方式從FPGA獲取波形數(shù)據(jù)，掃描斜波頻率設(shè)置為10 Hz，正弦調(diào)制頻率設(shè)置為10 kHz。AD轉(zhuǎn)換后的斜波、正弦信號(hào)各自通過(guò)一級(jí)運(yùn)放后再經(jīng)低通濾波芯片LTC1563濾波，合成為掃描-調(diào)制鋸齒波信號(hào)，再經(jīng)一級(jí)運(yùn)放生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖4 鋸齒波發(fā)生AD電路Fig.4 Saw wave generating circuitry

光電探測(cè)器發(fā)出的電壓信號(hào)經(jīng)帶通濾波去除基礎(chǔ)光強(qiáng)后，進(jìn)入到FPGA電路板上的DA轉(zhuǎn)換電路，電路如圖5所示。信號(hào)先經(jīng)低通濾波，再由差分運(yùn)放LTC6362轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，最后經(jīng)20位精度的DA芯片LTC2378轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)通過(guò)SPI通信送入到FPGA。

2.3 濃度數(shù)據(jù)反演

信號(hào)進(jìn)入到FPGA之后的處理流程如圖6所示。FPGA首先使用鎖相參考信號(hào)對(duì)光強(qiáng)數(shù)據(jù)D進(jìn)行一次、二次正余弦鎖相，使用低通濾波除去不相干信號(hào)后，分別將一次諧波正、余弦鎖相信號(hào)X1f，Y1f與二次諧波正、余弦信號(hào)X2f，Y2f求平方和再開(kāi)平方得到一次、二次諧波幅值信號(hào)R1f和R2f[10]，這樣可以消除鎖相參考信號(hào)與光束光強(qiáng)諧波之間的相位差所造成的影響。之后將R2f除以R1f，消除光強(qiáng)背景信號(hào)，再通過(guò)求取最大值得到二次諧波幅值的峰值RP，標(biāo)定二次諧波峰值RP與CO濃度之間的關(guān)系，即反演出CO的濃度。

圖6 光強(qiáng)信號(hào)反演CO濃度流程圖Fig.6 The process of the caculation of CO concentration

在濃度反演完成后，F(xiàn)PGA通過(guò)UART將數(shù)據(jù)傳輸給MCU，MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正等處理后通過(guò)另一路UART送至顯示屏?？赏ㄟ^(guò)溫度、壓力試驗(yàn)，測(cè)試溫度、壓力對(duì)CO濃度的影響，在MCU內(nèi)進(jìn)行校正。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

檢測(cè)系統(tǒng)組裝并調(diào)試完成后，進(jìn)行CO標(biāo)準(zhǔn)氣測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用濃度分別為0 ppm（高純氮?dú)釴2），10.3 ppm，30.1 ppm，50.3 ppm的CO標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)行多組測(cè)試，實(shí)驗(yàn)過(guò)程按照先通高純氮?dú)馐箖x器回復(fù)到零值，再通CO標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)行檢測(cè)的流程進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

從表1數(shù)據(jù)可見(jiàn)，對(duì)不同濃度的CO標(biāo)準(zhǔn)氣的檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)氣之間的誤差小于1 ppm。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在對(duì)TDLAS檢測(cè)原理進(jìn)行推導(dǎo)分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了CO檢測(cè)系統(tǒng)，并使用CO標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)CO的濃度，達(dá)到了實(shí)用水平。另外檢測(cè)系統(tǒng)使用FPGA+MCU的數(shù)據(jù)處理架構(gòu)與Herriot氣體吸收池，使得檢測(cè)系統(tǒng)體積較小能作為單機(jī)設(shè)備靈活使用，具有很高的推廣價(jià)值。