湯龍飛，于會(huì)山，王宗良

（聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，聊城252059）

0 引言

氣體的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)對(duì)當(dāng)今社會(huì)的各行各業(yè)起著越來(lái)越重要的作用[1]，特別有毒和易燃易爆等對(duì)人民生命安全造成威脅氣體的快速檢測(cè)就顯得尤為重要[2]。雖然在國(guó)內(nèi)對(duì)于危險(xiǎn)氣體已經(jīng)有了比較成熟的電化學(xué)式氣體傳感器，但是電化學(xué)式氣體傳感器的缺點(diǎn)也是極大。首先電化學(xué)式氣體傳感器容易引起電火花從而引發(fā)氣體爆炸，其次電化學(xué)式氣體傳感器的壽命極短，平均壽命只有兩年更換頻繁[3]。光纖傳感具有抗干擾能力強(qiáng)，絕緣性好，具有極高的靈敏度、耐高溫、測(cè)量速度快等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此對(duì)于易燃易爆氣體的檢測(cè)光纖傳感器有著電化學(xué)式傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[5]。本文在光纖傳感的基礎(chǔ)上基于光聲光譜技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，光聲光譜技術(shù)是將檢測(cè)氣體吸收光能后產(chǎn)生的熱能通過(guò)聲壓釋放出來(lái)而后被微音器檢測(cè)。與電化學(xué)式傳感器檢測(cè)方法相比光聲光譜技術(shù)具有不消耗氣體、檢測(cè)時(shí)間短、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

1 基本原理

本文中光纖傳感氣體檢測(cè)的基本原理就是光聲效應(yīng)，如圖1 所示光聲效應(yīng)就是待測(cè)氣體受到激光照射導(dǎo)致待測(cè)氣體吸收了一定的光能從而使氣體分子從基態(tài)變化到激發(fā)態(tài)，在密閉的容器中經(jīng)過(guò)膨脹冷卻后返回基態(tài)時(shí)產(chǎn)生熱能，根據(jù)氣體定律可知，一定質(zhì)量的氣體在體積不變的情況下，氣體溫度發(fā)生變化，壓強(qiáng)也會(huì)隨之改變，壓強(qiáng)的改變形成了聲波[6]。

圖1 光纖傳感氣體檢測(cè)流程

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)鎖定中心波長(zhǎng)獲得的光聲信號(hào)的噪聲更小，通過(guò)檢測(cè)二次諧波峰值來(lái)作為氣體濃度的有效信號(hào)，因?yàn)橐淮沃C波信號(hào)中不僅僅包含了氣體吸收光能產(chǎn)生的信號(hào)還有未被氣體吸收的調(diào)制光[7]。氣體吸收中心波長(zhǎng)的鎖定是通過(guò)采用單片機(jī)發(fā)射固定周期的鋸齒波信號(hào)疊加高頻正弦波信號(hào)用來(lái)作為激光器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，激光器照射的激光經(jīng)過(guò)光聲池氣體吸收后產(chǎn)生光聲信號(hào)，經(jīng)微音器檢測(cè)轉(zhuǎn)換為電流傳給前置放大器，前置放大器將電流放大并轉(zhuǎn)換為電壓，隨后被鎖相放大器檢測(cè)，最后檢測(cè)出來(lái)的二次諧波的峰峰值對(duì)應(yīng)的鋸齒波電流即為激光器的驅(qū)動(dòng)電流，并將驅(qū)動(dòng)電流反饋給單片機(jī)，而后單片機(jī)持續(xù)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流。氣體中心波長(zhǎng)鎖定后，不再用掃描信號(hào)進(jìn)行激光器波長(zhǎng)的掃描，減小了測(cè)量周期，同時(shí)可以在氣體吸收波長(zhǎng)鎖定的基礎(chǔ)上優(yōu)化鎖相放大器帶寬進(jìn)一步提高系統(tǒng)信噪比。氣體中心波長(zhǎng)鎖定如圖2 所示。

圖2 二次諧波和激光器驅(qū)動(dòng)信號(hào)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

氣體檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，整體系統(tǒng)裝置有紅外光源、氣室、STM32 單片機(jī)、微音器、前置放大器、鎖相放大器以及傳輸光纖等組成。

在光聲池內(nèi)由光信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)總是伴隨著能量的衰減，為了解決這種問(wèn)題，一種方法是加強(qiáng)激光頻率，但是這種方法的成本太高并且效果甚微，因此本實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)計(jì)光聲池諧振腔的尺寸使得聲波在光聲池中產(chǎn)生共振從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)信號(hào)的作用。光聲池兩端設(shè)有氣體緩沖區(qū)，以用來(lái)降低池內(nèi)氣體流動(dòng)對(duì)光聲信號(hào)采集所造成的干擾，將微音器置于光聲池的中間位置用來(lái)探測(cè)最大的光聲信號(hào)，在兩端氣體緩沖區(qū)的上面分別設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口，以此來(lái)降低開(kāi)口對(duì)光聲信號(hào)的影響。本實(shí)驗(yàn)所采用的共振光聲池，最佳共振頻率為5.2KHz，故光源的高頻調(diào)制信號(hào)設(shè)定為2.6KHz 的正弦波，同時(shí)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生5.2KHz 的方波作為鎖相放大電路的參考解調(diào)信號(hào)。根據(jù)HITRAN 中的數(shù)據(jù)顯示，水蒸氣的吸收線在1368nm 處的吸收強(qiáng)度最大，因此本系統(tǒng)中的紅外光源采用的是四川致遠(yuǎn)光科技公司中心波長(zhǎng)為1370nm 的14 針蝶形分布反饋式激光器，實(shí)測(cè)激光器中心波長(zhǎng)為1368nm。由單片機(jī)和信號(hào)發(fā)生器共同作用來(lái)控制激光器產(chǎn)生調(diào)制激光。

單片機(jī)的是本實(shí)驗(yàn)的重要部件之一,采用STM32F4 系列單片機(jī)作為氣體檢測(cè)系統(tǒng)采集和處理部分的核心。STM32F4 系列單片機(jī)是由意法半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的一種高性能的微控制器[8]。它采用多達(dá)7 重AHB 總線矩陣和多通道DMA 控制器，支持程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟⑿刑幚恚虼司哂谐焖贁?shù)據(jù)傳送功能。STM32F4 是內(nèi)部集成了兩路12 位的D/A 和三路12 位的A/D，且A/D 轉(zhuǎn)換僅需要0.41us 即可完成，其集成了單精度FPU，提升控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率，使系統(tǒng)的性能得到更好的優(yōu)化。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 結(jié)果顯示

實(shí)驗(yàn)中采用的固定流速的水汽作為實(shí)驗(yàn)的靶氣體來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性。從圖4（a）中可以看出不鎖頻前光聲信號(hào)的幅度差值大約是21mv，從圖4（b）中看出鎖頻之后光聲信號(hào)的幅度差值大幅度降低只有8mv 左右，經(jīng)過(guò)鎖頻前后可以對(duì)比出鎖頻后的光聲信號(hào)更加穩(wěn)定。

圖4

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)五組已標(biāo)定濃度的水汽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，將測(cè)得二次諧波峰值進(jìn)行線性擬合。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得五種不同濃度水汽對(duì)應(yīng)的二次諧波信號(hào)的峰值分別為0.22v、0.45v、0.61v、0.86v、1.17v，對(duì)五種不同濃度水汽氣體進(jìn)行擬合，所測(cè)擬合度達(dá)到0.9992，可以看出經(jīng)鎖頻后該系統(tǒng)對(duì)水汽的檢測(cè)有著極高的準(zhǔn)確度。

圖5 五組不同濃度的水汽對(duì)應(yīng)的擬合曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于STM32F42 單片機(jī)的水汽濃度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成，構(gòu)建了一個(gè)鎖頻信號(hào)和諧波檢測(cè)相結(jié)合的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化光聲池使光聲信號(hào)得到了有效的增強(qiáng)，有效地增加了系統(tǒng)的抗干擾能力和二次諧波的檢測(cè)能力。選擇氣體吸收中的二次諧波光聲信號(hào)最大值實(shí)現(xiàn)了氣體吸收峰的鎖定，減小了測(cè)量時(shí)間，相比之前的三次諧波不再需要光電探測(cè)器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。此裝置對(duì)水汽的擬合度高達(dá)0.9992，體現(xiàn)出了極高的準(zhǔn)確度，在各種氣體檢測(cè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。