李利花，袁 欽，王樂(lè)平

(南昌大學(xué)共青學(xué)院，江西共青城 332020)

0 引言

工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)傳輸速度越來(lái)越快，光纖傳輸設(shè)備成為進(jìn)行有效溝通的手段，但是在光纖內(nèi)部會(huì)有大量氣體充入造成信號(hào)傳輸速度緩慢[1]，所以有必要對(duì)光纖氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)。

氣體濃度控制在3%以內(nèi)時(shí)信號(hào)非常微弱，常用檢測(cè)手段為鎖相放大器，但是現(xiàn)存設(shè)備都有體積龐大、成本過(guò)高和功能復(fù)雜等缺點(diǎn)，因此，本文設(shè)計(jì)一款便攜式嵌入式的氣體檢測(cè)設(shè)備。

根據(jù)需求設(shè)計(jì)一種可以檢測(cè)低濃度氧氣和水蒸氣的嵌入式系統(tǒng)[2]，采用單雙路AD620作為核心擴(kuò)展了積分器和LPF等硬件鎖相電路，最后測(cè)量氧氣幅值和相位角驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性。

1 鎖相檢測(cè)原理及整體方案設(shè)計(jì)

在光纖通訊中，氣體主要有氧氣和水蒸氣，兩種氣體的檢測(cè)原理不同，但都需要提取幅度和相位特征等信息。設(shè)計(jì)的鎖相放大器基本原理如圖1所示。

圖1 鎖相放大器工作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在信號(hào)通道中，電壓信號(hào)主要傳輸途徑包括信號(hào)采集通道、參考信號(hào)、相敏檢測(cè)電路和低通濾波器電路部分，在信號(hào)進(jìn)入最終相敏檢測(cè)部分之前需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步濾波和消除峰值[4]。結(jié)構(gòu)圖中鎖相部分以輸入?yún)⒖茧妷簽闃?biāo)準(zhǔn)，采用共振原理挑選出與參考電壓頻率相同的信號(hào)，從而推算出被測(cè)信號(hào)幅值和相位。兩種氣體檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理類似，雙向鎖相器利用發(fā)生器發(fā)出有特定相位差的參考信號(hào)來(lái)檢測(cè)氣體濃度，結(jié)構(gòu)如圖2所示，實(shí)時(shí)調(diào)整的鎖相環(huán)電路可以從背景噪聲中提取出微弱電壓信號(hào)。

圖2 自適應(yīng)氣體檢測(cè)鎖相結(jié)構(gòu)圖

信號(hào)分析過(guò)程都是先采集信號(hào)并根據(jù)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，濾除掉特定頻次噪聲以后信號(hào)進(jìn)入到相敏電路檢測(cè)環(huán)節(jié)。相敏參考信號(hào)采用同頻率的方波信號(hào)，當(dāng)蒸汽或氧氣信號(hào)與相敏參考信號(hào)相乘后都會(huì)產(chǎn)生頻譜相移，再根據(jù)鎖相器原理利用積分和LPF電路進(jìn)行提取，根據(jù)信號(hào)和相位關(guān)系計(jì)算出被測(cè)信號(hào)相位。

2 鎖相放大器硬件電路設(shè)計(jì)

在兩種氣體檢測(cè)過(guò)程中，相頻檢測(cè)結(jié)構(gòu)不同，但內(nèi)部原理相同，即信號(hào)分析電路都相同，包括方波信號(hào)發(fā)生電路、信號(hào)采集電路、相敏檢測(cè)、積分和低通濾波器等模塊，對(duì)氣體檢測(cè)中部分重要電路進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明。

2.1 相敏檢測(cè)電路

相敏電路采用ADA2200放大器芯片，該芯片擁有積分、比較、補(bǔ)償環(huán)節(jié)等功能。采用說(shuō)明書(shū)中比較成熟的案例，如圖3所示。放大器主要用來(lái)從背景噪聲中提取并還原有效信號(hào)，可以輸入單一頻率信號(hào)和多個(gè)頻率混合信號(hào)，通過(guò)相關(guān)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)制參考信號(hào)和被測(cè)信號(hào)。

圖3 放大器相敏檢測(cè)電路

2.2 積分和低通濾波電路

氣體電壓信號(hào)在經(jīng)過(guò)相敏檢測(cè)后會(huì)有一定頻譜偏移，在后續(xù)電路中會(huì)有高頻和低頻成分產(chǎn)生[6]，一般氣體檢測(cè)信號(hào)都集中在低頻部分，因此需要設(shè)計(jì)積分和低通濾波器電路，通過(guò)2個(gè)放大器電路后把信號(hào)中高頻部分濾除掉。

本系統(tǒng)的積分和低通濾波器電路如圖4所示，電路采用噪聲電壓比較低的OP07作為核心，電路帶寬應(yīng)該盡量控制在一個(gè)比較窄范圍內(nèi)，濾波設(shè)計(jì)參數(shù)由RC積分常數(shù)決定，因此設(shè)計(jì)長(zhǎng)積分時(shí)間來(lái)濾除電路中高頻噪聲。輸入端和輸出端都采用2 kΩ電阻來(lái)匹配前后電路阻抗，通過(guò)2 μF和10 kΩ電阻計(jì)算出積分時(shí)間0.43 s，時(shí)間可以根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行調(diào)整。積分電路后面采用二階恒壓源低通濾波器，電路輸入側(cè)也加入R46作為輸入阻抗匹配，且低通濾波中心頻率設(shè)定后信號(hào)盡量不產(chǎn)生偏移，采用正反饋方式進(jìn)行信號(hào)放大和濾波，通過(guò)R44、R47、C67、C77計(jì)算信號(hào)通帶截止頻率，保證檢測(cè)信號(hào)在50 Hz以內(nèi)時(shí)不會(huì)因?yàn)殡娐酚绊懺斐勺约ふ袷帯?/p>

圖4 二階積分和低通濾波電路

2.3 量程自動(dòng)調(diào)整電路設(shè)計(jì)

在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在鎖相電路輸出信號(hào)后雖然可以進(jìn)行檢測(cè)，但是信號(hào)中會(huì)有大量強(qiáng)噪聲，為了減少信號(hào)鎖相電路輸出部分的二次諧波信號(hào)[7]，在信號(hào)進(jìn)入量程控制模塊之前先設(shè)定信號(hào)預(yù)處理范圍。采用LTC6603芯片進(jìn)行增益調(diào)整電路設(shè)計(jì)，如圖5所示，采集后信號(hào)每經(jīng)過(guò)一次讀入都會(huì)把信號(hào)與設(shè)定幅值進(jìn)行比較，并通過(guò)串口輸出幅值和增益數(shù)據(jù)，再通過(guò)半閉環(huán)方式就可以把有效信號(hào)做到最大化還原。電路部分差分信號(hào)輸入接口接入低通濾波器濾除電路高頻噪聲，在電源地與Vocm間加入一個(gè)0.1 μF陶瓷電容來(lái)減少信號(hào)工模干擾，輸入電路采用2個(gè)1 kΩ電阻來(lái)限制電流，可以有效降低調(diào)節(jié)電路功率并提高利用效率。

圖5 電壓量程自調(diào)節(jié)模塊

3 自適應(yīng)鎖相模塊設(shè)計(jì)

在相敏檢測(cè)部分采用的是模擬電路設(shè)計(jì)方法[8]，通過(guò)計(jì)算后的相位進(jìn)行信號(hào)調(diào)制而不需要設(shè)定程序進(jìn)行調(diào)整，但是信號(hào)經(jīng)過(guò)相敏部分調(diào)節(jié)后還需要進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集部分以COTEX芯片為核心進(jìn)行模擬信號(hào)采集和自動(dòng)量程調(diào)節(jié)。

3.1 信號(hào)采集電路及程序

信號(hào)采集部分用14位A/D采集芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，芯片供電電壓為12 V，所以采集電壓幅值范圍為0～10 V，A/D芯片滿分辨率為16 384位，因此可以識(shí)別到最小電壓值為0.2 mV[9]，具體電路設(shè)計(jì)過(guò)程如圖6所示。

圖6 氣體原始數(shù)據(jù)采集電路

氣體數(shù)據(jù)采集流程軟件編程如圖7所示，包括A/D芯片初始化、查詢芯片工作狀態(tài)、寫(xiě)入控制字并讀出信號(hào)數(shù)據(jù)并送入到MUC和循環(huán)讀取等步驟，當(dāng)需要對(duì)不同特征信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，就重新人為設(shè)定要求后再重置A/D采集部分，并初始化后重新開(kāi)始工作。

圖7 氣體數(shù)據(jù)采集流程

3.2 量程自控流程設(shè)計(jì)

在鎖相電路輸出波形后進(jìn)入信號(hào)采集部分，采集量程自控部分也采用MCU完成計(jì)算。首先在系統(tǒng)工作之前設(shè)定一個(gè)采集電壓范圍，通過(guò)設(shè)定值與采集值判斷采集誤差是否在范圍內(nèi)，如果在設(shè)定范圍內(nèi)則繼續(xù)采集，如果不符合要求則對(duì)LTC6603芯片進(jìn)行增量倍數(shù)調(diào)整，調(diào)整過(guò)后繼續(xù)進(jìn)行采集對(duì)比，直到電壓輸出信號(hào)符合要求后通過(guò)串口輸出信號(hào)到人機(jī)交互界面中，信號(hào)中諧波幅值利用當(dāng)前幅值和增益倍數(shù)就可以被還原。

4 多種氣體檢測(cè)應(yīng)用

在光纖氣體檢測(cè)系統(tǒng)中，不同氣體的電路采集結(jié)構(gòu)也不完全相同，因此根據(jù)被測(cè)氣體情況設(shè)定不同量程范圍進(jìn)行氣體信號(hào)檢測(cè)，分別設(shè)定兩種系統(tǒng)工作場(chǎng)景并對(duì)氣體檢測(cè)系統(tǒng)中每個(gè)子模塊進(jìn)行性能和可靠性驗(yàn)證。

4.1 氧氣濃度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

由于在實(shí)際使用過(guò)程中光纖氣體都會(huì)隨機(jī)波動(dòng)，為了控制氣體成分把氣態(tài)氧輸入到光纖中進(jìn)行檢測(cè)，采用熒光法的雙路鎖相放大器系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，分別對(duì)4種不同氧氣濃度樣本進(jìn)行檢測(cè)，每隔10 min檢測(cè)1次，檢測(cè)完成后采用專業(yè)清理設(shè)備對(duì)光纖中剩余氣體進(jìn)行充氮清理[10]。系統(tǒng)檢測(cè)出的氧氣濃度如圖8所示，結(jié)果說(shuō)明系統(tǒng)可以檢測(cè)最低氧氣濃度為0.99%，此測(cè)試主要檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于幅值變化的靈敏度。

圖8 氧氣濃度穩(wěn)定性結(jié)果

氧氣濃度檢測(cè)采用相位平均值方法[11]，得出氧氣濃度與相位關(guān)系并通過(guò)線性擬合法得出如圖9中所示結(jié)果，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在檢測(cè)過(guò)程中信號(hào)相位滿足線性的關(guān)系。在低濃度條件下每次濃度變化3%左右時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生1.62°相位誤差，在1%～8%測(cè)試濃度下，氧氣濃度最小分辨率為0.293%，因此系統(tǒng)在低濃度條件下分辨率更高，也更有利于檢測(cè)低濃度系統(tǒng)，符合現(xiàn)實(shí)中氣體濃度的要求。

圖9 氧氣濃度與相位線性關(guān)系圖

4.2 水蒸氣檢測(cè)濃度實(shí)驗(yàn)

首先利用清潔工具充氮清理完光纖中的殘余氣體，把實(shí)驗(yàn)條件控制在室溫21 ℃左右，利用高精度點(diǎn)露設(shè)備進(jìn)行精度濕度控制[12]，當(dāng)水蒸氣濃度調(diào)整到300～900 ppm之間時(shí)，通過(guò)檢測(cè)器進(jìn)行信號(hào)采集發(fā)現(xiàn)電壓幅值最大可以達(dá)到4.22 V，而且水蒸氣在300～900 ppm變化過(guò)程中系統(tǒng)經(jīng)過(guò)0.25 s調(diào)整時(shí)間就可以完成數(shù)據(jù)采集和檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程如圖10所示。

圖10 不同水氣濃度下的二次諧波

5 結(jié)論

為設(shè)計(jì)一種低幅值范圍的光纖氣體檢測(cè)系統(tǒng)，采用自適應(yīng)鎖相放大器作為氣體檢測(cè)核心電路，首先分析鎖相原理并設(shè)計(jì)自適應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)，然后對(duì)核心的相敏檢測(cè)、二階低通濾波、程控電壓放大及采集部分進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，利用信號(hào)采集程序和自適應(yīng)程序進(jìn)行鎖相實(shí)時(shí)調(diào)整，設(shè)定氣體環(huán)境分別進(jìn)行氧氣和水蒸氣檢測(cè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。分析結(jié)果表明氣體檢測(cè)系統(tǒng)可以滿足現(xiàn)場(chǎng)光纖檢測(cè)的要求。