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        基于光聲光譜技術(shù)的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2020-01-06 06:41:48泉,徐
        儀表技術(shù)與傳感器 2019年12期
        關(guān)鍵詞:光聲光源氣體

        周 泉,徐 智

        (1.三江學(xué)院電子信息工程學(xué)院,江蘇南京 210012;2.三江學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院,江蘇南京 210012)

        0 引言

        在工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中排放多種微量氣體,比如甲烷、臭氧、一氧化碳、二氧化硫等,雖然它們的濃度很低,但是對(duì)人類的生存環(huán)境卻有著極大的影響。當(dāng)這些微量氣體的濃度過(guò)高時(shí)就會(huì)產(chǎn)生酸雨、溫室效應(yīng)等現(xiàn)象,因此對(duì)這些微量氣體濃度的監(jiān)測(cè)就顯得十分重要[1]。常用的檢測(cè)氣體濃度的方法有非光學(xué)法和光學(xué)法,非光學(xué)法主要有電化學(xué)法、熱催化法等;光學(xué)法主要包括吸收光譜法、光聲光譜法等[2]。近年來(lái)隨著集成電路以及傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展,微音器靈敏度的不斷提高,使得光聲光譜技術(shù)得到了快速的發(fā)展,利用光聲光譜法來(lái)檢測(cè)氣體濃度成為一種主流趨勢(shì)。利用光聲光譜法檢測(cè)氣體濃度時(shí)不需要對(duì)待測(cè)氣體做預(yù)處理,直接通過(guò)測(cè)得的聲波信號(hào)就可以確定氣體的濃度,其與傳統(tǒng)檢測(cè)的非光學(xué)檢測(cè)方法相比具有檢測(cè)速度快、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。本文依據(jù)光聲光譜原理設(shè)計(jì)了一種基于光聲光譜技術(shù)的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng),利用微音器檢測(cè)不同濃度氣體的聲波信號(hào),經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路處理后計(jì)算得到被測(cè)氣體的濃度信息,通過(guò)串口通訊的方式,把檢測(cè)信息發(fā)送到上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示[3]。

        1 基于光聲光譜技術(shù)的氣體濃度檢測(cè)原理

        光聲光譜氣體檢測(cè)是利用光聲轉(zhuǎn)換效應(yīng)的原理以及微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的[4],具體實(shí)施過(guò)程如下:當(dāng)一束特定的單色光以固定頻率f射入通有待測(cè)氣體的容器中,如果入射光的波長(zhǎng)在被測(cè)氣體的吸收范圍內(nèi)就會(huì)被待測(cè)氣體吸收,產(chǎn)生與調(diào)制頻率相同周期的聲波,即光聲效應(yīng)。利用微音器將檢測(cè)到的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被處理的電信號(hào),通過(guò)分析檢測(cè)到的電信號(hào)就可以計(jì)算得出被檢測(cè)氣體的濃度,測(cè)量原理如圖1所示。

        圖1 光聲光譜測(cè)量原理

        2 基于光聲光譜技術(shù)的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        基于光聲光譜技術(shù)的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)主要包括光源頻率控制裝置、氣體濃度檢測(cè)裝置以及信號(hào)處理裝置等[5]。其中光源頻率控制裝置主要包括光源、透鏡、濾光片等;氣體濃度檢測(cè)裝置主要包括氣室、微音器;信號(hào)處理裝置主要用來(lái)調(diào)理微音器輸出的電信號(hào),對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)濾波放大,最后送入單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換。總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

        3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        基于光聲光譜技術(shù)的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件電路主要是由光源驅(qū)動(dòng)電路、微音器信號(hào)檢測(cè)電路、選頻放大電路、信號(hào)處理電路、通訊電路以及電源電路組成[6]。通過(guò)單片機(jī)STM32輸出的PWM波來(lái)調(diào)節(jié)光源的頻率,當(dāng)單色光射進(jìn)氣室中與待測(cè)氣體發(fā)生光聲效應(yīng),利用微音器把產(chǎn)生的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路調(diào)理,可把計(jì)算結(jié)果在LCD液晶屏上顯示,也可以通過(guò)串口通訊的方式把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示,具體硬件框圖如圖3所示。

        圖3 系統(tǒng)硬件框圖

        3.1 光源選擇

        光源作為整個(gè)系統(tǒng)的核心器件,其精度、靈敏度對(duì)系統(tǒng)的影響很大,因此對(duì)光源的選取至關(guān)重要[7]。根據(jù)光源的特性,大致可以將光源分為相干光源和非相干光源兩類。相干光源通常是指激光光源,它一般具有功率大、線寬窄、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),但是系統(tǒng)比較復(fù)雜且價(jià)格相對(duì)較貴。非相干光源與相干光源相比具有體積小、成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì),雖然其精度和靈敏度比相干光源差,但是對(duì)于實(shí)際應(yīng)用,10-6量級(jí)的靈敏度已經(jīng)完全滿足系統(tǒng)要求。因此本文選擇非相干光源EMIRS200,它是采用電調(diào)制技術(shù)的熱輻射紅外源,具備黑體輻射的特性,并且具有低功耗、高輻射率、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),實(shí)物如圖4所示。

        圖4 EMIRS200型號(hào)光源

        當(dāng)啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí),EMIRS200光源發(fā)出的光首先經(jīng)過(guò)窄帶濾光片,窄帶濾光片只對(duì)峰值透射波長(zhǎng)附近的光波段有較高的透射作用,在其他波段都表現(xiàn)為高反射,以此來(lái)排除非檢測(cè)氣體的干擾。當(dāng)光源發(fā)射的單色光經(jīng)過(guò)濾光片后,仍為單色光,EMIRS200光源的中心頻率約為10 Hz,因此在調(diào)制時(shí)為了達(dá)到較高的發(fā)射功率,單片機(jī)PWM輸出的頻率也應(yīng)在10 Hz左右。

        3.2 光源驅(qū)動(dòng)電路

        EMIRS200光源發(fā)出的是恒定功率的連續(xù)光,若想把其變?yōu)楣β士勺兊娜肷涔饩托枰獙?duì)光源進(jìn)行頻率調(diào)制。對(duì)光源頻率調(diào)制通常利用機(jī)械斬波器或調(diào)頻脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn),當(dāng)光源的頻率較高時(shí),機(jī)械斬波器在空氣中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)引起聲信號(hào)的變化,無(wú)形中增加了噪聲信號(hào),而調(diào)頻脈沖是通過(guò)改變光的調(diào)制頻率來(lái)改變光源發(fā)射器EMIRS200發(fā)出光源的頻率,因此具有很強(qiáng)的抗干擾性,本文利用STM32的I/O輸出可變頻率的PWM波來(lái)控制光源發(fā)射器EMIRS200發(fā)出光源的頻率。利用透鏡對(duì)EMIRS200發(fā)射的光源進(jìn)行會(huì)聚,使其具有更高的發(fā)射能量,可以使用濾光片來(lái)選擇需要的入射光波長(zhǎng)。

        由于EMIRS200光源的正常工作電壓為5 V,單片機(jī)I/O口輸出的PWM波不能直接驅(qū)動(dòng),本文利用高速光耦和場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)為光源提供足夠的驅(qū)動(dòng)功率,電路如圖5所示。

        圖5 光源驅(qū)動(dòng)電路

        由于系統(tǒng)采用的是高速光耦和場(chǎng)效應(yīng)管,其開關(guān)時(shí)間都在ns級(jí),可以忽略開關(guān)時(shí)間延遲對(duì)系統(tǒng)的影響。為了得到更高的發(fā)射功率,使得PWM波輸出的頻率與EMIRS200光源的中心頻率相同,都為10 Hz。

        3.3 微音器信號(hào)檢測(cè)電路

        微音器是將氣室里面光譜吸收時(shí)產(chǎn)生的聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件,其靈敏度直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度。本文需用EK-3302型號(hào)微音器,具有較高的靈敏度、較寬的頻率檢測(cè)范圍以及很強(qiáng)的抗干擾能力[8]。由于微音器輸出電信號(hào)十分微弱并不能直接被單片機(jī)處理,因此需要對(duì)微音器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大,本文選用高精度儀用放大器AD620組成的差分放大電路對(duì)微音器的信號(hào)進(jìn)行放大,它具有低失調(diào)溫漂、低失調(diào)電壓,除此之外還具有低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗等特性。其中IN+、IN-接微音器的輸出,具體電路如圖6所示。

        圖6 微音器檢測(cè)輸出處理電路

        3.4 選頻放大電路

        由于經(jīng)過(guò)微音器輸出的信號(hào)不僅僅是待測(cè)氣體光聲效應(yīng)產(chǎn)生的有用信號(hào),還包括一些干擾信號(hào),比如氣室壁噪聲信號(hào)、氣體流動(dòng)噪聲信號(hào)以及外接噪聲信號(hào)等[9]。若直接采集微音器輸出的信號(hào),噪聲會(huì)非常大,系統(tǒng)帶來(lái)的誤差也會(huì)增大,因此需要對(duì)微音器輸出的信號(hào)進(jìn)行選頻放大,使有效信號(hào)得到放大,濾除噪聲信號(hào)提高信噪比。本文選用乘法器AD734來(lái)完成信號(hào)的選頻,它是四象限模擬乘法器,具有高精度(0.1%誤差)、低失真、低噪音、高速等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用,可以應(yīng)用在解調(diào)器、壓控放大器、調(diào)制器等方面。

        本文以驅(qū)動(dòng)信號(hào)的發(fā)射頻率為參考頻率,微音器檢測(cè)到的電信號(hào)的頻率理論上應(yīng)該與參考信號(hào)的頻率相同,因此利用模擬乘法器AD734來(lái)完成選頻,當(dāng)參考信號(hào)和微音器輸出的信號(hào)分別連接AD734的X1、Y1,因此AD734最后輸出的信號(hào)頻率有2個(gè),一個(gè)是2個(gè)信號(hào)頻率之差,另一個(gè)是2個(gè)信號(hào)頻率之和,由于本文的有效信號(hào)頻率與參考信號(hào)頻率相同,因此把AD734輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器來(lái)濾除2個(gè)信號(hào)頻率疊加后的高頻信號(hào),讓與參考信號(hào)頻率相同的信號(hào)通過(guò)[10]。低通濾波器選用的是二階巴特沃斯有源低通濾波器,具體電路圖如圖7所示。

        圖7 選頻放大電路

        4 軟件設(shè)計(jì)

        基于光聲光譜技術(shù)的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括激勵(lì)信號(hào)源的軟件設(shè)計(jì)、定時(shí)器的軟件設(shè)計(jì)、A/D采集的軟件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理的軟件設(shè)計(jì)以及串口通訊的軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)上電后單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位,然后由STM32F439內(nèi)部的定時(shí)器開始工作,產(chǎn)生頻率可調(diào)節(jié)的PWM波,系統(tǒng)再利用PWM波驅(qū)動(dòng)光源產(chǎn)生頻率可調(diào)的光源,運(yùn)用單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器采集選頻電路輸出的電信號(hào),進(jìn)行采樣分析最后得出氣體的濃度數(shù)據(jù),最后把數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)串口通訊的方式發(fā)送到上位機(jī)顯示,系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。

        圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

        5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理

        5.1 溫度因素對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)精度的影響

        由于溫度的變化會(huì)引起光傳播速度的變化,因此本文重點(diǎn)研究了溫度因素對(duì)基于光聲光譜技術(shù)的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的影響。把標(biāo)定好濃度的CO2氣體通入系統(tǒng)中,若通入待測(cè)氣體的氣室溫度越高則光源產(chǎn)生的單色光傳播的速度越快,氣室里面氣體所產(chǎn)生的諧振頻率也會(huì)變快,氣體吸收系數(shù)和吸收光譜的寬度都會(huì)增加,實(shí)驗(yàn)時(shí)以濃度450 ppm(1 ppm=10-6)的CO2通入到溫度變化的氣室中,具體溫度對(duì)系統(tǒng)的影響如圖9所示。

        圖9 溫度變化對(duì)微音器輸出光聲信號(hào)電壓值的影響

        由圖9可知,光聲信號(hào)電壓值與溫度存在一定的關(guān)系,當(dāng)溫度從0 ℃向35 ℃變化時(shí),微音器檢測(cè)氣室中聲波輸出的電信號(hào)隨溫度升高而增加;當(dāng)溫度從35 ℃向50 ℃變化時(shí),微音器檢測(cè)氣室中聲波輸出的電信號(hào)隨溫度升高而減小;在溫度約為35 ℃時(shí),微音器輸出電信號(hào)最大,約為1.42 V。為了解決溫度變化對(duì)系統(tǒng)測(cè)量的影響,可以在檢測(cè)系統(tǒng)中加入溫度檢測(cè)模塊,實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境的溫度,以此來(lái)補(bǔ)償溫度變化引起的測(cè)量誤差。

        5.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

        為了擬合氣體濃度與微音器檢測(cè)輸出的電信號(hào)的關(guān)系,分別標(biāo)定8組濃度不同的CO2氣體,分別為20 ppm、40 ppm、60 ppm、100 ppm、200 ppm、300 ppm、450 ppm、500 ppm,當(dāng)系統(tǒng)中通入不同濃度的CO2氣體時(shí)分別采集其對(duì)應(yīng)的光聲信號(hào)的電壓值,具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。圖10為CO2濃度與微音器輸出電壓幅值的擬合曲線。

        表1 CO2濃度與微音器輸出的光聲信號(hào)電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系

        圖10 CO2濃度與光聲信號(hào)幅值擬合曲線圖

        從上述實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出CO2濃度與輸出的光聲信號(hào)的電壓幅值存在線性關(guān)系,擬合曲線為y=0.003 14x+0.013 27。

        由上述實(shí)驗(yàn)得到了待測(cè)氣體濃度與系統(tǒng)輸出電壓的線性擬合曲線,為了驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量的精度,利用擬合曲線反推待測(cè)氣體的濃度。分別通入40 ppm、60 ppm、120 ppm、250 ppm、420 ppm、670 ppm標(biāo)定好濃度的CO2氣體,利用系統(tǒng)檢測(cè)到的微音器輸出的電壓信號(hào)計(jì)算出實(shí)際的濃度值,標(biāo)準(zhǔn)值與系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量值對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示。

        表2 CO2濃度標(biāo)準(zhǔn)值與系統(tǒng)測(cè)量值對(duì)比

        由上述實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)可知,本系統(tǒng)測(cè)量精度較高,在測(cè)量低濃度氣體時(shí)誤差相對(duì)較大,約為4.3%;在測(cè)量濃度較高的氣體時(shí)(待測(cè)氣體濃度大于120 ppm),檢測(cè)誤差則小于3%,并且測(cè)量的精度隨著待測(cè)氣體濃度的升高而增加,由此可得出,在測(cè)量濃度較高的氣體時(shí),本系統(tǒng)具有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng),測(cè)量誤差小于4.3%,符合設(shè)計(jì)要求。

        6 結(jié)束語(yǔ)

        本文設(shè)計(jì)了一種基于光聲光譜技術(shù)的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng),與市面上的檢測(cè)儀相比具有如下優(yōu)點(diǎn):在驅(qū)動(dòng)信號(hào)方面,系統(tǒng)利用單片機(jī)內(nèi)部輸出的PWM波以及功率放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)光源然后改變光源的頻率,提高了系統(tǒng)整體的抗干擾性和精度;在信號(hào)檢測(cè)方面,利用選頻電路來(lái)提高信號(hào)的信噪比,極大地提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性;系統(tǒng)可以檢測(cè)混合氣體的濃度,且不需要事先對(duì)待測(cè)氣體進(jìn)行預(yù)處理。后續(xù)還可以對(duì)本系統(tǒng)繼續(xù)改進(jìn),將主控芯片換成專用的數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP,這樣可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運(yùn)算速率與準(zhǔn)確性。

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