王文蓉，彭明仔，吳黎明

（1.廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，廣州 511442；2.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

當(dāng)前，精密氣體檢測(cè)系統(tǒng)的研究是熱點(diǎn)問(wèn)題，主要應(yīng)用于環(huán)境污染氣體檢測(cè)、瓦斯氣體檢測(cè)、汽車(chē)尾氣排放檢測(cè)等方面，而且這些主要只用于開(kāi)關(guān)檢測(cè)，達(dá)到上限或者下限值的時(shí)刻就提示報(bào)警信息等，在精密度上要求不高；此外，在檢測(cè)氫氣、氮?dú)狻⒀鯕獾入p原子分析氣體時(shí)，目前采用的基于朗伯比爾定律的檢測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)，于是基于熱導(dǎo)傳感的檢測(cè)方法應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)前熱導(dǎo)傳感器的熱導(dǎo)池還存在氣體取樣不均、環(huán)境溫度補(bǔ)償困難、溫漂大等相關(guān)問(wèn)題[1-3]。本文針對(duì)這些問(wèn)題，基于嵌入式系統(tǒng)，在分析現(xiàn)有誤差來(lái)源的基礎(chǔ)上，通過(guò)熱導(dǎo)池信號(hào)采集電路、傳感信號(hào)放大電路、大氣壓傳感器對(duì)比檢測(cè)電路、溫度傳感器電路和高精度AD 轉(zhuǎn)換電路，以及軟件算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精密檢測(cè)，該裝置不需要參考?xì)怏w，可在高溫、高濕和高氧壓的條件下工作。

1 熱導(dǎo)氣體檢測(cè)原理及整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的熱導(dǎo)池采用錸鎢絲作為熱敏元件，熱導(dǎo)池的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。錸鎢絲的阻值會(huì)因?yàn)闅怏w濃度的不同而變化，設(shè)計(jì)原理就是根據(jù)測(cè)量臂樣品的濃度變化，從而改變錸鎢絲的阻值，然后通過(guò)橋臂輸出與之對(duì)應(yīng)的電壓改變值，濃度不同，對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)不同，從而實(shí)現(xiàn)濃度測(cè)量。

圖1 熱導(dǎo)池結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。主要包含熱導(dǎo)池、傳感信號(hào)放大處理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、嵌入式控制系統(tǒng)、大氣壓對(duì)比檢測(cè)電路、存儲(chǔ)電路和顯示電路等。供電系統(tǒng)中最主要的是給熱導(dǎo)池進(jìn)行恒流供電，保持熱導(dǎo)池的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)熱導(dǎo)池進(jìn)行信號(hào)采集，輸出與濃度變化相對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)，輸出信號(hào)非常微弱，經(jīng)過(guò)傳感信號(hào)放大電路進(jìn)行處理，然后經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換，由嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

本設(shè)計(jì)采用平面六通閥和定量閥以及長(zhǎng)管氣路設(shè)計(jì)的方式。進(jìn)氣、檢測(cè)和排氣設(shè)計(jì)在同一個(gè)平面六通閥中，定量閥確定被測(cè)樣品氣體體積，確保每次測(cè)量的體積保證高度一致；此外，被測(cè)氣體在長(zhǎng)管中能充分地混合均勻，避免了由于濃度具有隨機(jī)性而帶來(lái)的誤差，解決了人為確定被測(cè)樣體積與濃度不均產(chǎn)生的精度誤差。如圖3所示。

圖3 氣路連接圖

2 主要硬件電路

2.1 信號(hào)采集與處理電路

信號(hào)采集與處理電路如圖4 所示，通過(guò)平面六通閥接入樣氣，導(dǎo)入熱導(dǎo)池進(jìn)行檢測(cè)，輸出的信號(hào)采用AD8220AR 儀表放大器進(jìn)行初級(jí)放大。AD8220AR 是軍用級(jí)別的放大器，具有出色的交流特性，低功耗帶寬為1.5 MHz；輸入噪聲低，壓擺率僅為2 V/μs。在此基礎(chǔ)上選用OPA2188進(jìn)行次級(jí)放大和信號(hào)跟隨，確保信號(hào)放大到合適范圍的同時(shí)，具有較高的信噪比。

圖4 信號(hào)采集與處理電路

2.2 AD轉(zhuǎn)換電路

AD 轉(zhuǎn)換電路采用24 位ADS1248、8 通道2KSPS 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，支持4 路差分輸入和7 路單端輸入。內(nèi)部集成了2.048 V的參考電壓，10 ppm 內(nèi)部溫度傳感器。使用內(nèi)部恒流源時(shí)需要啟用內(nèi)部電壓參考才能正常輸出；SPI為下降沿鎖存；SPI數(shù)據(jù)發(fā)送到ADS1248后需要等一段時(shí)間再把CS引腳拉高。具體的設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖5 AD轉(zhuǎn)換電路

2.3 嵌入式控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用STM32F103 進(jìn)行處理。具體的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路如圖6 所示，STM32F103 自帶SPI 通訊接口，資源豐富、處理速度快、價(jià)格低廉、下載方便，在設(shè)計(jì)過(guò)程中將測(cè)試的情況進(jìn)行了說(shuō)明。

2.4 數(shù)字隔離電路

設(shè)計(jì)采用ADuM7441 四通道標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器和雙通道高可靠數(shù)字隔離器ADuM1201，電路具有可靠性高、性噪比高，六路信號(hào)通過(guò)TP9-TP14輸出，具體的設(shè)計(jì)電路如圖7所示。

3 恒溫控制

由于熱導(dǎo)傳感器整體的檢測(cè)精度容易受環(huán)境溫度的影響，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)了高精度恒溫控制系統(tǒng)，恒溫系統(tǒng)為了不受環(huán)境的影響，設(shè)置的恒溫點(diǎn)在48 ℃，溫度變化范圍不超過(guò)0.1 ℃?？販匦Ч麍D如圖8所示。

4 卡爾曼濾波算法

軟件設(shè)計(jì)中最核心的部分是濾波算法的實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)濾波算法采用Kalman（卡爾曼）濾波。卡爾曼濾波的原理流程如圖9 所示。Kalman 濾波器是一種線(xiàn)性的離散時(shí)間有限維系統(tǒng)。Kalman濾波器具有估計(jì)性能：使濾波后的狀態(tài)估計(jì)誤差的相關(guān)矩陣P（n）的跡最小化，因此Kalman濾波器是狀態(tài)向量x（n）的線(xiàn)性最小差估計(jì)。在對(duì)單一信號(hào)源濾波的場(chǎng)合，由于測(cè)量值與估計(jì)值具備幾乎完全相同的概率分布，為了更好地實(shí)現(xiàn)去噪效果，在假定被測(cè)對(duì)象變化不顯著的情況下，可以將之前（1～N）個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的測(cè)量值隨機(jī)作為當(dāng)前時(shí)間節(jié)點(diǎn)的測(cè)量值，以實(shí)現(xiàn)更好的去噪效果。

圖6 嵌入式控制系統(tǒng)

圖7 數(shù)字隔離電路

圖8 控溫效果圖

圖9 卡爾曼濾波原理流程圖

采用經(jīng)典卡爾曼濾波對(duì)虛擬信號(hào)及真實(shí)信號(hào)進(jìn)行濾波，結(jié)果如圖10～11 所示。從濾波結(jié)果中可以看出，經(jīng)典卡爾曼對(duì)信號(hào)的濾波效果好、實(shí)時(shí)性好、計(jì)算量需求極小，能夠有效去除高斯噪聲以及非高斯噪聲，基本不受脈沖信號(hào)影響。

圖10 經(jīng)典卡爾曼濾波對(duì)虛擬信號(hào)濾波結(jié)果

圖11 經(jīng)典卡爾曼濾波對(duì)真實(shí)信號(hào)濾波結(jié)果

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

測(cè)試說(shuō)明：一共有5 種氧標(biāo)氣，分別為0%、1.5%、6%、12%、20.7%。具體步驟：（1）以20.7%的標(biāo)氣進(jìn)行標(biāo)定，控制流量在煙氣分析儀正常流量范圍內(nèi)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，進(jìn)行標(biāo)定操作；（2）依次通入0%、1.5%、6%、12%、20.7%的標(biāo)氣，等數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)；（3）最后通入空氣，等數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，并一直通著空氣，24 h后記錄數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)表

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)表

重復(fù)步驟（2）～（3），最終得到的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1～2所示。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，裝置測(cè)試結(jié)果全部合格，線(xiàn)性誤差最大不超過(guò)±2%RS，飄移誤差小，測(cè)量精度達(dá)到國(guó)內(nèi)較高水平。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析氣體探測(cè)的現(xiàn)狀和熱導(dǎo)傳感器在檢測(cè)雙原子氣體過(guò)程中存在的問(wèn)題，重點(diǎn)對(duì)熱導(dǎo)池進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)了取樣氣路的設(shè)計(jì)，從源頭解決了氣體混合不均勻和取樣一致性問(wèn)題。通過(guò)高精度信號(hào)處理電路和AD轉(zhuǎn)換，嵌入式控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理。經(jīng)測(cè)試，該傳感器裝置測(cè)量精度高，線(xiàn)性誤差最大不超過(guò)±2%RS，飄移誤差小，測(cè)量精度達(dá)到國(guó)內(nèi)較高水平。此外該裝置不需要參考?xì)怏w，可在高溫、高濕和高氧壓的條件下工作，為氣體探測(cè)提供了新的解決方案。