張立群

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

0 引言

一氧化碳是煤層自燃的標(biāo)志性氣體，是火災(zāi)的主要指標(biāo)，同時(shí)也是導(dǎo)致井下人員中毒死亡的重要因素。因此，對一氧化碳的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測與定期標(biāo)校是煤礦安全的重中之重。目前煤礦普遍采用基于電化學(xué)測量原理的一氧化碳檢測裝置，此原理在實(shí)際應(yīng)用中存在著如下問題：1)測量精度低，易受電磁干擾以及環(huán)境中的水汽、粉塵、氫氣、乙烯等背景氣的影響，造成其測量不準(zhǔn)確、誤報(bào)警現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生；2)標(biāo)校周期短，一般不超過15天；3)探頭壽命短，因接觸式的測量方式，通常1～2年探頭就需更換一次。為此，孫繼平教授在參考文獻(xiàn)[1]煤礦的新技術(shù)中，對基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)的一氧化碳測量方法給出了指導(dǎo)性建議。TDLAS技術(shù)是目前一種先進(jìn)的氣體測量技術(shù)，利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的窄線寬和波長隨注入電流可調(diào)節(jié)的特性，通過分析激光被氣體的選擇吸收程度來計(jì)算氣體濃度，具有非接觸式測量、測量精度高、響應(yīng)速度快、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)[2]，已逐漸在礦用激光甲烷檢測裝置上得以應(yīng)用。但因其整機(jī)體積、成本、功耗、測量精度、激光器波長范圍等因素，激光一氧化碳檢測裝置尚未在煤礦實(shí)際應(yīng)用。

鑒于此，本文基于TDLAS技術(shù)，研究設(shè)計(jì)了一種激光一氧化碳檢測系統(tǒng)，采用VCSEL型垂直腔面發(fā)射激光器替代DFB型激光器作為檢測光源，有效改善了激光氣體檢測中的體積與功耗問題[3]，采用CAN總線與監(jiān)控分站進(jìn)行數(shù)字信號(hào)通信，實(shí)現(xiàn)了一氧化碳的實(shí)時(shí)可靠測量與數(shù)字信號(hào)傳輸。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

激光一氧化碳檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。檢測系統(tǒng)以ARM STM32F429和FPGA XC6SLX45為設(shè)計(jì)核心，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由電源模塊、氣體檢測模塊、主控模塊、顯示模塊、通信模塊、紅外遙控模塊、聲光報(bào)警模塊組成。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

電源模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)的緩啟及各等級的電壓轉(zhuǎn)換，給系統(tǒng)供電；氣體檢測模塊基于TDLAS氣體檢測原理，負(fù)責(zé)將一氧化碳?xì)怏w濃度轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)信號(hào)并提取光強(qiáng)信號(hào)的二次諧波幅值；主控模塊根據(jù)氣體檢測模塊提取到的光強(qiáng)二次諧波幅值，實(shí)時(shí)計(jì)算一氧化碳?xì)怏w的濃度；顯示模塊用于將主控模塊計(jì)算出的一氧化碳?xì)怏w濃度值實(shí)時(shí)的本地顯示；通信模塊用于將一氧化碳濃度值實(shí)時(shí)傳輸給井下監(jiān)控分站，再由分站上傳到地面上位機(jī)；紅外遙控模塊接收遙控器的操作指令，對檢測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置、標(biāo)校；聲光報(bào)警模塊用于當(dāng)一氧化碳濃度超限時(shí)，同時(shí)發(fā)出聲、光兩種報(bào)警信號(hào)。

2 系統(tǒng)檢測原理

本文設(shè)計(jì)的激光一氧化碳檢測系統(tǒng)基于TDLAS的檢測原理實(shí)現(xiàn)對一氧化碳?xì)怏w濃度的檢測。每種氣體都會(huì)吸收其特定波長的光，TDLAS氣體檢測原理就是基于氣體在紅外波段的的選擇吸收性和Beer-Lambert定律[4]。Beer-Lambert定律如公式(1)，給出了光的吸收強(qiáng)弱與吸光物質(zhì)之間的濃度關(guān)系。

I(v)=Io(v)exp[-α(v)CL]

(1)

式中，I(v)為光穿過被測氣體后的出射光強(qiáng)度，Io(v)為被測氣體濃度為0時(shí)的入射光強(qiáng)度，α(v)為被測氣體分子吸收截面，C為被測氣體濃度，L是光程。

TDLAS氣體測量原理示意圖2所示，利用半導(dǎo)體激光器輸出波長隨電流和溫度可調(diào)節(jié)的特性，在低頻鋸齒波調(diào)諧信號(hào)的基礎(chǔ)上疊加高頻正弦波調(diào)制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器在一氧化碳的吸收峰附近掃描[5]，以消除激光器自身及周圍環(huán)境帶來的低頻噪聲干擾[6]，提升氣體檢測精度。激光經(jīng)過氣室被一氧化碳吸收后，光強(qiáng)發(fā)生衰減，經(jīng)光電探測器將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，輸出到鎖相放大器解調(diào)，提取諧波信號(hào)。依據(jù)Beer-Lambert定律，對式(1)進(jìn)行傅里葉展開后，可以得到光強(qiáng)的二次諧波幅值與待測氣體濃度成正比關(guān)系[7-10]，因此可將氣體濃度計(jì)算簡化為式(2)：

圖2 TDLAS氣體測量原理示意圖

C=KV2f

(2)

式中，C為氣體濃度，K為比例系數(shù)，V2f為二次諧波幅值。

因此，可以通過測量二次諧波幅值來得到氣體的濃度值。為進(jìn)一步濾除隨機(jī)噪聲和系統(tǒng)噪聲，多次采集標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度下的二次諧波幅值，將幅值與對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度做最小二乘法直線擬合[11]，得到擬合度、正比例系數(shù)及擬合方程。取一氧化碳在50 ppm、100 ppm、200 ppm、350 ppm、500 ppm、600 ppm、750 ppm、900 ppm、1 000 ppm標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度下的二次諧波幅值20次，取平均值，擬合直線如圖3所示。

圖3 二次諧波幅值與氣體濃度擬合直線

圖3表明二次諧波幅值信號(hào)與氣體濃度有良好的線性關(guān)系。之后通過采集氣體二次諧波幅值再根據(jù)擬合方程，即可計(jì)算出待測的一氧化碳?xì)怏w濃度值[12]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊由系統(tǒng)的緩啟動(dòng)電路及各等級的電壓轉(zhuǎn)換電路兩部分組成。礦用氣體檢測裝置需滿足長距離傳輸和低功耗需求，采用圖4的電源緩啟動(dòng)電路，避免了系統(tǒng)上電瞬間產(chǎn)生的沖擊電流對系統(tǒng)造成頻繁重啟或不工作的問題，同時(shí)保障了VCSEL型半導(dǎo)體激光器的安全與穩(wěn)定。

圖4 電源緩啟動(dòng)電路圖

電源接入瞬間對電容C1充電，隨著C1逐漸充滿，P-MOS管Q1逐漸導(dǎo)通，掉電時(shí)C1、R1組成放電回路，減少震蕩，實(shí)現(xiàn)電源緩啟動(dòng)。通過DC-DC電源轉(zhuǎn)換芯片URB2405將外部22 V輸入電壓轉(zhuǎn)換成5 V，為氣體檢測模塊供電，再經(jīng)TPS76933將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓，給其他模塊供電。

3.2 氣體檢測模塊設(shè)計(jì)

氣體檢測模塊基于TDLAS氣體測量原理，完成對一氧化碳?xì)怏w濃度的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換、光強(qiáng)信號(hào)的二次諧波幅值提取與主控模塊的通信。氣體檢測模塊以FPGA為控制核心，由激光器驅(qū)動(dòng)電路、VCSEL激光器、氣室、光電探測器、信號(hào)處理電路組成。

激光器采用德國VERTILAS公司的中心波長2 334 nm的VCSEL激光器，相比于目前普遍使用的DFB激光器，VCSEL結(jié)構(gòu)的激光器具有體積小、發(fā)熱量小、光譜穩(wěn)定性高、價(jià)格低廉等優(yōu)勢，可有效改善激光傳感器在井下使用時(shí)的體積、功耗與成本等問題[13]。氣室采用多次反射方式增加吸收光程，提升探測靈敏度。

FPGA完成調(diào)制激光驅(qū)動(dòng)波形的產(chǎn)生以及二次諧波幅值信號(hào)的數(shù)字鎖相解調(diào)與提取[14]。利用FPGA內(nèi)部集成的數(shù)字波形發(fā)生器功能模塊，產(chǎn)生低頻鋸齒波疊加高頻正弦波的激光器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過D/A芯片DAC8830變換成模擬量后，通過激光電流驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)激光器的供電電流，從而調(diào)節(jié)激光器的出射波長，電流驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 激光器電流驅(qū)動(dòng)電路圖

Vr為FPGA產(chǎn)生的激光器輸入調(diào)諧電壓，驅(qū)動(dòng)電流Io隨輸入的調(diào)諧電壓Vr線性變化，實(shí)現(xiàn)對激光器的電流驅(qū)動(dòng)控制。電路由運(yùn)放和場效應(yīng)管等組成，選用高穩(wěn)定度、低噪聲低失調(diào)電壓、小溫漂的高速精密運(yùn)放OPA227作電壓跟隨。R20為限流電阻，R22為低溫漂電流采樣電阻，流經(jīng)R22的電流即驅(qū)動(dòng)電流Io，R21和C19起濾波作用，在輸入電壓和負(fù)載瞬間變化時(shí)保證電路的穩(wěn)定，D7防止浪涌擊穿激光器。

激光器在驅(qū)動(dòng)電流的作用下產(chǎn)生特定波長的激光光束，激光光束穿過氣室被一氧化碳吸收后，由光電探測器將衰減的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電探測器的輸出為毫安電流信號(hào)，比較微弱[15]，采用二級放大電路對微弱的電流信號(hào)處理，第一級采用AD829跨阻放大電路完成電流電壓轉(zhuǎn)化，第二級實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)放大，避免了使用單級放大電路引入的噪聲與失真[16]。經(jīng)信號(hào)放大處理后送入FPGA內(nèi)部的數(shù)字鎖相放大器解調(diào)提取二次諧波幅值，提取出的幅值傳給主控模塊做進(jìn)一步的濃度計(jì)算、實(shí)時(shí)顯示與數(shù)字化傳輸。

3.3 主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊以ARM STM32F429為核心，由復(fù)位電路、JTAG電路、Flash存儲(chǔ)電路組成，是完成系統(tǒng)各功能的處理核心。主控模塊與氣體檢測模塊采用SPI通信，根據(jù)其提取的光強(qiáng)二次諧波幅值，結(jié)合擬合方程實(shí)時(shí)計(jì)算一氧化碳?xì)怏w的濃度值，并根據(jù)邏輯判斷驅(qū)動(dòng)顯示模塊、通信模塊、聲光報(bào)警模塊、紅外遙控模塊，完成一氧化碳?xì)怏w濃度的實(shí)時(shí)計(jì)算、顯示、數(shù)據(jù)傳輸、參數(shù)配置、聲光報(bào)警等功能。

3.4 顯示模塊設(shè)計(jì)

顯示模塊用于將主控模塊計(jì)算出的一氧化碳?xì)怏w濃度值實(shí)時(shí)本地顯示，由共陰數(shù)碼管、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片ZLG7289組成，如圖6所示。ZLG7289與主控模塊采用SPI通信，其內(nèi)部含有譯碼器并具有多種控制指令，控制數(shù)碼管的段選與位選，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的實(shí)時(shí)顯示、閃爍與消隱等功能[17]。

圖6 數(shù)碼管顯示電路

3.5 通信模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用CAN總線實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控分站的數(shù)字信號(hào)通信，CAN總線的多主并發(fā)及CRC校驗(yàn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了傳感器在傳輸過程中的實(shí)時(shí)性及可靠性。CAN總線選用擴(kuò)展幀格式，將傳感器類型、故障類型等信息填進(jìn)幀ID里主動(dòng)上報(bào)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)自識(shí)別、故障自診斷等智能傳輸功能。通信模塊電路如圖7所示，選用集總線隔離與ESD保護(hù)于一體的金升陽CAN收發(fā)模塊TD301DCAN，實(shí)現(xiàn)CAN信號(hào)驅(qū)動(dòng)電平的轉(zhuǎn)換，結(jié)合濾波模塊L3、雙向瞬態(tài)抑制二極管D10等保護(hù)器件，達(dá)到了浪涌(沖擊)抗擾度3級A，脈沖群抗擾度4級A標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 CAN總線通信電路圖

3.6 紅外遙控模塊設(shè)計(jì)

紅外遙控模塊電路由紅外接收頭HS0038B和紅外解碼芯片BC7210A組成，完成對紅外遙控指令的接收，對系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、標(biāo)校，電路圖如圖8所示。紅外接收頭HS0038B易受電源雜波等干擾，在其電源腳VS接入R25和C17作電源濾波處理，輸出腳OUT接入解碼芯片BC7210A的紅外輸入腳IR，BC7210A采用NEC模式，完成解碼后通過SPI與主控模塊通信。

圖8 紅外遙控電路

3.7 聲光報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警電路如圖9所示，由主控模塊根據(jù)一氧化碳的數(shù)值判斷是否啟動(dòng)聲光報(bào)警電路。一氧化碳超限時(shí)，主控模塊I/O口Buzzer和LED輸出低電平，T1、T2三級管S9012導(dǎo)通，蜂鳴器響，LED燈亮，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聲光報(bào)警功能。

圖9 聲光報(bào)警電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括FPGA和ARM的設(shè)計(jì)。利用FPGA的可編程性及內(nèi)部集成的波形發(fā)生器、數(shù)字鎖相放大器功能模塊，完成DDS驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生及二次諧波信號(hào)提取。ARM采用μC/OS-II實(shí)時(shí)系統(tǒng)，按系統(tǒng)的功能要求劃分各任務(wù)及優(yōu)先級，通過任務(wù)調(diào)度函數(shù)來調(diào)度各任務(wù)，實(shí)現(xiàn)氣體濃度的實(shí)時(shí)計(jì)算、顯示、通信、聲光報(bào)警與遙控配置。系統(tǒng)軟件流程如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)上電對ARM和FPGA的相關(guān)外設(shè)以及初始的設(shè)備地址、報(bào)警值等參數(shù)初始化并進(jìn)行故障自診斷。有故障時(shí)，系統(tǒng)顯示故障類型碼、進(jìn)行聲光報(bào)警并主動(dòng)上報(bào)到監(jiān)控分站。自檢正常時(shí)，通過FPGA片內(nèi)的累加器、波形數(shù)據(jù)表、數(shù)字鎖相放大器等資源完成激光器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)制及解調(diào)[18]。ARM根據(jù)FPGA傳送過來的二次諧波值，依據(jù)擬合方程作氣體濃度的實(shí)時(shí)計(jì)算與數(shù)碼管顯示。當(dāng)有紅外遙控中斷時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的參數(shù)配置任務(wù)，當(dāng)定時(shí)中斷到時(shí)，執(zhí)行CAN總線的實(shí)時(shí)通信任務(wù)。

5 測試結(jié)果與分析

系統(tǒng)的量程為0～1 000 ppm，對激光一氧化碳檢測系統(tǒng)和電化學(xué)一氧化碳檢測系統(tǒng)分別進(jìn)行氣體濃度基本誤差和響應(yīng)時(shí)間的對比實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證基于TDLAS的激光一氧化碳檢測系統(tǒng)的測量優(yōu)勢。

采用清潔空氣和500 ppm標(biāo)準(zhǔn)氣樣分別對激光和電化學(xué)檢測系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，校準(zhǔn)后進(jìn)行基本誤差實(shí)驗(yàn)。按照檢測標(biāo)準(zhǔn)分別向兩種檢測系統(tǒng)依次通入350 ppm、500 ppm、750 ppm標(biāo)準(zhǔn)氣樣各3 min，記錄兩種檢測系統(tǒng)的顯示值，重復(fù)測定3次取平均值，表1為電化學(xué)一氧化碳誤差測試數(shù)據(jù)，表2為激光一氧化碳誤差測試數(shù)據(jù)。

表1 電化學(xué)一氧化碳測試誤差

表2 激光一氧化碳測試誤差

從表中可以看出激光一氧化碳檢測系統(tǒng)在低濃時(shí)誤差相對較大，但整體精度表現(xiàn)明顯優(yōu)于電化學(xué)一氧化碳檢測系統(tǒng)，測量精度較高。

對兩種系統(tǒng)分別進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)，按200 mL/min流量通入清潔空氣，待系統(tǒng)零點(diǎn)穩(wěn)定后，分別向兩種檢測系統(tǒng)通入500 ppm的標(biāo)準(zhǔn)氣樣，并開始記錄傳感器的顯示值到450 ppm時(shí)所需的時(shí)間，重復(fù)測定3次取平均值，可得電化學(xué)一氧化碳的響應(yīng)時(shí)間不大于35 s，激光一氧化碳的響應(yīng)時(shí)間不大于15 s。

通過對TDLAS測量原理及上述實(shí)驗(yàn)分析可知，與基于電化學(xué)的一氧化碳檢測系統(tǒng)相比，激光一氧化碳檢測系統(tǒng)因采用全光學(xué)結(jié)構(gòu)的激光器，具有本質(zhì)安全的特性，使之不易受到電磁輻射的干擾、不產(chǎn)生火花，其高分辨率的光譜技術(shù)和非接觸式測量方式，可有效降低粉塵或背景氣體的干擾，具有更高的精度和更快的響應(yīng)速度。

6 結(jié)束語

本文分析了TDLAS技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣體高精檢測的原理，以ARM和FPGA為核心，設(shè)計(jì)了一種基于TDLAS技術(shù)的激光一氧化碳檢測系統(tǒng)。采用VCSEL激光器減小了整機(jī)的體積與功耗。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)基本誤差不大于測量值的2%，響應(yīng)時(shí)間不大于15 s，與傳統(tǒng)的電化學(xué)檢測系統(tǒng)相比，基于TDLAS技術(shù)的一氧化碳檢測系統(tǒng)具有單一選擇性、不受背景氣干擾；測量線性好，精度高、響應(yīng)快；標(biāo)校周期長、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)[19]，解決了目前煤礦電化學(xué)一氧化碳檢測系統(tǒng)存在的諸多問題，實(shí)現(xiàn)了一氧化碳的實(shí)時(shí)在線測量與數(shù)字信號(hào)傳輸。TDLAS氣體檢測技術(shù)在一氧化碳檢測系統(tǒng)上的應(yīng)用，對提升煤礦安全監(jiān)測的可靠性，減輕井下人員對設(shè)備運(yùn)維的工作量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值[20]。