劉玉娟，劉顏達，趙 陽，吳文福，姚 路，劉 哲

·農產品加工工程·

基于TDLAS的儲糧二氧化碳激光檢測系統研制

劉玉娟1,2，劉顏達1,2，趙 陽3，吳文福3※，姚 路4，劉 哲3

（1. 吉林大學地球信息探測儀器教育部重點實驗室，長春 130061；2. 吉林大學儀器科學與電氣工程學院，長春 130061；3. 吉林大學生物與農業(yè)工程學院，長春 130061；4. 中國科學院合肥物質科學研究院，合肥 230031）

儲糧過程由微生物及害蟲等組成的生物場與溫度和濕度等構成的非生物場所造成的影響會降低糧食品質，影響糧食安全。儲糧中二氧化碳濃度反應糧庫生物場狀況，是儲糧生物場監(jiān)測的重要指標。為實現儲糧二氧化碳濃度高精度檢測，該研究基于可調諧半導體激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技術高靈敏度和快速響應的特點研制了一套儲糧二氧化碳濃度現場檢測系統，并建立了二氧化碳激光光譜分析與數據處理方法?；诒銛y式要求，系統采用緊湊型設計，集二氧化碳濃度、溫度及濕度檢測功能于一體，同時實現弱信號調理、二氧化碳濃度計算及生成多參數云圖、水勢圖顯示等功能。整機尺寸338 mm×251 mm×88 mm，室溫條件下功耗小于1.3 W。試驗結果顯示：該檢測系統能夠長時間穩(wěn)定工作，人機交互功能魯棒性較好，對儲糧二氧化碳濃度檢測的響應時間小于20 s，線性誤差小于1.2%，檢測重復性為0.4%，檢測精度為10 mg/m3，檢測范圍為0～20 000 mg/m3，溫度的檢測范圍為-40～120 ℃，濕度檢測范圍為0%～100%。在實倉檢測中，不同工況環(huán)境下針對不同儲藏條件下的玉米，儲糧二氧化碳濃度檢測的響應時間為15～18 s，溫度的檢測范圍為25.6～26.8 ℃，濕度檢測范圍為43%～47%。結合多參數云圖以及水勢圖顯示分析等人機交互功能，能夠全面反映糧倉生物場安全狀況，對減少糧食倉儲過程中因蟲害霉變等造成的經濟損失具有重要意義。

溫度：濕度：TDLAS：儲糧：CO2濃度：

0 引 言

研究表明，國內糧食產后損失，遠超聯合國糧農組織所規(guī)定的標準，其中因儲藏不善而導致蟲害霉變等所造成的損失占產后總損失的5%[1-3]。糧食的呼吸作用和霉菌活動是糧食安全儲藏的重要影響因素，通過檢測糧堆內呼吸作用可以有效判斷糧食所處生物安全狀況。王小萌等[4]通過檢測模擬倉中的CO2氣體濃度和霉菌變化情況，揭示了溫濕度場與糧堆霉變的時空耦合關系。劉焱等[5]通過研究玉米儲藏期間典型真菌生長時產生的CO2氣體特性預警黃曲霉毒素的污染，根據CO2濃度結合儲糧溫度、濕度及絕對水勢[6-9]等，指導糧堆通風條件具有重要價值與實際意義。

紅外吸收光譜法因具有測量速度快、重復性好等特點，是目前應用較為廣泛的氣體檢測方法，但常規(guī)的紅外吸收檢測方法由于采用開放氣室存在測量精度不夠高、穩(wěn)定性差的不足，如美國通用公司生產的Telaire6615CO2氣體傳感器存在檢測精度低（誤差為讀數的10%），且在低溫環(huán)境（0 ℃以下）下無法正常工作。起源于1997年的可調諧半導體激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）CO2氣體檢測技術采用特定氣室實現高靈敏度與穩(wěn)定性，2001年Roller等[10]利用TDLAS技術實現了對人體呼吸所產生的CO2氣體進行檢測；2014年，信豐鑫[11]首次將TDLAS技術應用在大氣環(huán)境監(jiān)測中，測量開放式大氣中CO2的濃度；2019年，賈良權等[12]利用TDLAS設計了一套測量種子呼吸CO2濃度系統。近年來，隨著激光光譜技術的發(fā)展，基于TDLAS的氣體檢測技術成為研究熱點。鑒于TDLAS技術的先進性與儲糧安全檢測需求，本文通過設計用于儲糧安全監(jiān)測的儲糧CO2濃度激光光譜檢測系統，以實現儲糧CO2濃度檢測。

1 基于TDLAS技術的儲糧CO2濃度檢測原理

TDLAS技術的工作原理如圖1所示，當激光穿過待測氣體時被分子特征譜線吸收，通過分析被氣體分子吸收前后激光光強的變化可對待測氣體定性定量分析，待測氣體的濃度與吸收光強的關系可由Lambert-Beer定律計算[13]，當強度為0(-0)，頻率為的光束通過一段氣體介質時，氣體分子吸收光子產生能級躍遷，使光強發(fā)生衰減，若透射光強為(-0)，定義吸光度(-0)為

式中(cm)為經過待測氣體的有效光程長度，(cm-1)為待測氣體吸收系數，表示所有氣體在頻率處的吸收疊加，由下式計算

式中(mol/cm3)為待測氣體組分的分子密度，(cm2)為第個待測氣體組分相應的躍遷對應的吸收截面，線強S'()的單位是cm/(mol/cm2)-1，是光譜數據庫HITRAN采用的單位，(cm)為吸收線型函數，一般情況下為高斯線型和洛倫茲線型函數的卷積，即Voigt線型，為假設通過的路徑里總的氣體種類數，N為第種氣體的躍遷形式，由式（1）和（2）可知，對于一種均勻分布的待測氣體而言，在某一吸收線頻率上，其吸收系數與有效光程長度并無依賴關系[14]，則

由于φ()對氣體測量環(huán)境的溫度等有一定依賴關系，需要借助復雜的運算才能獲得。因此在實際應用中，可利用對φ()的歸一化定義，對待測氣體吸光度進行簡化處理，即對式（3）進行積分后有

通過式（4）能夠得出，在有效光程(cm)、待測氣體吸光度()以及吸收線強S'()已知的情況下，即可得到分子數密度(mol/cm3)，即式（2）中的待測氣體分子密度。

由于激光器的電流調諧系數小于溫度調諧系數，通常采用控制激光器溫度穩(wěn)定的方法，通過調節(jié)電流來改變激光器出射光的波長[15]。通過將所檢測到的衰變光強的鋸齒信號進行基線擬合，將擬合結果作為原始光強，得到特定濃度下氣體分子吸光度曲線，同時通過積分求取吸光度積分面積，計算出分子數密度，并結合溫度等參數，反演CO2氣體濃度[16-17]。

2 基于TDLAS技術的儲糧CO2濃度檢測系統設計

如圖2a所示，基于TDLAS技術的儲糧CO2濃度檢測系統主要包括光學系統、電子控制系統、數據處理與應用系統3個部分。光學系統主要包括激光器、多次反射吸收池、光電探測器、真空氣泵；電子控制系統主要包括控制電路、數據處理與應用系統以實現CO2吸收光譜的計算與反演分析，實物如圖2b所示。整機尺寸338 mm×251 mm×88 mm，室溫條件下功耗小于1.3 W。

圖2 基于TDLAS的儲糧CO2 濃度檢測系統

2.1 關鍵光學元器件的確定

激光吸收光譜模塊是儲糧CO2檢測系統的核心部分，直接決定儀器的性能。根據CO2的吸收光譜特性，選用Nanoplus公司生產的波長為1 550±2 nm，輸出光功率≥ 10 mW的蝶形封裝DFB激光器作為檢測CO2濃度的激光光源。由于赫里奧特（Herriott）型多次反射吸收池的結構相比White型更加簡單，且體積小，選擇Herriott型多次反射吸收池作為待測氣體與激光相互作用場所，吸收池中氣體分子吸收激光示意圖如圖3所示。根據光譜探測需求，選用型號GAP2000/2.6的InGaAs光電探測器，該探測器的感光面積為2 mm，覆蓋600～1700 nm波長，感光面積較大，有利于吸收光信號探測[18]。選用型號為SHT11的溫濕度傳感器芯片對糧堆待測點的溫度和濕度進行同步檢測，其分辨率為14 bit（溫度）、12 bit（濕度）。選用海霖科技公司所生產的C25L微型真空泵作為氣體采樣驅動，該真空泵平均流量≥2.4 L/min、相對真空度≥27 kPa，質量約120 g。

2.2 電子控制系統

基于TDLAS技術的CO2濃度檢測電子系統主要包括主控電路模塊、激光器控制電路模塊、前置放大電路模塊、模數轉換電路、氣泵驅動電路、電源轉換電路以及串行通信電路等。電路采用12V鋰電池供電，激光器控制電路基于Howland電流源原理和MTD415T溫度控制器分別實現電流調諧和溫度調控。前置放大電路選用AD8067的反饋型運算放大器，其具有寬帶寬（運放參數= +10時為54 MHz）和高壓擺率（640 V/s）特性。模數轉換電路選用AD4003芯片將電信號轉成數字信號，該芯片的工作電壓為1.8 V，最大吞吐速率2 MSPS。選用型號為RSM485M的485通訊芯片完成上下機位之間的通訊，其數據速率500 kB/s、節(jié)點數64、靜態(tài)電流27 mA。真空氣泵驅動電路采用機械開關模式的小信號繼電器對真空氣泵工作電流進行通斷操作，主控電路下機位控制器選用型號為STM32H743VIT6的ARM芯片，該芯片的最高工作頻率可達480 MHz。其中，激光器控制電路是電子學系統的關鍵模塊，CO2濃度檢測過程中，激光器所輸出的特定波長需要通過電流調諧和溫度調控來實現[19]。電流調諧主要是通過改變電流大小來影響激光半導體材料中載流子密度變化，而載流子密度的變化會改變激光的有效折射率，從而實現波長調諧。激光器溫控選用Thorlabs公司生產的MTD415T溫度控制器，該控制器采用表面組裝技術封裝，其供電電壓范圍為4.5 V～5.5 V，同時該控制器內部集成數字負反饋系統回路，用于半導體制冷器控制，其輸出電流噪聲小于10 mA，可通過主控制器控制整個裝置。

圖3 吸收池中氣體分子吸收激光示意圖

激光溫控電路如圖4所示?？刂破鞴╇婋妷簽? V，其引腳6、7接激光器的溫度輸出端；引腳10為控制器使能端口，接地后控制器一直處于工作狀態(tài)；引腳11為控制器狀態(tài)指示端口，LED點亮時表明控制器正常運行；引腳12、13為串口連接口，主控制器可通過此端口設置激光溫度；引腳15、16與激光器的半導體制冷器端口相連，用于控制激光溫度。

2.3 數據處理

數據處理與應用系統是檢測系統的重要部分，本系統軟件由2部分組成，第一部分為上位機人機交互，采用圖形化編程軟件LabVIEW設計人機交互功能。第二部分為下位機，采用C語言進行編程[20]。

上位機主要負責向下位機發(fā)送工作指令和接受下位機返回數據，并將接收到的數據進行處理，通過模型計算和數據處理完成對其他參數的檢測。本文所設計的上位機分為單點檢測和群點檢測2種工作模式，2種模式分為設置模塊、單點檢測模塊、單點云圖模塊、水勢通風模塊、群點檢測模塊以及群點云圖模塊，各模塊共同構成人機交互系統。

圖4 激光溫控模塊實圖及電路圖

下位機主要負責接收上位機發(fā)送過來的指令，并按照指令進行相應的操作，同時將檢測數據返回至上位機。下位機采用STM32系列芯片自帶標準庫函數，下位機軟件包括系統主程序、串口通訊子程序、時鐘子程序、濃度反演子程序、氣泵驅動子程序、溫濕度采集子程序以及激光驅動子程序。

3 系統標定與穩(wěn)定性試驗

3.1 系統標定試驗

標準化是CO2濃度檢測系統現場應用的前提，在常溫常壓實驗室環(huán)境下采用標準氣罐法對所設計的儲糧CO2濃度檢測系統進行標定，如圖5所示。結合糧食存儲常見狀態(tài)即安全儲存、安全存儲臨界值以及季節(jié)交替時糧倉內蟲害微生物頻繁活動時糧庫內的CO2濃度值，選取的標準CO2濃度為0、1 000、2 000、3 000 和4 000 mg/m3[21]。在標定過程中，為避免吸收池內殘留氣體對下一次測量的影響，試驗按照CO2濃度從低到高的順序依次進行檢測，每種濃度連續(xù)檢測10次，結果取平均值，得到標準CO2濃度與吸光度積分面積之間的關系，結果如表1所示。在試驗過程中對該儀器其他指標進行測試，結果顯示：儲糧二氧化碳濃度檢測的響應時間小于20 s，線性誤差小于1.2%，檢測重復性為0.4%，檢測精度為10 mg/m3，檢測范圍為0～20 000 mg/m3，溫度的檢測范圍為-40～120 ℃，濕度檢測范圍為0%～100%。

根據表1中數據對標準CO2氣體濃度與吸光度積分面積之間的關系進行線性擬合，如圖6所示。從圖6可以看出，標準CO2氣體濃度與吸光度積分面積之間呈良好的線性關系，決定系數2為0.99，擬合式如下：

圖5 標定試驗

Fig.5 Calibration test

表1 標定試驗數據

3.2 檢測系統穩(wěn)定性試驗

穩(wěn)定性是儲糧CO2濃度檢測系統實現糧庫現場應用的重要保障，選取1 000 mg/m3的CO2標準氣體進行系統穩(wěn)定性檢測試驗，將搭建好的檢測系統置于常溫常壓實驗室環(huán)境下，開機穩(wěn)定5 min后開始檢測，每次檢測間隔5 min，連續(xù)檢測4 h，測得的CO2濃度、溫度以及濕度所對應的數據折線圖如圖7所示。從圖中可以看出，CO2濃度在檢測系統工作的4 h內，幅度變化在±10 mg/m3以內，穩(wěn)定性良好，在3 h內，溫度保持在26.5 ℃左右，波動范圍較小，從15:40開始，溫度出現明顯的下降趨勢，其原因是本試驗自13:00開始，而隨著檢測時間的增加，室外環(huán)境溫度逐漸降低，因此室內環(huán)境溫度也開始出現明顯的下降。濕度檢測在45%左右波動，波動范圍在±3%以內，穩(wěn)定性良好。進行重復性試驗，結果顯示檢測系統在檢測CO2氣體濃度時的重復性較好，誤差試驗的結果表明檢測系統在CO2氣體濃度檢測上具有較好的測量精度，滿足糧倉CO2氣體濃度的檢測需求。

圖6 標準CO2氣體濃度與吸光度積分面積擬合關系圖

圖7 系統穩(wěn)定性測試結果

4 現場應用試驗

利用所設計的基于TDLAS技術的儲糧CO2濃度檢測系統對中儲糧龍嘉直屬庫進行現場檢測試驗，試驗糧倉為32號玉米平方倉，該糧倉長為23 m，寬為29 m，在糧倉內選取均勻分布的16個檢測點，縱向間隔為6 m橫向間隔為7 m，檢測點分布如圖8所示，對每個檢測點重復檢測3次后求取平均值。同時對16個檢測點的二氧化碳濃度采用基于傳統紅外光吸收法的二氧化碳檢測儀進行檢測，對每個檢測點重復檢測3次后求取平均值，結果如表2所示，檢測應用現場如圖9所示，兩次試驗日期分別為2021-12-02和2022-01-14。試驗過程中，儲糧二氧化碳濃度檢測的響應時間為15～18 s，溫度的檢測范圍為25.6～26.8 ℃，濕度檢測范圍為43%～47%。

圖8 檢測點分布

圖9 檢測現場

32號倉儲藏的玉米為2021-02-04新入倉玉米糧，其儲藏時間較短，害蟲及微生物等呼吸作用較強，而經歷過夏季高溫環(huán)境后，糧庫在9月份對該倉采取了通風措施。由圖10a可見，該倉中間區(qū)域CO2濃度值偏高，四周較低，右側區(qū)域出現CO2濃度值較高現象，分析產生此現象的原因，一方面可能由于當前外界為低溫環(huán)境，倉壁受到外界環(huán)境影響，溫度逐漸下降，而靠近倉壁的糧食溫度下降較早，從而有效抑制生物活性，導致CO2濃度下降，而糧倉右側倉壁向陽，較左側倉壁而言，其溫度降低較少，相應的CO2濃度會偏高[22-24]。另一方面是由于在通風過程中，外界冷氣流未均勻通入倉內，通入氣流走捷徑，存在倉壁處冷氣流通入較多而中間氣流少，進而導致沿壁溫度較低的現象[25]。圖10b所示CO2濃度有所下降，查詢相關資料并詢問倉庫管理員得知，在2021-12-04，該倉進行過一次機械通風，CO2濃度下降的主要原因是由于在機械通風過程中，糧堆內部溫度下降，而低溫環(huán)境能夠有效抑制生物呼吸，減小CO2的排放量且機械通風使得糧倉內外氣流交換，減小溫差的同時，也能夠降低CO2濃度。

通過對比2種設備的檢測結果能夠看出，本文所設計的檢測系統在實倉檢測過程中對二氧化碳濃度的敏感度更高，能夠長時間穩(wěn)定運行。將檢測結果與糧庫保管員的管理經驗對比印證，依據本文系統的檢測結果能夠對糧倉內生物安全狀況做出良好判斷與合理指導。

表2 32號倉16個檢測點的平均CO2濃度

圖10 32號倉CO2濃度分布圖

5 結 論

本文研制了一套基于TDLAS的儲糧二氧化碳檢測系統，該檢測系統在利用TDLAS技術對糧倉待測點的CO2濃度進行精準且快速檢測的同時，還可對糧倉溫度及濕度檢測。通過對CO2等檢測參數進行綜合分析處理，將生物安全判斷、多參數云圖以及水勢通風等人機交互功能集于一體，智能判斷儲糧生物安全等級，并結合水勢分析給予通風指導建議，從而實現對儲糧生物安全狀況的多角度檢測、分析與指導。通過相關應用試驗，該檢測系統對儲糧二氧化碳濃度檢測的響應時間小于20 s，線性誤差小于1.2%，檢測重復性為0.4%，檢測精度為10 mg/m3，在實倉應用環(huán)境下，該檢測系統的準確性、穩(wěn)定性、實用性及人機交互功能的魯棒性均得到有效驗證，系統能夠準確且快速的對儲糧生物CO2狀況進行檢測與指導。更換不同激光器，即可通用于不同氣體組分的直接吸收測量，為其他儲糧氣體檢測提供了參考。下一步計劃在系統內集成、壓力、高度傳感器，可實時計算出CO2體積比濃度，同時改進激光器溫控模塊，使其在對流層頂部和平流層下的低溫區(qū)域仍能穩(wěn)定工作。

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Development of the carbon dioxide laser detection system for grain storage based on TDLAS

Liu Yujuan1,2, LiuYanda1,2, Zhao Yang3, Wu Wenfu3※, Yao Lu4, Liu Zhe3

(1.-,,,130061,;2.,130061,;3.,,130061,;4.,,230031,)

During the grain storage process,microbes and all kinds of pests make up the biological field,The temperature and humidity of the grain stored in the granary constitute the abiotic field of the granary environment,the combined effects of biological and abiotic fields in granary will affect the stored grain and reduce its quality,and then affect the safety of grain storage in the grain depot. The concentration of carbon dioxide in grain storage reflects the condition of grain storage biological field and is an important index for monitoring grain storage biological field.In order to realize the high precision detection of carbon dioxide concentration of grain stored in grain depot,the study is based on Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS),the tunable semiconductor laser absorption spectroscopy is characterized by high sensitivity and fast response,a system for real-time detection of carbon dioxide concentration in grain storage was developed.In addition,the method of carbon dioxide laser spectrum analysis and data processing is also established.In order to achieve the portable requirements of the stored grain carbon dioxide detector,the carbon dioxide detection system is designed with a compact mechanism,the system can not only detect the carbon dioxide concentration of grain stored in the grain depot, but also detect the change of temperature and humidity, so that the detection of the three integrated.At the same time, the detection system designed in this study can also complete the conditioning of weak signals.Calculating carbon dioxide concentration,Finally generate multi-parameter cloud map, water potential map, etc.The volume of the carbon dioxide detector based on tunable semiconductor laser absorption spectroscopy is 338 mm×251 mm×88 mm,the power loss of the instrument is less than 1.3 W at room temperature.The test results show that:The carbon dioxide detection system can keep working steadily for long periods of time,the robustness of human-computer interaction function of the system is good, the response time of this instrument to the detection of carbon dioxide concentration in grain storage is less than 20 s. Its linear error is less than 1.2%,the detection repeatability was 0.4%,the detection accuracy of the carbon dioxide concentration of the instrument is 10 mg/m3, the detection range of the carbon dioxide concentration is 0-20 000 mg/m3.At the same time,the carbon dioxide detection system designed in this study has a temperature detection range of -40-120 ℃,the humidity detection range of the instrument is 0%-100%.In the solid warehouse inspection,The experimental results show that, The carbon dioxide detection system is designed for corn under different storage conditions under different working conditions, the response time of carbon dioxide concentration detection was 15-18 s, the temperature detection range was 25.6-26.8 ℃, and the humidity detection range was 43%-47%.Combined with the man-machine interaction function of multi-parameter cloud image and water potential diagram display analysis presented by the detection system,It can better reflect the biosafety situation of granary,Intelligent judgment of the safety of the stored grain and give reasonable suggestions based on the actual situation of grain storage. The carbon dioxide detection system is of great significance to reduce the economic losses caused by pests and mildew in the process of grain storage.

temperature; humidity; TDLAS technology; grain storage yard; CO2concentration

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.028

TH79

A

1002-6819(2022)-20-0250-07

劉玉娟，劉顏達，趙陽，等. 基于TDLAS的儲糧二氧化碳激光檢測系統研制[J]. 農業(yè)工程學報，2022，38(20)：250-256.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.028 http://www.tcsae.org

Liu Yujuan, Liu Yanda, Zhao Yang, et al. Development of the carbon dioxide laser detection system for grain storage based on TDLAS[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(20): 250-256. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.028 http://www.tcsae.org

2022-06-04

2022-07-06

國家自然科學基金面上項目（41974210，62175236），吉林省自然科學基金項目（20200201205JC）

劉玉娟，博士，副教授，研究方向為遙感成像光譜關鍵技術開發(fā)與儀器研制。Email：liuyujuan@jlu.edu.cn

吳文福，博士，教授，博士生導師，研究方向為糧食干燥與儲藏。Email：wwfzlb@126.com