摘要：介紹了紅外氣體分析的原理，從提高系統(tǒng)精度等因素出發(fā)設(shè)計(jì)了電源及電源溫控，并采用DSP 作為微控制器對系統(tǒng)進(jìn)行了硬件和軟件框圖設(shè)計(jì)。

生產(chǎn)和生活中，各種有害氣體對人們的危害越來越大。工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的SO2 等容易形成酸雨對農(nóng)作物產(chǎn)生危害;煤炭開采中產(chǎn)生的CH4 , CO 等易造成礦井瓦斯爆炸，造成重大的人身財(cái)產(chǎn)損失。因此有害氣體的監(jiān)測對于治理環(huán)境污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、保障人民生命起著重要作用。

氣體檢測方法有多種，常用的主要有紅外光譜法、電化學(xué)法和化學(xué)傳感器法等，后兩種方法雖然近年來取得了重大發(fā)展，但仍存在著穩(wěn)定性差、易老化、氣體的選擇性差和靈敏度不高等問題。目前較為先進(jìn)的方法是采用紅外吸收原理檢測氣體。因?yàn)榧t外檢測具有選擇性好、穩(wěn)定性好、防爆性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 紅外氣體分析原理

非對稱雙原子和多原子分子氣體(如CH4 , H2O , NH3CO ，C2H2 , SO2 , NO 和NO2 等)在紅外波段有一定的吸收帶，吸收帶的強(qiáng)弱及所在的波長范圍由分子本身的結(jié)構(gòu)決定。只有當(dāng)物質(zhì)的分子本身固有的特定的振動和轉(zhuǎn)動頻率與紅外光譜中某一波段的頻率相一致時，分子才能吸收這一波段的紅外輻射能量。每一種化合物的分子并不是對紅外光譜內(nèi)所有波長的輻射或任意一種波長的輻射都具有吸收能力，而是有選擇地吸收某一個或某一組特定波段內(nèi)的輻射。這個所謂的波段就是分子的特征吸收帶。特征吸收帶對某一種分子是確定的、標(biāo)準(zhǔn)的，如同物質(zhì)指紋。通過對特征吸收帶及其吸收光譜的分析，可以鑒定識別分子的類型。當(dāng)紅外光穿過待測氣體時，氣體分子就會吸收自己特征頻率的紅外光能量，其吸收關(guān)系服從Lambert -beer 定律。

根據(jù)Lambert -beer 定律，輸出光強(qiáng)(為與輸入光強(qiáng)巧為和氣體濃度之間的關(guān)系為：

I(λ)=I0(λ)exp[-(Iλ)LC]

式中，a(λ)是一定波長下單位濃度、單位長度的介質(zhì)吸收系數(shù);L 是吸收路徑的長度;C 是氣體濃度。如果L 與(Iλ)為己知，那么通過檢測I(λ)和I0(λ)就可以測得氣體的濃度。這就是光譜吸收法測量氣體濃度的基本原理。整體設(shè)計(jì)原理圖見圖1 :

2 系統(tǒng)光源的選擇

系統(tǒng)光源通常采用大功率白熾燈、發(fā)光二極管(LED )或激光器LD。白熾燈的光譜較寬，但功率密度低、體積龐大，不適合在實(shí)際系統(tǒng)中使用。激光二極管(LD)的輻射波長一般位于紅外與中紅外波段，在此區(qū)域內(nèi)，吸收是由檢測氣體分子的振動基頻或轉(zhuǎn)動基頻或振動一轉(zhuǎn)動組合頻帶產(chǎn)生的，是吸收較強(qiáng)的區(qū)域;另外LD能直接調(diào)制，并通過改變溫度和注入電流使輸出波長在一定范圍內(nèi)調(diào)諧，通過對光的調(diào)制，得以利用成熟的檢測技術(shù)。

3 電源電路

近年來半導(dǎo)體激光器以其轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長、能直接調(diào)制以及能與其他半導(dǎo)體器件集成等優(yōu)勢發(fā)展一直很迅猛，其中大功率的半導(dǎo)體激光器的工作電流可達(dá)幾十安以上，結(jié)電壓在1V 以上，瞬態(tài)的電流或電壓尖峰等許多因素都很容易損壞激光器，電流、溫度的起伏會引起光功率的變化，影響輸出的準(zhǔn)確、穩(wěn)定。對此類半導(dǎo)體激光器電源要求：半導(dǎo)體激光器必須是恒流源，并具有很高的電流穩(wěn)定度。DSP 的應(yīng)用最近幾年發(fā)展很快，它適合于高速數(shù)字信號處理，能頻繁地進(jìn)行大量數(shù)據(jù)計(jì)算，能應(yīng)用單片機(jī)所不能勝任的實(shí)時處理算法，如PID 參數(shù)自整定算法調(diào)整。另外由于半導(dǎo)體激光器的特殊性需要防電流浪涌同樣可以通過程序很好實(shí)現(xiàn)，從而使電源性有質(zhì)的飛躍。

4 半導(dǎo)體激光器的溫控

半導(dǎo)體激光散(LD)是對溫度很敏感的元件，輸出波長與溫度有很大的關(guān)系。當(dāng)LD 內(nèi)部溫度增加時，輸出波長也隨之增加，而且半導(dǎo)體激光器輸出功率受溫度的影響也相當(dāng)嚴(yán)重。因此，保證半導(dǎo)體激光器連續(xù)工作在室溫下是極其重要的外部條件。

LD溫度控制系統(tǒng)是一個定值閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，系統(tǒng)中的探測器是構(gòu)成閉環(huán)的關(guān)鍵一環(huán)，溫度信號經(jīng)探測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后將其與預(yù)先給定的室溫25 ℃ 作比較得到差值，再經(jīng)信號處理后驅(qū)動制冷器工作，使LD溫度穩(wěn)定在室溫附近。系統(tǒng)框圖見圖2 。

半導(dǎo)體激光器恒溫控制系統(tǒng)由 3 個部分組成：制冷器、溫度探測器、數(shù)字信號處理部分。當(dāng)LD 工作時發(fā)熱，與LD集成在一起的負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻將溫度信號快速轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，然后與設(shè)定的高精度基準(zhǔn)溫度電阻阻值比較，其比較結(jié)果通過精密差動信號處理放大電路放大，放大后的信號應(yīng)用相關(guān)算法進(jìn)行處理，保證系統(tǒng)穩(wěn)定并具有很好的動態(tài)特性;根據(jù)處理結(jié)果，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制LD制冷或加熱，以保持LD 的溫度恒定，從而保證了激光器在恒定的溫度下工作。

由于紅外光源體積很小，這就要求制冷元件結(jié)構(gòu)簡單、效率高且功率不大。為保證高精度的控制溫度，制冷器須易于控制，啟動快。半導(dǎo)體制冷器可以滿足這一要求。半導(dǎo)體制冷器是使用 Pallter 效應(yīng)制冷，不使用制冷劑，無部件運(yùn)動，體積小，重量輕，無噪音，工作可靠，適于直流工作。使用時，用導(dǎo)熱質(zhì)將一個極板充分與LD散熱板相連，另一極板緊貼散熱片，工作時兩個極板一個制冷一個制熱，實(shí)現(xiàn)了溫度的控制。

5 氣室構(gòu)建

氣室為敏感元件，由輸入/輸出透鏡組成。從光源中射出的光經(jīng)輸入透鏡準(zhǔn)直變?yōu)槠叫泄?，透過氣室，由另一透鏡禍合到輸出光纖中。設(shè)計(jì)氣室時，使吸收光程盡可能大，光路的耦合損耗小，耦合狀態(tài)穩(wěn)定。選擇小型漸變折射率透鏡，這種透鏡器件和光纖匹配性好。設(shè)計(jì)氣室結(jié)構(gòu)時除了需要考慮上述因素外，還需要考慮器件溫度變化、發(fā)光光源輸出功率波動、探測器靈敏度變化、灰塵和光具玷污等方面對測量精度造成的影響。因此在設(shè)計(jì)光路時就需要考慮如何減少它們帶來的誤差。

6 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖

目前半導(dǎo)體激光器常采用的是模塊化的開關(guān)電源以提高設(shè)備工作的穩(wěn)定性，降低成本，縮短設(shè)計(jì)周期，在這些模塊化電源的二次開發(fā)中一般采用的都是純硬件電路系統(tǒng)或者單片機(jī)控制。隨著嵌入式微處理器的迅猛發(fā)展，基于DSP 的數(shù)字化控制能更有效地解決半導(dǎo)體激光器工作的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠性問題。在數(shù)據(jù)采樣方面，若采用模擬方法進(jìn)行篩選采樣精度不高，由于DSP 的高速我們可以使用DSP 進(jìn)行全采樣，由軟件進(jìn)行數(shù)字濾波處理，從而提高精度。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖見圖3 。

7 數(shù)字信號處理

檢測系統(tǒng)首先通過傳感器對待測信號進(jìn)行檢測，然后對信號進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。由微控制器進(jìn)行處理和計(jì)算，將結(jié)果在顯示器上顯示出來，如果超過預(yù)先設(shè)定的濃度標(biāo)準(zhǔn)，可選擇蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警。RS232 接口可將計(jì)算得到的結(jié)果上傳上位機(jī)，以便統(tǒng)一處理和調(diào)度等處理。

7. 1 小信號放大電路

傳感器把非電物理量轉(zhuǎn)換成微弱的模擬電信號，為了獲得足夠量程的電壓信號，以適應(yīng)后續(xù)電路的要求，必須使用高放大倍數(shù)的放大器，但同時各種干擾噪聲也以同樣的放大倍數(shù)放大，致使測量精度降低。因此要求放大電路具有良好的性能，使放大倍數(shù)較大，一般可達(dá)上千倍;偏置電流低，共模抑制能力強(qiáng);增益可編程;差動輸入，有利于抑制干擾信號;噪聲低，功耗低。

7. 2 微控制器

微控制器是數(shù)據(jù)處理的核心，完成數(shù)據(jù)采集、處理、輸出、顯示等功能。目前微控制器有多種，如AVR，LPC , DSP 等。與其他微控制器相比DSP 芯片資源非常豐富，可大大簡化外圍電路設(shè)計(jì)。

TMS320F2812 是TI公司2003 年正式推出的32 位定點(diǎn)DSP ，是目前用于工業(yè)控制和機(jī)器人控制等領(lǐng)域中的檔的DSP 之一。該芯片性能優(yōu)越，各項(xiàng)性能指標(biāo)都很高;資源非常豐富，可大大簡化外圍電路設(shè)計(jì)。

7. 3 A/D 轉(zhuǎn)換電路

F2812 數(shù)字信號處理器上的ADC 模塊將外部的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，ADC 模塊可以將一個控制信號進(jìn)行濾波或者實(shí)現(xiàn)運(yùn)動系統(tǒng)的閉環(huán)控制，且具有轉(zhuǎn)換速度快、功耗小、精度高等特點(diǎn)。

7. 4 看門狗定時器

F2812 的看門狗定時器能為微控制器提供獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，看門狗將產(chǎn)生一個復(fù)位信號，使 CPU 復(fù)位，程序從系統(tǒng)軟件開始執(zhí)行。通過這種方式，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性。

8 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的硬件框圖和對采樣數(shù)據(jù)處理的要求，可以編寫相應(yīng)的處理算法。系統(tǒng)通過采樣待測氣體信號和環(huán)境影響因素信號，交由微控制器進(jìn)行處理、計(jì)算待測氣體濃度，在顯示器上數(shù)字化顯示，如果濃度超過設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，則由系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警等相應(yīng)的異常處理。系統(tǒng)的軟件流程見圖 4 。

9 結(jié)語

紅外吸收原理應(yīng)用于氣體檢測，克服了常規(guī)檢測儀容易中毒和老化的弱點(diǎn)，具有探測靈敏度高、響應(yīng)速度快、使用壽命長、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)。通過氣體檢測系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)，由微控制器對采集信號進(jìn)行處理、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示和報(bào)警等各項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)的智能化。