基于数字信号处理的红外气体分析仪

　      摘要：介绍了红外气体分析的原理，从提高系统精度等因素出发设计了电源及电源温控，并采用DSP 作为微控制器对系统进行了硬件和软件框图设计。 

　　　　生产和生活中，各种有害气体对人们的危害越来越大。工业生产中产生的SO2 等容易形成酸雨对农作物产生危害;煤炭开采中产生的CH4 , CO 等易造成矿井瓦斯爆炸，造成重大的人身财产损失。因此有害气体的监测对于治理环境污染、保护生态环境、保障人民生命安全起着重要作用。

　　气体检测方法有多种，常用的主要有红外光谱法、电化学法和化学传感器法等，后两种方法虽然近年来取得了重大发展，但仍存在着稳定性差、易老化、气体的选择性差和灵敏度不高等问题。目前较为先进的方法是采用红外吸收原理检测气体。因为红外检测具有选择性好、稳定性好、防爆性好等优点。

　　1 红外气体分析原理

　　非对称双原子和多原子分子气体(如CH4 , H2O , NH3CO ，C2H2 , SO2 , NO 和NO2 等)在红外波段有一定的吸收带，吸收带的强弱及所在的波长范围由分子本身的结构决定。只有当物质的分子本身固有的特定的振动和转动频率与红外光谱中某一波段的频率相一致时，分子才能吸收这一波段的红外辐射能量。每一种化合物的分子并不是对红外光谱内所有波长的辐射或任意一种波长的辐射都具有吸收能力，而是有选择地吸收某一个或某一组特定波段内的辐射。这个所谓的波段就是分子的特征吸收带。特征吸收带对某一种分子是确定的、标准的，如同物质指纹。通过对特征吸收带及其吸收光谱的分析，可以鉴定识别分子的类型。当红外光穿过待测气体时，气体分子就会吸收自己特征频率的红外光能量，其吸收关系服从Lambert -beer 定律。

　根据Lambert -beer 定律，输出光强(为与输入光强巧为和气体浓度之间的关系为：

　　I(λ)=I0(λ)exp[-(Iλ)LC]

　　式中，a(λ)是一定波长下单位浓度、单位长度的介质吸收系数;L 是吸收路径的长度;C 是气体浓度。如果L 与(Iλ)为己知，那么通过检测I(λ)和I0(λ)就可以测得气体的浓度。这就是光谱吸收法测量气体浓度的基本原理。整体设计原理图见图1 :

　　2 系统光源的选择

　　系统光源通常采用大功率白炽灯、发光二极管(LED )或激光器LD。白炽灯的光谱较宽，但功率密度低、体积庞大，不适合在实际系统中使用。激光二极管(LD)的辐射波长一般位于红外与中红外波段，在此区域内，吸收是由检测气体分子的振动基频或转动基频或振动一转动组合频带产生的，是吸收较强的区域;另外LD能直接调制，并通过改变温度和注入电流使输出波长在一定范围内调谐，通过对光的调制，得以利用成熟的检测技术。

　3 电源电路

　　近年来半导体激光器以其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、能直接调制以及能与其他半导体器件集成等优势发展一直很迅猛，其中大功率的半导体激光器的工作电流可达几十安以上，结电压在1V 以上，瞬态的电流或电压尖峰等许多因素都很容易损坏激光器，电流、温度的起伏会引起光功率的变化，影响输出的准确、稳定。对此类半导体激光器电源要求：半导体激光器必须是恒流源，并具有很高的电流稳定度。DSP 的应用最近几年发展很快，它适合于高速数字信号处理，能频繁地进行大量数据计算，能应用单片机所不能胜任的实时处理算法，如PID 参数自整定算法调整。另外由于半导体激光器的特殊性需要防电流浪涌同样可以通过程序很好实现，从而使电源性有质的飞跃。

　　4 半导体激光器的温控

　　半导体激光散(LD)是对温度很敏感的元件，输出波长与温度有很大的关系。当LD 内部温度增加时，输出波长也随之增加，而且半导体激光器输出功率受温度的影响也相当严重。因此，保证半导体激光器连续工作在室温下是极其重要的外部条件。

　　LD温度控制系统是一个定值闭环负反馈系统，系统中的探测器是构成闭环的关键一环，温度信号经探测器转变为电信号，然后将其与预先给定的室温25 ℃ 作比较得到差值，再经信号处理后驱动制冷器工作，使LD温度稳定在室温附近。系统框图见图2 。

　　半导体激光器恒温控制系统由 3 个部分组成：制冷器、温度探测器、数字信号处理部分。当LD 工作时发热，与LD集成在一起的负温度系数的热敏电阻将温度信号快速转换为电阻值的变化，然后与设定的高精度基准温度电阻阻值比较，其比较结果通过精密差动信号处理放大电路放大，放大后的信号应用相关算法进行处理，保证系统稳定并具有很好的动态特性;根据处理结果，驱动执行机构控制LD制冷或加热，以保持LD 的温度恒定，从而保证了激光器在恒定的温度下工作。

　　由于红外光源体积很小，这就要求制冷元件结构简单、效率高且功率不大。为保证高精度的控制温度，制冷器须易于控制，启动快。半导体制冷器可以满足这一要求。半导体制冷器是使用 Pallter 效应制冷，不使用制冷剂，无部件运动，体积小，重量轻，无噪音，工作可靠，适于直流工作。使用时，用导热质将一个极板充分与LD散热板相连，另一极板紧贴散热片，工作时两个极板一个制冷一个制热，实现了温度的控制。

5 气室构建

　　气室为敏感元件，由输入/输出透镜组成。从光源中射出的光经输入透镜准直变为平行光，透过气室，由另一透镜祸合到输出光纤中。设计气室时，使吸收光程尽可能大，光路的耦合损耗小，耦合状态稳定。选择小型渐变折射率透镜，这种透镜器件和光纤匹配性好。设计气室结构时除了需要考虑上述因素外，还需要考虑器件温度变化、发光光源输出功率波动、探测器灵敏度变化、灰尘和光具玷污等方面对测量精度造成的影响。因此在设计光路时就需要考虑如何减少它们带来的误差。

　　6 系统硬件设计原理图

　　目前半导体激光器常采用的是模块化的开关电源以提高设备工作的稳定性，降低成本，缩短设计周期，在这些模块化电源的二次开发中一般采用的都是纯硬件电路系统或者单片机控制。随着嵌入式微处理器的迅猛发展，基于DSP 的数字化控制能更有效地解决半导体激光器工作的准确、稳定和可靠性问题。在数据采样方面，若采用模拟方法进行筛选采样精度不高，由于DSP 的高速我们可以使用DSP 进行全采样，由软件进行数字滤波处理，从而提高精度。系统硬件设计原理图见图3 。

　　7 数字信号处理

　　检测系统首先通过传感器对待测信号进行检测，然后对信号进行放大、模数转换等预处理。由微控制器进行处理和计算，将结果在显示器上显示出来，如果超过预先设定的浓度标准，可选择蜂鸣器发出声音报警。RS232 接口可将计算得到的结果上传上位机，以便统一处理和调度等处理。

　　7. 1 小信号放大电路

　　传感器把非电物理量转换成微弱的模拟电信号，为了获得足够量程的电压信号，以适应后续电路的要求，必须使用高放大倍数的放大器，但同时各种干扰噪声也以同样的放大倍数放大，致使测量精度降低。因此要求放大电路具有良好的性能，使放大倍数较大，一般可达上千倍;偏置电流低，共模抑制能力强;增益可编程;差动输入，有利于抑制干扰信号;噪声低，功耗低。

　　7. 2 微控制器

　　微控制器是数据处理的核心，完成数据采集、处理、输出、显示等功能。目前微控制器有多种，如AVR，LPC , DSP 等。与其他微控制器相比DSP 芯片资源非常丰富，可大大简化外围电路设计。

　　TMS320F2812 是TI公司2003 年正式推出的32 位定点DSP ，是目前用于工业控制和机器人控制等领域中的最高档的DSP 之一。该芯片性能优越，各项性能指标都很高;资源非常丰富，可大大简化外围电路设计。

　　7. 3 A/D 转换电路

　　F2812 数字信号处理器上的ADC 模块将外部的模拟信号转换成数字量，ADC 模块可以将一个控制信号进行滤波或者实现运动系统的闭环控制，且具有转换速度快、功耗小、精度高等特点。

　　7. 4 看门狗定时器

　　F2812 的看门狗定时器能为微控制器提供独立的保护系统，当系统出现故障时，看门狗将产生一个复位信号，使 CPU 复位，程序从系统软件开始执行。通过这种方式，有效地提高了系统的可靠性。

　　8 系统软件设计

　　根据设计的硬件框图和对采样数据处理的要求，可以编写相应的处理算法。系统通过采样待测气体信号和环境影响因素信号，交由微控制器进行处理、计算待测气体浓度，在显示器上数字化显示，如果浓度超过设定的安全标准，则由系统进行报警等相应的异常处理。系统的软件流程见图 4 。

　　9 结语

　　红外吸收原理应用于气体检测，克服了常规检测仪容易中毒和老化的弱点，具有探测灵敏度高、响应速度快、使用寿命长、选择性好等优点。通过气体检测系统的软、硬件设计，由微控制器对采集信号进行处理、数据分析、结果显示和报警等各项功能，实现检测系统的智能化。