基于TDLAS技術(shù)的低濃度CO檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王金明，李傳寶，李忠虎

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010)

?

基于TDLAS技術(shù)的低濃度CO檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王金明，李傳寶，李忠虎

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010)

采用光譜法進(jìn)行低濃度CO(ppm量級(jí))檢測(cè)時(shí)，由于信號(hào)強(qiáng)度低，噪聲強(qiáng)，很難真實(shí)有效的將信號(hào)將測(cè)出來。針對(duì)這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)的低濃度CO氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用TDLAS技術(shù)，可以獲得精細(xì)的CO吸收光譜信息，因此可以降低其他成分吸收的干擾。同時(shí)采用放大-濾波-再放大過程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)降噪，能夠很好的獲得低濃度CO的光吸收信息。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)還具有較好的實(shí)時(shí)性、靈敏度和較高的準(zhǔn)確性。

激光光譜；APD；低濃度；一氧化碳；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

0 引言

CO是一種對(duì)人體健康十分有害的空氣污染物?？諝庵械腃O主要來源于工業(yè)用煤不完全燃燒的廢氣排放，機(jī)動(dòng)車輛的尾氣排放，以及有機(jī)物、家用煤氣等不完全燃燒[1]。CO是一種無色無味、有劇毒的氣體，被人體吸入會(huì)產(chǎn)生不同程度的中毒現(xiàn)象。同時(shí)，CO在大氣中會(huì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，也是導(dǎo)致氣候變化的一種間接溫室氣體[2]。因此，為更好的保障人們的健康和生命安全，以及更全面更客觀地反映我國(guó)城市空氣質(zhì)量狀況，加強(qiáng)我國(guó)城市空氣質(zhì)量與國(guó)際城市的可比性，CO濃度的監(jiān)測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前CO氣體檢測(cè)的研究多集中于鍋爐尾氣的檢測(cè)，人們對(duì)街道、生活區(qū)所具有的低濃度CO重視程度嚴(yán)重不足，相應(yīng)的檢測(cè)手段也存在著取樣速度慢，檢測(cè)精度低，檢測(cè)周期長(zhǎng)等問題。本文針對(duì)低濃度CO氣體，采用TDLAS技術(shù)和高精度快速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，開發(fā)了一種檢測(cè)速度快、檢測(cè)精度高的低濃度CO監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 測(cè)量原理

1.1 分子光譜吸收理論

光譜學(xué)研究表明當(dāng)氣體分子受到光線照射時(shí)，分子的躍遷就要吸收一部分光能量，使透射光強(qiáng)相對(duì)于入射光強(qiáng)有所減弱。氣體分子對(duì)光能量的吸收具有選擇性，只吸收能量等于躍遷的始末能級(jí)的能量之差的光子(ΔE=hv)，這樣不同的氣體因其能級(jí)結(jié)構(gòu)不同，所吸收的光子的能量不同[3]。而光子的能量又和其頻率有關(guān)，不同的氣體會(huì)吸收不同頻率的光子。光源的波長(zhǎng)只有在與氣體的特征吸收波長(zhǎng)重疊時(shí)才會(huì)導(dǎo)致共振吸收，其吸光度與該氣體分子濃度存在一定的關(guān)系，吸收后透射光強(qiáng)將不同于入射光強(qiáng)，通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)光強(qiáng)度就可以得到氣體分子的濃度。

1.2 朗伯—比爾定律

朗伯-比爾(Lambert- Beer)定律是衡量氣體吸收的基本定律[3]，是光譜吸收法測(cè)量氣體濃度的理論基礎(chǔ)。當(dāng)頻率為v，光強(qiáng)為I0的激光通過氣體時(shí)，如果激光光譜與氣體吸收譜相重疊，輸出光強(qiáng)會(huì)因被氣體吸收而減弱，輸出光強(qiáng)I與輸入光強(qiáng)I0之間滿足朗伯—比爾定律[4-5]，關(guān)系式為：

I(v)=Io(v)e-αcL

(1)

式中:Io為通過待測(cè)氣體前的光強(qiáng)；I為氣體吸收后的光強(qiáng)；α為吸收系數(shù)；c為待測(cè)氣體濃度；L為光路長(zhǎng)度，即光線在待測(cè)氣體中穿過的有效路徑長(zhǎng)度。

由式(1)可轉(zhuǎn)化為：

(2)

因此，由式(2)可知，在已知吸收系數(shù)和吸收光程，通過測(cè)量入射光強(qiáng)和吸收后的光強(qiáng)，即可計(jì)算出待測(cè)氣體的濃度[6]。

2 系統(tǒng)描述

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)主要由光源部分、氣室部分、數(shù)據(jù)檢測(cè)與信號(hào)處理部分。TDLAS模塊微光源，發(fā)射的波長(zhǎng)可調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)中主要采用1.568 μm波段的近紅外光。光信號(hào)經(jīng)待測(cè)CO氣體吸收后，由APD光電檢測(cè)模塊將含有氣體濃度信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)濾波、放大后由微處理器將信號(hào)進(jìn)行處理。APD模塊、濾波模塊、二次放大模塊共同構(gòu)成放大—濾波—再放大過程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)降噪，微處理器芯片采用STM32芯片，片上集成AD功能，實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)的高速采集、處理和運(yùn)算。液晶顯示模塊顯示CO的濃度值，鍵盤電路可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路可將歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)CO濃度達(dá)到某一閥值時(shí)，由報(bào)警模塊進(jìn)行聲光報(bào)警。

2.2 可調(diào)諧激光光源

對(duì)于光源的選擇要充分考慮CO的吸收光譜。通過查閱Hitran數(shù)據(jù)庫(kù)，分析出CO吸收特點(diǎn)如表1所示。

表1 CO吸收譜線及特點(diǎn)

因此，將CO氣體的吸收光譜選為1.568 μm。對(duì)于傳統(tǒng)的紅外光譜來說，由于譜寬較寬，在其光譜范圍內(nèi)會(huì)同時(shí)含有待測(cè)氣體和其它一些雜質(zhì)氣體的吸收譜線。兩種氣體會(huì)共同吸收光源的能量，這樣會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。因此，從光源選擇角度上來考慮，為保障檢測(cè)精度，應(yīng)該選擇一款具有某一頻段波長(zhǎng)光源的器件。

本系統(tǒng)采用的光源模塊是可調(diào)諧激光光源模塊，型號(hào)為GM82009。GM82009為一款可選的C、L、C+L波段的可調(diào)諧激光光源模塊，具有波長(zhǎng)快速、連續(xù)掃描功能。M82009模塊體積小巧，配備單3.3V供電插座和USB通訊插座，通過FC連接器接口與光纖連接，可以很方便地將激光信號(hào)輸出。通過USB接口與PC機(jī)建立通訊連接，使用UC-INSTRUMENTS提供的應(yīng)用軟件設(shè)置波長(zhǎng)掃描的各項(xiàng)參數(shù)，執(zhí)行所有的控制功能。這樣可避免雜質(zhì)氣體的干擾，保證光譜的有效吸收。

2.3 氣室設(shè)計(jì)

如果要得到CO濃度的測(cè)量值，則必須對(duì)式(2)中CO的吸收系數(shù)α進(jìn)行標(biāo)定。其標(biāo)定過程是在單光程密閉吸收池中進(jìn)行的。這種氣體吸收池采用小型化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積適中，光路調(diào)整便捷，安裝和清潔都很方便。為保證該測(cè)量?jī)x器的檢測(cè)精度，測(cè)量時(shí)選用的是國(guó)家計(jì)量部門檢定合格的標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度配比儀。在實(shí)驗(yàn)室常溫下，往吸收池中沖入CO(被測(cè)氣)和N2(平衡氣)的混合氣體，配備0～500ppm(1ppm=10-6)范圍內(nèi)不同濃度的氣體，用線性回歸的方法便可以求出吸收系數(shù)α的值。如圖2所示為簡(jiǎn)易氣室結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 氣室結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

雪崩光電二極管(Avalanche Photo Diode,APD)是一種具有內(nèi)增益能力的光探測(cè)器，具有很高的靈敏度，被廣泛應(yīng)用于超高速光通信、信號(hào)處理、微弱回波信號(hào)探測(cè)、光子計(jì)數(shù)等領(lǐng)域[7]。由于雪崩二極管的增益受偏壓和溫度的影響比較大。因此，為保證APD工作于恒定增益，設(shè)計(jì)出合理的APD偏置電源電路尤為重要，這也是整個(gè)系統(tǒng)能否精確測(cè)量出CO濃度的關(guān)鍵。

其中，APD的偏置電源電路采用固定頻率、脈沖寬度可調(diào)的低噪聲升壓轉(zhuǎn)換器MAX5026，它是一個(gè)專門為APD、LCD、低噪聲變?nèi)荻O管等提供直流偏置電源的元件。圖3所示為數(shù)字調(diào)節(jié)輸出電壓的APD偏置電源電路，它是采用微控制器讀取熱敏電阻的值來進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在該電路中10位DAC MAX5034可調(diào)節(jié)輸出電壓從25～71 V，可提供大約45mV的分辨率。MAX6102是微功率電壓基準(zhǔn)芯片，它為MAX5034和MAX5026芯片提供基準(zhǔn)電壓。

由于APD的輸出信號(hào)是微弱的電流信號(hào)，需進(jìn)行I/V變換，選取低噪聲單電源運(yùn)算放大器OPA376，這是一高性能的跨阻放大器，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)I/V轉(zhuǎn)換，同時(shí)也將信號(hào)放大。為滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求，還要將信號(hào)進(jìn)行再次放大處理，采用高精度放大芯片AD797，電路圖如圖4所示。其中，放大芯片AD797的-5 V電源電路如圖5所示。

為滿足信號(hào)高速處理要求，需選用高速運(yùn)算器，微控制器選取的芯片型號(hào)為STM32RBT6，它是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位微處理器，配置了12位ADC，轉(zhuǎn)換速率為1MHz，其高性能、低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)滿足整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)處理要求。其連線如圖6所示，PC0接收經(jīng)放大器處理過的采樣信號(hào)；PA8連接發(fā)光二極管，PB8連接蜂鳴器，進(jìn)行聲光報(bào)警；PB5～PB7連接按鍵，進(jìn)行簡(jiǎn)單的人機(jī)操作。經(jīng)過RS232串口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。另外，液晶顯示模塊顯示當(dāng)前時(shí)間和氣體濃度值數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊可將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，便于以后數(shù)據(jù)的分析，這使得整個(gè)系統(tǒng)的功能更加完善。>

圖3 APD偏置電源電路

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

圖5 -5 V電源電路

圖6 微處理器連線圖

3 結(jié)束語

本檢測(cè)裝置采用了基于激光吸收光譜技術(shù)對(duì)低濃度CO氣體進(jìn)行檢測(cè)，由可調(diào)諧激光器將光源的工作波長(zhǎng)選定在1.568 μm附近，保證了光譜有效的吸收。采用雪崩二極管以及光纖的引入可以提高檢測(cè)精度和傳輸速度。通過溫度補(bǔ)償、高精度放大器、高速32位微處理器的運(yùn)算大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能?？蓪?shí)現(xiàn)CO氣體在線、連續(xù)監(jiān)測(cè)，為大氣和工業(yè)生產(chǎn)中CO濃度的監(jiān)測(cè)與定量分析提供了一種較理想的方法。

該裝置不僅硬件電路設(shè)計(jì)適應(yīng)性廣，而且通過UC-INSTRUMENTS提供的應(yīng)用軟件改變光源的參數(shù)，該檢測(cè)裝置即可用于O2、H2S等其它氣體濃度的測(cè)量，具有較好的應(yīng)用與發(fā)展前景。

[1] 楊陽．快速檢測(cè)一氧化碳?xì)怏w的方法探討．工藝與設(shè)備，2006(9)：27-28．

[2] 薛敏，王躍思，孫揚(yáng)，等，北京市大氣中CO的濃度變化監(jiān)測(cè)分析環(huán)境科學(xué)．環(huán)境科學(xué)，2006，27(2)，200-203．

[3] 王佳．光纖甲烷氣體傳感器的研究：[學(xué)位論文]．西安：西安石油大學(xué)，2009．

[4] LI H J，RIEKER G B，LIU X，et al．Extension of wavelength modulation spectroscopy to large modulation depth for diode laser absorption measurement in high press gases．Applied Optics，2006,45(5): 1052-1061．

[5] 劉湖平,麥云飛,王靜悅．基于LabVIEW和MSP430的CO氣體無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18(9)：1999-2004．

[6] 郭永帥.光譜吸收式一氧化碳?xì)怏w濃度檢測(cè)系統(tǒng)的研究：[學(xué)位論文]．大連：大連理工大學(xué)，2012.

[7] 邵軍虎，黃濤，王曉波，等．硅雪崩二極管光子輻射特性的實(shí)驗(yàn)研究．光子學(xué)報(bào)，2005，34(3)：354-356.

Design of Low Concentrations of CO Detection System Based on TDLAS Technology

WANG Jin-ming, LI Chuan-bao, LI Zhong-hu

(School of Information Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010,China)

Because of the signal intensity is low and the noise is strong, it is often difficult to detect the signal effectively in the way of low concentration(ppm) of CO spectroscopy detection. According to this characteristic, a tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) based on the online monitoring system of low concentration CO gas technology was designed. The system uses TDLAS technology, and can obtain a precise CO absorption spectrum information, thus reducing the interference of other components of absorption. At the same time， amplifier filter-reamplification process was used to achieve noise reduction of the system, and it is a good method to get the information of low concentration CO light. After testing，the system has better real-time，sensitivity and high accuracy.

laser spectroscopy; APD; low concentration; carbon monoxide; real-time monitoring

內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2012NCL033)

2014-12-04 收修改稿日期：2015-06-20

TP216

A

1002-1841(2015)09-0073-04

王金明(1980—)，講師，博士，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感技術(shù)、測(cè)控技術(shù)與儀器。E-mail：Wangjm2012@imust.edu.cn。 李忠虎(1969—)，教授，碩士，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)與處理、智能儀器。E-mail：lizhonghu@imust.cn。