基于光電檢測技術(shù)的惡臭信號采集系統(tǒng)研究

劉偉玲+楊彩雙+冉多剛+康磊

摘 要： 通過對國內(nèi)外現(xiàn)有惡臭測量方法的研究并結(jié)合現(xiàn)有光電檢測技術(shù)，提出一種基于光吸收的惡臭信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于光電比色法，采用雙光路即每個采集電路模塊設(shè)兩個光路：一路參考光，一路信號光，兩路信號采集時都使用了雙邊帶調(diào)幅技術(shù)，相敏解調(diào)后的兩路信號進入差分放大器做差，并且將差分信號用寬量程可編程增益放大器放大至理想AD值。該系統(tǒng)適合于采集寬范圍濃度的惡臭信號，尤其適合于測量微弱的惡臭信號。該方案不僅能夠抵抗干擾，降低噪聲，還可提高采集的靈敏度，增大了量程，具有較好的應用前景。

關(guān)鍵詞： 惡臭信號采集； 光電檢測； 調(diào)幅技術(shù)； 嵌入式技術(shù)

中圖分類號： TN152+.4?34； TM933 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0153?05

Research on stench signal acquisition system based on photoelectric detection technology

LIU Weiling， YANG Caishuang， RAN Duogang， KANG Lei

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300000， China）

Abstract： By studying the available stench detecting methods at home and abroad， a stench signal acquisition system based on light absorption is proposed in combination with the existing photoelectric detection technology. The system is based on the photoelectric colorimetry. The double optical paths are adopted in the system for each acquisition circuit module. One path is the reference light and another is the signal light. The double?sideband amplitude modulation technology is used for signal acquisition of the two paths. The dual?path signals after phase sensitive demodulation are transmitted into the differential amplifier for subtracting. The differential signal is amplified with the wide?range programmable gain amplifier until a satisfied A/D value is obtained. The system is suitable for acquisition of the stench signal in wide range， especially suitable for detection of the weak stench signal. The design scheme can resist the interference， lower the noise， improve the acquisition sensitivity and detecting range， and has a good application prospect.

Keywords： stench signal acquisition； photoelectric detection； amplitude modulation technology； embedded technology

0 引 言

惡臭[1]一直以來都是自然界很普遍的一種物質(zhì)，它和人們的生活息息相關(guān)。人通過嗅覺感官可以感受到的惡臭物質(zhì)有4 000多種[2]，我國監(jiān)測防治的惡臭物質(zhì)主要有8種，分別是：氨、硫化氫、苯乙烯、三甲胺、甲硫醇、二甲二硫、甲硫醚、二硫化碳，這些惡臭物質(zhì)對人類均有一定的危害。隨著人類對惡臭危害認知的不斷增強，惡臭的防治工作逐步成為社會關(guān)注的重點。目前，量化惡臭的方法主要有兩種：感官測定法和儀器測定法[3]。感官測定法依賴人的感官系統(tǒng)作為評判依據(jù)，主觀依賴性強，長期測量會產(chǎn)生嗅覺疲勞，但其中三點比較式臭袋法[4]由于操作簡單，仍然比較常用。儀器測定法按測定氣體的成分分為單一成分測定法和復合成分測定法，該方法主要依賴于先進的分析儀器。通常使用的儀器主要有氣象色譜儀、紫外?可見光光度計、氣象色譜儀、高效液相色譜儀等。除了上述分析儀器外，還有電子鼻、濃度傳感器等專用設(shè)備。

目前，我國對惡臭污染的治理還很不完善，而且沒有成熟的檢測系統(tǒng)，對此提出了一種基于光電檢測的惡臭信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以光電比色法為基礎(chǔ)，可將惡臭氣體信號轉(zhuǎn)變成易于采集的電信號，并通過嵌入式系統(tǒng)采集并保存起來，為最終檢測惡臭值奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)需求與總體設(shè)計

惡臭信號采集系統(tǒng)要實現(xiàn)的最終功能是對被測環(huán)境中的惡臭氣體信號進行采集和初步處理，采集和處理的主要過程是：系統(tǒng)上電后，雙光路惡臭信號采集模塊分別采集到惡臭氣體及其對照組的電信號，經(jīng)過差分電路使實驗組信號和對照組信號做差求得惡臭信號差，該差值通過可編程增益放大器放大后進入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，最后對采集到的信號進行處理分析。

1.1 光電檢測技術(shù)

光電檢測技術(shù)是由光學與電子學技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興檢測技術(shù)，它是利用電子技術(shù)對光學信息進行檢測，并進一步傳遞、存儲、控制、計算和顯示等[5]。基于光電檢測技術(shù)的惡臭氣體信號采集系統(tǒng)，是將待測光學量或者非光學待測量轉(zhuǎn)換成光學量，通過光電轉(zhuǎn)換、電路處理以及后期數(shù)據(jù)分析等，能夠完成某種特定檢測工作的系統(tǒng)[6]。

（1） 光電比色法檢測原理。光電比色法，即將惡臭氣體通入帶有顯色劑的比色皿中來研究通過顯色劑后的吸光度。光電比色法原理如圖1所示，其中入射光為I0，反射光為Ir，透射光為It。

根據(jù)朗伯?比爾定律（Lambert?Beer law）：

式中：k為比例系數(shù)；b為液層厚度（單位為cm）；c為溶液的濃度（單位為：mol×L-1）；A為吸光度。該定律是指當一束單色光通過溶液時，溶液的吸光度與溶液的濃度和液層厚度的乘積成正比[7]。因此，液層厚度一定時，吸光度與溶液濃度的比為常數(shù)kb。當一束合適的單色光通過溶液后求得該比值，就可以根據(jù)吸光度來確定該物質(zhì)濃度。

（2） 顯色劑的選取。在進行氣體檢測時，首先要將氣體通入帶有顯色液體的比色皿中，使氣體與溶液發(fā)生反應生成有色物質(zhì)，以便于進一步的比對測量。這種被測組分轉(zhuǎn)變成有色化合物的反應被稱為顯色反應，與被測組分化合成有色物質(zhì)的試劑即為顯色劑。同一種物質(zhì)常?？梢耘c幾種顯色劑發(fā)生顯色反應，它們的原理和靈敏度會有一些差別。

1.2 調(diào)制解調(diào)技術(shù)

進入透射光接收器的信號既包含有用測量信號，還夾雜著很多干擾，如日光燈和太陽光。由于帶有惡臭信息的測量信號非常微弱，因此從外界干擾和噪聲中將帶有惡臭信息的信號分離出來是主要關(guān)鍵點。在測控電路中，常通過對信號進行解調(diào)[8]將被測量提取出來。因此，該系統(tǒng)采集信號時，光波使用方波激勵并進行傳感器調(diào)制，然后參考信號使用同頻方波信號對已調(diào)信號進行解調(diào)，最后低通濾波、放大，得到帶有惡臭信息的低頻信號。

1.3 惡臭信號采集系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)在對惡臭氣體信號進行采集的同時還要考慮使其能實現(xiàn)實時監(jiān)測、顯示、數(shù)據(jù)處理并得出有效惡臭值的功能，因此以嵌入式系統(tǒng)[9]作為采集方案。系統(tǒng)可以分為：被測對象、信號采集電路、嵌入式系統(tǒng)及控制電路、串行通信接口和計算機五部分，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2 信號采集系統(tǒng)電路設(shè)計

采集電路模塊主要包括調(diào)制解調(diào)電路模塊和調(diào)理電路模塊兩大部分。調(diào)制解調(diào)電路模塊分為激勵源與接收模塊；調(diào)理電路包含差分放大器和可編程增益放大器兩部分。

2.1 激勵源的設(shè)計

激勵源為通入氣體的顯色劑溶液提供激勵，從而產(chǎn)生惡臭氣體的已調(diào)光信號，主要包括光源、振蕩器以及調(diào)制電路三部分。

（1） 光源。系統(tǒng)是專門針對惡臭氣體的采集而設(shè)計的，因此選擇響應時間短的發(fā)光二極管作為激勵光源，光路圖如圖3所示。

發(fā)光二極管由于響應時間短，所以使用電路控制其亮滅的響應頻率很高。但如果載波頻率過高，則會對其他元器件的頻率響應提出更高的要求。經(jīng)過測試，最終將該頻率設(shè)置為2 kHz，該頻率足以排除太陽和日光燈中的干擾。

（2） 振蕩器。系統(tǒng)通過傳感器調(diào)制方法對光信號進行調(diào)制，采用施密特觸發(fā)器搭建振蕩器電路產(chǎn)生載波信號。施密特觸發(fā)器電路可由兩個反相器搭建而成，也可由集成電路CD40106或由555定時器搭建得到。綜合考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性和價格等原因，該系統(tǒng)使用CD40106芯片搭建方波發(fā)生器。

振蕩器產(chǎn)生的方波占空比由閾值電壓等參數(shù)確定，可能會造成占空比不等于50%，所以要將方波信號整形成占空比50%的方波。常用的方法是將非對稱的方波二分頻，這樣可達到理想的效果。方波整形電路如圖4所示。

施密特觸發(fā)器構(gòu)成的振蕩器能夠基本滿足頻率穩(wěn)定的要求，但是由于該頻率由RC時間常數(shù)決定，因此容易受到電阻和電容的影響而發(fā)生漂移和相位抖動。為防止其對采集電路的調(diào)制解調(diào)造成影響，系統(tǒng)在編寫軟件程序時按要求設(shè)置好主控芯片I/O口，由主控芯片產(chǎn)生PWM方波輸出，從而提高了振蕩頻率的穩(wěn)定度。

綜上所述，該系統(tǒng)的設(shè)計目標是雙光路同時調(diào)制解調(diào)，因此兩路電路使用同一個振蕩器能使兩個電路保持同步，更重要的是這樣兩路信號經(jīng)過差分電路做差時，由于信號的頻率和相位完全相同，有利于使沒有被濾波濾掉的高頻載波成分小量相互抵消。

（3） 調(diào)制電路。振蕩器產(chǎn)生了頻率和幅值穩(wěn)定的方波信號后，就要對光源進行電路調(diào)制。光信號調(diào)制實際上就是將原始光信號乘以載波信號的過程[10]。本系統(tǒng)調(diào)制電路的原理為：首先直流電壓信號與載波信號通過乘法器相乘，將所得到的乘法信號再通過緩沖器為發(fā)光二極管提供激勵，此時發(fā)光二極管發(fā)出的光就已經(jīng)被載波信號所調(diào)制，最后只要將發(fā)出的光照射到被測顯色液中就完成了對惡臭信號的整個調(diào)制過程。

在實際應用的電路中，通常不直接使用乘法器，而是用三級管通斷與乘法器等效，這樣既容易實現(xiàn)又可降低成本。由于載波頻率選擇2 kHz，因此要求選用運算放大器、三極管等器件的頻率響應要足夠快，對于運放需要具有大的帶寬增益和足夠大的擺率。發(fā)光二極管是電流型器件，在保證足夠電壓的前提下，足夠大的電流才能使發(fā)光二極管工作在理想狀態(tài)。根據(jù)以上考慮，調(diào)制電路部分設(shè)計成恒流模式如圖5所示。

2.2 解調(diào)電路設(shè)計

經(jīng)過電路調(diào)制后，被調(diào)制的光信號首先通過接收器件轉(zhuǎn)換為電信號，該電路選用線性度比較好的光電池進行接收；光電池接收到的信號是電流信號，因此還要對其進行I?V變換轉(zhuǎn)變成電壓信號，然后對已調(diào)信號進行濾波整形，即完成解調(diào)。該部分電路主要分為I?V變換電路、濾波和跟隨電路以及解調(diào)電路三大部分，具體電路如下：

（1） I?V變換電路。光電池接收到已調(diào)至的光信號后，經(jīng)測定該信號是微安級的電流信號，使用I?V變換電路把該信號轉(zhuǎn)變成電壓信號。變換電路如圖6所示。

（2） 濾波與跟隨電路。I?V變換作為光信號采集的前級，通常會引入很多高頻噪聲，所以要進行低通濾波將其過濾掉。經(jīng)過無源濾波后，通常會采用一個運放組成的跟隨器減小電路的前級電路的輸出阻抗，從而實現(xiàn)阻抗匹配。如圖7所示，電壓跟隨器可以看作同相放大電路的一種特殊形式，其增益為1。

（3） 信號解調(diào)電路。解調(diào)電路主要由四個開關(guān)和一個差分放大電路組成，信號解調(diào)電路框圖如圖8所示。四個開關(guān)中有兩個常開、兩個常閉，每一個開關(guān)都被一路解調(diào)方波信號控制，周期性導通、截止。若此時方波信號為低電平，則開關(guān)2、開關(guān)4導通，開關(guān)1、開關(guān)3截止，此時該電路等效為一個同相放大電路，其增益為10；半個周期后，方波信號為高電平，開關(guān)2、開關(guān)3截止，開關(guān)1、開關(guān)4導通，此時該電路等效為一個反向放大電路，其增益為10。總之，通過該解調(diào)電路后，該信號等效于乘以了一個幅值為10的方波，即實現(xiàn)了信號的解調(diào)。

根據(jù)上述原理該電路的具體電路如圖9所示，該電路的模擬開關(guān)選用了MAX393，其內(nèi)部總共含有四個模擬開關(guān)，兩個常開開關(guān)，兩個常閉開關(guān)，導通電阻典型值為20 Ω；它的導通時間65 ns，關(guān)斷時間為35 ns，適合用于對2 kHz的信號進行解調(diào)。

經(jīng)過解調(diào)后的低頻信號即為本文所求的惡臭氣體 信號。但是從頻域上看，除了所求信號還存在著其他的頻率的高頻信號，所以要使用低通濾波將其他成分濾除。

2.3 調(diào)理電路設(shè)計

信號調(diào)理部分分為差分放大電路和可編程增益放大器兩部分，具體如下：

（1） 差分放大電路。兩路信號解調(diào)后要通過差分放大電路進行放大，該差分放大電路可以由運放實現(xiàn)，但是運放實現(xiàn)的差分放大電路會因電阻的離散性等原因引入很多誤差，因此本系統(tǒng)采用儀用放大器AD620。在實際應用中，由于該輸出信號最終要進入A/D，而A/D通常只能采集正信號，所以在進行調(diào)零時要注意不能使輸出信號出現(xiàn)負值。該電路具體設(shè)計如圖10所示。

（2） 可編程增益放大器。可編程增益[11]放大電路具體電路設(shè)計圖如圖11所示，第一級輸入信號往往比較微弱，使用ICL7653降低失調(diào)；后兩級使用OP07。該電路的每一級都使用了同相放大電路，使用較小的滑動變阻器微調(diào)增益。經(jīng)過可編程增益放大之后，也可能會引入噪聲，所以在該電路后級再一次進行低通濾波來保證信號完好。

3 性能測試與實驗結(jié)果

作為一個成型的信號采集系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性

和穩(wěn)定性是系統(tǒng)必備的條件。為了證明本系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)的可靠性以及實驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對高錳酸鉀溶液做了反復多次的實驗測量。實驗結(jié)果見表1。由表1可以看出各濃度下輸出信號經(jīng)過重復性 實驗后比較接近。

3.1 惡臭信號采集系統(tǒng)靈敏度實驗及分析

靈敏度作為考察系統(tǒng)性能好壞的重要指標之一，對于采集微弱信號的惡臭信號采集系統(tǒng)來說更是如此。靈敏度標準定義為：

（4）

在該系統(tǒng)中，靈敏度為采集信號與被測物質(zhì)的濃度的比值。由于系統(tǒng)的性能不依賴于所測的物質(zhì)，所以在實驗室的條件下選取了高錳酸鉀溶液為被測液體進行試驗。選取濃度較小的高錳酸鉀溶液放入比色皿，對照比色皿中放入蒸餾水，將可編程增益放置到乘1檔，采集輸出信號，然后逐級增大高錳酸鉀濃度試探直至輸出信號至乘1 000檔，記錄該溶液濃度，然后將該溶液逐級稀釋，測量輸出信號，直至可編程增益放大器最高檔，輸出信號小于一定值時停止。

經(jīng)過該實驗，使用10 μg/mL經(jīng)過稀釋11次后無法分辨，故最終無法分辨的濃度在千分之一μg/mL數(shù)量級。

3.2 惡臭信號采集系統(tǒng)信號與濃度曲線

該惡臭信號采集系統(tǒng)中由于光電池是線性的，故輸出信號的AD值與實際發(fā)射光I與透射光It的差值成正比如下：

（5）

又因為該系統(tǒng)發(fā)射光的光強I對應的輸出信號AD值A(chǔ)D0可以通過遮擋對照組求得。故：

（6）

系統(tǒng)使用白光發(fā)光二極管作為光源，對高錳酸鉀溶液分梯度做了實驗，結(jié)果如圖12、圖13所示。圖12從0～25 μg/mL描點作圖。從圖12中可以看到，該曲線近似為一條直線但有所偏離，這是由于試驗中使用了白色光源，吸光度與濃度不再嚴格成正比關(guān)系，因此與理論符合良好。圖13為圖12的局部放大圖，該部分曲線整體與理論仍然符合良好，但該曲線零位稍微有所偏移，對其分析后應該是由于系統(tǒng)調(diào)零時要求略大于0的基底AD值（2 000），造成系統(tǒng)零位向上發(fā)生了偏移，該AD值對應于濃度為千分之一μg/mL數(shù)量級，減掉該值后則與實驗符合良好，重新使用Matlab繪圖如圖14所示。

該系統(tǒng)在較長時間內(nèi)會有零點漂移，因此在調(diào)零時將基底值設(shè)置為2 000，保證A/D轉(zhuǎn)換器一直能夠正常采集。對該零點漂移原因分析如下：若實驗的機械結(jié)構(gòu)和光路結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，則實驗時不能保證實驗的重復性，造成零點漂移。若系統(tǒng)的電壓基準不夠穩(wěn)定，也會造成零點漂移。

4 結(jié) 論

通過以上分析，基于光電檢測技術(shù)的惡臭信號采集系統(tǒng)是實現(xiàn)高精度、高靈敏度惡臭氣體檢測的重要基礎(chǔ)，是惡臭信號檢測系統(tǒng)的一個很重要的組成部分。

系統(tǒng)硬件采用雙光路對比的方法消除了環(huán)境干擾，每一條光路信號使用雙邊帶調(diào)幅技術(shù)，從而進一步抵抗干擾，降低噪聲，設(shè)計的可編程增益放大器能對帶有惡臭信息的信號放大到理想值。通過對信號采集系統(tǒng)進行測試，證明該系統(tǒng)已經(jīng)達到了對惡臭信號采集的能力，尤其在采集寬濃度范圍的微弱的惡臭信號方面具有獨特的優(yōu)勢，重復性較好，靈敏度較高，結(jié)果穩(wěn)定可靠，增大了量程，具有較好的應用前景。

注：本文通訊作者為楊彩雙。

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