基于自適應鎖相的多氣體檢測系統(tǒng)

李利花，袁 欽，王樂平

(南昌大學共青學院，江西共青城 332020)

0 引言

工業(yè)信息網(wǎng)絡傳輸速度越來越快，光纖傳輸設備成為進行有效溝通的手段，但是在光纖內(nèi)部會有大量氣體充入造成信號傳輸速度緩慢[1]，所以有必要對光纖氣體濃度進行檢測。

氣體濃度控制在3%以內(nèi)時信號非常微弱，常用檢測手段為鎖相放大器，但是現(xiàn)存設備都有體積龐大、成本過高和功能復雜等缺點，因此，本文設計一款便攜式嵌入式的氣體檢測設備。

根據(jù)需求設計一種可以檢測低濃度氧氣和水蒸氣的嵌入式系統(tǒng)[2]，采用單雙路AD620作為核心擴展了積分器和LPF等硬件鎖相電路，最后測量氧氣幅值和相位角驗證系統(tǒng)可靠性。

1 鎖相檢測原理及整體方案設計

在光纖通訊中，氣體主要有氧氣和水蒸氣，兩種氣體的檢測原理不同，但都需要提取幅度和相位特征等信息。設計的鎖相放大器基本原理如圖1所示。

圖1 鎖相放大器工作結構簡圖

在信號通道中，電壓信號主要傳輸途徑包括信號采集通道、參考信號、相敏檢測電路和低通濾波器電路部分，在信號進入最終相敏檢測部分之前需要對信號進行初步濾波和消除峰值[4]。結構圖中鎖相部分以輸入?yún)⒖茧妷簽闃藴剩捎霉舱裨硖暨x出與參考電壓頻率相同的信號，從而推算出被測信號幅值和相位。兩種氣體檢測系統(tǒng)設計原理類似，雙向鎖相器利用發(fā)生器發(fā)出有特定相位差的參考信號來檢測氣體濃度，結構如圖2所示，實時調(diào)整的鎖相環(huán)電路可以從背景噪聲中提取出微弱電壓信號。

圖2 自適應氣體檢測鎖相結構圖

信號分析過程都是先采集信號并根據(jù)采集的信號進行濾波處理，濾除掉特定頻次噪聲以后信號進入到相敏電路檢測環(huán)節(jié)。相敏參考信號采用同頻率的方波信號，當蒸汽或氧氣信號與相敏參考信號相乘后都會產(chǎn)生頻譜相移，再根據(jù)鎖相器原理利用積分和LPF電路進行提取，根據(jù)信號和相位關系計算出被測信號相位。

2 鎖相放大器硬件電路設計

在兩種氣體檢測過程中，相頻檢測結構不同，但內(nèi)部原理相同，即信號分析電路都相同，包括方波信號發(fā)生電路、信號采集電路、相敏檢測、積分和低通濾波器等模塊，對氣體檢測中部分重要電路進行設計說明。

2.1 相敏檢測電路

相敏電路采用ADA2200放大器芯片，該芯片擁有積分、比較、補償環(huán)節(jié)等功能。采用說明書中比較成熟的案例，如圖3所示。放大器主要用來從背景噪聲中提取并還原有效信號，可以輸入單一頻率信號和多個頻率混合信號，通過相關運算實現(xiàn)平滑調(diào)制參考信號和被測信號。

圖3 放大器相敏檢測電路

2.2 積分和低通濾波電路

氣體電壓信號在經(jīng)過相敏檢測后會有一定頻譜偏移，在后續(xù)電路中會有高頻和低頻成分產(chǎn)生[6]，一般氣體檢測信號都集中在低頻部分，因此需要設計積分和低通濾波器電路，通過2個放大器電路后把信號中高頻部分濾除掉。

本系統(tǒng)的積分和低通濾波器電路如圖4所示，電路采用噪聲電壓比較低的OP07作為核心，電路帶寬應該盡量控制在一個比較窄范圍內(nèi)，濾波設計參數(shù)由RC積分常數(shù)決定，因此設計長積分時間來濾除電路中高頻噪聲。輸入端和輸出端都采用2 kΩ電阻來匹配前后電路阻抗，通過2 μF和10 kΩ電阻計算出積分時間0.43 s，時間可以根據(jù)系統(tǒng)要求進行調(diào)整。積分電路后面采用二階恒壓源低通濾波器，電路輸入側也加入R46作為輸入阻抗匹配，且低通濾波中心頻率設定后信號盡量不產(chǎn)生偏移，采用正反饋方式進行信號放大和濾波，通過R44、R47、C67、C77計算信號通帶截止頻率，保證檢測信號在50 Hz以內(nèi)時不會因為電路影響造成自激振蕩。

圖4 二階積分和低通濾波電路

2.3 量程自動調(diào)整電路設計

在使用過程中發(fā)現(xiàn)，在鎖相電路輸出信號后雖然可以進行檢測，但是信號中會有大量強噪聲，為了減少信號鎖相電路輸出部分的二次諧波信號[7]，在信號進入量程控制模塊之前先設定信號預處理范圍。采用LTC6603芯片進行增益調(diào)整電路設計，如圖5所示，采集后信號每經(jīng)過一次讀入都會把信號與設定幅值進行比較，并通過串口輸出幅值和增益數(shù)據(jù)，再通過半閉環(huán)方式就可以把有效信號做到最大化還原。電路部分差分信號輸入接口接入低通濾波器濾除電路高頻噪聲，在電源地與Vocm間加入一個0.1 μF陶瓷電容來減少信號工模干擾，輸入電路采用2個1 kΩ電阻來限制電流，可以有效降低調(diào)節(jié)電路功率并提高利用效率。

圖5 電壓量程自調(diào)節(jié)模塊

3 自適應鎖相模塊設計

在相敏檢測部分采用的是模擬電路設計方法[8]，通過計算后的相位進行信號調(diào)制而不需要設定程序進行調(diào)整，但是信號經(jīng)過相敏部分調(diào)節(jié)后還需要進行采集，數(shù)據(jù)采集部分以COTEX芯片為核心進行模擬信號采集和自動量程調(diào)節(jié)。

3.1 信號采集電路及程序

信號采集部分用14位A/D采集芯片進行設計，芯片供電電壓為12 V，所以采集電壓幅值范圍為0～10 V，A/D芯片滿分辨率為16 384位，因此可以識別到最小電壓值為0.2 mV[9]，具體電路設計過程如圖6所示。

圖6 氣體原始數(shù)據(jù)采集電路

氣體數(shù)據(jù)采集流程軟件編程如圖7所示，包括A/D芯片初始化、查詢芯片工作狀態(tài)、寫入控制字并讀出信號數(shù)據(jù)并送入到MUC和循環(huán)讀取等步驟，當需要對不同特征信號進行采集時，就重新人為設定要求后再重置A/D采集部分，并初始化后重新開始工作。

圖7 氣體數(shù)據(jù)采集流程

3.2 量程自控流程設計

在鎖相電路輸出波形后進入信號采集部分，采集量程自控部分也采用MCU完成計算。首先在系統(tǒng)工作之前設定一個采集電壓范圍，通過設定值與采集值判斷采集誤差是否在范圍內(nèi)，如果在設定范圍內(nèi)則繼續(xù)采集，如果不符合要求則對LTC6603芯片進行增量倍數(shù)調(diào)整，調(diào)整過后繼續(xù)進行采集對比，直到電壓輸出信號符合要求后通過串口輸出信號到人機交互界面中，信號中諧波幅值利用當前幅值和增益倍數(shù)就可以被還原。

4 多種氣體檢測應用

在光纖氣體檢測系統(tǒng)中，不同氣體的電路采集結構也不完全相同，因此根據(jù)被測氣體情況設定不同量程范圍進行氣體信號檢測，分別設定兩種系統(tǒng)工作場景并對氣體檢測系統(tǒng)中每個子模塊進行性能和可靠性驗證。

4.1 氧氣濃度檢測實驗

由于在實際使用過程中光纖氣體都會隨機波動，為了控制氣體成分把氣態(tài)氧輸入到光纖中進行檢測，采用熒光法的雙路鎖相放大器系統(tǒng)進行檢測，分別對4種不同氧氣濃度樣本進行檢測，每隔10 min檢測1次，檢測完成后采用專業(yè)清理設備對光纖中剩余氣體進行充氮清理[10]。系統(tǒng)檢測出的氧氣濃度如圖8所示，結果說明系統(tǒng)可以檢測最低氧氣濃度為0.99%，此測試主要檢測系統(tǒng)對于幅值變化的靈敏度。

圖8 氧氣濃度穩(wěn)定性結果

氧氣濃度檢測采用相位平均值方法[11]，得出氧氣濃度與相位關系并通過線性擬合法得出如圖9中所示結果，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在檢測過程中信號相位滿足線性的關系。在低濃度條件下每次濃度變化3%左右時候就會產(chǎn)生1.62°相位誤差，在1%～8%測試濃度下，氧氣濃度最小分辨率為0.293%，因此系統(tǒng)在低濃度條件下分辨率更高，也更有利于檢測低濃度系統(tǒng)，符合現(xiàn)實中氣體濃度的要求。

圖9 氧氣濃度與相位線性關系圖

4.2 水蒸氣檢測濃度實驗

首先利用清潔工具充氮清理完光纖中的殘余氣體，把實驗條件控制在室溫21 ℃左右，利用高精度點露設備進行精度濕度控制[12]，當水蒸氣濃度調(diào)整到300～900 ppm之間時，通過檢測器進行信號采集發(fā)現(xiàn)電壓幅值最大可以達到4.22 V，而且水蒸氣在300～900 ppm變化過程中系統(tǒng)經(jīng)過0.25 s調(diào)整時間就可以完成數(shù)據(jù)采集和檢測，檢測過程如圖10所示。

圖10 不同水氣濃度下的二次諧波

5 結論

為設計一種低幅值范圍的光纖氣體檢測系統(tǒng)，采用自適應鎖相放大器作為氣體檢測核心電路，首先分析鎖相原理并設計自適應檢測系統(tǒng)，然后對核心的相敏檢測、二階低通濾波、程控電壓放大及采集部分進行硬件設計，利用信號采集程序和自適應程序進行鎖相實時調(diào)整，設定氣體環(huán)境分別進行氧氣和水蒸氣檢測驗證實驗。分析結果表明氣體檢測系統(tǒng)可以滿足現(xiàn)場光纖檢測的要求。