基于光声光谱技术的气体浓度检测系统设计

周 泉，徐 智

(1.三江学院电子信息工程学院，江苏南京 210012；2.三江学院机械与电气工程学院，江苏南京 210012)

0 引言

在工业化生产过程中排放多种微量气体，比如甲烷、臭氧、一氧化碳、二氧化硫等，虽然它们的浓度很低，但是对人类的生存环境却有着极大的影响。当这些微量气体的浓度过高时就会产生酸雨、温室效应等现象，因此对这些微量气体浓度的监测就显得十分重要[1]。常用的检测气体浓度的方法有非光学法和光学法，非光学法主要有电化学法、热催化法等；光学法主要包括吸收光谱法、光声光谱法等[2]。近年来随着集成电路以及传感器技术的飞速发展，微音器灵敏度的不断提高，使得光声光谱技术得到了快速的发展，利用光声光谱法来检测气体浓度成为一种主流趋势。利用光声光谱法检测气体浓度时不需要对待测气体做预处理，直接通过测得的声波信号就可以确定气体的浓度，其与传统检测的非光学检测方法相比具有检测速度快、实时性好等优点。本文依据光声光谱原理设计了一种基于光声光谱技术的气体浓度检测系统，利用微音器检测不同浓度气体的声波信号，经过信号调理电路处理后计算得到被测气体的浓度信息，通过串口通讯的方式，把检测信息发送到上位机界面实时显示[3]。

1 基于光声光谱技术的气体浓度检测原理

光声光谱气体检测是利用光声转换效应的原理以及微弱信号检测技术实现的[4]，具体实施过程如下：当一束特定的单色光以固定频率f射入通有待测气体的容器中，如果入射光的波长在被测气体的吸收范围内就会被待测气体吸收，产生与调制频率相同周期的声波，即光声效应。利用微音器将检测到的声波信号转换为可被处理的电信号，通过分析检测到的电信号就可以计算得出被检测气体的浓度，测量原理如图1所示。

图1 光声光谱测量原理

2 基于光声光谱技术的气体浓度检测系统的设计

基于光声光谱技术的气体浓度检测系统主要包括光源频率控制装置、气体浓度检测装置以及信号处理装置等[5]。其中光源频率控制装置主要包括光源、透镜、滤光片等；气体浓度检测装置主要包括气室、微音器；信号处理装置主要用来调理微音器输出的电信号，对其进行适当滤波放大，最后送入单片机内部的A/D转换器进行采集转换。总体设计如图2所示。

3 硬件系统的设计

基于光声光谱技术的气体浓度检测系统的硬件电路主要是由光源驱动电路、微音器信号检测电路、选频放大电路、信号处理电路、通讯电路以及电源电路组成[6]。通过单片机STM32输出的PWM波来调节光源的频率，当单色光射进气室中与待测气体发生光声效应，利用微音器把产生的声波信号转换为电信号，再经过信号处理电路调理，可把计算结果在LCD液晶屏上显示，也可以通过串口通讯的方式把数据发送到上位机实时显示，具体硬件框图如图3所示。

图3 系统硬件框图

3.1 光源选择

光源作为整个系统的核心器件，其精度、灵敏度对系统的影响很大，因此对光源的选取至关重要[7]。根据光源的特性，大致可以将光源分为相干光源和非相干光源两类。相干光源通常是指激光光源，它一般具有功率大、线宽窄、灵敏度高等优点，但是系统比较复杂且价格相对较贵。非相干光源与相干光源相比具有体积小、成本低、性能稳定等优势，虽然其精度和灵敏度比相干光源差，但是对于实际应用，10-6量级的灵敏度已经完全满足系统要求。因此本文选择非相干光源EMIRS200，它是采用电调制技术的热辐射红外源，具备黑体辐射的特性，并且具有低功耗、高辐射率、使用寿命长等优点，实物如图4所示。

图4 EMIRS200型号光源

当启动系统时，EMIRS200光源发出的光首先经过窄带滤光片，窄带滤光片只对峰值透射波长附近的光波段有较高的透射作用，在其他波段都表现为高反射，以此来排除非检测气体的干扰。当光源发射的单色光经过滤光片后，仍为单色光，EMIRS200光源的中心频率约为10 Hz，因此在调制时为了达到较高的发射功率，单片机PWM输出的频率也应在10 Hz左右。

3.2 光源驱动电路

EMIRS200光源发出的是恒定功率的连续光，若想把其变为功率可变的入射光就需要对光源进行频率调制。对光源频率调制通常利用机械斩波器或调频脉冲来实现，当光源的频率较高时，机械斩波器在空气中转动时会引起声信号的变化，无形中增加了噪声信号，而调频脉冲是通过改变光的调制频率来改变光源发射器EMIRS200发出光源的频率，因此具有很强的抗干扰性，本文利用STM32的I/O输出可变频率的PWM波来控制光源发射器EMIRS200发出光源的频率。利用透镜对EMIRS200发射的光源进行会聚，使其具有更高的发射能量，可以使用滤光片来选择需要的入射光波长。

由于EMIRS200光源的正常工作电压为5 V，单片机I/O口输出的PWM波不能直接驱动，本文利用高速光耦和场效应管来为光源提供足够的驱动功率，电路如图5所示。

图5 光源驱动电路

由于系统采用的是高速光耦和场效应管，其开关时间都在ns级，可以忽略开关时间延迟对系统的影响。为了得到更高的发射功率，使得PWM波输出的频率与EMIRS200光源的中心频率相同，都为10 Hz。

3.3 微音器信号检测电路

微音器是将气室里面光谱吸收时产生的声波转换为电信号的器件，其灵敏度直接影响到整个系统的检测精度。本文需用EK-3302型号微音器，具有较高的灵敏度、较宽的频率检测范围以及很强的抗干扰能力[8]。由于微音器输出电信号十分微弱并不能直接被单片机处理，因此需要对微音器输出的微弱信号进行适当放大，本文选用高精度仪用放大器AD620组成的差分放大电路对微音器的信号进行放大，它具有低失调温漂、低失调电压，除此之外还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗等特性。其中IN+、IN-接微音器的输出，具体电路如图6所示。

图6 微音器检测输出处理电路

3.4 选频放大电路

由于经过微音器输出的信号不仅仅是待测气体光声效应产生的有用信号，还包括一些干扰信号，比如气室壁噪声信号、气体流动噪声信号以及外接噪声信号等[9]。若直接采集微音器输出的信号，噪声会非常大，系统带来的误差也会增大，因此需要对微音器输出的信号进行选频放大，使有效信号得到放大，滤除噪声信号提高信噪比。本文选用乘法器AD734来完成信号的选频，它是四象限模拟乘法器，具有高精度(0.1%误差)、低失真、低噪音、高速等优点而得到广泛的应用，可以应用在解调器、压控放大器、调制器等方面。

本文以驱动信号的发射频率为参考频率，微音器检测到的电信号的频率理论上应该与参考信号的频率相同，因此利用模拟乘法器AD734来完成选频，当参考信号和微音器输出的信号分别连接AD734的X1、Y1，因此AD734最后输出的信号频率有2个，一个是2个信号频率之差，另一个是2个信号频率之和，由于本文的有效信号频率与参考信号频率相同，因此把AD734输出的信号经过低通滤波器来滤除2个信号频率叠加后的高频信号，让与参考信号频率相同的信号通过[10]。低通滤波器选用的是二阶巴特沃斯有源低通滤波器，具体电路图如图7所示。

图7 选频放大电路

4 软件设计

基于光声光谱技术的气体浓度检测系统的软件设计主要包括激励信号源的软件设计、定时器的软件设计、A/D采集的软件设计、数据处理的软件设计以及串口通讯的软件设计。系统上电后单片机进行复位，然后由STM32F439内部的定时器开始工作，产生频率可调节的PWM波，系统再利用PWM波驱动光源产生频率可调的光源，运用单片机内部的A/D转换器采集选频电路输出的电信号，进行采样分析最后得出气体的浓度数据，最后把数据结果通过串口通讯的方式发送到上位机显示，系统软件流程图如图8所示。

图8 系统软件流程图

5 实验数据分析与处理

5.1 温度因素对系统检测精度的影响

由于温度的变化会引起光传播速度的变化，因此本文重点研究了温度因素对基于光声光谱技术的气体浓度检测系统的影响。把标定好浓度的CO2气体通入系统中，若通入待测气体的气室温度越高则光源产生的单色光传播的速度越快，气室里面气体所产生的谐振频率也会变快，气体吸收系数和吸收光谱的宽度都会增加，实验时以浓度450 ppm(1 ppm=10-6)的CO2通入到温度变化的气室中，具体温度对系统的影响如图9所示。

图9 温度变化对微音器输出光声信号电压值的影响

由图9可知，光声信号电压值与温度存在一定的关系，当温度从0 ℃向35 ℃变化时，微音器检测气室中声波输出的电信号随温度升高而增加；当温度从35 ℃向50 ℃变化时，微音器检测气室中声波输出的电信号随温度升高而减小；在温度约为35 ℃时，微音器输出电信号最大，约为1.42 V。为了解决温度变化对系统测量的影响，可以在检测系统中加入温度检测模块，实时测量环境的温度，以此来补偿温度变化引起的测量误差。

5.2 检测数据分析

为了拟合气体浓度与微音器检测输出的电信号的关系，分别标定8组浓度不同的CO2气体，分别为20 ppm、40 ppm、60 ppm、100 ppm、200 ppm、300 ppm、450 ppm、500 ppm，当系统中通入不同浓度的CO2气体时分别采集其对应的光声信号的电压值，具体对应关系如表1所示。图10为CO2浓度与微音器输出电压幅值的拟合曲线。

表1 CO2浓度与微音器输出的光声信号电压的对应关系

图10 CO2浓度与光声信号幅值拟合曲线图

从上述实验测量数据可以看出CO2浓度与输出的光声信号的电压幅值存在线性关系，拟合曲线为y=0.003 14x+0.013 27。

由上述实验得到了待测气体浓度与系统输出电压的线性拟合曲线，为了验证系统测量的精度，利用拟合曲线反推待测气体的浓度。分别通入40 ppm、60 ppm、120 ppm、250 ppm、420 ppm、670 ppm标定好浓度的CO2气体，利用系统检测到的微音器输出的电压信号计算出实际的浓度值，标准值与系统实际测量值对比数据如表2所示。

表2 CO2浓度标准值与系统测量值对比

由上述实验对比数据可知，本系统测量精度较高，在测量低浓度气体时误差相对较大，约为4.3%；在测量浓度较高的气体时(待测气体浓度大于120 ppm)，检测误差则小于3%，并且测量的精度随着待测气体浓度的升高而增加，由此可得出，在测量浓度较高的气体时，本系统具有优势。对于整个系统，测量误差小于4.3%，符合设计要求。

6 结束语

本文设计了一种基于光声光谱技术的气体浓度检测系统，与市面上的检测仪相比具有如下优点：在驱动信号方面，系统利用单片机内部输出的PWM波以及功率放大电路来驱动光源然后改变光源的频率，提高了系统整体的抗干扰性和精度；在信号检测方面，利用选频电路来提高信号的信噪比，极大地提高了测量的准确性；系统可以检测混合气体的浓度，且不需要事先对待测气体进行预处理。后续还可以对本系统继续改进，将主控芯片换成专用的数字信号处理芯片DSP，这样可以进一步提高系统的运算速率与准确性。