混合气体的光电检测系统

王丽静，张建军，王丽君

(1.西安石油大学，陕西西安 710300；2.陕西国际商贸学院，陕西咸阳 712046)

0 引言

针对混合气体的研究起步较晚，检测技术仍然以化学方式为主[1]，这种技术仍然存在精度不高和延后的问题，而常用的混合气体检测方法都是以大型仪器为主，成本比较高且不方便移动检测，为方便人们使用，开发一种嵌入式的混合气体光电检测系统。

根据气体波长不一样的原理，设计一种混合气体的光电检测系统[2]，利用光吸收原理设计硬件检测电路和气体识别程序，通过检测混合气体和不同浓度气体验证检测系统。

1 混合气体的光电检测系统

光电检测技术是光学与电学相结合的一种新型技术，先利用光学技术将非电量信号转变为光学信号，再利用电学技术将光信号转变为电子信号[3]，经由电路进行放大、滤波、转换等处理转变为接收终端可以识别的信号。

由于光学信号比较微弱，在自然光和日照等条件下有效信号非常容易被淹没在噪声中，要求本系统拥有高的信噪比和灵敏度，为达到要求需采用下述手段[4]。调制光源来抵抗干扰，采用双路对比的方式识别光学信号，尽量选择增益可调的放大器、高精度的ADC转换器、信号分析系统中也要有数字滤波和混合气体的检测分析程序[5]。

详细过程如图1所示，光源采用PWM调制后使用，激励源调制后的光信号具有更好的抗噪声能力；光照经过混合气体后会变成不同波长的信号，与参考信号比对后即可以识别出气体的类型；不同气体调制后的光信号经过解调电路后转变为电信号，再利用硬件电路的RC滤波和低通滤波器消除环境的噪音干扰，硬件电路中的自动增益放大器可以放大微弱的光学信号[6]，保证采集的数字量精度；信号分析系统比对数据库中的气体模型后识别出气体的种类和浓度。

2 混合气体检测硬件系统

混合气体检测硬件系统可以分为激励源电路、解调电路和调理电路等3部分。被测气体为至少3种的混合气体，激励源电路用于调制光源产生载波信号，解调电路和调理电路用于提高信号的信噪比。

2.1 激励源电路

使用TL431典型的恒流源电路如图2所示，给光源提供激励，R449作为采样电阻，Iout输出的电流为4 mA，根据输出电压为5 V，计算出采样电阻阻值为1.25 kΩ。当输入电压开始升高，流经三极管的偏置电流增大[7]，从而导致流过R449的电流大幅度增大，R449的电压降增大，一旦电压升高，TL431会使阴阳极的电流大幅增加，最终使R449的电压降为5 V。

2.2 解调电路

AD811是一款专用解调放大器，由于光电检测环境需要低噪声、宽频率的条件，AD811放大器非常适合这种环境，而且具有电流反馈功能，相比电压反馈系统来说更加稳定。电路采用反向放大器接法，由于采用两级运放缓冲电路可以使输出电压的峰值达到5 V。由于此放大器的电流输出驱动能力比较强，所以在两级放大器之间串联1 kΩ的限流电阻，双AD811构成的解调电路高频响应效果良好。

解调电路具体应用如图3所示，主要功能为实现气体种类的识别，IV变换后的电信号从REF_PWM和Vin两个端子输入作为对比，REF为氮气的电压信号，Vin为混合气体的电压信号，两种信号通过对比和解调后，低频率信号得出的即为有效信号[9]，但是频域波形显示存在高频噪声，后续还需要数字低通滤波器将噪声部分滤除。

图3 解调电路

2.3 调理电路

经查询AD603的手册，其可以通过编程的方式控制输出电压的增益倍数，输入信号越小则输出增益倍数增大，反之也成立。本文结合实际应用给出了一种利用AD603与2片OP07级联而构成的电路，用有效值电路来控制放大电压。

调理电路部分的实际电路如图4所示，主要功能为实现增益倍数的编程控制，程控放大电路为三级顺序连接，信号采集部分输出的信号经过A/D采集，由MCU计算后输出调节电压，从而精确地控制放大器倍数，三级放大加数字闭环的调理方式更加灵敏稳定。图中的C352、C353用于电源去耦；C358、C359为放大器的级间耦合电容；C354、C355用于AD603频响的高频提升。

图4 可编程增益放大电路

3 光电检测的软件系统

3.1 数字低通滤波器

数字滤波器与模拟滤波器相比参数修改更加灵活且稳定性好，由于混合气体扩散过程缓慢，所以有效信号在低频波段，而日照光噪声、电路噪声等都为高频信号[10]，二阶数字低通滤波器可以提取出有效信号，滤波器函数关系如式(1)所示。

(1)

式中：G(S)为传递函数；Wn为截止频率；S为极点数值。

选定算法后，使用MATLAB仿真单位信号，滤波后效果如图5所示，高频段信号出现-70 dB以上衰减，低频率有效信号可以完整保存下来，该算法的实现简单可靠，非常适用于本系统。

图5 低频滤波效果

3.2 驱动程序

本系统采用12位的A/D采集电路识别混合气体的电压信号，STM32对于A/D采集到的数据以DMA模式存储到数组中，该部分主要包括初始化、DMA初始化等[11]，具体流程如图6所示。开始先配置I/O端口为输入接口，可以接收电压信号，设置ADC端口、ADC时钟、转换速率和工作模式等部分，设置数据存储为DMA模式，可以高效准确地存储多种气体的数据。

图6 ADC驱动程序

3.3 混合气体检测分析

混合气体检测程序流程如图7所示，分光传感器将混合气体和光源的信号转换为2种电压信号，通过提取数据库中特征参数判断气体种类[12]，传感器的响应曲线经过分析运算后判断出浓度的数值。要实现多种混合气体的检测，就要提取尽可能多的模型存储到数据库中。

图7 混合气体检测程序

4 混合气体的检测试验

混合气体的光电检测需要对系统功能进行测试，证明系统可以检测不同的混合气体，检测系统的高灵敏度可以识别气体的不同浓度。

4.1 混合气体识别实验及分析

在70 ppm(1 ppm=10-6)的氨气与40 ppm的硫化氢混合气体中，放入10 ppm的氮气，待3种气体充分混合后开始检测多种气体，实验结果如图8所示，表明本光电检测系统可以快速识别不同的污染性气体，随着气体扩散两种气体的检测浓度会降低，检测精度和趋势都符合试验环境，氮气作为惰性气体不会被检测也符合系统设计。

图8 混合气体检测试验

4.2 灵敏度识别结果判断

采用不同浓度氨气检验检测系统的精度，结果如图9所示，10 μg/mL浓度下检测系统的输出电压为12.5 mV，检测系统的精度可以达到10 mV级别，利用试验数据计算出浓度的相对标准偏差小于5%，满足检测系统精度和灵敏度的要求。

图9 混合气体检测试验

5 结论

本文设计了一种混合气体的光电检测系统，采用光电对比的混合气体信号采集检测系统，首先分析光电检测系统的原理，然后对激励源电路、解调电路和调理电路进行硬件设计，开发数字滤波器、驱动程序和混合气体检测分析的软件系统，利用混合气体和化学对比实验验证系统。分析结果发现此光电系统可以准确地识别多种混合气体。