基于TDLAS的矿用激光一氧化碳检测系统的设计

张立群

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013)

0 引言

一氧化碳是煤层自燃的标志性气体，是火灾的主要指标，同时也是导致井下人员中毒死亡的重要因素。因此，对一氧化碳的实时准确监测与定期标校是煤矿安全的重中之重。目前煤矿普遍采用基于电化学测量原理的一氧化碳检测装置，此原理在实际应用中存在着如下问题：1)测量精度低，易受电磁干扰以及环境中的水汽、粉尘、氢气、乙烯等背景气的影响，造成其测量不准确、误报警现象时常发生；2)标校周期短，一般不超过15天；3)探头寿命短，因接触式的测量方式，通常1～2年探头就需更换一次。为此，孙继平教授在参考文献[1]煤矿的新技术中，对基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的一氧化碳测量方法给出了指导性建议。TDLAS技术是目前一种先进的气体测量技术，利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流可调节的特性，通过分析激光被气体的选择吸收程度来计算气体浓度，具有非接触式测量、测量精度高、响应速度快、环境适应性好等优点[2]，已逐渐在矿用激光甲烷检测装置上得以应用。但因其整机体积、成本、功耗、测量精度、激光器波长范围等因素，激光一氧化碳检测装置尚未在煤矿实际应用。

鉴于此，本文基于TDLAS技术，研究设计了一种激光一氧化碳检测系统，采用VCSEL型垂直腔面发射激光器替代DFB型激光器作为检测光源，有效改善了激光气体检测中的体积与功耗问题[3]，采用CAN总线与监控分站进行数字信号通信，实现了一氧化碳的实时可靠测量与数字信号传输。

1 系统总体设计

激光一氧化碳检测系统的总体结构图如图1所示。检测系统以ARM STM32F429和FPGA XC6SLX45为设计核心，采用模块化结构设计，由电源模块、气体检测模块、主控模块、显示模块、通信模块、红外遥控模块、声光报警模块组成。

图1 系统总体结构图

电源模块负责系统的缓启及各等级的电压转换，给系统供电；气体检测模块基于TDLAS气体检测原理，负责将一氧化碳气体浓度转换成光强信号并提取光强信号的二次谐波幅值；主控模块根据气体检测模块提取到的光强二次谐波幅值，实时计算一氧化碳气体的浓度；显示模块用于将主控模块计算出的一氧化碳气体浓度值实时的本地显示；通信模块用于将一氧化碳浓度值实时传输给井下监控分站，再由分站上传到地面上位机；红外遥控模块接收遥控器的操作指令，对检测系统进行设置、标校；声光报警模块用于当一氧化碳浓度超限时，同时发出声、光两种报警信号。

2 系统检测原理

本文设计的激光一氧化碳检测系统基于TDLAS的检测原理实现对一氧化碳气体浓度的检测。每种气体都会吸收其特定波长的光，TDLAS气体检测原理就是基于气体在红外波段的的选择吸收性和Beer-Lambert定律[4]。Beer-Lambert定律如公式(1)，给出了光的吸收强弱与吸光物质之间的浓度关系。

I(v)=Io(v)exp[-α(v)CL]

(1)

式中，I(v)为光穿过被测气体后的出射光强度，Io(v)为被测气体浓度为0时的入射光强度，α(v)为被测气体分子吸收截面，C为被测气体浓度，L是光程。

TDLAS气体测量原理示意图2所示，利用半导体激光器输出波长随电流和温度可调节的特性，在低频锯齿波调谐信号的基础上叠加高频正弦波调制信号，驱动半导体激光器在一氧化碳的吸收峰附近扫描[5]，以消除激光器自身及周围环境带来的低频噪声干扰[6]，提升气体检测精度。激光经过气室被一氧化碳吸收后，光强发生衰减，经光电探测器将接收的光信号转换为电信号后，输出到锁相放大器解调，提取谐波信号。依据Beer-Lambert定律，对式(1)进行傅里叶展开后，可以得到光强的二次谐波幅值与待测气体浓度成正比关系[7-10]，因此可将气体浓度计算简化为式(2)：

图2 TDLAS气体测量原理示意图

C=KV2f

(2)

式中，C为气体浓度，K为比例系数，V2f为二次谐波幅值。

因此，可以通过测量二次谐波幅值来得到气体的浓度值。为进一步滤除随机噪声和系统噪声，多次采集标准气体浓度下的二次谐波幅值，将幅值与对应的标准气体浓度做最小二乘法直线拟合[11]，得到拟合度、正比例系数及拟合方程。取一氧化碳在50 ppm、100 ppm、200 ppm、350 ppm、500 ppm、600 ppm、750 ppm、900 ppm、1 000 ppm标准气体浓度下的二次谐波幅值20次，取平均值，拟合直线如图3所示。

图3 二次谐波幅值与气体浓度拟合直线

图3表明二次谐波幅值信号与气体浓度有良好的线性关系。之后通过采集气体二次谐波幅值再根据拟合方程，即可计算出待测的一氧化碳气体浓度值[12]。

3 系统硬件设计

3.1 电源模块设计

电源模块由系统的缓启动电路及各等级的电压转换电路两部分组成。矿用气体检测装置需满足长距离传输和低功耗需求，采用图4的电源缓启动电路，避免了系统上电瞬间产生的冲击电流对系统造成频繁重启或不工作的问题，同时保障了VCSEL型半导体激光器的安全与稳定。

图4 电源缓启动电路图

电源接入瞬间对电容C1充电，随着C1逐渐充满，P-MOS管Q1逐渐导通，掉电时C1、R1组成放电回路，减少震荡，实现电源缓启动。通过DC-DC电源转换芯片URB2405将外部22 V输入电压转换成5 V，为气体检测模块供电，再经TPS76933将5 V转换成3.3 V电压，给其他模块供电。

3.2 气体检测模块设计

气体检测模块基于TDLAS气体测量原理，完成对一氧化碳气体浓度的光强信号转换、光强信号的二次谐波幅值提取与主控模块的通信。气体检测模块以FPGA为控制核心，由激光器驱动电路、VCSEL激光器、气室、光电探测器、信号处理电路组成。

激光器采用德国VERTILAS公司的中心波长2 334 nm的VCSEL激光器，相比于目前普遍使用的DFB激光器，VCSEL结构的激光器具有体积小、发热量小、光谱稳定性高、价格低廉等优势，可有效改善激光传感器在井下使用时的体积、功耗与成本等问题[13]。气室采用多次反射方式增加吸收光程，提升探测灵敏度。

FPGA完成调制激光驱动波形的产生以及二次谐波幅值信号的数字锁相解调与提取[14]。利用FPGA内部集成的数字波形发生器功能模块，产生低频锯齿波叠加高频正弦波的激光器驱动信号，经过D/A芯片DAC8830变换成模拟量后，通过激光电流驱动电路调节激光器的供电电流，从而调节激光器的出射波长，电流驱动电路如图5所示。

图5 激光器电流驱动电路图

Vr为FPGA产生的激光器输入调谐电压，驱动电流Io随输入的调谐电压Vr线性变化，实现对激光器的电流驱动控制。电路由运放和场效应管等组成，选用高稳定度、低噪声低失调电压、小温漂的高速精密运放OPA227作电压跟随。R20为限流电阻，R22为低温漂电流采样电阻，流经R22的电流即驱动电流Io，R21和C19起滤波作用，在输入电压和负载瞬间变化时保证电路的稳定，D7防止浪涌击穿激光器。

激光器在驱动电流的作用下产生特定波长的激光光束，激光光束穿过气室被一氧化碳吸收后，由光电探测器将衰减的光信号转换成电信号。光电探测器的输出为毫安电流信号，比较微弱[15]，采用二级放大电路对微弱的电流信号处理，第一级采用AD829跨阻放大电路完成电流电压转化，第二级实现电压信号放大，避免了使用单级放大电路引入的噪声与失真[16]。经信号放大处理后送入FPGA内部的数字锁相放大器解调提取二次谐波幅值，提取出的幅值传给主控模块做进一步的浓度计算、实时显示与数字化传输。

3.3 主控模块设计

主控模块以ARM STM32F429为核心，由复位电路、JTAG电路、Flash存储电路组成，是完成系统各功能的处理核心。主控模块与气体检测模块采用SPI通信，根据其提取的光强二次谐波幅值，结合拟合方程实时计算一氧化碳气体的浓度值，并根据逻辑判断驱动显示模块、通信模块、声光报警模块、红外遥控模块，完成一氧化碳气体浓度的实时计算、显示、数据传输、参数配置、声光报警等功能。

3.4 显示模块设计

显示模块用于将主控模块计算出的一氧化碳气体浓度值实时本地显示，由共阴数码管、数码管驱动芯片ZLG7289组成，如图6所示。ZLG7289与主控模块采用SPI通信，其内部含有译码器并具有多种控制指令，控制数码管的段选与位选，实现数码管的实时显示、闪烁与消隐等功能[17]。

图6 数码管显示电路

3.5 通信模块设计

系统采用CAN总线实现与监控分站的数字信号通信，CAN总线的多主并发及CRC校验机制，实现了传感器在传输过程中的实时性及可靠性。CAN总线选用扩展帧格式，将传感器类型、故障类型等信息填进帧ID里主动上报，实现了系统自识别、故障自诊断等智能传输功能。通信模块电路如图7所示，选用集总线隔离与ESD保护于一体的金升阳CAN收发模块TD301DCAN，实现CAN信号驱动电平的转换，结合滤波模块L3、双向瞬态抑制二极管D10等保护器件，达到了浪涌(冲击)抗扰度3级A，脉冲群抗扰度4级A标准。

图7 CAN总线通信电路图

3.6 红外遥控模块设计

红外遥控模块电路由红外接收头HS0038B和红外解码芯片BC7210A组成，完成对红外遥控指令的接收，对系统的参数设置、标校，电路图如图8所示。红外接收头HS0038B易受电源杂波等干扰，在其电源脚VS接入R25和C17作电源滤波处理，输出脚OUT接入解码芯片BC7210A的红外输入脚IR，BC7210A采用NEC模式，完成解码后通过SPI与主控模块通信。

图8 红外遥控电路

3.7 声光报警模块设计

声光报警电路如图9所示，由主控模块根据一氧化碳的数值判断是否启动声光报警电路。一氧化碳超限时，主控模块I/O口Buzzer和LED输出低电平，T1、T2三级管S9012导通，蜂鸣器响，LED灯亮，实现系统声光报警功能。

图9 声光报警电路

4 系统软件设计

系统的软件设计包括FPGA和ARM的设计。利用FPGA的可编程性及内部集成的波形发生器、数字锁相放大器功能模块，完成DDS驱动信号的产生及二次谐波信号提取。ARM采用μC/OS-II实时系统，按系统的功能要求划分各任务及优先级，通过任务调度函数来调度各任务，实现气体浓度的实时计算、显示、通信、声光报警与遥控配置。系统软件流程如图10所示。

图10 系统软件流程图

系统上电对ARM和FPGA的相关外设以及初始的设备地址、报警值等参数初始化并进行故障自诊断。有故障时，系统显示故障类型码、进行声光报警并主动上报到监控分站。自检正常时，通过FPGA片内的累加器、波形数据表、数字锁相放大器等资源完成激光器的驱动信号调制及解调[18]。ARM根据FPGA传送过来的二次谐波值，依据拟合方程作气体浓度的实时计算与数码管显示。当有红外遥控中断时，执行相应的参数配置任务，当定时中断到时，执行CAN总线的实时通信任务。

5 测试结果与分析

系统的量程为0～1 000 ppm，对激光一氧化碳检测系统和电化学一氧化碳检测系统分别进行气体浓度基本误差和响应时间的对比实验，来验证基于TDLAS的激光一氧化碳检测系统的测量优势。

采用清洁空气和500 ppm标准气样分别对激光和电化学检测系统进行标定，校准后进行基本误差实验。按照检测标准分别向两种检测系统依次通入350 ppm、500 ppm、750 ppm标准气样各3 min，记录两种检测系统的显示值，重复测定3次取平均值，表1为电化学一氧化碳误差测试数据，表2为激光一氧化碳误差测试数据。

表1 电化学一氧化碳测试误差

表2 激光一氧化碳测试误差

从表中可以看出激光一氧化碳检测系统在低浓时误差相对较大，但整体精度表现明显优于电化学一氧化碳检测系统，测量精度较高。

对两种系统分别进行响应时间实验，按200 mL/min流量通入清洁空气，待系统零点稳定后，分别向两种检测系统通入500 ppm的标准气样，并开始记录传感器的显示值到450 ppm时所需的时间，重复测定3次取平均值，可得电化学一氧化碳的响应时间不大于35 s，激光一氧化碳的响应时间不大于15 s。

通过对TDLAS测量原理及上述实验分析可知，与基于电化学的一氧化碳检测系统相比，激光一氧化碳检测系统因采用全光学结构的激光器，具有本质安全的特性，使之不易受到电磁辐射的干扰、不产生火花，其高分辨率的光谱技术和非接触式测量方式，可有效降低粉尘或背景气体的干扰，具有更高的精度和更快的响应速度。

6 结束语

本文分析了TDLAS技术实现气体高精检测的原理，以ARM和FPGA为核心，设计了一种基于TDLAS技术的激光一氧化碳检测系统。采用VCSEL激光器减小了整机的体积与功耗。测试结果表明，该系统基本误差不大于测量值的2%，响应时间不大于15 s，与传统的电化学检测系统相比，基于TDLAS技术的一氧化碳检测系统具有单一选择性、不受背景气干扰；测量线性好，精度高、响应快；标校周期长、使用寿命长等优点[19]，解决了目前煤矿电化学一氧化碳检测系统存在的诸多问题，实现了一氧化碳的实时在线测量与数字信号传输。TDLAS气体检测技术在一氧化碳检测系统上的应用，对提升煤矿安全监测的可靠性，减轻井下人员对设备运维的工作量具有重要的现实意义与经济价值[20]。