魏麗君，粟慧龍

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

0 引 言

硫污染是石油化工、海運等行業(yè)領(lǐng)域重點關(guān)注的問題，流污染導(dǎo)致的水源污染、植被污染和對人體的傷害問題越來越嚴(yán)重。因此，近年來對硫排放的監(jiān)測和檢測得到了眾多機構(gòu)和學(xué)者的研究。

中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所劉文清院士團隊研究了一系列低硫檢測和二氧化碳檢測以及PM2.5檢測的設(shè)備，代表國內(nèi)的最高水準(zhǔn)，在低硫檢測方面，最高的檢出限達到5 ppm 左右[1-3]；此外中北大學(xué)譚秋林團隊對非分光紅外低硫傳感器進行了工藝和整體設(shè)計，并且進行了集成化的研究，為后續(xù)的研究提供很好的基礎(chǔ)。

清華大學(xué)以及一些科研機構(gòu)也進行了多方面的探索，但是由于采用朗伯-比爾（Lambert-Beer）吸收定律，硫氣體的紅外吸收峰在一個敏感的區(qū)域，國外技術(shù)進行了嚴(yán)密的封鎖，進行研究的進程一直比較緩慢，并且在硫傳感器的工藝、檢測精度和穩(wěn)定度上，還存在不少問題。

基于此，本文擬從改進氣室工藝、改良光源調(diào)制方式與穩(wěn)定度、設(shè)計精密的微弱信號處理電路和設(shè)計恒溫控制系統(tǒng)等影響檢測結(jié)果的因素出發(fā)，逐一進行改進設(shè)計和實驗測試，完成氣室拋光管的鍍金與打磨，對光源的電調(diào)制頻率進行驗證測試[4-5]，從而實現(xiàn)一款高精密低硫探測裝置的設(shè)計。開展了實際測試，信噪比提升約73.7%，低硫檢測儀的測量平均值為0.382%，SD 為0.006%，RSD 為1.2%，瓶 內(nèi)RSD 為0.9%，檢 出 限 為0.01 ppm，實現(xiàn)了低硫的高精密測量。

1 非分光紅外（NDIR）探測的原理

非分光紅外的吸收圖譜如圖1 所示。從圖中可以看出，SO2的紅外特征吸收峰在7.25～7.40 μm 范圍處，該波段與人體紅外的波長范圍重疊，處于敏感檢測區(qū)域。

圖1 紅外吸收圖譜

非分光紅外氣體分析機理遵循朗伯-比爾吸收定律。定律的數(shù)學(xué)表達式為：

式中：I0為入射光強；I1為出射光強；L為氣體介質(zhì)的厚度；c為氣體濃度；μ為氣體的吸收系數(shù)。根據(jù)入射光強探測得到出射光強，其中光強的減弱對應(yīng)氣體濃度的變化，從而實現(xiàn)對氣體濃度的檢測。

2 非分光紅外（NDIR）氣體傳感器的研究現(xiàn)狀

基于研究目的，對劉文清院士團隊的監(jiān)測設(shè)備等相關(guān)技術(shù)進行了研究，學(xué)習(xí)和借鑒了中北大學(xué)譚秋林團隊成果中先進經(jīng)驗，總結(jié)了各自團隊中存在的相關(guān)問題和后續(xù)研究的方向，其中重點聚焦在以下幾個方面：

1）被測氣體的收集和送入到氣室過程中，氣體需要得到充分的均勻，這與標(biāo)準(zhǔn)氣體的檢測存在很大的差異，容易造成測量誤差。

2）由于檢測精度具體反映在光強的變化上，因此，光源的穩(wěn)定性和調(diào)制方式容易造成檢測的誤差，可能還存在光源老化的問題等。

3）傳感器出來的初始信號非常微弱，甚至比周圍的噪聲還小，因此需要設(shè)計具有高精度的微弱信號處理電路，能精確提取其中的有效信號，并進行放大，可以由單片機進行處理。

4）非分光紅外系統(tǒng)吸收受溫度的影響大，因此檢測環(huán)境要在相對恒溫的環(huán)境中進行，為了測試的精確性，實驗時溫度的穩(wěn)定性越高，誤差越小。

3 非分光紅外（NDIR）氣體傳感器的改進設(shè)計

3.1 進氣裝置的改進

針對被測氣體送入檢測氣室時混合不均勻從而導(dǎo)致檢測誤差的問題。設(shè)計采用平面六通閥和定量閥來解決，氣體通入平面六通閥時，可以進行充分的均勻；然后通入到定量閥中，可以確保每次通入氣體的體積保持高度的一致。因此，根據(jù)采集得到的信號，能更加準(zhǔn)確地測定氣體的濃度。

平面六通閥和定量閥改進裝置如圖2 所示。

圖2 平面六通閥和定量閥改進裝置

3.2 光源的調(diào)制與編程控制

紅外光源采用mirl17，調(diào)制方式采用相比較更加穩(wěn)定的電調(diào)制方式，該光源調(diào)制深度和調(diào)制頻率之間的關(guān)系圖如圖3 所示。

圖3 紅外光源的調(diào)制深度與調(diào)制頻率的關(guān)系圖

從圖3 可以看出，當(dāng)調(diào)制頻率超過15 Hz 以后，調(diào)制深度將出現(xiàn)急劇下降，經(jīng)過反復(fù)的試驗驗證和信號的穩(wěn)定度，選擇調(diào)制頻率為10 Hz。為了產(chǎn)生精確的10 Hz的驅(qū)動信號，設(shè)計采用CPLD ATF1508 產(chǎn)生，CPLD 的核心程序代碼如下：

CLK_AD：process（OSC）

begin

if OSC′event and OSC=′1′then

ADcount＜=ADcount+1；

--if

ADcount="000111100000"then --7 680

--if

ADcoun="001011100000"then

If ADcount="000011000000"

then--9 600

--if

ADcount="000011000000"then --19 200

AD_osc＜=not AD_osc；

ADcount＜="00000 0000000"

end if；

end if；

end process CLK__AD；

AD_CLK＜=AD_osc；

此外還存在光源老化帶來的檢測誤差，為了解決此問題，一般采用恒功率驅(qū)動方式，并定期對其進行檢測，確保由此帶來的誤差降至最低。

3.3 紅外池及恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計

紅外池是整個系統(tǒng)的核心，氣室粗糙度和溫漂是紅外池的兩大主要測量誤差來源。氣室粗糙度主要需要采用高精度的內(nèi)壁拋光管，并為了防止腐蝕氣體造成的腐蝕，在其內(nèi)壁采用鍍金處理。粗糙度如果不夠，會造成漫反射，這將直接影響到檢測的結(jié)果，因此，拋光管的選擇非常重要。設(shè)計恒溫控制系統(tǒng)是為了減少溫漂帶來的誤差。設(shè)計時，為了防止空氣流動或周邊環(huán)境對其造成影響，將恒溫溫度設(shè)置在48 ℃，主要的控制算法采用PID 控制算法。增量式PID 階梯控制方法示意圖如圖4 所示，具體的設(shè)計流程如圖5 所示。

圖4 增量式PID 階梯控制方法示意圖

圖5 控溫流程

通過對系統(tǒng)的設(shè)計，確保了控溫精度達到±0.1 ℃。比較當(dāng)前的恒溫控制系統(tǒng)，精度提升10 倍左右，更好地解決了溫漂問題。

3.4 微弱信號處理電路的改進設(shè)計

從傳感器出來的信號是非常微小的，經(jīng)過測量，中心頻率約1.52 Hz。因此，微弱信號處理電路的設(shè)計主要圍繞兩個任務(wù)進行：

1）對信號進行精確選頻；

2）對其進行有效的放大。

設(shè)計采用兩級二階壓控電壓源濾波電路，第一級放大如圖6 所示。

圖6 第一級二階壓控電壓源濾波電路

二階壓控電壓源的特征頻率（單位為Hz）為：

通帶放大倍數(shù)為：

通帶放大倍數(shù)為1.152，小于3，說明電路不會產(chǎn)生自激震蕩，工作狀態(tài)穩(wěn)定。

第二級二階壓控電壓源濾波電路如圖7 所示。

圖7 第二級二階壓控電壓源濾波電路

經(jīng)過計算可得其特征頻率（單位為Hz）為：

兩級濾波電路的特征頻率都約為1.52 Hz，完全可以有效進行選頻處理，因此濾波效果更好。第二級的通帶放大倍數(shù)也可按照同樣的方法計算，結(jié)果為2.235，小于3，同樣不會產(chǎn)生自激震蕩，工作穩(wěn)定。

兩級電路的品質(zhì)因數(shù)可分別由式（6）和式（7）計算得到。電路總的品質(zhì)因數(shù)由式（8）計算可得，結(jié)果為0.707。因此，該電路還具有最佳的平特性和很好的創(chuàng)新性。

4 信噪比改善的軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)整體軟件流程

軟件設(shè)計主要解決兩個問題：其一是將測量得到的有效信號放大到單片機可以處理的電壓范圍以后，通過單片機對A/D 轉(zhuǎn)換后的信號進行采集和處理；其二是對采集到的信號進行數(shù)字濾波，進一步提高測量的精度。軟件設(shè)計流程圖如圖8 所示。

圖8 軟件設(shè)計流程

4.2 核心算法原理與設(shè)計

雖然在硬件濾波電路設(shè)計時，盡可能地考慮了濾波的效果，對選頻特性和放大都做了比較合適的優(yōu)化，但測試得到的信號中，噪聲是肯定存在的。因此為了提升測量的信噪比，在軟件設(shè)計時，采用了遞推平均濾波法。

該算法的原理是連續(xù)采樣N次，將其做成一個序列。每次有新的信號被采樣進來后，就排列在信號的末尾，將第一個數(shù)據(jù)舍棄，再對序列中采集到的數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均；然后將得到的值再做最后的算術(shù)平均。這樣就可以將誤差平均到每一個采集到的數(shù)據(jù)上，做到將噪聲的影響降至最低。

核心的算法代碼如下所示：

void data_processing（void）

{

uchar idata i，j，checkout；

//uint xdata tmp；

//longint xdata signal_sum；

//float idata tmp_val；

EA=false；EX0=false；

//SCLK=true；//reset the a/d chip

for（i=0；i＜sum-1；i++）

{ for（j=i+1；j＜sum；j++）

{if（sample_value[i]＜sample_value[j]）

{ tmp=sample_value[i]； sample_value[i] =sample_value[j]；

sample_value[j]=tmp；

}

}

}

signal_sum=0；

for（i=6；i＜sum-6；i++）

{

signal_sum+=sample_value[i]；

average[!channel]=signal_sum/（sum-12）；

}

5 試驗與數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過對現(xiàn)有低硫傳感器的技術(shù)進行分析和調(diào)研，針對存在測量誤差和具有改進設(shè)計的四個主要方面進行了全面的改進設(shè)計，并在軟件和硬件上都進行濾波處理。改進設(shè)計前后探測器檢測到的信號數(shù)據(jù)波形圖分別如圖9 和圖10 所示。

圖9 改進前探測的信號波形

圖10 改進后探測到的信號波形

通過比較可得，在信號整體幅度非常小的情況下，信號的紋波從改進前的140 μV 下降了改進后的50 μV 左右，噪聲下降約73.7%，改進效果明顯。

完成設(shè)計后的低硫探測傳感器應(yīng)用在測硫儀中，采用多點校準(zhǔn)和單點校準(zhǔn)進行了多瓶的具體測試，測試結(jié)果如表1 所示。從測試結(jié)果可以得出，測量平均值為0.382%，標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）為0.006%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為1.2%，瓶內(nèi)RSD 為0.9%，檢出限為0.01 ppm，在現(xiàn)有水平的基礎(chǔ)上提升了近500 倍，實現(xiàn)了低硫的高精密測試。

表1 低硫檢測的測試結(jié)果表 %

6 結(jié) 論

本文針對現(xiàn)有非分光紅外（NDIR）探硫傳感器檢測中信噪比影響的相關(guān)因素進行了調(diào)研和分析，重點對其中的四個方面的問題進行了改進設(shè)計。通過改進設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上進行了探測器端信號的前后比較，并將改進設(shè)計的傳感器應(yīng)用了低硫檢測儀上。開展了實際測試，信噪比提升約73.7%，低硫檢測儀的測量平均值為0.382%，SD 為0.006%，RSD 為1.2%，瓶內(nèi)RSD 為0.9%。檢出限為0.01 ppm，實現(xiàn)了低硫的高精密測量。后期主要的研究方向是將其進行集成化設(shè)計，更多考慮其他惡劣環(huán)境條件下的應(yīng)用測試。