摘  要： 針對環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)現(xiàn)場對有害氣體濃度精確監(jiān)測的需要，利用紅外吸收光譜檢測原理，以DSP芯片TMS320F2812為控制處理核心，設(shè)計了能同時檢測CO、CO2、CH4濃度的有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)。簡要說明了紅外吸收光譜檢測原理及系統(tǒng)架構(gòu)，詳細(xì)介紹了脈沖調(diào)制紅外光源、熱釋電紅外探測器、信號調(diào)理電路、智能控制處理系統(tǒng)的設(shè)計。實驗結(jié)果表明，該監(jiān)測系統(tǒng)測量精度高、穩(wěn)定性能好、具有較高的應(yīng)用推廣價值。
關(guān)鍵詞： 紅外吸收；氣體濃度；DSP；監(jiān)測

　隨著城市化和工業(yè)化進程的加快，各種有害氣體的排放對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、自然環(huán)境和日常生活的影響越來越嚴(yán)重，已引起全社會的廣泛關(guān)注。局部環(huán)境和工業(yè)現(xiàn)場有害氣體濃度過高，將嚴(yán)重危害人們的身體健康。因此，對某些特定區(qū)域內(nèi)有害氣體濃度的監(jiān)測具有十分重要的意義。與傳統(tǒng)的氣體濃度測量方法相比，紅外吸收光譜法具有測量精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性能好、抗干擾能力強、可實現(xiàn)多組分氣體濃度的同時測量等諸多優(yōu)點。目前，國內(nèi)在紅外吸收光譜氣體濃度檢測技術(shù)方面還處于起步發(fā)展階段，大多數(shù)測量儀器仍選用鎳鉻絲作為紅外光源，采用機械方式調(diào)制紅外光，存在穩(wěn)定性差、使用壽命短、對震動敏感等缺陷[1-2]。
本文設(shè)計的有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)，采用新型脈沖調(diào)制紅外熱輻射光源，高精度干涉濾光片一體化熱釋電紅外探測器，DSP智能控制處理系統(tǒng)等，可在線監(jiān)測大氣環(huán)境及工業(yè)現(xiàn)場中CO、CO2、CH4的濃度，具有自動顯示、越限報警及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。
1 紅外吸收光譜檢測原理
　紅外吸收光譜法是利用物質(zhì)對紅外電磁輻射具有選擇性吸收的特性來對物質(zhì)進行定性或定量分析的方法。根據(jù)紅外理論，許多化合物分子在紅外波段都有一定的吸收峰，吸收峰的強弱及所在波長由分子本身的結(jié)構(gòu)決定，氣體分子的吸收峰主要分布在1 μm～25 μm波長的紅外區(qū)[3]。如CO、CO2、CH4分別在4.66 μm、4.26 μm、3.46 μm有一個吸收峰。當(dāng)紅外光通過氣體時，氣體分子吸收光能量，在相應(yīng)的波長處就會產(chǎn)生光強的衰減，而衰減程度與氣體濃度的高低有關(guān)，其關(guān)系服從Lamber-Beer定律，如式（1）所示。
　I=I0e-KCL（1）
　式中：I0為入射光強度；I為出射光強度；K為氣體吸收系數(shù)；C為氣體濃度；L為紅外光透過氣體的長度。
氣體吸收系數(shù)K取決于氣體特性，不同氣體的吸收系數(shù)互不相同，對同一種氣體，K是吸收峰波長的函數(shù)，當(dāng)待測氣體種類一定時，K為一定值。當(dāng)L一定時，只需測量出射光強度I，即可確定待測氣體濃度。由于光強易受外界環(huán)境的影響且不方便測量，因此，需要利用熱釋電紅外探測器將光強的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，實現(xiàn)對氣體濃度的間接測量。
　系統(tǒng)采用單光源4波長的檢測方法，紅外光源發(fā)出的紅外光通過測量氣室內(nèi)的光學(xué)反射系統(tǒng)入射到熱釋電紅外探測器上，探測器設(shè)置4個獨立的檢測單元，其中：3個測量單元，1個參考單元。每個單元上安裝窄帶干涉濾光片，測量單元濾光片的透射中心波長分別與待測氣體的吸收峰波長相對應(yīng)，而參考單元濾光片的透射中心波長則遠(yuǎn)離待測氣體的吸收峰波長。紅外吸收光譜檢測結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

　該系數(shù)與光源特性、濾光片的透射效率、探測器的響應(yīng)及環(huán)境溫度有關(guān)。對同一探測系統(tǒng)，在相同的使用條件下，每個測量單元與參考單元的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)的比值為常數(shù)。只需測得各單元的輸出電壓，由式（6）～（8）即可確定待測氣體的濃度值。這樣的測量方法，可以消除由于光源衰減及溫度變化對測量精度的影響。
2 系統(tǒng)設(shè)計
　系統(tǒng)以DSP為控制處理核心，由光源調(diào)制驅(qū)動電路、紅外吸收檢測模塊、放大濾波及檢波整流電路、通信接口、鍵盤、LCD顯示和電源模塊等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 DSP芯片的選擇
　DSP是整個系統(tǒng)的控制處理核心部分，直接影響硬件和軟件的設(shè)計，選用TI公司的32位定點數(shù)字信號處理器TMS320F2812，具有以下特點：最高工作頻率150 MHz，32位處理器，可實現(xiàn)在較短時間內(nèi)完成復(fù)雜的算法任務(wù)。擁有豐富的片內(nèi)資源，片上Flash、ROM、RAM、定時器、增強局域網(wǎng)絡(luò)eCAN，12位16通道片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，簡化了硬件電路設(shè)計。支持TI的ex-pressDSPTM實時開發(fā)技術(shù)，TMS320DSP算法標(biāo)準(zhǔn)，CCS集成開發(fā)環(huán)境，為軟件開發(fā)提供了便利條件。
2.2 紅外吸收檢測模塊
　紅外吸收檢測模塊包括：紅外光源、氣室、熱釋電紅外探測器。紅外光源及熱釋電紅外探測器安裝在內(nèi)壁光潔的鍍膜氣室內(nèi)，氣室開有帶防塵罩的氣孔，以便使氣體自由擴散。氣室內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)，使光源發(fā)射的紅外光經(jīng)反射后入射到熱釋電紅外探測器上，以增加光程，提高檢測分辨率。
紅外光源采用新型脈沖調(diào)制紅外熱輻射光源MIRL17-900，以無定形碳材料作為多層熱電阻薄膜，通過電流后發(fā)熱產(chǎn)生紅外輻射，其光譜輸出范圍是1.0 μm～20 μm，完全覆蓋待測氣體的吸收峰波長。具有使用壽命長、發(fā)射效率高、熱容量小等優(yōu)點[4]。用MIRL17-900取代由傳統(tǒng)紅外光源、切光片和驅(qū)動電機組成的光源系統(tǒng)，使得光源系統(tǒng)中沒有可動部件，增強了穩(wěn)定性和可靠性。
    熱釋電紅外探測器是系統(tǒng)的核心器件，采用高精度干涉濾光片一體化熱釋電紅外探測器TPS4339，該探測器是專門針對多組分氣體檢測而設(shè)計的新型熱釋電紅外傳感器，包括3個測量單元、1個參考單元和用于溫度補償?shù)臏y溫單元。3個測量單元的濾光片透射中心波長分別為：4.66 μm、4.26 μm、3.46 μm與待測氣體CO、CO2、CH4的吸收峰相對應(yīng)，參考單元的濾光片透射中心波長為3.93 μm，遠(yuǎn)離被測氣體的吸收峰，參考單元的光譜不能為被測氣體所吸收，只反映光源的光強信息，TPS4339通過各單元濾光片將光強變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。濾光片與探測器的一體化結(jié)構(gòu)，使其具有體積小、穩(wěn)定性好及調(diào)試方便等優(yōu)點。
2.3光源調(diào)制驅(qū)動電路
　熱釋電紅外探測器只響應(yīng)變化的光強，而對于穩(wěn)定的光強，其輸出信號為恒定值。因此，在使用熱釋電紅外探測器對光強進行探測時，需對紅外光源進行一定頻率的調(diào)制[5]。根據(jù)MIRL17-900及TPS4339使用手冊中，光源光強及紅外探測器響應(yīng)隨調(diào)制頻率的增加而下降的關(guān)系，設(shè)置光源調(diào)制頻率為2 Hz。2 Hz方波調(diào)制信號由TMS320F2812定時中斷產(chǎn)生，通過反相驅(qū)動器74F04和光電耦合器MCT273控制功率場效應(yīng)管IRF9410通斷，實現(xiàn)對光源的調(diào)制，光源調(diào)制驅(qū)動電路如圖3所示。

2.6 外部接口模塊
　外部接口模塊包括：通信接口、LCD顯示、鍵盤、越限報警等。TMS320F2812內(nèi)部集成了增強型CAN控制器eCAN，可通過CAN總線實現(xiàn)有害氣體濃度的遠(yuǎn)程監(jiān)控。外擴一塊128 k×16的靜態(tài)存儲器IS61LV12816，用于擴展程序存儲空間，由于工作電壓為3.3 V，可直接與TMS320F2812的I/O口相連。LCD顯示選用二線串行接口的段式液晶模塊SMS0401。鍵盤設(shè)置4個按鍵，分別為模式選擇鍵、上下調(diào)節(jié)鍵及確定鍵，模式選擇鍵用以切換參數(shù)設(shè)置模式或測量模式，通過上下調(diào)節(jié)鍵即可設(shè)置各測量單元的濃度越限值。越限報警電路由TMS320F2812的通用I/O輸出口控制，產(chǎn)生聲光報警。
2.7電源模塊
　系統(tǒng)采用220 V市電供電，通過開關(guān)電源將其變換為±12 V和＋5 V。TMS320F2812所需的數(shù)字3.3 V和1.8 V電源，由＋5 V電壓經(jīng)低壓差雙路輸出線性電源TPS767D301將其變換為3.3 V和1.8 V。模擬電源和數(shù)字電源分開設(shè)計。
2.8軟件設(shè)計
　系統(tǒng)軟件包括初始化程序、主程序、參數(shù)設(shè)置子程序、測量子程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)通信子程序。編程開發(fā)工具使用CCS3.0，采用C語言、匯編語言混合編寫，系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

　系統(tǒng)上電后，執(zhí)行初始化程序，完成時鐘、DSP模式、通信接口芯片及LCD顯示等初始化操作。主程序循環(huán)執(zhí)行按鍵掃描操作，有按鍵時執(zhí)行參數(shù)設(shè)置子程序，完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，否則執(zhí)行測量子程序。通過DSP定時器產(chǎn)生光源調(diào)制信號，控制光源斷續(xù)發(fā)光，接收經(jīng)放大濾波、檢波整流后的檢測信號，對接收信號進行采樣存儲，根據(jù)設(shè)定算法計算出當(dāng)前的測量濃度。當(dāng)濃度超過越限值時，產(chǎn)生聲光報警，調(diào)用顯示子程序顯示各氣體的濃度值，調(diào)用通信子程序?qū)y量結(jié)果上傳至監(jiān)測服務(wù)器，實現(xiàn)統(tǒng)一的實時監(jiān)測。
3 實驗測試
　系統(tǒng)調(diào)試完成后，選擇CO、CO2、CH4進行實驗測試。由于氮氣不吸收紅外光，實驗中采用北京金訊電子有限公司的RCS2000-A型計算機自動配氣系統(tǒng)，將純凈的CO、CO2、CH4稀釋在氮氣中，制備不同組份不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)混合氣體。根據(jù)實際需要設(shè)置CO、CO2、CH4的量程范圍分別為：0～200×106、0～5%、0～10%。通入干燥的純度為99.999%的氮氣進行零點校準(zhǔn)，分別通入滿量程氣體進行量程校準(zhǔn)。然后在量程范圍內(nèi)，對由自動配氣系統(tǒng)配制的不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)混合氣體在常溫標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下進行測試，滿量程平均相對誤差小于3%。
　基于紅外吸收的有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。采用新型熱釋電紅外探測器，實現(xiàn)多種有害氣體濃度的同時檢測，光源調(diào)制及信號調(diào)理電路的優(yōu)化設(shè)計，有效降低了外部干擾，減小了系統(tǒng)誤差。DSP強大的運算處理能力，提高了系統(tǒng)的測量精度和速度，CAN總線通信方便遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對多種有害氣體濃度的實時監(jiān)測。氣室的精確設(shè)計，溫度的補償與算法有待進一步完善。
參考文獻(xiàn)
[1] 張軍輝，董永貴.非調(diào)理型NDIR傳感器及其信號處理方法的改進[J].清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，48（2）：189-191.
[2] 孟凡群，劉虎，程明宵，等.基于工業(yè)以太網(wǎng)的非分光紅外氣體分析器設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（9）：121-127.
[3] 崔厚欣，齊汝賓，張文軍，等.差分吸收光譜法大氣環(huán)境質(zhì)量在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].分析儀器，2008，11（1）：7-12.
[4] LASER COMPONENTS GMBH. Pulse Broadband Infrared Light Source MIRL17-900[J]. Specification，2006（9）：1-12.
[5] 王吉元，王蘊恒.嵌入式紅外吸收甲烷檢測儀的設(shè)計[J].自動化儀表，2009，30（2）：57-62.
[6] 毛曉波，陳鐵軍，羅勇.非色散性智能紅外瓦斯傳感器的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008（1）：68-74.