摘  要： 針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)有害氣體濃度精確監(jiān)測(cè)的需要,，利用紅外吸收光譜檢測(cè)原理，以DSP芯片TMS320F2812為控制處理核心,，設(shè)計(jì)了能同時(shí)檢測(cè)CO,、CO2、CH4濃度的有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。簡(jiǎn)要說(shuō)明了紅外吸收光譜檢測(cè)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(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路,、智能控制處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度高,、穩(wěn)定性能好,、具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 紅外吸收,；氣體濃度,；DSP；監(jiān)測(cè)

　隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快,，各種有害氣體的排放對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),、自然環(huán)境和日常生活的影響越來(lái)越嚴(yán)重，已引起全社會(huì)的廣泛關(guān)注,。局部環(huán)境和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有害氣體濃度過(guò)高,，將嚴(yán)重危害人們的身體健康。因此,，對(duì)某些特定區(qū)域內(nèi)有害氣體濃度的監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義,。與傳統(tǒng)的氣體濃度測(cè)量方法相比，紅外吸收光譜法具有測(cè)量精度高,、響應(yīng)速度快,、穩(wěn)定性能好、抗干擾能力強(qiáng),、可實(shí)現(xiàn)多組分氣體濃度的同時(shí)測(cè)量等諸多優(yōu)點(diǎn),。目前，國(guó)內(nèi)在紅外吸收光譜氣體濃度檢測(cè)技術(shù)方面還處于起步發(fā)展階段,，大多數(shù)測(cè)量?jī)x器仍選用鎳鉻絲作為紅外光源,，采用機(jī)械方式調(diào)制紅外光，存在穩(wěn)定性差,、使用壽命短,、對(duì)震動(dòng)敏感等缺陷[1-2]。
本文設(shè)計(jì)的有害氣體監(jiān)測(cè)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(cè)器，DSP智能控制處理系統(tǒng)等,，可在線(xiàn)監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中CO,、CO2、CH4的濃度，具有自動(dòng)顯示,、越限報(bào)警及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能,。
1 紅外吸收光譜檢測(cè)原理
　紅外吸收光譜法是利用物質(zhì)對(duì)紅外電磁輻射具有選擇性吸收的特性來(lái)對(duì)物質(zhì)進(jìn)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(qiáng)弱及所在波長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)吸收峰。當(dāng)紅外光通過(guò)氣體時(shí),，氣體分子吸收光能量,，在相應(yīng)的波長(zhǎng)處就會(huì)產(chǎn)生光強(qiáng)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(qiáng)度,；I為出射光強(qiáng)度,；K為氣體吸收系數(shù)；C為氣體濃度,；L為紅外光透過(guò)氣體的長(zhǎng)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(duì)同一種氣體,，K是吸收峰波長(zhǎng)的函數(shù)，當(dāng)待測(cè)氣體種類(lèi)一定時(shí),，K為一定值。當(dāng)L一定時(shí),，只需測(cè)量出射光強(qiáng)度I,，即可確定待測(cè)氣體濃度。由于光強(qiáng)易受外界環(huán)境的影響且不方便測(cè)量,，因此,，需要利用熱釋電紅外探測(cè)器將光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的間接測(cè)量,。
　系統(tǒng)采用單光源4波長(zhǎng)的檢測(cè)方法,，紅外光源發(fā)出的紅外光通過(guò)測(cè)量氣室內(nèi)的光學(xué)反射系統(tǒng)入射到熱釋電紅外探測(cè)器上，探測(cè)器設(shè)置4個(gè)獨(dú)立的檢測(cè)單元，其中：3個(gè)測(cè)量單元,，1個(gè)參考單元,。每個(gè)單元上安裝窄帶干涉濾光片，測(cè)量單元濾光片的透射中心波長(zhǎng)分別與待測(cè)氣體的吸收峰波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng),，而參考單元濾光片的透射中心波長(zhǎng)則遠(yuǎn)離待測(cè)氣體的吸收峰波長(zhǎng),。紅外吸收光譜檢測(cè)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(cè)器的響應(yīng)及環(huán)境溫度有關(guān)。對(duì)同一探測(cè)系統(tǒng),，在相同的使用條件下,，每個(gè)測(cè)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(cè)得各單元的輸出電壓,，由式（6）～（8）即可確定待測(cè)氣體的濃度值,。這樣的測(cè)量方法，可以消除由于光源衰減及溫度變化對(duì)測(cè)量精度的影響,。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)以DSP為控制處理核心,，由光源調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路、紅外吸收檢測(cè)模塊,、放大濾波及檢波整流電路,、通信接口、鍵盤(pán),、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(gè)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(jì),，選用TI公司的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812，具有以下特點(diǎn)：最高工作頻率150 MHz,，32位處理器,，可實(shí)現(xiàn)在較短時(shí)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(shí)器,、增強(qiáng)局域網(wǎng)絡(luò)eCAN，12位16通道片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器,，簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì),。支持TI的ex-pressDSPTM實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)技術(shù),，TMS320DSP算法標(biāo)準(zhǔn)，CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,，為軟件開(kāi)發(fā)提供了便利條件,。
2.2 紅外吸收檢測(cè)模塊
　紅外吸收檢測(cè)模塊包括：紅外光源、氣室,、熱釋電紅外探測(cè)器,。紅外光源及熱釋電紅外探測(cè)器安裝在內(nèi)壁光潔的鍍膜氣室內(nèi)，氣室開(kāi)有帶防塵罩的氣孔,，以便使氣體自由擴(kuò)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(cè)器上,，以增加光程,，提高檢測(cè)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(wú)定形碳材料作為多層熱電阻薄膜,，通過(guò)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(cè)氣體的吸收峰波長(zhǎng),。具有使用壽命長(zhǎng)、發(fā)射效率高,、熱容量小等優(yōu)點(diǎn)[4],。用MIRL17-900取代由傳統(tǒng)紅外光源、切光片和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成的光源系統(tǒng),，使得光源系統(tǒng)中沒(méi)有可動(dòng)部件,，增強(qiáng)了穩(wěn)定性和可靠性。
    熱釋電紅外探測(cè)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(cè)器TPS4339,，該探測(cè)器是專(zhuān)門(mén)針對(duì)多組分氣體檢測(cè)而設(shè)計(jì)的新型熱釋電紅外傳感器，包括3個(gè)測(cè)量單元,、1個(gè)參考單元和用于溫度補(bǔ)償?shù)臏y(cè)溫單元,。3個(gè)測(cè)量單元的濾光片透射中心波長(zhǎng)分別為：4.66 μm、4.26 μm,、3.46 μm與待測(cè)氣體CO,、CO2、CH4的吸收峰相對(duì)應(yīng),，參考單元的濾光片透射中心波長(zhǎng)為3.93 μm，遠(yuǎn)離被測(cè)氣體的吸收峰,，參考單元的光譜不能為被測(cè)氣體所吸收,，只反映光源的光強(qiáng)信息,，TPS4339通過(guò)各單元濾光片將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。濾光片與探測(cè)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(diǎn)。
2.3光源調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路
　熱釋電紅外探測(cè)器只響應(yīng)變化的光強(qiáng),，而對(duì)于穩(wěn)定的光強(qiáng),，其輸出信號(hào)為恒定值。因此,，在使用熱釋電紅外探測(cè)器對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行探測(cè)時(shí),，需對(duì)紅外光源進(jìn)行一定頻率的調(diào)制[5]。根據(jù)MIRL17-900及TPS4339使用手冊(cè)中,，光源光強(qiáng)及紅外探測(cè)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(hào)由TMS320F2812定時(shí)中斷產(chǎn)生,，通過(guò)反相驅(qū)動(dòng)器74F04和光電耦合器MCT273控制功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF9410通斷,，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的調(diào)制，光源調(diào)制驅(qū)動(dòng)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(pán),、越限報(bào)警等,。TMS320F2812內(nèi)部集成了增強(qiáng)型CAN控制器eCAN，可通過(guò)CAN總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)有害氣體濃度的遠(yuǎn)程監(jiān)控,。外擴(kuò)一塊128 k×16的靜態(tài)存儲(chǔ)器IS61LV12816,，用于擴(kuò)展程序存儲(chǔ)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(xiàn)串行接口的段式液晶模塊SMS0401。鍵盤(pán)設(shè)置4個(gè)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(cè)量模式,，通過(guò)上下調(diào)節(jié)鍵即可設(shè)置各測(cè)量單元的濃度越限值,。越限報(bào)警電路由TMS320F2812的通用I/O輸出口控制，產(chǎn)生聲光報(bào)警,。
2.7電源模塊
　系統(tǒng)采用220 V市電供電,，通過(guò)開(kāi)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(xiàn)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(kāi)設(shè)計(jì),。
2.8軟件設(shè)計(jì)
　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(cè)量子程序、顯示子程序,、數(shù)據(jù)通信子程序,。編程開(kāi)發(fā)工具使用CCS3.0，采用C語(yǔ)言,、匯編語(yǔ)言混合編寫(xiě),，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(shí)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(shí)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(cè)量子程序。通過(guò)DSP定時(shí)器產(chǎn)生光源調(diào)制信號(hào),，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(cè)信號(hào),，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣存儲(chǔ),，根據(jù)設(shè)定算法計(jì)算出當(dāng)前的測(cè)量濃度。當(dāng)濃度超過(guò)越限值時(shí),，產(chǎn)生聲光報(bào)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(cè)量結(jié)果上傳至監(jiān)測(cè)服務(wù)器,，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),。
3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
　系統(tǒng)調(diào)試完成后，選擇CO,、CO2,、CH4進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。由于氮?dú)獠晃占t外光,，實(shí)驗(yàn)中采用北京金訊電子有限公司的RCS2000-A型計(jì)算機(jī)自動(dòng)配氣系統(tǒng),，將純凈的CO、CO2,、CH4稀釋在氮?dú)庵?，制備不同組份不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)混合氣體,。根據(jù)實(shí)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?dú)膺M(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，分別通入滿(mǎn)量程氣體進(jìn)行量程校準(zhǔn),。然后在量程范圍內(nèi),，對(duì)由自動(dòng)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(jìn)行測(cè)試，滿(mǎn)量程平均相對(duì)誤差小于3%,。
　基于紅外吸收的有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn),。采用新型熱釋電紅外探測(cè)器,，實(shí)現(xiàn)多種有害氣體濃度的同時(shí)檢測(cè)，光源調(diào)制及信號(hào)調(diào)理電路的優(yōu)化設(shè)計(jì),，有效降低了外部干擾,，減小了系統(tǒng)誤差。DSP強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力,，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度和速度,，CAN總線(xiàn)通信方便遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種有害氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),。氣室的精確設(shè)計(jì),，溫度的補(bǔ)償與算法有待進(jìn)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(hào)處理方法的改進(jìn)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（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(jì)[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(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[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(yùn)恒.嵌入式紅外吸收甲烷檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)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.