摘要：介紹了紅外氣體分析的原理，從提高系統(tǒng)精度等因素出發(fā)設計了電源及電源溫控，并采用DSP 作為微控制器對系統(tǒng)進行了硬件和軟件框圖設計。

生產和生活中，各種有害氣體對人們的危害越來越大。工業(yè)生產中產生的SO2 等容易形成酸雨對農作物產生危害;煤炭開采中產生的CH4 , CO 等易造成礦井瓦斯爆炸，造成重大的人身財產損失。因此有害氣體的監(jiān)測對于治理環(huán)境污染、保護生態(tài)環(huán)境、保障人民生命起著重要作用。

氣體檢測方法有多種，常用的主要有紅外光譜法、電化學法和化學傳感器法等，后兩種方法雖然近年來取得了重大發(fā)展，但仍存在著穩(wěn)定性差、易老化、氣體的選擇性差和靈敏度不高等問題。目前較為先進的方法是采用紅外吸收原理檢測氣體。因為紅外檢測具有選擇性好、穩(wěn)定性好、防爆性好等優(yōu)點。

1 紅外氣體分析原理

非對稱雙原子和多原子分子氣體(如CH4 , H2O , NH3CO ，C2H2 , SO2 , NO 和NO2 等)在紅外波段有一定的吸收帶，吸收帶的強弱及所在的波長范圍由分子本身的結構決定。只有當物質的分子本身固有的特定的振動和轉動頻率與紅外光譜中某一波段的頻率相一致時，分子才能吸收這一波段的紅外輻射能量。每一種化合物的分子并不是對紅外光譜內所有波長的輻射或任意一種波長的輻射都具有吸收能力，而是有選擇地吸收某一個或某一組特定波段內的輻射。這個所謂的波段就是分子的特征吸收帶。特征吸收帶對某一種分子是確定的、標準的，如同物質指紋。通過對特征吸收帶及其吸收光譜的分析，可以鑒定識別分子的類型。當紅外光穿過待測氣體時，氣體分子就會吸收自己特征頻率的紅外光能量，其吸收關系服從Lambert -beer 定律。

根據(jù)Lambert -beer 定律，輸出光強(為與輸入光強巧為和氣體濃度之間的關系為：

I(λ)=I0(λ)exp[-(Iλ)LC]

式中，a(λ)是一定波長下單位濃度、單位長度的介質吸收系數(shù);L 是吸收路徑的長度;C 是氣體濃度。如果L 與(Iλ)為己知，那么通過檢測I(λ)和I0(λ)就可以測得氣體的濃度。這就是光譜吸收法測量氣體濃度的基本原理。整體設計原理圖見圖1 :

2 系統(tǒng)光源的選擇

系統(tǒng)光源通常采用大功率白熾燈、發(fā)光二極管(LED )或激光器LD。白熾燈的光譜較寬，但功率密度低、體積龐大，不適合在實際系統(tǒng)中使用。激光二極管(LD)的輻射波長一般位于紅外與中紅外波段，在此區(qū)域內，吸收是由檢測氣體分子的振動基頻或轉動基頻或振動一轉動組合頻帶產生的，是吸收較強的區(qū)域;另外LD能直接調制，并通過改變溫度和注入電流使輸出波長在一定范圍內調諧，通過對光的調制，得以利用成熟的檢測技術。

3 電源電路

近年來半導體激光器以其轉換效率高、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長、能直接調制以及能與其他半導體器件集成等優(yōu)勢發(fā)展一直很迅猛，其中大功率的半導體激光器的工作電流可達幾十安以上，結電壓在1V 以上，瞬態(tài)的電流或電壓尖峰等許多因素都很容易損壞激光器，電流、溫度的起伏會引起光功率的變化，影響輸出的準確、穩(wěn)定。對此類半導體激光器電源要求：半導體激光器必須是恒流源，并具有很高的電流穩(wěn)定度。DSP 的應用近幾年發(fā)展很快，它適合于高速數(shù)字信號處理，能頻繁地進行大量數(shù)據(jù)計算，能應用單片機所不能勝任的實時處理算法，如PID 參數(shù)自整定算法調整。另外由于半導體激光器的特殊性需要防電流浪涌同樣可以通過程序很好實現(xiàn)，從而使電源性有質的飛躍。

4 半導體激光器的溫控

半導體激光散(LD)是對溫度很敏感的元件，輸出波長與溫度有很大的關系。當LD 內部溫度增加時，輸出波長也隨之增加，而且半導體激光器輸出功率受溫度的影響也相當嚴重。因此，保證半導體激光器連續(xù)工作在室溫下是極其重要的外部條件。

LD溫度控制系統(tǒng)是一個定值閉環(huán)負反饋系統(tǒng)，系統(tǒng)中的探測器是構成閉環(huán)的關鍵一環(huán)，溫度信號經(jīng)探測器轉變?yōu)殡娦盘?，然后將其與預先給定的室溫25 ℃ 作比較得到差值，再經(jīng)信號處理后驅動制冷器工作，使LD溫度穩(wěn)定在室溫附近。系統(tǒng)框圖見圖2 。

半導體激光器恒溫控制系統(tǒng)由 3 個部分組成：制冷器、溫度探測器、數(shù)字信號處理部分。當LD 工作時發(fā)熱，與LD集成在一起的負溫度系數(shù)的熱敏電阻將溫度信號快速轉換為電阻值的變化，然后與設定的高精度基準溫度電阻阻值比較，其比較結果通過精密差動信號處理放大電路放大，放大后的信號應用相關算法進行處理，保證系統(tǒng)穩(wěn)定并具有很好的動態(tài)特性;根據(jù)處理結果，驅動執(zhí)行機構控制LD制冷或加熱，以保持LD 的溫度恒定，從而保證了激光器在恒定的溫度下工作。

由于紅外光源體積很小，這就要求制冷元件結構簡單、效率高且功率不大。為保證高精度的控制溫度，制冷器須易于控制，啟動快。半導體制冷器可以滿足這一要求。半導體制冷器是使用 Pallter 效應制冷，不使用制冷劑，無部件運動，體積小，重量輕，無噪音，工作可靠，適于直流工作。使用時，用導熱質將一個極板充分與LD散熱板相連，另一極板緊貼散熱片，工作時兩個極板一個制冷一個制熱，實現(xiàn)了溫度的控制。

5 氣室構建

氣室為敏感元件，由輸入/輸出透鏡組成。從光源中射出的光經(jīng)輸入透鏡準直變?yōu)槠叫泄?，透過氣室，由另一透鏡禍合到輸出光纖中。設計氣室時，使吸收光程盡可能大，光路的耦合損耗小，耦合狀態(tài)穩(wěn)定。選擇小型漸變折射率透鏡，這種透鏡器件和光纖匹配性好。設計氣室結構時除了需要考慮上述因素外，還需要考慮器件溫度變化、發(fā)光光源輸出功率波動、探測器靈敏度變化、灰塵和光具玷污等方面對測量精度造成的影響。因此在設計光路時就需要考慮如何減少它們帶來的誤差。

6 系統(tǒng)硬件設計原理圖

目前半導體激光器常采用的是模塊化的開關電源以提高設備工作的穩(wěn)定性，降低成本，縮短設計周期，在這些模塊化電源的二次開發(fā)中一般采用的都是純硬件電路系統(tǒng)或者單片機控制。隨著嵌入式微處理器的迅猛發(fā)展，基于DSP 的數(shù)字化控制能更有效地解決半導體激光器工作的準確、穩(wěn)定和可靠性問題。在數(shù)據(jù)采樣方面，若采用模擬方法進行篩選采樣精度不高，由于DSP 的高速我們可以使用DSP 進行全采樣，由軟件進行數(shù)字濾波處理，從而提高精度。系統(tǒng)硬件設計原理圖見圖3 。

7 數(shù)字信號處理

檢測系統(tǒng)首先通過傳感器對待測信號進行檢測，然后對信號進行放大、模數(shù)轉換等預處理。由微控制器進行處理和計算，將結果在顯示器上顯示出來，如果超過預先設定的濃度標準，可選擇蜂鳴器發(fā)出聲音報警。RS232 接口可將計算得到的結果上傳上位機，以便統(tǒng)一處理和調度等處理。

7. 1 小信號放大電路

傳感器把非電物理量轉換成微弱的模擬電信號，為了獲得足夠量程的電壓信號，以適應后續(xù)電路的要求，必須使用高放大倍數(shù)的放大器，但同時各種干擾噪聲也以同樣的放大倍數(shù)放大，致使測量精度降低。因此要求放大電路具有良好的性能，使放大倍數(shù)較大，一般可達上千倍;偏置電流低，共模抑制能力強;增益可編程;差動輸入，有利于抑制干擾信號;噪聲低，功耗低。

7. 2 微控制器

微控制器是數(shù)據(jù)處理的核心，完成數(shù)據(jù)采集、處理、輸出、顯示等功能。目前微控制器有多種，如AVR，LPC , DSP 等。與其他微控制器相比DSP 芯片資源非常豐富，可大大簡化外圍電路設計。

TMS320F2812 是TI公司2003 年正式推出的32 位定點DSP ，是目前用于工業(yè)控制和機器人控制等領域中的檔的DSP 之一。該芯片性能優(yōu)越，各項性能指標都很高;資源非常豐富，可大大簡化外圍電路設計。

7. 3 A/D 轉換電路

F2812 數(shù)字信號處理器上的ADC 模塊將外部的模擬信號轉換成數(shù)字量，ADC 模塊可以將一個控制信號進行濾波或者實現(xiàn)運動系統(tǒng)的閉環(huán)控制，且具有轉換速度快、功耗小、精度高等特點。

7. 4 看門狗定時器

F2812 的看門狗定時器能為微控制器提供獨立的保護系統(tǒng)，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，看門狗將產生一個復位信號，使 CPU 復位，程序從系統(tǒng)軟件開始執(zhí)行。通過這種方式，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性。

8 系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)設計的硬件框圖和對采樣數(shù)據(jù)處理的要求，可以編寫相應的處理算法。系統(tǒng)通過采樣待測氣體信號和環(huán)境影響因素信號，交由微控制器進行處理、計算待測氣體濃度，在顯示器上數(shù)字化顯示，如果濃度超過設定的標準，則由系統(tǒng)進行報警等相應的異常處理。系統(tǒng)的軟件流程見圖 4 。

9 結語

紅外吸收原理應用于氣體檢測，克服了常規(guī)檢測儀容易中毒和老化的弱點，具有探測靈敏度高、響應速度快、使用壽命長、選擇性好等優(yōu)點。通過氣體檢測系統(tǒng)的軟、硬件設計，由微控制器對采集信號進行處理、數(shù)據(jù)分析、結果顯示和報警等各項功能，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的智能化。