高精密红外探硫传感器的研究与设计
时间：2023-06-25 19:35:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
魏丽君，粟慧龙
（1.湖南铁道职业技术学院 实训中心，株洲 412001；
2.湖南铁道职业技术学院 教务处，株洲 412001）
2021年10月发布的 《重点区域大气污染防治“十二五”规划》中数据显示：2021年中国硫排放2267.8 万吨，位居世界第一，每年损失超5000 亿，直接致人死亡超6000 人。重点在化石燃料的燃烧和航运、交通等石油的应用。面对如此沉重的数据，工业排放环境监测被提到了非常重要的位置，但目前高性能监测设备和核心仪表仍然是国外专利技术，研制自主创新的高精度SO2检测传感器及相关设备，推进国产化替代具有重要意义和广阔市场前景。
国内主要以中国科学院安徽光学精密机械研究所刘文清院士团队为首，进行了卓有成效的研究，推出了一系列的大气污染物防治的产品，针对硫污染物，最高的检出限大概在5 ppm 左右[1-3]；
武汉四光科技有限公司、清华大学科研团队和中北大学谭秋林团队等对非分光红外技术应用到硫气体检测等都进行了较为深入的研究[4-6]。但随着技术的发展和科技的进步，硫气体（硫元素）的检测精度要求越来越高、检测时间要求越来越快，在线监测已成为趋势[7-9]。基于此，本文拟采用非分光红外技术，深入分析当前硫传感器检测过程中主要的信噪比影响源，重点对光源的驱动、红外池的恒温控制、信号采样与微弱信号处理等进行了改进与创新[10-11]，从而实现一款高精密低硫探测装置的设计。
本红外探硫传感器系统的整体硬件设计框图如图1所示。系统主要由红外光源及驱动电路、红外气室、信号处理电路、A/D 转换电路、MCU 控制单元与通讯模块组成。光源驱动采用点调制，为了最大限度的降低干扰的影响[12-13]，红外气室设置参比光路，信号处理电路主要是信号放大和去噪。
图1 红外探硫传感器系统框图Fig.1 Block diagram of infrared sulfur detection sensor system
其工作原理是当红外光通过待测气体时，气体分子对特定波长的红外光有吸收作用。非分光红外气体分析机理遵循朗伯—比尔（Lambert-Beer）吸收定律。定律的数学表达式如式（1）所示：
式中：I0为入射光强；
I1为出射光强；
L 为气体介质的厚度；
c 为气体浓度；
μ 为气体的吸收系数。
红外光源的稳定性，对该探测系统的信噪比有很大的影响，主要有机械调制和电调制两种方案。机械调制时，装置的振动及器件的磨损会给装置带来较大的误差，电调制时，光源的调制深度与调制频率有很大关系，一旦频率设置不好，调制深度会急剧下降，红外光源采用mirl17，其关系图如图2所示。
图2 红外光源调制深度与调制频率关系图Fig.2 Relation between modulation depth and modulation frequency of infrared light source
该方案选择电调制方式，因此调制频率的选择和设置非常重要，设置时，采用CPLD ATF1508 产生，CPLD 的核心程序代码如下：
红外池是本测量系统最核心的部分，主要有两个方面的影响，其一是气室的光洁度，其二是温漂。气室的光洁度主要采用高精度的抛光管，为了防止氧化，内部镀金。温漂的主要解决方案就是设计高精度的恒温控制系统[14-17]，将红外池置于该恒温系统中，另外恒温温度要高于室温，这样室温的波动不至于影响恒温温度，该系统中恒温点设置为48 ℃，不能影响芯片的正常工作。恒温控制采用增量式PID 算法实现。其算法示意图和控温流程如图3和图4所示。
图3 增量式PID 阶梯控制方法Fig.3 Incremental PID step control method
图4 控温流程Fig.4 Temperature control flow chart
在恒温箱中设计有加热片和风扇，风路采用迂回形式，使得整个系统中的温度更加均匀。最终的控制结果如图5所示。控温精度达到±0.1 ℃，比当前的一般控温系统精度提高近10 倍。
图5 温度采集与A/D 转换模块Fig.5 Temperature acquisition and A/D conversion module
微弱信号处理电路的设计是信噪比改善的核心部分，主要解决信号的有效放大和降低噪声两个主要功能。本设计中的微弱信号处理电路主要采用两级二阶压控电压源滤波电路，两级电路具有相同的选频特性，放大倍数前一级要小，后一级稍大，能更有效地去处噪声。
第一级放大如图6所示。根据设计图，可求得其特征频率为
图6 二阶压控电压源滤波电路Fig.6 Second order voltage controlled voltage source filter circuit
通带放大倍数为
因为其通带放大倍数为1.152，小于3，电路不会自激震荡，工作稳定。
第二级二阶压控电压源滤波电路如图7所示。
图7 第二级二阶压控电压源滤波电路Fig.7 Second level and second order voltage controlled voltage source filter circuit
根据电路原理图，可以计算得到电路的性能参数。其特征频率为
与第一级的特征频率一致，具有很好的选频特性。
通带放大倍数为
同时也可计算得到两级电路的品质因数分别如式（6）和式（7）所示：
因此可以计算得到整个电路的品质因数为0.707，电路具有最佳的平坦特性。该电路的设计已经在作者的前期论文中进行了论证。
5.1 系统整体软件流程
系统的整体软件设计流程主要讲下位机的设计流程。上位机主要负责数据的显示与流程操作。下位机软件主要完成传感器信号检测、A/D 转换以及浓度换算等。其流程如图8所示。
图8 软件流程Fig.8 Software flow chart
5.2 核心算法原理与设计
在完成传感器信号检测后，为了提高信噪比，在信号处理中加入了递推平均滤波法。该算法将连续采样的N 个值做成一个队列，其长度固定为N，数据采用先进先出原则，每次采样到一个新数据后放入队尾，并删除队首的数据，把队列中的N 个数据进行算术平均运算，最后获得新的滤波结果。其具体设计算法如下：
经过对非分光红外传感器影响信噪比的各个部分进行了分析，在此基础上，提出了优化改进的方案，改进前后探测器测到的信号波形分别如图9和图10所示。
图9 改进前探测的信号波形Fig.9 Signal waveform before improved detection
图10 改进后的信号波形Fig.10 Improved signal waveform
可以看出，经过改进后，信号的整体波动从原来的140 uV 减小到50 uV 左右，改进效果明显。因此本文提出的改进方案可行。后期应用在测硫仪设备上，取得了较高的应用效果。
本文在分析现有NDIR 探硫传感器系统中影响其信噪比的因素的基础上，对温漂、光源老化、探测气室漫反射、微弱信号处理的硬件去噪电路设计以及软件算法设计进行了重点研究，最后对比了优化前后的信号测试，信号的整体波动从原来的140 uV减小到50 uV 左右，改进效果明显。通过研究可以得到相关经验和成果，后续在光源老化问题上还可以考虑采用恒功率电源电路驱动的方式等，能进一步改善信噪比。
由于我国在低硫检测领域被技术封锁，因此本文的研究成果将应用在低硫探测设备上，开展检出限到0.01 ppm 级别的探硫实验。
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