红外激光气体分析仪的关键问题研究

红外激光气体分析仪的关键问题研究

火灾是威胁公众安全和社会发展最频繁和常见的灾难之一。每年,火灾造成的死亡人数是飓风、龙卷风、洪水、地震总和的20倍,给人民的生命财产安全造成了极大的威胁。无论在任何领域,防火都是重中之重。因此,研制一种火灾探测器具有非常重要的意义。

本论文来源于国家重点研发计划课题,课题名称为:复杂环境下可靠性与安全性监测方法研究(项目编号:2016YFD0700101);以及国家自然科学基金委员会重大仪器研制专项,项目名称为:新型红外瓦斯和一氧化碳检测仪的研究(项目编号:61627823)。

在火灾发生的初期,由于燃烧物与氧气接触不充分而发生不充分燃烧,会产生一氧化碳气体,即一氧化碳气体的产生早于火苗的产生,因此,使用传感器监测空气中一氧化碳气体的浓度,对早期火灾的探测有很大的帮助。基于此,本论文工作的目标是研制一种基于红外吸收光谱技术的气体分析仪,检测一氧化碳气体,预防火灾。重点研究了其中的两项关键问题:1)长光程气体吸收池的设计与研制,2)高灵敏、快速响应、便携式的信号处理电路。本论文的主要内容包括:本论文首先建立了赫里奥特气室的数学模型,基于该模型,计算了当光在气室内不断反射时,镜子上的反射光斑的位置、大小及反射顺序,并给出了出射光斑的方向向量。研究了具有最小体积的单环赫里奥特气室与多环气室的设计方法。

在单反射环的基础上,推导了设计双环乃至多环气室的数学公式,多环气室可用于扩展单一气体的检测量程,或者应用于检测多组分气体。该气室可使检测仪在两个光程之间切换,从而扩展检测仪的动态范围。为了提取探测器输出信号的二次谐波信号,本论文设计并研制了一种频谱分析仪,该仪器基于优化的分段傅里叶变换算法来提取待测信号中的二次谐波成分。该频谱分析仪采用主从双核芯片(DSP和ARM)作为控制器。其中主机为ARM芯片,它的主要功能是控制触摸屏,响应用户指令,与从机进行数据交换,从机为DSP芯片,它的主要功能是控制数模转换器(ADC)采样,对采集的数据进行数字滤波、正交锁相放大(OLA)与优化的分段傅里叶变换(OS-FFT)等算法处理,最后将计算好的数据发送给主机。

红外激光气体分析仪主要包括新型赫里奥特气室、频谱分析仪与激光器。由于发光波长位于一氧化碳中红外吸收峰的QCL(量子级联)激光器的价格较昂贵,本论文使用中心波长为1.533μm(乙炔的第一泛频吸收峰)的分布反馈式(DFB)激光器替代QCL激光器来开展实验,测试红外激光气体分析仪中气室与频谱分析仪性能。在实验中,以100ppm为步进,配置了浓度为0-1000ppm的乙炔气体,分别进行了光程的验证实验,以及OLA算法与OS-FFT算法的性能对比实验。实验测得的光程分别为6米与20米,相对理论光程6.12米和19.78米,两者比较误差较小,证明了所设计的气室模型的准确性。在对检测仪标定的实验中,两种算法的线性度都较好(99.7%和99.79%),但是OLA算法造成浓度的波动范围为-4ppm到2ppm,要小于使用OS-FFT算法造成浓度的波动范围-2ppm到6ppm。从艾伦方差的计算结果来看,使用OLA算法时的检测下限为0.68ppm,低于使用OS-FFT算法时的检测下限1.35ppm。

另一方面,OS-FFT算法的计算量要小于OLA算法,因此其拥有更快的处理信号的速度。当系统的采样率很低时,两种算法的计算时间几乎相同,但当采样率很高时,使用OS-FFT算法可以明显提升运算速度,从而减少系统的响应时间。综上所述,OS-FFT算法的精度和稳定性虽然不如OLA算法,但其具有更快的响应速度,且硬件的消耗功率更少,因此,当对检测精度要求不高时,基于OS-FFT算法制作的检测仪可以拥有较快的响应时间以及更高的性价比。本论文的创新点:1.建立了具有最小体积的单环赫里奥特气室的设计方法,当入射光以某一角度入射时,在不改变反射次数的情况下,计算得到了最小的光斑分布面积,进而根据镜子间距离得到最小单环赫里奥特气室的体积。2.建立了具有多个同心反射环的赫里奥特气室的设计方法,该气室具有多个光程,可用来扩展单一气体的检测量程,或者在一个气室内实现多种气体的检测。基于该方法,设计并制作了双环赫里奥特气室,两个反射环的光程分别为6米和20米。3.研制了专用于检测气体的频谱分析仪,嵌入了优化分段傅里叶变换算法,相对于传统的锁相放大算法,可以有效地提高计算速度,减少硬件的功率消耗,提高检测仪的性价比。