紅外激光氣體分析儀的關鍵問題研究

紅外激光氣體分析儀的關鍵問題研究

火災是威脅公眾安全和社會發展最頻繁和常見的災難之一。每年,火災造成的死亡人數是颶風、龍卷風、洪水、地震總和的20倍,給人民的生命財產安全造成了極大的威脅。無論在任何領域,防火都是重中之重。因此,研制一種火災探測器具有非常重要的意義。

本論文來源于國家重點研發計劃課題,課題名稱為:復雜環境下可靠性與安全性監測方法研究(項目編號:2016YFD0700101);以及國家自然科學基金委員會重大儀器研制專項,項目名稱為:新型紅外瓦斯和一氧化碳檢測儀的研究(項目編號:61627823)。

在火災發生的初期,由于燃燒物與氧氣接觸不充分而發生不充分燃燒,會產生一氧化碳氣體,即一氧化碳氣體的產生早于火苗的產生,因此,使用傳感器監測空氣中一氧化碳氣體的濃度,對早期火災的探測有很大的幫助。基于此,本論文工作的目標是研制一種基于紅外吸收光譜技術的氣體分析儀,檢測一氧化碳氣體,預防火災。重點研究了其中的兩項關鍵問題:1)長光程氣體吸收池的設計與研制,2)高靈敏、快速響應、便攜式的信號處理電路。本論文的主要內容包括:本論文首先建立了赫里奧特氣室的數學模型,基于該模型,計算了當光在氣室內不斷反射時,鏡子上的反射光斑的位置、大小及反射順序,并給出了出射光斑的方向向量。研究了具有最小體積的單環赫里奧特氣室與多環氣室的設計方法。

在單反射環的基礎上,推導了設計雙環乃至多環氣室的數學公式,多環氣室可用于擴展單一氣體的檢測量程,或者應用于檢測多組分氣體。該氣室可使檢測儀在兩個光程之間切換,從而擴展檢測儀的動態范圍。為了提取探測器輸出信號的二次諧波信號,本論文設計并研制了一種頻譜分析儀,該儀器基于優化的分段傅里葉變換算法來提取待測信號中的二次諧波成分。該頻譜分析儀采用主從雙核芯片(DSP和ARM)作為控制器。其中主機為ARM芯片,它的主要功能是控制觸摸屏,響應用戶指令,與從機進行數據交換,從機為DSP芯片,它的主要功能是控制數模轉換器(ADC)采樣,對采集的數據進行數字濾波、正交鎖相放大(OLA)與優化的分段傅里葉變換(OS-FFT)等算法處理,最后將計算好的數據發送給主機。

紅外激光氣體分析儀主要包括新型赫里奧特氣室、頻譜分析儀與激光器。由于發光波長位于一氧化碳中紅外吸收峰的QCL(量子級聯)激光器的價格較昂貴,本論文使用中心波長為1.533μm(乙炔的第一泛頻吸收峰)的分布反饋式(DFB)激光器替代QCL激光器來開展實驗,測試紅外激光氣體分析儀中氣室與頻譜分析儀性能。在實驗中,以100ppm為步進,配置了濃度為0-1000ppm的乙炔氣體,分別進行了光程的驗證實驗,以及OLA算法與OS-FFT算法的性能對比實驗。實驗測得的光程分別為6米與20米,相對理論光程6.12米和19.78米,兩者比較誤差較小,證明了所設計的氣室模型的準確性。在對檢測儀標定的實驗中,兩種算法的線性度都較好(99.7%和99.79%),但是OLA算法造成濃度的波動范圍為-4ppm到2ppm,要小于使用OS-FFT算法造成濃度的波動范圍-2ppm到6ppm。從艾倫方差的計算結果來看,使用OLA算法時的檢測下限為0.68ppm,低于使用OS-FFT算法時的檢測下限1.35ppm。

另一方面,OS-FFT算法的計算量要小于OLA算法,因此其擁有更快的處理信號的速度。當系統的采樣率很低時,兩種算法的計算時間幾乎相同,但當采樣率很高時,使用OS-FFT算法可以明顯提升運算速度,從而減少系統的響應時間。綜上所述,OS-FFT算法的精度和穩定性雖然不如OLA算法,但其具有更快的響應速度,且硬件的消耗功率更少,因此,當對檢測精度要求不高時,基于OS-FFT算法制作的檢測儀可以擁有較快的響應時間以及更高的性價比。本論文的創新點:1.建立了具有最小體積的單環赫里奧特氣室的設計方法,當入射光以某一角度入射時,在不改變反射次數的情況下,計算得到了最小的光斑分布面積,進而根據鏡子間距離得到最小單環赫里奧特氣室的體積。2.建立了具有多個同心反射環的赫里奧特氣室的設計方法,該氣室具有多個光程,可用來擴展單一氣體的檢測量程,或者在一個氣室內實現多種氣體的檢測。基于該方法,設計并制作了雙環赫里奧特氣室,兩個反射環的光程分別為6米和20米。3.研制了專用于檢測氣體的頻譜分析儀,嵌入了優化分段傅里葉變換算法,相對于傳統的鎖相放大算法,可以有效地提高計算速度,減少硬件的功率消耗,提高檢測儀的性價比。