NDIR氣體測控系統中關鍵問題的分析與設計

肖遼亮

（湖南鐵道職業技術學院 湖南 株洲 412001）

高鐵對安全性能要求越來越高，針對威脅高鐵運行的安全風險，充分利用各種檢測、監測與監控技術，加強列車運行過程中內部、外部環境等的安全檢測、監測與監控，掌握設備運行狀態，采取針對性的防控和處置措施，是確保高鐵運行安全的重要技術支撐。文章介紹一種電調制非分光紅外傳感器構成的新型氣體測試儀中關鍵問題的分析與設計，提高高鐵運行運行過程中SO2、CO、CO2等有關煙霧氣體的檢測性能。

NDIR（電調制非分光紅外）氣體傳感器采用電調制的紅外光源，同時采用高精度干涉濾光片以及鍍金氣室，避免了強震動的機械裝置，在氣體精密測控儀器上得到了迅速的發展。

電調制的紅外光源容易受到調制頻率的影響，其調制頻率與調制深度的關系曲線如圖1所示。為了實現100%調制深度且穩定的狀態，設置調制頻率為10 Hz。紅外光源由恒功率電源供電，確保光源的發光功率基本不變，但是紅外光源、傳感器氣室以及探測器都會不同程度受到溫度變化的影響，同時，信號處理電路中元件也存在一定的溫漂，因此測試系統環境恒溫至關重要。此外紅外光通過窗口材料入射到測量氣室，被測氣體通過測量氣室，吸收特定波長的紅外光，透過測量氣室的紅外光由探測器接收，得到一個與氣體濃度相對應的微弱直流信號[1-2]，此直流信號極易受外界的干擾，穩定可靠、選頻特性優良、抗干擾能力強的微弱信號處理電路同樣關鍵[3-7]。

圖1 光源的調制頻率與調制深度關系曲線圖Fig.1 The light source modulation frequency and modulation depth curve

1 測試系統中高精度恒溫的實現

1）溫度采集與A/D轉換模塊的電路原理圖如圖2。由電流型溫度傳感器AD590進行溫度采集，通過電阻R1將電流轉換為電壓，再由AD轉換芯片ADS1110完成溫度的A/D轉換。

圖2 溫度采集與A/D轉換模塊Fig.2 Temperature acquisition and A/D conversion module

2）加熱控制電路如圖3所示。本電路是典型的以弱控強的電路。控制信號CTRL是由單片機控制輸出的PID信號，其中的三極管Q1在此信號的作用下，低電平時導通、高電平時截止，從而控制繼電器S1的通斷，繼而CON2端所接的加熱片，實現加熱的PID控制。

圖3 加熱控制電路原理圖Fig.3 Heating control module circuit schematic diagram

3）增量式PID算法設計實現

在本設計中溫度采集每100毫秒采集一次，在快速升溫階段采用模糊算法進行控溫，而在恒溫時采用增量式PID算法[8]。為防止加熱過程中出現過沖現象，溫度接近恒溫點時，采用階梯式恒溫控制方法，如圖4所示，從而實現精密控溫。

圖4 增量式PID階梯控制方法Fig.4 Incremental PID step control method

2 微弱信號處理電路

探測器輸出的信號非常微弱，極易受到外界的干擾，因此設計選頻特性優良、強抗干擾能力的微弱信號處理電路，對于整個測試系統的性能體現具有決定性的意義。

1）積分與濾波電路以及精密整流電路，如圖5所示。

圖5 積分與濾波電路和精密整流電路圖Fig.5 Integral and filter circuit and a precision rectifier circuit diagram

此積分運算電路，當初始值為0時，可得：

其中：t2截止時間，t1為起始時間。其增益為：

2）線性平均值電路與兩級二階壓控電壓源濾波電路，如圖6所示。

第一級壓控電壓源濾波電路電路特征頻率為：

第二級壓控電壓源電路性能特征頻率：

兩級電路的特征頻率一致，因此具有良好的選頻特性。

圖6 線性平均值與濾波電路Fig.6 Linear mean value and filter circuit

第一級電路的通帶放大倍數為：

其品質因素為：

第二級電路的通帶放大倍數：

品質因素：

其總的品質因素為0.707，因此電路具有最佳的平坦特性，抗干擾能力強。

3 實驗與效果

通過以上關鍵問題的設計與研究，對整個系統進行了調試和檢測，系統溫度穩定性好，溫漂小，其控溫效果如圖7所示。

圖7 控溫效果圖Fig.7 The temperature effect diagram

微弱信號處理電路選頻特性良好，抗干擾能力強，漂移非常小，信號穩定度高，能實現精密放大，氣體測量精度高。測量效果如圖8所示。

圖8 信號測號波形圖Fig.8 Signal measuring signal waveform graph

4 結束語

文中分析了NDIR氣體測控系統中的關鍵問題，并針對關鍵問題展開研究，提出了高精度恒溫的實現電路設計，與新的微弱信號處理電路設計，該設計溫度穩定性好，溫漂小，電路選頻特性良好，抗干擾能力強，漂移非常小，信號穩定度高，能實現精密放大，氣體測量精度高。已取得良好的現場應用效果，也同樣可應用于其他的應用環境。

[1]侯躍新，周東亮，肖丹，等.傳感器弱信號的放大應用電路[J].自動化技術與應用，2008（11）:65-66，48.

[2]谷炳海，張友鵬，徐頊.強噪聲背景下的信號提取[J].科技資訊，2007（2）:22-23.

[3]孟祥忠，宋保業，許琳.熱釋電紅外傳感器及其典型應用[J].儀器儀表用戶，2007（4）:42-43.

[4]張金利，景占榮，梁亮，等.微弱信號的調理電路設計和噪聲分析[J].電子測量技術，2007（11）:40-42.

[5]陳靜，熊繼軍，沈三民.基于高精度運算放大器的隧道式硅微加速度計信號處理電路[J].儀表技術與傳感器，2008（2）:58-60.

[6]孟麗霞，于林麗，濮鈺麒，等.微小信號放大電路設計[J].儀器儀表學報，2006（S1）:1012-1013.

[7]魏麗君，陳一平，戴濤，等.復合頻率直流逆變電路中L/C的域值計算與研究[J].物探化探計算技術，2010（3）:270-273，221.

[8]羅文軍.基于參數自整定的模糊PID控制在水箱控制系統中的應用[D].長沙：中南大學，2011.