高精密紅外探硫傳感器的研究與設計

魏麗君，粟慧龍

（1.湖南鐵道職業技術學院 實訓中心，株洲 412001；2.湖南鐵道職業技術學院 教務處，株洲 412001）

2021年10月發布的 《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》中數據顯示：2021年中國硫排放2267.8 萬噸，位居世界第一，每年損失超5000 億，直接致人死亡超6000 人。重點在化石燃料的燃燒和航運、交通等石油的應用。面對如此沉重的數據，工業排放環境監測被提到了非常重要的位置，但目前高性能監測設備和核心儀表仍然是國外專利技術，研制自主創新的高精度SO2檢測傳感器及相關設備，推進國產化替代具有重要意義和廣闊市場前景。

國內主要以中國科學院安徽光學精密機械研究所劉文清院士團隊為首，進行了卓有成效的研究，推出了一系列的大氣污染物防治的產品，針對硫污染物，最高的檢出限大概在5 ppm 左右[1-3]；武漢四光科技有限公司、清華大學科研團隊和中北大學譚秋林團隊等對非分光紅外技術應用到硫氣體檢測等都進行了較為深入的研究[4-6]。但隨著技術的發展和科技的進步，硫氣體（硫元素）的檢測精度要求越來越高、檢測時間要求越來越快，在線監測已成為趨勢[7-9]。基于此，本文擬采用非分光紅外技術，深入分析當前硫傳感器檢測過程中主要的信噪比影響源，重點對光源的驅動、紅外池的恒溫控制、信號采樣與微弱信號處理等進行了改進與創新[10-11]，從而實現一款高精密低硫探測裝置的設計。

1 紅外探硫傳感系統整體設計

本紅外探硫傳感器系統的整體硬件設計框圖如圖1所示。系統主要由紅外光源及驅動電路、紅外氣室、信號處理電路、A/D 轉換電路、MCU 控制單元與通訊模塊組成。光源驅動采用點調制，為了最大限度的降低干擾的影響[12-13]，紅外氣室設置參比光路，信號處理電路主要是信號放大和去噪。

圖1 紅外探硫傳感器系統框圖Fig.1 Block diagram of infrared sulfur detection sensor system

其工作原理是當紅外光通過待測氣體時，氣體分子對特定波長的紅外光有吸收作用。非分光紅外氣體分析機理遵循朗伯—比爾（Lambert-Beer）吸收定律。定律的數學表達式如式（1）所示：

式中：I0為入射光強；I1為出射光強；L 為氣體介質的厚度；c 為氣體濃度；μ 為氣體的吸收系數。

2 紅外光源的電調制

紅外光源的穩定性，對該探測系統的信噪比有很大的影響，主要有機械調制和電調制兩種方案。機械調制時，裝置的振動及器件的磨損會給裝置帶來較大的誤差，電調制時，光源的調制深度與調制頻率有很大關系，一旦頻率設置不好，調制深度會急劇下降，紅外光源采用mirl17，其關系圖如圖2所示。

圖2 紅外光源調制深度與調制頻率關系圖Fig.2 Relation between modulation depth and modulation frequency of infrared light source

該方案選擇電調制方式，因此調制頻率的選擇和設置非常重要，設置時，采用CPLD ATF1508 產生，CPLD 的核心程序代碼如下：

3 紅外池恒溫控制系統設計

紅外池是本測量系統最核心的部分，主要有兩個方面的影響，其一是氣室的光潔度，其二是溫漂。氣室的光潔度主要采用高精度的拋光管，為了防止氧化，內部鍍金。溫漂的主要解決方案就是設計高精度的恒溫控制系統[14-17]，將紅外池置于該恒溫系統中，另外恒溫溫度要高于室溫，這樣室溫的波動不至于影響恒溫溫度，該系統中恒溫點設置為48 ℃，不能影響芯片的正常工作。恒溫控制采用增量式PID 算法實現。其算法示意圖和控溫流程如圖3和圖4所示。

圖3 增量式PID 階梯控制方法Fig.3 Incremental PID step control method

圖4 控溫流程Fig.4 Temperature control flow chart

在恒溫箱中設計有加熱片和風扇，風路采用迂回形式，使得整個系統中的溫度更加均勻。最終的控制結果如圖5所示。控溫精度達到±0.1 ℃，比當前的一般控溫系統精度提高近10 倍。

圖5 溫度采集與A/D 轉換模塊Fig.5 Temperature acquisition and A/D conversion module

4 微弱信號處理電路的改進設計

微弱信號處理電路的設計是信噪比改善的核心部分，主要解決信號的有效放大和降低噪聲兩個主要功能。本設計中的微弱信號處理電路主要采用兩級二階壓控電壓源濾波電路，兩級電路具有相同的選頻特性，放大倍數前一級要小，后一級稍大，能更有效地去處噪聲。

第一級放大如圖6所示。根據設計圖，可求得其特征頻率為

圖6 二階壓控電壓源濾波電路Fig.6 Second order voltage controlled voltage source filter circuit

通帶放大倍數為

因為其通帶放大倍數為1.152，小于3，電路不會自激震蕩，工作穩定。

第二級二階壓控電壓源濾波電路如圖7所示。

圖7 第二級二階壓控電壓源濾波電路Fig.7 Second level and second order voltage controlled voltage source filter circuit

根據電路原理圖，可以計算得到電路的性能參數。其特征頻率為

與第一級的特征頻率一致，具有很好的選頻特性。

通帶放大倍數為

同時也可計算得到兩級電路的品質因數分別如式（6）和式（7）所示：

因此可以計算得到整個電路的品質因數為0.707，電路具有最佳的平坦特性。該電路的設計已經在作者的前期論文中進行了論證。

5 信噪比改善的軟件設計

5.1 系統整體軟件流程

系統的整體軟件設計流程主要講下位機的設計流程。上位機主要負責數據的顯示與流程操作。下位機軟件主要完成傳感器信號檢測、A/D 轉換以及濃度換算等。其流程如圖8所示。

圖8 軟件流程Fig.8 Software flow chart

5.2 核心算法原理與設計

在完成傳感器信號檢測后，為了提高信噪比，在信號處理中加入了遞推平均濾波法。該算法將連續采樣的N 個值做成一個隊列，其長度固定為N，數據采用先進先出原則，每次采樣到一個新數據后放入隊尾，并刪除隊首的數據，把隊列中的N 個數據進行算術平均運算，最后獲得新的濾波結果。其具體設計算法如下：

6 試驗與數據分析

經過對非分光紅外傳感器影響信噪比的各個部分進行了分析，在此基礎上，提出了優化改進的方案，改進前后探測器測到的信號波形分別如圖9和圖10所示。

圖9 改進前探測的信號波形Fig.9 Signal waveform before improved detection

圖10 改進后的信號波形Fig.10 Improved signal waveform

可以看出，經過改進后，信號的整體波動從原來的140 uV 減小到50 uV 左右，改進效果明顯。因此本文提出的改進方案可行。后期應用在測硫儀設備上，取得了較高的應用效果。

7 結語

本文在分析現有NDIR 探硫傳感器系統中影響其信噪比的因素的基礎上，對溫漂、光源老化、探測氣室漫反射、微弱信號處理的硬件去噪電路設計以及軟件算法設計進行了重點研究，最后對比了優化前后的信號測試，信號的整體波動從原來的140 uV減小到50 uV 左右，改進效果明顯。通過研究可以得到相關經驗和成果，后續在光源老化問題上還可以考慮采用恒功率電源電路驅動的方式等，能進一步改善信噪比。

由于我國在低硫檢測領域被技術封鎖，因此本文的研究成果將應用在低硫探測設備上，開展檢出限到0.01 ppm 級別的探硫實驗。