康信文,唐 杰,張 彤

(1.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096;2.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096;3.東南大學(xué)蘇州研究院蘇州金屬納米光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 蘇州 215123)

基于FPGA的TDLAS氣體測(cè)量系統(tǒng)

康信文1,3,唐 杰1,3,張 彤1,2,3*

(1.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096;2.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096;3.東南大學(xué)蘇州研究院蘇州金屬納米光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 蘇州 215123)

提出了基于FPGA的氣體檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了TDLAS氣體測(cè)量系統(tǒng)小型化、數(shù)字化。利用FPGA并行計(jì)算、易于實(shí)現(xiàn)DDS信號(hào)發(fā)生和正交數(shù)字鎖相等特點(diǎn),可以滿(mǎn)足TDLAS測(cè)量過(guò)程中的高頻信號(hào)發(fā)生、諧波信號(hào)的提取等計(jì)算,從而采用正交數(shù)字鎖相方法及擬合法實(shí)現(xiàn)氣體的測(cè)量。將激光器、溫度控制模塊、電流驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)發(fā)生器、光電探測(cè)器、帶通濾波器、ADC采樣集成在同一塊印制電路板上,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化和集成化。最后,通過(guò)在空氣中對(duì)氧氣濃度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè),驗(yàn)證了本系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

氣體測(cè)量;TDLAS;FPGA;正交數(shù)字鎖相

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)作為一種新興的高靈敏、高分辨率的光學(xué)氣體參數(shù)測(cè)量技術(shù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的的快速、非侵入原位測(cè)量,已逐步用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)氣體參數(shù)檢測(cè)、燃燒診斷等[1-3]?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體激光器的工作溫度以及注入電流的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出激光的光強(qiáng)以及頻率的調(diào)節(jié)[4-5]。當(dāng)輸出激光的頻率掃描過(guò)待測(cè)氣體的光譜吸收中心,通過(guò)對(duì)經(jīng)過(guò)待測(cè)氣體的透射光強(qiáng)進(jìn)行定量分析可以確定被測(cè)氣體的濃度和溫度等信息[6-7]。

目前現(xiàn)有的TDLAS測(cè)量?jī)x器主要采用以下兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn):①采用個(gè)人計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)處理核心,通過(guò)商用或自行設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集卡將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),通過(guò)數(shù)字鎖相和擬合算法來(lái)反演氣體參數(shù)[8-9];②采用嵌入式系統(tǒng)作為處理核心,由于嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)算能力等限制因素,故多采用結(jié)合模擬鎖相放大器與峰值點(diǎn)比較法來(lái)測(cè)量氣體參數(shù)[10-11]。這兩種測(cè)量方法各有利弊,前者在數(shù)據(jù)處理能力上遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者,但是系統(tǒng)龐大、不便于攜帶;后者便攜、小型,但模擬鎖相放大器則諧波信號(hào)提取易受溫度漂移影響、峰值點(diǎn)計(jì)算過(guò)程中易受隨機(jī)噪聲影響。

本文提出一種基于FPGA嵌入式系統(tǒng)[12-13]的TDLAS氣體測(cè)量系統(tǒng),目的在于克服現(xiàn)有TDLAS氣體測(cè)量系統(tǒng)的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體參數(shù)的精確反演,同時(shí)實(shí)現(xiàn)儀器的小型化,便攜式。

1 TDLAS氣體測(cè)量原理

當(dāng)一束單一頻率υ的激光穿過(guò)某一均勻非散射的吸光氣體介質(zhì)時(shí),激光入射光強(qiáng)I0(υ)將會(huì)被氣體介質(zhì)吸收而衰減,該衰減由Beer-Lambert定律進(jìn)行定量描述,即

It(υ) =I0(υ)·exp[-PXLS(T)φ(v)]

=I0(υ)·exp[-α(υ)]

(1)

式中:It(υ)是經(jīng)氣體介質(zhì)吸收后的透射光強(qiáng);S(T)[cm-2atm-1]是待測(cè)氣體吸收特征譜線的線強(qiáng),它代表了所選譜線的吸收強(qiáng)度,是溫度的函數(shù);P[atm]是氣體介質(zhì)的總壓力;L[cm]是有效光程長(zhǎng);X是氣體介質(zhì)中待測(cè)目標(biāo)氣體的摩爾分?jǐn)?shù)濃度;φ(υ)[cm]是歸一化線型函數(shù),其表示待測(cè)氣體吸收譜線的形狀,與溫度、壓力和氣體種類(lèi)有關(guān);α(υ)為光譜吸收率。

TDLAS可分為直接吸收法和波長(zhǎng)調(diào)制法兩種,其中波長(zhǎng)調(diào)制法是通過(guò)在高頻調(diào)制頻率的諧波處提取待測(cè)氣體參數(shù)信息,可有效抑制低頻機(jī)械振動(dòng)、電路中1/f噪聲等,同時(shí)采用諧波歸一化可消除非吸收性光強(qiáng)散射的影響,從而降低氣體濃度等參數(shù)的檢測(cè)下限,提高測(cè)量靈敏度[14]。

TDLAS波長(zhǎng)調(diào)制法通過(guò)注入一低頻掃描信號(hào)上疊加高頻正弦信號(hào)的調(diào)制電流使可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的輸出光頻率與光強(qiáng)信號(hào)隨之變化,經(jīng)過(guò)氣體吸收后會(huì)產(chǎn)生調(diào)制頻率的高次諧波。高次諧波的幅值與氣體的濃度、溫度等有關(guān),對(duì)透射光強(qiáng)信號(hào)中的諧波信號(hào)進(jìn)行鎖相提取從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體參數(shù)的反演。

2 系統(tǒng)框架及構(gòu)成

如圖1所示,TDLAS測(cè)量系統(tǒng)主要包括分布反饋式DFB(Distributed Feedback)激光器、溫度控制模塊、電流驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)發(fā)生器、光電探測(cè)器、帶通濾波器、ADC采樣以及FPGA。其中DFB激光器是由半導(dǎo)體構(gòu)成,作為高效的電子光子轉(zhuǎn)換器件,其內(nèi)部載流子吸收等損耗會(huì)產(chǎn)生熱量,從而引起激光器溫度升高。溫度的漂移會(huì)導(dǎo)致激光器波長(zhǎng)的漂移,輸出功率下降,這些對(duì)于TDLAS光譜技術(shù)來(lái)說(shuō)都會(huì)影響測(cè)量的精度。圖1中溫度控制模塊用于設(shè)定DFB激光器的工作溫度,同時(shí)它與DFB激光器內(nèi)部的熱敏電阻、熱電制冷器構(gòu)成閉環(huán)PID調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定。電流驅(qū)動(dòng)模塊用于將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成DFB激光器的注入電流信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)激光頻率和光強(qiáng)的調(diào)制。光電探測(cè)器用于將透射光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),經(jīng)帶通濾波器濾波放大后AD采樣至FPGA中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及電路

3.1 DFB半導(dǎo)體激光器溫度控制模塊

本文中溫度控制模塊選用TECA1-XV-XV-D作為溫度調(diào)節(jié)PID控制器,它具有高效穩(wěn)定、電磁干擾低等特點(diǎn)。溫度控制電路如圖2所示,其中溫度控制芯片的3引腳用于激光器工作溫度設(shè)定,9引腳外接至主控芯片F(xiàn)PGA用于實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控的開(kāi)關(guān)控制,12、13引腳分別連接DFB激光器中TEC正負(fù)極,11引腳與熱敏電阻連接。

圖2 溫度控制電路

圖3 電流驅(qū)動(dòng)電路

3.2 DFB半導(dǎo)體激光器電流驅(qū)動(dòng)模塊

電流驅(qū)動(dòng)模塊采用低噪聲恒流激光控制器ATLS500MA103,它具有超低噪聲,大電流、高精度、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。它內(nèi)部帶有溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),可以在溫度升高時(shí)保持輸出電流的穩(wěn)定,且集成了過(guò)熱保護(hù)裝置。電流驅(qū)動(dòng)電路如圖3中所示,其中U31的1引腳外接至FPGA進(jìn)行控制電流驅(qū)動(dòng)模塊的工作狀態(tài),5引腳用于輸入外部調(diào)制電壓信號(hào),9、10引腳分別連接DFB激光器中激光二極管的正負(fù)極用于驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)光。由于DFB激光器昂貴且易損,為防止輸出的驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大,該電流驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部集成限流保護(hù)裝置,電流限制設(shè)置由其第4引腳設(shè)定。限制電流計(jì)算方法如Imax=220ULILM(mA),ULILM為第4引腳上的輸入電壓,可由電位器R297進(jìn)行調(diào)整。輸出至DFB激光器的電流Ioutput=200ULIS(mA),其中ULIS表示 5引腳輸入外部調(diào)制電壓信號(hào)的大小。

3.3 DAC信號(hào)發(fā)生器

信號(hào)發(fā)生器采用DDS芯片AD9106作為主芯片。AD9106是四通道的低功耗、12 bit、180 MSPS數(shù)模轉(zhuǎn)換器和波形發(fā)生器,其信號(hào)發(fā)生電路如圖4所示。其中通道2用于產(chǎn)生低頻掃描信號(hào),如三角波、正弦波、鋸齒波等;通道1用于產(chǎn)生所需的高頻正弦調(diào)制信號(hào);這兩路信號(hào)先通過(guò)OP4177將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端電壓信號(hào),再由OP4177運(yùn)放電路進(jìn)行加法運(yùn)算,同時(shí)疊加一直流分量。FPGA通過(guò)SPI總線與AD9106進(jìn)行通信,通過(guò)對(duì)AD9106寫(xiě)控制寄存器可以讓它生成特定波形、頻率、初相的信號(hào),同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)外部電位器可以調(diào)節(jié)信號(hào)幅值。該疊加后的電壓信號(hào)用于電流驅(qū)動(dòng)模塊的輸入,即ULIS。

圖4 DAC信號(hào)發(fā)生器

3.4 光電探測(cè)器

光電探測(cè)器用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),主要由光電二極管、調(diào)理電路等構(gòu)成。光電二極管和普通二極管一樣,是由PN結(jié)構(gòu)成的半導(dǎo)體器件,具有單向?qū)щ娦?。它的耗盡區(qū)在光照條件下,會(huì)產(chǎn)生光電流,經(jīng)過(guò)跨阻放大器可轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)供后續(xù)電路采集處理。光電探測(cè)器的帶寬和響應(yīng)時(shí)間決定其應(yīng)用場(chǎng)合。在波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)中,為獲得較高的低頻抑制效果,通常采用高頻調(diào)制信號(hào)對(duì)激光二極管進(jìn)行調(diào)制,由于氣體的非線性吸收,會(huì)在透射光強(qiáng)中產(chǎn)生豐富的高頻調(diào)制信號(hào)的高次諧波,故對(duì)于光電探測(cè)器的帶寬提出較高的要求。對(duì)于光電探測(cè)器而言,其帶寬fBW和響應(yīng)時(shí)間tr由光電二極管的結(jié)電容Cj和負(fù)載電阻RF共同決定。

fBW=1/(2πRFCj)

(2)

圖5 光電探測(cè)器前級(jí)跨阻放大電路

探測(cè)器電路前級(jí)跨阻放大電路如圖5所示。

(3)

式中:GBP為運(yùn)算放大器增益帶寬積。

3.5 帶通濾波電路

透射光強(qiáng)中調(diào)制頻率的高次諧波是由氣體吸收而引起的,信號(hào)較為微弱,在AD采樣前對(duì)諧波信號(hào)分量進(jìn)行放大,可以提高信噪比,利于后續(xù)處理。光電探測(cè)器輸出電信號(hào)經(jīng)BNC線纜傳輸至帶通濾波器輸入端,先由一電位器調(diào)節(jié)輸入幅值,再通過(guò)電壓跟隨器緩沖隔離。如圖6所示,其中電壓跟隨器后有兩級(jí)多路反饋帶通結(jié)構(gòu)和一級(jí)反相放大電路。根據(jù)濾波器傳遞函數(shù),經(jīng)推導(dǎo)可知該電路傳遞函數(shù)為[16]

(4)

式中:取C1=C2,C3=C4。

圖6 帶通濾波電路

圖7 AD采樣電路

3.6 AD采樣電路

AD采樣模塊采用AD8138將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸出至AD轉(zhuǎn)換芯片AD7357,如圖7所示。AD7357為差分輸入、雙通道14 bit SAR ADC,其數(shù)字接口為串行接口,每一個(gè)采樣點(diǎn)至少需要16個(gè)時(shí)鐘周期,其時(shí)鐘信號(hào)由FPGA提供。

圖8 數(shù)據(jù)處理流程圖

4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理流程圖如圖8所示,首先分別對(duì)入射光強(qiáng)I0(υ)、透射光強(qiáng)It(υ)進(jìn)行數(shù)字鎖相,提取它們的各次諧波信號(hào)分量,通過(guò)矢量減法扣除透射光強(qiáng)信號(hào)中的背景信號(hào),同時(shí)用一次諧波對(duì)高次諧波(通常取二次諧波)進(jìn)行歸一化得到實(shí)測(cè)扣背景歸一化信號(hào)。預(yù)設(shè)氣體濃度X,通過(guò)計(jì)算獲取仿真的歸一化二次諧波,計(jì)算仿真與實(shí)測(cè)方差誤差是否小于設(shè)定值。若是,則可認(rèn)為預(yù)設(shè)氣體濃度X即為待測(cè)氣體濃度;反之則對(duì)預(yù)設(shè)氣體濃度值進(jìn)行修改,在此迭代直至誤差小于設(shè)定值。

FPGA中實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相功能提取透射光強(qiáng)諧波信號(hào)如圖9所示,通過(guò)正交矢量鎖定分別提取一次諧波、二次諧波,并用一次諧波對(duì)二次諧波進(jìn)行歸一化。得到歸一化信號(hào)后,如圖10所示,進(jìn)行曲線擬合,即可獲取氣體濃度參數(shù)。

圖9 FPGA中數(shù)字鎖相功能實(shí)現(xiàn)

圖10 曲線擬合示意圖

采用Nanoplus公司的波長(zhǎng)中心為760 nm的DFB激光器測(cè)量空氣中氧氣含量的值對(duì)本測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。其中,光程長(zhǎng)為200 cm,測(cè)量時(shí)間為100 min,每隔10 min取一測(cè)量點(diǎn),測(cè)量結(jié)果如圖11所示,測(cè)量平均值為20.68%,方差為0.166 2,均方差為0.407 7。

圖11 氧氣100 min測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)論

本文采用FPGA作為核心控制芯片,實(shí)現(xiàn)了便攜式的TDLAS氣體測(cè)量系統(tǒng)。利用FPGA并行計(jì)算、便捷地實(shí)現(xiàn)DDS信號(hào)發(fā)生、正交數(shù)字鎖相提取諧波信號(hào)等特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中各功能單元及電路模塊的集成化。實(shí)驗(yàn)中對(duì)空氣中氧氣濃度進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)測(cè)量,結(jié)果表明,氧氣濃度測(cè)量平均值為20.68%,方差為0.166 2,均方差為0.407 7,具有較高的測(cè)量精度和良好的穩(wěn)定性,驗(yàn)證了該TDLAS氣體測(cè)量系統(tǒng)的功能。本文的研究工作對(duì)未來(lái)實(shí)現(xiàn)更高性能的集成化、小型化TDLAS氣體測(cè)量系統(tǒng)具有重要的意義。

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TDLASGasMeasurementSystemBasedonFPGA

KANGXinwen1,3,TANGJie1,3,ZHANGTong1,2,3*

(1.School of Instrument Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China;2.School of Electronic Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China;3.Suzhou Key Laboratory of Metal Nano-Optoelectronic Technology,Suzhou Research Institute of Southeast University,Suzhou Jiangsu 215123,China)

A gas detection system based on FPGA is proposed,which realizes the miniaturization and digitalization of TDLAS gas measurement system. FPGA have good performance on parallel computing,easy to realize DDS and quadrature digital phase-locked which can be used to calculate the high frequency signal and the extraction of harmonic signal in the process of TDLAS measurement. The laser,the temperature control module,the current drive module,the signal generator,the photoelectric detector,the band-pass filter and the ADC sampling are integrated on the same printed circuit board to realize the miniaturization and integration of the system. Finally,the stability of the system is verified by monitoring the oxygen concentration in the air for a long time.

aerometry;TDALS;FPGA;quadrature digital phase-locked

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.001

2017-05-09修改日期2017-07-19

TP212.2

A

1004-1699(2017)12-1781-06

康信文(1990-),男,碩士研究生,東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院,主要研究方向?yàn)榭烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜學(xué),kangxinwen_2013@163.com;

張彤(1967-),男,教授,博士生導(dǎo)師,東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,主要研究方向?yàn)榧t外氣體吸收光譜及傳感、納米光學(xué),集成光學(xué)、表面等離激元學(xué)和微波光子學(xué),tzhang@seu.edu.cn。