基于相關(guān)濾波技術(shù)的SO2氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

≮＾儀器燃翰文章編號：１００１—９９４４（２０ｌ１）０４—００１ｌ—０３基于相關(guān)濾波技術(shù)的Ｓ０２氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)姚娜１，張記龍１，２，王志斌１，２，王相如１，張躍國１（１．中北大學(xué)光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心，太原０３００５１；２．中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原０３００５１）摘要：介紹一種基于相關(guān)濾波技術(shù)的非分散紅，ｌ－ｓｏ，氣體濃度測量方法。該方法是在相關(guān)運(yùn)算原理和ｓｏ，紅外吸收特性基礎(chǔ)上．結(jié)合相關(guān)檢測和氣體濾波技術(shù)，有效解決了近年來空氣中ＳＯ，污染嚴(yán)重且在非分散紅外ｓｏ，檢測系統(tǒng)中噪聲干擾大的問題，實(shí)現(xiàn)了對微弱光信號的調(diào)制和檢測，并實(shí)現(xiàn)了新型Ｓ０２濃度監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)有１０－６的檢測靈敏度。關(guān)鍵詞：相關(guān)濾波技術(shù)；非分散紅外；微弱光信號；二氧化硫中圖分類號：ＴＰ２１２文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ＡＤｅｔｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｏｆＳ０２ＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎＧａｓＦｉｌｔｅｒＣｏｒｒｅｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＹＡＯＮａｌ，ＺＨＡＮＧＪｉ－ｌｏｎ９１．２，ＷＡＮＧＺｈｉ－ｂｉｎｌ，２ＷＡＮＧＸｉａｎｇ—ｒｕｌ，ＺＨＡＮＧＹｕｅ—ｇｕ０１（１．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＯｐｔｏ－ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｅＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉ—Ｅｔａ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ；２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄｏｙ，ｌａＩｎｉｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕ－ｃａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｍｅｔｈｏｄｏｆｎｏｎ－ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｉｎｆｒａｒｅｄａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂａｓｅｄｏｎｇａｓｆｉｌｔｅｒｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇＳ０２ｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅｇａｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｂ－ｓｏｒｐｔｉｏｎｉｎｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｇｉｏｎ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｃｏｍｂｉｎｉｎｇｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｇａｓｆｉｌｔｅｒｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ（ＧＦＣ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｏｌｖｅｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｔｈａｔＳ０２ａｉｒｐｏｌｌｕｔｉｏｎｉｎｃｈｉｎａｉｓｓｅｒｉｏｕｓｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓａｎｄａｔｍｏｓｐｈｅｒｅＳ０２ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ耐ｔｌｌｎｏｎ－ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎＩｎｆｒａｒｅｄｓｙｓｔｅｍｆａｃｅｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｈｉｇｈｎｏｉｓｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．Ｉｔｂｒｉｎｇｓａｂｏｕｔｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｄｅｔｅｃ－ｔｉｏｎｆｏｒｆｅｅｂｌｅｓｐｅｃｔｒｕｍｓｉｇｎａｌ．ＡｎｄｉｔｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｎｅｗｍｏｎｉｔｏｒｄｅｓｉｇｎｏｆＳ０２ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｅｖｅｎｔｕａｌ．Ｔｈｅｅｘ－ｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｓｙｓｔｅｍｃａｌｌｒｅａｃｈｌｐｐｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇａｓｆｉｌｔｅｒｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｎｏｎ－ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｉｎｆｒａｒｅｄ；ｆｅｅｂｌｅｓｐｅｃｔｒｕｍｓｉｇｎａｌ；Ｓ０２近年來．隨著我國工業(yè)的迅速發(fā)展．大量開采煤礦、燃煤發(fā)電、鋼鐵和有色金屬的冶煉等都對大氣造成了ＳＯ：污染…。目前監(jiān)測大氣ＳＯ：的方法有定電位電解法、分光光度法、電化學(xué)法及傳感器、色譜法、火焰光度法、紫外熒光法、光譜吸收法、激光雷達(dá)法等。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)和不同的適用范圍［引?；瘜W(xué)方法具有較好的測量準(zhǔn)確度和靈敏度。但需吸收液或試劑，操作繁瑣，存在人為的操作誤差，測量范圍有限，不能滿足大氣ＳＯ：濃度的連續(xù)、自動、實(shí)時(shí)測量要求。采用氣體相關(guān)濾波技術(shù)［糾］在非分散紅外光譜吸收特性基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的新型ＳＯ：檢測儀，不僅精度和靈敏度高、測量范圍大、選擇性和可靠性好，可快速和連續(xù)監(jiān)測，而且成本低。有效提高了ＳＯ：吸收光譜信號質(zhì)量和光譜信號檢測時(shí)的信噪比。１相關(guān)檢測原理相關(guān)檢測是在相關(guān)函數(shù)和相關(guān)接收的數(shù)理基礎(chǔ)上。利用信號在時(shí)間上相關(guān)這一特征，把淹沒在噪聲收稿日期：２０１０—０９—０２：修訂日期：２０１０一“—０２基金項(xiàng)目：科技部國際合作項(xiàng)目（２０ｌＯＤＦＲｌ０５２０）；山西省國際合作計(jì)劃（２０１００８１０３８）；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（２００９０３２１０４４）；山西省科技平臺建設(shè)（２０１００９１０１３）作者簡介：姚娜（１９８４一），女，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楣怆娞綔y等；張記龍（１９６４一），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣怆娦畔⑻幚淼取Ｗ詣樱嚕髢x表２０１１（４）田萬方數(shù)據(jù)中的周期信號提取出來的一種方法。如果輸入信號的重復(fù)周期或頻率已知．用１個(gè)重復(fù)周期或頻率與輸入信號相同的相關(guān)信號與混有噪聲的輸入信號進(jìn)行相關(guān)【５】，如圖１所示?！唬ǎ簦秩Γ毕嚓P(guān)接收原理圖Ｆｉｇ．１Ｄｉａｇｒａｍｏｆｒｅｌｅｖａｎｔｒｅｃｅｉｖｉｎｇ設(shè)被測輸入信號Ｚ（￡）哥ｉ（ｔ）＋?。ǎ妫ǎ保┫嚓P(guān)信號ｆｏ（￡）＝ｓ。（ｔ）（２）１ｔ，則互相關(guān)函數(shù)Ｒ（ｒ）２燭去Ｊ一』（￡礪（ｔ一下）ａｔ＝Ｒ¨。（ｒ）根。。（?。┖怠＃ǎ颍ǎ常氖剑ǎ常┛梢?，相關(guān)函數(shù)項(xiàng)把噪聲項(xiàng)去掉了。從而在ＳＯ，吸收較弱的情況下，能夠去除噪聲的干擾，獲得高信噪比的濃度信號。２紅外吸收原理理論與實(shí)踐研究證明．每種氣體在紅外輻射波段都有１條或數(shù)條特征吸收光譜。ＳＯ：的紅外特征光吸收譜線有２條：１條是４．０ｐ，ｍ，另１條是７．３５ｐ，ｍ。對于ＳＯ：的２個(gè)明顯的特征吸收峰，如果不考慮散射的影響，當(dāng)ＳＯ：受到紅外光照時(shí)，ＳＯ：氣體分子就要吸收４．０ｐ，ｍ和７．３５１ｘｍ的紅外光譜的輻射能，并將其轉(zhuǎn)換為ＳＯ：氣體分子的振動和轉(zhuǎn)動能量。在單一吸收的條件下，如?。矗埃保砑t外輻射，ＳＯ：的吸收譜線的強(qiáng)度與ＳＯ：氣體的體積分?jǐn)?shù)服從朗波一比爾定律。根據(jù)朗伯一比爾定律．對單一組分氣體，ＳＯ：吸收紅外光的表達(dá)式為［６］／（Ａ）＝，ｏ（Ａ）ｅｌｕ塒（４）其中：，０為入射到待測氣體的初始光強(qiáng)；Ｚ為吸收光程；Ｏ／為待測氣體的吸收系數(shù)；ｃ為待測氣體的濃度；／０ｔ）為經(jīng)過待測氣體吸收之后的出射光強(qiáng)。當(dāng)氣體濃度很低時(shí)，ａ（Ａ）ｃｆ．，＜１，式（４）通過泰勒公式展開后可以化簡為，（Ａ）＝，０（Ａ）［１－ａ（Ａ）ｃ１］（５）可見。氣體的吸收率和氣體濃度呈線性吸收。因此只要求出入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng)。就可通過相映的軟件算法反演出被測ＳＯ：氣體濃度。３測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)氣體濾波相關(guān)檢測原理是通過將透過相關(guān)輪田上參比氣室和測量氣室的紅外光強(qiáng)度的差分比較得出被測氣體濃度的方法【引。如圖２所示，系統(tǒng)主要由光源、氣體濾波相關(guān)輪、反射式光耦、氣室、濾波片、探測器、電機(jī)以及信號處理部分組成。首先由上海佛朗克集團(tuán)（德國）生產(chǎn)的電機(jī)驅(qū)動氣體濾波相關(guān)輪旋轉(zhuǎn)．濾波相關(guān)輪的２個(gè)濾波氣室中分別充入高濃度的Ｎ２和ＳＯ：，紅外光源ＩＲＬ？１５經(jīng)氣體相關(guān)輪濾光后的紅外光入射裝有待測ＳＯ，氣體的氣室，氣室入光ＩＺｌ用鍍膜的硒化鋅窗１：３封閉，經(jīng)Ｓ０２氣體對入射光充分吸收．最后光束出射氣室后經(jīng)過濾光片至ＬＩＭ一２６２熱電堆紅外探測器上。探測器采集光信息轉(zhuǎn)化為電壓傳給信號處理電路．然后經(jīng)過電壓和ＳＯ，濃度的關(guān)系得到ＳＯ：的濃度。圖２測量系統(tǒng)原理圖Ｆｉｇ．２Ｄｉａｇｒａｍｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ氣體濾波相關(guān)輪的設(shè)計(jì)是相關(guān)濾波技術(shù)很重要的一部分．如圖３所示。氣體濾波相關(guān)輪由２個(gè)氣室、轉(zhuǎn)輪、紅外窗口及反射鏡組成。２個(gè)氣室的入光口和出光口是用鍍膜的硒化鋅紅外窗口封閉。參考?xì)馐依锍淙敫邼舛鹊模樱希簹怏w，當(dāng)紅外光源發(fā)出的光經(jīng)過該氣室時(shí)．ＳＯ，吸收帶上的能量被完全吸收。測量氣室里充入的是高濃度Ｎ：，在４．０１ｘｍ波段無吸收。在氣體濾波相關(guān)輪上對應(yīng)參考?xì)馐液蜏y量氣室安裝２個(gè)反射鏡作為鑒別信號．利用反射式光耦合器ＳＴｌ８８對其進(jìn)行檢測。得到相關(guān)信號。光源－＋反圖３氣體濾波相關(guān)調(diào)制圖Ｆｉｇ．３Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆｇａｓｆｉｌｔｅｒｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ萬方數(shù)據(jù)４硬件實(shí)現(xiàn)經(jīng)探測器采集到光信號轉(zhuǎn)化為電壓．然后經(jīng)過放大。濾波處理后進(jìn)行相關(guān)檢測。相關(guān)濾波技術(shù)的重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)相關(guān)檢測．于是得到１個(gè)與輸入信號頻率相同的相關(guān)信號很必要。系統(tǒng)中相關(guān)信號是通過反射式光耦合器產(chǎn)生的光耦信號。既可產(chǎn)生１個(gè)和ＳＯ，測量信號同步的光耦信號，同時(shí)也產(chǎn)生１個(gè)同參考信號同步的光耦信號。圖４顯示的是理想的參比信號，測量信號和與之對應(yīng)的相關(guān)信號。相關(guān)信號測量信號圖４測量信號與相關(guān)信號Ｆｉｇ．４Ｍｅａｓｕｄｎｇｓｉｇｎａｌａｎｄｒｅｌｅｖａｎｔｓｉｇｎａｌ經(jīng)放大濾波后的測量信號與反射式光耦產(chǎn)生相關(guān)信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算．測出紅外輻射在這２個(gè)時(shí)刻的強(qiáng)度。然后進(jìn)行差分運(yùn)算得到與ｓｏ：濃度有關(guān)的電壓信號傳輸?shù)剑粒妫簦┎杉娐?。?jīng)標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)后。便可實(shí)時(shí)在線完成對空氣中ＳＯ，氣體濃度的監(jiān)測。設(shè)相關(guān)濾波輪的信號ｋ和ｋ通過ＳＯ：測量氣室后的強(qiáng)度為，’。．和，’觀。硬件實(shí)現(xiàn)如圖５所示。差分放大ＨＡ／Ｄ采集１萱壅墊盔望婆Ｈ薹鱉堂Ｈ！卜Ｊ圖５相關(guān)算法硬件實(shí)現(xiàn)原理圖Ｆｉｇ．５Ｈａｒｄｗａｒｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｃｏｒｍｌａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ５實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析表ｌ是利用相關(guān)濾波技術(shù)設(shè)計(jì)的ＳＯ，監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)測出來的電壓值與ＳＯ：濃度。表１數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合．得到如圖６所示輸出電壓信號與ＳＯ，濃度的線性關(guān)系．相關(guān)系數(shù)尺ｚ＝０。９８０３，很接近ｌ，相關(guān)度好，可見采用該方法監(jiān)測ＳＯ：濃度是可行的。而且精度高、抗干擾能力強(qiáng)。但有些數(shù)據(jù)還是存在一定誤差的．主要由于光源光強(qiáng)不穩(wěn)定和探測器受溫度影響較大的原因。自動億與儀表２０１１（４ｌ表１氣室中Ｓ０２濃度和測量電壓值對應(yīng)關(guān)系Ｔａｂ．１ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｒｅｌａｔｉｏｎｏｆＳ０２ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｇａｓｃｈａｍｂｅｒａｎｄｍｅａｓｕｒｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｖａｌｕｅ６００５９０５８０毫５７０奩５６０腳５５０５４０５３０５２０＼一ｊ５８１ｘ＋５８８１５仁一．１．‘、＇卜、＞、？——一．∑０２０柏６０８０１００Ｓ０２］宦／ｐｐｍ圖６二氯化硫吸收曲線Ｆ哂．６ＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆＳ０２６結(jié)語基于相關(guān)濾波技術(shù)的非分散紅外Ｓ０，濃度監(jiān)測法從理論上消除了由于干擾氣體產(chǎn)生的ＳＯ，的測量誤差，有效實(shí)現(xiàn)了對微弱信號的處理。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析，該方法不僅靈敏度高。穩(wěn)定性好，而且成本低。既適合做實(shí)驗(yàn)研究又有利于產(chǎn)品開發(fā)。參考文獻(xiàn)：［１］郝吉明，王書肖，陸永琪．燃煤二氧化硫污染控制技術(shù)手冊［Ｍ］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社。２００１．［２］鄭龍江，李鵬，秦瑞峰．等．氣體濃度檢測光學(xué)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［Ｊ］．激光與光電子學(xué)進(jìn)展，２００８．４５（８）：２４—３２．［３］ＣｈａｐｍａｎＯＭ，ＨｉｈｏｎＭ．Ｌｏｗ－－－ｃｏｓｔｇａｓｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｍｅｔｈａｎｅ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃａｌＳｅｎｓｉｎｇＩＩ，２００６，６１８９：１－１０．［４］ＳｈｕＥｍｉｌｙＹ．ＣｕｅｍａｎＭＫ，ＦｏｒｔｉｎＧａｂｒｉｅｌ，ｅｔａ１．Ｇａｓｆｉｌｔｅｒｃｏｒｒｅｌ砒ｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｉｎ－ｓｉｔｕｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎｍｏｎｏｘｉｄｅ（ＮＯ）ｉｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｅｘｈａｕｓｔ［Ｊ］．ＳＰＩＥ，２０００，２８３４：２２３—２３２．［５］司福祺．劉建