基于ARM與有理數(shù)濾波的甲烷體積分數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：介紹了一種甲烷體積分數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)運用分子輻射吸收理論的紅外檢測技術(shù)，設(shè)計了CH4體積分數(shù)檢測的紅外傳感器，其具有響應(yīng)速度快、能在惡劣環(huán)境下工作的優(yōu)點。信號調(diào)理電路采用鎖相放大器進行微弱信號檢測，同時軟件設(shè)計中采用有理數(shù)濾波算法進行數(shù)據(jù)處理，能顯著提高系統(tǒng)的檢測精度和穩(wěn)定性。實驗表明：測試精度約為5×106，可廣泛用于化工、電力、礦山等行業(yè)的危險氣體監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：監(jiān)測；甲烷；紅外；鎖相放大器；有理數(shù)濾波

    隨著能源需求的增加，石油、天然氣以及煤炭開發(fā)不斷擴大，生產(chǎn)環(huán)境中含有大量甲烷，甲烷屬于易燃易爆氣體，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險。這使得探測甲烷氣體在工業(yè)生產(chǎn)中的濃度成為面臨的一個重要問題。甲烷檢測多以熱導(dǎo)式分析法、氣相色譜法和電化學(xué)方法為主，不僅檢測周期長而且探測范圍小。本系統(tǒng)選用紅外氣體傳感器，具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強的優(yōu)點。選用ARM核心的S3C44BOX處理器，提高系統(tǒng)處理器性能。在信號調(diào)理中采用了鎖相放大器，軟件處理中采用了有理數(shù)濾波技術(shù)，處理器端可以通過串口與PC通信完成監(jiān)控計算機的相關(guān)操作。由此構(gòu)成的甲烷體積分數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用在礦山礦井中，對于預(yù)防事故的發(fā)生具有重要意義。

1 紅外傳感器檢測原理
    紅外吸收型氣體傳感器是基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制成的。根據(jù)紅外理論，許多化合物分子在紅外波段都具有一定的吸收帶，分子本身的原子結(jié)構(gòu)決定了吸收帶的強弱及所在的波長范圍。化合物的分子對紅外光譜內(nèi)某一個或一組特定波段內(nèi)的輻射有選擇地吸收形成特征吸收帶。
    甲烷氣體分子的特征吸收帶主要分布在1～25 μm波長范圍的紅外區(qū)。如圖1所示，CH4在3．2～3．4 μm、2．3μm以及1．65μm附有強吸收帶，在1．9μm和2．7μm附近存在弱吸收帶。本傳感器選擇2．3μm作為CH4的工作波長，選擇1．9μm作為參考波長，以消除光源的波動帶來的干擾。探測器選用PD25進行探測，對2．3μm和1．9μm波長的紅外光都有響應(yīng)。

    比爾-朗伯定律反映了某種氣體在某一體積分數(shù)時對光的吸收情況
   
    式中，I為透射紅外輻射的強度；I0為入射紅外輻射的強度；K為氣體的紅外光吸收系數(shù)；C為待測氣體的摩爾百分體積分數(shù)；L為紅外輻射穿透過的待測氣體長度。
    當紅外輻射穿過待測組分的長度L和入射紅外輻射的強度I0一定時，由于K對某一種特定的待測組分是常數(shù)，故透過的紅外輻射強度I是待測組分摩爾百分體積分數(shù)C的單值函數(shù)。通過測定透射的紅外輻射強度，就可以確定待測組分的體積分數(shù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    該系統(tǒng)主要由傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器和ARM處理單元組成，如圖2所示。

    采用ARM嵌入式處理器作為系統(tǒng)的處理核心，這里選取了具有豐富外設(shè)的三星S3C44BOX處理器，由于內(nèi)部不含存儲器，還需要外接ROM和RAM。通過串口將處理的結(jié)果可以通過RS-232的串口線送入監(jiān)控主機；監(jiān)控主機放在監(jiān)控室，負責(zé)實時顯示、存儲和查詢。
2．1 傳感器結(jié)構(gòu)
    如圖3所示，本傳感器采用MIC2591構(gòu)成方波電流調(diào)制紅外光源，調(diào)制后的光源發(fā)出光信號，穿過待檢測氣體，光電探測器端則采用鎖相放大器來檢測微弱信號，同時采用高精度干涉濾光片一體化紅外傳感器以及單光路以減小光源、光探測器、背景噪聲等因素的影響。

2．2 信號調(diào)理電路
    接收端信號調(diào)理電路采用低噪聲前置放大器以及與調(diào)制頻率匹配的鎖相放大器進行微弱信號的檢測，可以提高信號的可信度和精度。
    如圖4所示，鎖相放大器由3部分組成：信號通道、參考通道和相關(guān)器。信號通道低噪聲前置放大器將伴有噪聲的輸入信號放大，并經(jīng)過帶通濾波初步濾除通帶以外的噪聲；參考通道的作用是提供一個與輸入信號同相的方波；相關(guān)器主要完成被測信號與參考信號兩者相關(guān)運算，從而實現(xiàn)頻率由交流到直流的變換，最后通過低通濾波輸出直流電壓，作為A／D轉(zhuǎn)換的輸入信號。

3 軟件設(shè)計
    氣體體積分數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計使用模塊化程序設(shè)計，主要包括串口通信程序設(shè)計、傳感器數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)濾波程序。
3．1 數(shù)據(jù)處理流程
    數(shù)據(jù)的采集和處理采用中斷的方式，如圖5所示。該中斷程序主要完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)分析處理、串口數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。系統(tǒng)加電后，首先完成系統(tǒng)的初始化，開啟A／D轉(zhuǎn)換。中斷發(fā)生后，讀取A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，更新數(shù)據(jù)表，隨后進行數(shù)據(jù)濾波，同時采用更新數(shù)據(jù)表的方法，提高檢測系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性。內(nèi)存中存放事先標定好的線性系數(shù)，系統(tǒng)工作時，根據(jù)當前計算數(shù)據(jù)進行數(shù)值轉(zhuǎn)換，線性插值計算出當前氣體的濃度，通過串口發(fā)送給監(jiān)控主機。

3．2 數(shù)據(jù)處理算法
    采用未確知有理數(shù)的數(shù)字濾波算法消除隨機干擾，增加數(shù)據(jù)的可信度。將n個采集數(shù)據(jù)定義為x1，x2，x3，…，x4，采集的數(shù)據(jù)有一定的取值范圍，因此假設(shè)任意采集的數(shù)據(jù)x都是在區(qū)間[xmin，xmax]內(nèi)取值，則可以一個未確知數(shù)S
   
    式中，[xmin，xmax]和φ(x)構(gòu)成一個n階未確知有理數(shù)；α、[xmin，xmax]和φ(x)分別為該未確知有理數(shù)的總可信度、取值區(qū)間和可信度分布密度函數(shù)。這樣就將一組n次采樣的值定義為一個n階未確知有理數(shù)。
    φ(x)為采集量真值的可信度分布密度函數(shù)。通過分析偶然跳動和輸出量確實變大(小)兩種情況發(fā)現(xiàn)：如果xi是偶然跳動，則xi是孤立的、少數(shù)的，在某可信度距離內(nèi)x的個數(shù)較少；若xi是輸出量的確變大(小)時，在某可信度距離內(nèi)x的個數(shù)會越來越多。因此，可以定義φ(x)為
   
    式中，ξi為|xi-x|≤d(x=xi，j=1，2，…，n且i≠j)中包含x的個數(shù)；n(n-1)為在可信度距離d內(nèi)x的最大個數(shù)之和。
    為了平穩(wěn)有效地顯示出采樣量的真實值，采用采樣數(shù)據(jù)的未確知有理數(shù)S的數(shù)學(xué)期望E(S)來表示真實值。定義未確知期望E(S)
   
    當α<1時，E(S)是未確知有理數(shù)，它的實際意義是：實數(shù)作為S的期望值，有α的可信度。由以上構(gòu)造得
   
    從式(6)可以看出，顯示值與測量次數(shù)n及落在可信度距離d內(nèi)的xi的個數(shù)ξi有關(guān)，當有偶然跳動xi時，落在可信度距離d內(nèi)的x個數(shù)就會減少，在顯示值E(S)中比重下降會體現(xiàn)，這樣就減少不可信數(shù)據(jù)的影響，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)濾波的目的，同時在計算E(S)的過程中只需計算ξi的個數(shù)，算法簡單有效。較好地解決了數(shù)據(jù)采集與處理中抗干擾性能和實時性的要求，達到了真實、快速地反映采集數(shù)據(jù)真實值的目的。

4 測試結(jié)果
    在實際的采樣數(shù)據(jù)濾波過程中，需要設(shè)定可信度距離d，而可信度距離d可根據(jù)對采樣精度的要求、允許數(shù)據(jù)波動的范圍和實際輸出的要求來定。如傳感器連續(xù)輸出10次采樣電壓值，可信度距離取d=0．004，那么ξi和αi的值如表1所示。

    運用未確知有理數(shù)數(shù)據(jù)濾波法，由未確知數(shù)期望顯示采樣結(jié)果為
   
    系統(tǒng)的軟件、硬件分別測試完成后，需要經(jīng)過系統(tǒng)標定，然后才能用來測試測量。標定就是用一組標準的物理信號輸入到測試系統(tǒng)，得出一組與之對應(yīng)的輸出電信號，然后通過數(shù)據(jù)處理，確定系統(tǒng)輸出的電信號與輸入物理信號之間的對應(yīng)關(guān)系。這樣就可以根據(jù)標定時得到的對應(yīng)關(guān)系，將測量到的電信號數(shù)值轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的物理信號數(shù)值。
    統(tǒng)計CH4體積分數(shù)與電壓值對應(yīng)關(guān)系，建立擬合曲線。假設(shè)非線性特性曲線擬合方程的n次多項式為
   
    對體積分數(shù)測試系統(tǒng)進行靜態(tài)標定實驗，獲得一組體積分數(shù)值和與之對應(yīng)的輸出值，計算出待定常數(shù)α0～α6。將系數(shù)α0～α6存入內(nèi)存，這樣，以后在測試過程中就可以根據(jù)式(4)將傳感器的輸出值變換為體積分數(shù)值。擬合后函數(shù)參數(shù)為[α6～α0]=[-0.001 7，0．010 2，0．051 4，-0．652 2，2．483 2，-5．172 1，5．784 0]。如圖6所示，為CH4體積分數(shù)和采集電壓的擬合曲線圖。

    如圖7所示為監(jiān)控軟件截取的CH4體積分數(shù)曲線圖，系統(tǒng)測試精度能達到約5×106，經(jīng)過濾波后數(shù)據(jù)比較平滑，由于氣體的波動性較強，起伏仍然比較明顯，但可以較好地滿足甲烷監(jiān)測的需要。

5 結(jié)束語
    針對現(xiàn)有甲烷檢測裝置存在的檢測范圍窄、結(jié)構(gòu)簡單、檢測速度慢等缺點，在研究嵌入式技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于ARM處理核心的檢測系統(tǒng)。采用鎖相放大器來檢測光學(xué)傳感器的微弱信號，提高了測試精度，同時采用的有理數(shù)濾波技術(shù)提高了監(jiān)測系統(tǒng)的可信度，基本能滿足CH4氣體監(jiān)測的要求，可廣泛應(yīng)用于煤礦甲烷檢測系統(tǒng)中。