基于LabVIEW平臺的通用激光吸收光譜系統(tǒng)設(shè)計

劉 云， 王偉峰， 付作偉

(1.山西省環(huán)境監(jiān)控中心，山西 太原 030024；2.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.中創(chuàng)精儀(天津)科技有限公司，天津 300384 )

引 言

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(tunable diode laser absorption spectroscopy)，簡稱TDLAS技術(shù)，是一種高精度在線氣體檢測技術(shù)。TDLAS技術(shù)利用激光器可調(diào)諧的特性，將激光頻率調(diào)諧在氣體吸收頻率附近，對目標(biāo)頻段進行掃描從而得到直接吸收光譜(DAS)，而光譜中的信息與氣體的壓力、濃度等參數(shù)有關(guān)。在實時得到氣體光譜信息的同時，又不與目標(biāo)氣體接觸，做到了高精度、非接觸式的測量。利用上述對TDLAS技術(shù)的優(yōu)勢分析，該技術(shù)可為實時監(jiān)測痕量氣體和不可抗力導(dǎo)致的環(huán)境污染及由此帶來的對全球環(huán)境的影響等提供了獨一無二的工程工具和新式研究方法[1-5]。

通用接口總線(GPIB)是通過總線連接控制器與可編程工具等總線協(xié)議的一種，也稱為IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)，因其使用簡單、傳輸速率高而被廣泛應(yīng)用[6-9]，該總線設(shè)計開發(fā)的初衷就是為設(shè)備控制服務(wù)，經(jīng)過長時間的實際測試，該通信協(xié)議經(jīng)常用于設(shè)備間，今后仍將繼續(xù)在測量領(lǐng)域應(yīng)用；另外，GPIB的開發(fā)已經(jīng)成熟可靠且工況穩(wěn)定，是全球大型儀器儀表公司在儀器的生產(chǎn)制造中常用的接口類型，同時還有很多軟件上的支撐，所以，GPIB總線是世界上使用頻率最高的通信協(xié)議，且應(yīng)用方向主要是工業(yè)生產(chǎn)和實驗室環(huán)境。

基于此，本文提出并設(shè)計了一種借助LabVIEW軟件環(huán)境的以可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)為理論背景的監(jiān)測系統(tǒng)，并以GPIB為通信協(xié)議，構(gòu)架了由鎖相放大器、信號發(fā)生器、激光驅(qū)動器、可調(diào)諧激光器、工控機等組成的硬件平臺，同時，設(shè)計開發(fā)了相應(yīng)的軟件并配備數(shù)據(jù)采集和處理模塊，而且在上位機中設(shè)置對用戶較友好的交互系統(tǒng)。此外，在實驗方面，通過對大氣環(huán)境中的CO2氣體進行實地檢測，證明該系統(tǒng)能夠較好地滿足實際需求。

1 硬件設(shè)計

利用激光光譜搭建的檢測系統(tǒng)包括：總線、光源及驅(qū)動器、氣室及光路、檢測接收裝置和虛擬儀器五部分。系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1) GPIB總線

總線在系統(tǒng)中用于連接系統(tǒng)內(nèi)各儀器并進行信號的傳遞，本文選用的GPIB總線，已廣泛投入到工業(yè)環(huán)境和實驗室中[10]。由于本文設(shè)計的系統(tǒng)須對多臺可程控儀器進行統(tǒng)一控制，并要求數(shù)據(jù)的傳輸速度較高，每個設(shè)備的通用接口均包括GPIB接口，包括上位機在內(nèi)一共可以連接15臺設(shè)備，可以滿足系統(tǒng)的需要，因此，本文采用GPIB總線進行系統(tǒng)的搭建。

2) 激光器及其驅(qū)動器

主要包括信號發(fā)生器(tektronix, AFG3052C)、激光驅(qū)動器(ILX lightwave, LDC3916)、激光器(NEL，NLK1C5GAAA)和準(zhǔn)直器(thorlabs, F028FC-2000)。通過信號發(fā)生器產(chǎn)生完成調(diào)制的信號，傳輸給激光驅(qū)動器后可產(chǎn)生激光器工作所需的電流、溫度，由激光器產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)諧的所需激光信號，并通過準(zhǔn)直器的校正準(zhǔn)直進入到要測試的氣體中。

3) 信號檢測及放大器

主要包括光電檢測器(thorlabs, PDA10CS-EC)、鎖相放大器(stanford research, SR830)和數(shù)據(jù)采集卡(NI，USB-6003)。光電探測器負責(zé)接收被氣體吸收后出射的光信號，并可將該出射光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后傳輸給鎖相放大器，由鎖相放大器對此電信號完成解調(diào)工作，解調(diào)后的諧波信號通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸給上位機進行分析。

4) 虛擬儀器LabVIEW

虛擬儀器編程的工作由LabVIEW程序完成，通過GPIB總線進行系統(tǒng)工作模式的選定，控制儀器的運行，將數(shù)據(jù)采集卡獲得的諧波信號進行處理并保存，同時將獲得的氣體濃度實時顯示在上位機的界面中，最后將獲得的信息保存至數(shù)據(jù)庫中，此外，還可以提供后續(xù)的打印報表功能。

2 軟件設(shè)計

在利用虛擬儀器軟件進行系統(tǒng)搭建的過程中，軟件平臺的選擇會對系統(tǒng)的運行性能和工作效率產(chǎn)生直接影響。本文選用LabVIEW軟件作為檢測系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺，其工作范圍包括：控制可編程器件的工作，完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理及顯示等功能，并為后續(xù)的查詢提供便利。本氣體測試分析軟件界面清晰，操作方便，運行速度快，功能性較強，并可對其進行擴展，它可以完成數(shù)據(jù)處理的自動化，提高各種情況下的工作效率，并能促進下一階段的研究工作。程序主界面運行效果圖見圖2。

為滿足實驗要求，程序主要以實現(xiàn)以下功能為目的進行編寫，分別為：設(shè)備參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)的采集、處理及實時顯示與存儲，并提供歷史數(shù)據(jù)的查詢和報表打印等。由于需實時顯示時間，且采集及處理數(shù)據(jù)時，也需同時響應(yīng)用戶其他操作，所以本程序啟用3個進程，整體構(gòu)架如圖3所示。

圖2 程序主界面運行效果圖

圖3 程序整體構(gòu)架圖

2.1 設(shè)備參數(shù)設(shè)置

根據(jù)圖1，計算機經(jīng)過GPIB數(shù)據(jù)卡及和總線對信號發(fā)生模塊、鎖相放大模塊及激光二極管驅(qū)動器根據(jù)需求進行控制，這些設(shè)備都遵循SCPI(standard command for programmable instrument)標(biāo)準(zhǔn)，故采用LabVIEW中的GPIB函數(shù)來編程進而控制儀器。信號發(fā)生器負責(zé)提供系統(tǒng)需要的信號波形和信號；激光驅(qū)動器用于設(shè)置每個激光調(diào)制信號的各種參數(shù)；鎖相放大器的功能為設(shè)置靈敏度、時間常數(shù)及參考信號等參數(shù)，并選擇通道輸出信號的類型等。

2.2 數(shù)據(jù)采集及處理

通過電流的調(diào)諧控制激光器輸出所需的激光波段，由此得到目標(biāo)吸收譜線。該程序項目的核心需求就是高效率地完成光譜信號的采集和處理。采用某一激光器(LD)單獨工作或多個激光器交替工作，所以需預(yù)先設(shè)置好規(guī)則，確保采集數(shù)據(jù)時只有一個激光器處于工作狀態(tài)，并在多個激光器交替工作時準(zhǔn)確切換。

數(shù)據(jù)采集和處理主要流程包括：1) 評估數(shù)據(jù)收集的當(dāng)前狀態(tài)，確認無誤則進行數(shù)據(jù)存儲；2) 數(shù)據(jù)規(guī)范化：將信號數(shù)據(jù)列轉(zhuǎn)換為數(shù)組數(shù)據(jù)；3) 剔除粗大誤差：根據(jù)3σ原則排除粗大誤差，不斷循環(huán)該操作，直至無粗大誤差；4) 數(shù)據(jù)平均：對于排除粗大誤差后的數(shù)據(jù)進行平均，得到均值與標(biāo)準(zhǔn)差； 5) 保存數(shù)據(jù)：保存第四步中的數(shù)據(jù)結(jié)果，并選擇設(shè)置所需路徑和文件名；6) 基線校正：基于信號未被吸收部分的數(shù)據(jù)，進行線性擬合，得到的數(shù)據(jù)記為基線數(shù)據(jù)，并作差獲得基線校正后的數(shù)據(jù)； 7) S-G平滑濾波：使用S-G平滑濾波算法對數(shù)據(jù)進行濾波；8) 峰谷點搜索：對信號作差分處理，以確定極值點和兩相鄰的波峰波谷點；9) 根據(jù)2f信號的峰谷差進行濃度的反演，并對結(jié)果進行信息的保存，此時對應(yīng)激光器的濃度將顯示在測量界面中。

激光器工作狀態(tài)的判斷及切換主要包括4個模塊。前兩模塊在開始采集任務(wù)后，判斷激光驅(qū)動器的狀態(tài)，向當(dāng)前工作的激光器提供電流輸入，這兩個模塊用于保證采集數(shù)據(jù)時只有一個激光器在工作，避免多個激光器同時工作導(dǎo)致吸收光譜的疊加。后兩個模塊，在完成數(shù)據(jù)的采集、處理及保存后，根據(jù)當(dāng)前工作的激光器并從待選LD中選擇隨后工作的激光器。如果事先已指定某一激光器單獨工作，將不進行任何操作；如果指定多個激光器交替工作，則這兩個模塊將會關(guān)閉當(dāng)前正在工作的激光器，并依照要求啟動下一個激光器。

2.3 數(shù)據(jù)庫管理

Access數(shù)據(jù)庫適合處理較低總量的數(shù)據(jù)，操作方便，效率較高，對運行環(huán)境要求低，故采用Access數(shù)據(jù)庫完成信息的保存。

該程序使用LabVIEW提供的免費工具包LabSQL進行數(shù)據(jù)庫的訪問，同時，使用Microsoft ADO模塊和用于訪問數(shù)據(jù)庫的SQL語言完成對數(shù)據(jù)庫的使用工作，簡單可行，對于不了解SQL語言的用戶也可以方便操作。利用選取工具包LabSQL進行數(shù)據(jù)的訪問，寫入操作如圖4所示，查詢的操作與之類似，將SQL Sxecute出的“插入命令代碼”切換為“查詢命令代碼”，并在其輸出端添加“表格”即可完成查詢的操作。

圖4 使用LabSQL進行寫入操作的程序代碼

為了方便用戶快速獲取某次實驗的詳細信息，在程序內(nèi)部添加打印報表功能。在設(shè)置界面中，可以完成對需打印報表內(nèi)容的設(shè)置并添加注釋。其中，可自行選擇在報表中添加的內(nèi)容，包括：主程序界面、子程序界面和圖形、表格等。

3 實驗測試

對于TDLAS系統(tǒng)，氣體測量、系統(tǒng)的響應(yīng)速度、測量精度和測量過程中的穩(wěn)定性是非常重要的評價指標(biāo)。為了得到TDLAS系統(tǒng)的精確度，本實驗采取暴露在室外進行測量，激光器發(fā)出的光束直接被空氣中的CO2吸收，檢測頻率為10 s/次，測量光路長度為100 m，傳感器鋸齒波頻率設(shè)為40 Hz，正弦調(diào)制頻率為13 kHz。

圖5顯示了從HITRAN數(shù)據(jù)庫[11]獲得的1 577 nm～1 583 nm波段范圍內(nèi)CO2和H2O的吸收光譜，可以看出，在H2O的數(shù)量級較CO2低2個數(shù)量級，影響微弱可忽略不計[12]，該波段內(nèi)CO2氣體受到的干擾較小。圖6為測得的WMS-2f信號光譜圖，由LabVIEW程序完成。

圖5 CO2在1 578.8 nm～1 579.4 nm波段內(nèi)的吸收譜線

圖6 CO2氣體吸收的WMS-2f信號

第19頁圖7為實驗室環(huán)境中的CO2濃度變化，實驗室環(huán)境屬于封閉空間，門窗均保持關(guān)閉狀態(tài)。在23:00～8：00階段無人員活動，濃度維持在穩(wěn)定的數(shù)值；8：00因人員進出，實驗室內(nèi)部的CO2氣體與外界環(huán)境中的CO2氣體發(fā)生對流導(dǎo)致濃度短暫下降；隨后，因?qū)嶒炇覂?nèi)部人員的呼吸大幅抬高室內(nèi)的氣體濃度；此后，實驗室中CO2氣體變化均由人員的進出和呼吸活動引起。對比圖7和實驗室內(nèi)部環(huán)境的實際變化可以看出，CO2氣體的濃度變化與實際情況吻合度較高。

在實驗室環(huán)境下，通過對內(nèi)部的CO2氣體進行不斷監(jiān)測得到該傳感器系統(tǒng)的的最佳靈敏度為，光程長度為100 m時的最低監(jiān)測限為10×10-6。可見，本文中以LabVIEW平臺為基礎(chǔ)的通用型光譜檢測器能夠完成實時反映大氣中CO2的濃度改變，在實際測量，尤其對時間要求較高的情況下優(yōu)勢明顯。

圖7 實驗室內(nèi)部的CO2濃度

4 結(jié)論

以LabVIEW平臺為基礎(chǔ)的通用型氣體濃度檢測系統(tǒng)，采用1.58 μm的DFB激光器，利用波長調(diào)制光譜(WMS)的2f檢測技術(shù)，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在光程長度為100 m時的靈敏度為10 ppm，檢測頻率為10 s一次，證明該系統(tǒng)可以用來實時監(jiān)測空氣中的二氧化碳濃度，并且系統(tǒng)靈敏度較高，穩(wěn)定性強。

此外，該傳感器只需更換激光器即可實現(xiàn)檢測空氣中的其他痕量氣體，如，CO、CO2及NH3等，并實現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、保存等過程的高度自動化，實驗過程無須人為干預(yù)，可長時間、自動化地檢測氣體濃度，極大提升工作效率。

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