虚拟数字滤波提高红外气体分析系统精度的应用研究

　　1　引　言

　　红外气体分析系统的精度受各种因素的影响,其中主要因素是探测器。国外一些知名分析仪器厂家所生产的分析仪器的良好性能主要取决于探测器的复杂 制作工艺,但价格昂贵[1]。国产探测器价格相对便宜,但性能不稳定,故探测器性能成为影响分析仪器精度提高的瓶颈。目前使用的国内探测器,传统处理是将 探测器输出信号通过锁频放大或选频放大等硬件滤波电路提取信号。由于干扰复杂,包含了较多的频率成分,滤波效果不理想,电路参数不易调节。数字滤波可弥补 这种缺点。本文讨论基于CVI的数字滤波对时间双光路红外气体分析系统检测信号进行处理。实验结果表明,经过数字滤波处理后系统性能得到了有效改善,并且 人机界面友好。

　　2　影响红外气体分析系统精度的主要因素

　　时间双光路红外气体分析系统原理图如图1所示,根据样品特征吸收光谱选择适当波长的测量滤光片和参考滤光片,热辐射光源发出的连续波谱的红外线 经过装有滤波片斩波器后得到一定带宽的13 Hz调制单色光(带宽越窄单色度越好),穿过样品池被气体吸收后由检测器按照时间顺序检测出参考透射光强和测量透射光强。

　　(1)红外光源发射功率的稳定性。

　　红外光源由50Hz、3.6 V交流电加在0.8Ω镍铬丝上获得。供电电源的电压稳定性、光源的密封性、环境温度变化、散热情况、镍铬丝的高温阻值稳定性和表面挥发情况、任何一个辐射 源包括人在内均会影响光强。本系统光源经反射镜、斩波器后入射气室,中间存在间隙,非一体化。实验表明人的走动、距光源的远近等外界因素都会影响探测器的 输出。

　　(2)斩波器工作频率稳定性。

　　探测器输出信号电压为

　　波长;A———敏感元面积;R———电阻;P———元件接收的辐射功率;τe———系统电时间常数;τT———探测器的热时间常数;G———敏感元件向周围空间的总热导。

　　工作频率直接影响热释电探测器电压输出。本机械斩波器有一级带传动,所以调制频率在13~14Hz波动。

　　(3)气室的密封性及内壁光滑性。

　　射入气室的光经气体吸收、内壁多次反射与吸收后传出,内壁越光滑,光的杂散损耗就越小。

　　(4)探测器本身的精度。

　　(5)后续放大电路精度。

　　包括放大器本身精度及所设计的放大电路性能、整个电路的供电电源稳定性。

　　(6)本系统光源经离轴抛物面反射镜、斩波器后入射气室,光锥聚焦进入探测器,整个过程的光学元件的污染引起传光效率的变化,引起系统长期不确定性漂移。