MSP430单片机在激光CO气体检测仪上的应用

　　0　引言

　　近年来,我国煤炭工业维持高速发展,但是煤矿安全事故也随之不断发生。这些事故大部分都是由于没有对现场气体进行实时监测导致瓦斯爆炸引起的。另外在钢铁冶金、石油化　　工等行业中也要对气体的浓度进行在线检测。因此利用先进的计算机技术、网络通信技术和测控技术对生产现场的气体浓度进行远程采集和实时监控是非常必要的。随着近期红外吸　　收光谱学的发展,特别是可调谐激光技术及谐波分析技术的应用,使新型的红外气体检测仪的研究提上了日程[1]。激光气体检测仪具有应对环境的抗干扰能力强、精度高、可靠性好等优　　点,且可直接安装到现场来完成对CO气体浓度的检测这使其代替传统的仪器成为大势所趋。此仪器也正是在这种背景下进行开发设计的。

　　1　激光CO气体检测原理及仪器概述

　　激光气体检测仪是基于可调谐半导体激光吸收光谱技术来检测气体浓度的。任何物质都具有特征明线光谱和吸收光谱,CO气体分子也不例外。CO的吸收中心波长位于1. 56μm处。根据气体选择性吸收理论可知,当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时,就会发生共振吸收,且吸收的强度与该气体的浓度有关,通过测量光的吸收强度就可计算出气体的浓度。当光强为I0的入射光通过待测气体时,如果光源光谱涵盖了气体的吸收谱线,那么光强衰减为I,根据Beer-Lambert定律:

　　由式(2)可以得知,当μ和L都已知时,通过检测出I0和I就可以计算出气体的浓度c.这就是激光检测气体浓度的原理。

　　如果利用传统红外光谱进行测量,由于其谱宽较宽,大概为100 nm.在其光谱范围内不仅含有被测气体的吸收谱线还会含有一些其它杂质气体的吸收谱线。这样被测气体和杂质气　　体会共同吸收照射光束的能量,那么测量结果就很难保证其精确性。但是当使用可调谐半导体激光技术就避免了这样的问题。半导体激光气体检测仪中使用的半导体激光的谱宽为0·000 1 nm,远小于被测气体一条吸收谱线的谱宽。这样就可以选择某一特定波长的被测气体的吸收谱线,且在这条谱线附近不包含背景气体成份的吸收谱线[2]。这样就避免了各种气体成份的交叉吸收干扰,使得结果比较精确。可调谐半导体激光技术通过检测气体选频吸收光源发出的光能的衰减来测量其浓度。在每次测量时使激光波长扫描过被测气体选择性好的某一吸收谱线,测量出其单线吸收光谱数据,然后分析此数据得到被测气体的浓度。

　　当对光源的波长进行正弦调制后,调制光通过标准气室(包含有固定浓度的待测气体)。当激光中心波长锁定在气体的吸收峰时,输出光会包含有调制频率的二次谐波,这时一次谐波为零[3]。如果有偏差,那么就会有不为零的一次谐波信号利用这个信号作为反馈可以将光源锁定在气体的吸收峰上。这时激光器输出的调频光通过待测气室后,由于气体的吸收效应,频率调制转换为强度调制,并且幅度与待测气体的浓度成正比。如果吸收峰对称,则一次谐波为零,由二次谐波的幅值可以得出气体的浓度。那么比较一次谐波与二次谐波的信息就可以计算出吸收气体的浓度。激光气体检测仪通过调制激光频率使其周期性地扫描CO气体吸收谱线。激光频率的扫描范围被设置成大于CO吸收谱线的宽度,那么在一个周期内肯定包含了CO的吸收谱线。从激光器发出的激光分为两束后,一束穿过被测气体室用来检测气体的浓度,另外一束用来锁定激光频率。因为激光频率被调制到了CO的吸收谱线上,当该激光穿过CO气体吸收室后,接收端会收到调制频率的二次谐波分量。这是由于吸收光谱对激光的非线性作用造成的。且该二次谐波分量幅值与CO气体的浓度成比例。这样就可以通过计算得出CO的浓度了。由于调制解调技术的应用,使得该仪器检测灵敏度高,对环境的抗干扰能力强,不会产生误判。不需要经常标定,不需采样。