李利花，袁 钦，王乐平

(南昌大学共青学院，江西共青城 332020)

0 引言

工业信息网络传输速度越来越快，光纤传输设备成为进行有效沟通的手段，但是在光纤内部会有大量气体充入造成信号传输速度缓慢[1]，所以有必要对光纤气体浓度进行检测。

气体浓度控制在3%以内时信号非常微弱，常用检测手段为锁相放大器，但是现存设备都有体积庞大、成本过高和功能复杂等缺点，因此，本文设计一款便携式嵌入式的气体检测设备。

根据需求设计一种可以检测低浓度氧气和水蒸气的嵌入式系统[2]，采用单双路AD620作为核心扩展了积分器和LPF等硬件锁相电路，最后测量氧气幅值和相位角验证系统可靠性。

1 锁相检测原理及整体方案设计

在光纤通讯中，气体主要有氧气和水蒸气，两种气体的检测原理不同，但都需要提取幅度和相位特征等信息。设计的锁相放大器基本原理如图1所示。

图1 锁相放大器工作结构简图

在信号通道中，电压信号主要传输途径包括信号采集通道、参考信号、相敏检测电路和低通滤波器电路部分，在信号进入最终相敏检测部分之前需要对信号进行初步滤波和消除峰值[4]。结构图中锁相部分以输入参考电压为标准，采用共振原理挑选出与参考电压频率相同的信号，从而推算出被测信号幅值和相位。两种气体检测系统设计原理类似，双向锁相器利用发生器发出有特定相位差的参考信号来检测气体浓度，结构如图2所示，实时调整的锁相环电路可以从背景噪声中提取出微弱电压信号。

图2 自适应气体检测锁相结构图

信号分析过程都是先采集信号并根据采集的信号进行滤波处理，滤除掉特定频次噪声以后信号进入到相敏电路检测环节。相敏参考信号采用同频率的方波信号，当蒸汽或氧气信号与相敏参考信号相乘后都会产生频谱相移，再根据锁相器原理利用积分和LPF电路进行提取，根据信号和相位关系计算出被测信号相位。

2 锁相放大器硬件电路设计

在两种气体检测过程中，相频检测结构不同，但内部原理相同，即信号分析电路都相同，包括方波信号发生电路、信号采集电路、相敏检测、积分和低通滤波器等模块，对气体检测中部分重要电路进行设计说明。

2.1 相敏检测电路

相敏电路采用ADA2200放大器芯片，该芯片拥有积分、比较、补偿环节等功能。采用说明书中比较成熟的案例，如图3所示。放大器主要用来从背景噪声中提取并还原有效信号，可以输入单一频率信号和多个频率混合信号，通过相关运算实现平滑调制参考信号和被测信号。

图3 放大器相敏检测电路

2.2 积分和低通滤波电路

气体电压信号在经过相敏检测后会有一定频谱偏移，在后续电路中会有高频和低频成分产生[6]，一般气体检测信号都集中在低频部分，因此需要设计积分和低通滤波器电路，通过2个放大器电路后把信号中高频部分滤除掉。

本系统的积分和低通滤波器电路如图4所示，电路采用噪声电压比较低的OP07作为核心，电路带宽应该尽量控制在一个比较窄范围内，滤波设计参数由RC积分常数决定，因此设计长积分时间来滤除电路中高频噪声。输入端和输出端都采用2 kΩ电阻来匹配前后电路阻抗，通过2 μF和10 kΩ电阻计算出积分时间0.43 s，时间可以根据系统要求进行调整。积分电路后面采用二阶恒压源低通滤波器，电路输入侧也加入R46作为输入阻抗匹配，且低通滤波中心频率设定后信号尽量不产生偏移，采用正反馈方式进行信号放大和滤波，通过R44、R47、C67、C77计算信号通带截止频率，保证检测信号在50 Hz以内时不会因为电路影响造成自激振荡。

图4 二阶积分和低通滤波电路

2.3 量程自动调整电路设计

在使用过程中发现，在锁相电路输出信号后虽然可以进行检测，但是信号中会有大量强噪声，为了减少信号锁相电路输出部分的二次谐波信号[7]，在信号进入量程控制模块之前先设定信号预处理范围。采用LTC6603芯片进行增益调整电路设计，如图5所示，采集后信号每经过一次读入都会把信号与设定幅值进行比较，并通过串口输出幅值和增益数据，再通过半闭环方式就可以把有效信号做到最大化还原。电路部分差分信号输入接口接入低通滤波器滤除电路高频噪声，在电源地与Vocm间加入一个0.1 μF陶瓷电容来减少信号工模干扰，输入电路采用2个1 kΩ电阻来限制电流，可以有效降低调节电路功率并提高利用效率。

图5 电压量程自调节模块

3 自适应锁相模块设计

在相敏检测部分采用的是模拟电路设计方法[8]，通过计算后的相位进行信号调制而不需要设定程序进行调整，但是信号经过相敏部分调节后还需要进行采集，数据采集部分以COTEX芯片为核心进行模拟信号采集和自动量程调节。

3.1 信号采集电路及程序

信号采集部分用14位A/D采集芯片进行设计，芯片供电电压为12 V，所以采集电压幅值范围为0～10 V，A/D芯片满分辨率为16 384位，因此可以识别到最小电压值为0.2 mV[9]，具体电路设计过程如图6所示。

图6 气体原始数据采集电路

气体数据采集流程软件编程如图7所示，包括A/D芯片初始化、查询芯片工作状态、写入控制字并读出信号数据并送入到MUC和循环读取等步骤，当需要对不同特征信号进行采集时，就重新人为设定要求后再重置A/D采集部分，并初始化后重新开始工作。

图7 气体数据采集流程

3.2 量程自控流程设计

在锁相电路输出波形后进入信号采集部分，采集量程自控部分也采用MCU完成计算。首先在系统工作之前设定一个采集电压范围，通过设定值与采集值判断采集误差是否在范围内，如果在设定范围内则继续采集，如果不符合要求则对LTC6603芯片进行增量倍数调整，调整过后继续进行采集对比，直到电压输出信号符合要求后通过串口输出信号到人机交互界面中，信号中谐波幅值利用当前幅值和增益倍数就可以被还原。

4 多种气体检测应用

在光纤气体检测系统中，不同气体的电路采集结构也不完全相同，因此根据被测气体情况设定不同量程范围进行气体信号检测，分别设定两种系统工作场景并对气体检测系统中每个子模块进行性能和可靠性验证。

4.1 氧气浓度检测实验

由于在实际使用过程中光纤气体都会随机波动，为了控制气体成分把气态氧输入到光纤中进行检测，采用荧光法的双路锁相放大器系统进行检测，分别对4种不同氧气浓度样本进行检测，每隔10 min检测1次，检测完成后采用专业清理设备对光纤中剩余气体进行充氮清理[10]。系统检测出的氧气浓度如图8所示，结果说明系统可以检测最低氧气浓度为0.99%，此测试主要检测系统对于幅值变化的灵敏度。

图8 氧气浓度稳定性结果

氧气浓度检测采用相位平均值方法[11]，得出氧气浓度与相位关系并通过线性拟合法得出如图9中所示结果，发现系统在检测过程中信号相位满足线性的关系。在低浓度条件下每次浓度变化3%左右时候就会产生1.62°相位误差，在1%～8%测试浓度下，氧气浓度最小分辨率为0.293%，因此系统在低浓度条件下分辨率更高，也更有利于检测低浓度系统，符合现实中气体浓度的要求。

图9 氧气浓度与相位线性关系图

4.2 水蒸气检测浓度实验

首先利用清洁工具充氮清理完光纤中的残余气体，把实验条件控制在室温21 ℃左右，利用高精度点露设备进行精度湿度控制[12]，当水蒸气浓度调整到300～900 ppm之间时，通过检测器进行信号采集发现电压幅值最大可以达到4.22 V，而且水蒸气在300～900 ppm变化过程中系统经过0.25 s调整时间就可以完成数据采集和检测，检测过程如图10所示。

图10 不同水气浓度下的二次谐波

5 结论

为设计一种低幅值范围的光纤气体检测系统，采用自适应锁相放大器作为气体检测核心电路，首先分析锁相原理并设计自适应检测系统，然后对核心的相敏检测、二阶低通滤波、程控电压放大及采集部分进行硬件设计，利用信号采集程序和自适应程序进行锁相实时调整，设定气体环境分别进行氧气和水蒸气检测验证实验。分析结果表明气体检测系统可以满足现场光纤检测的要求。