可调谐激光痕量气体检测中的数字滤波技术的优选

为改善可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)系统的检测性能,以浓度为50×10-6和17×10-6的H2S气体检测为例,根据TDLAS系统的噪声特征,选择了4种数字滤波技术并利用Visual C++软件分别编写了程序对二次谐波原始信号进行压噪和有效信号的提取。结果表明,采用非线性最小二乘法与数字平均滤波技术相结合,使系统理论检测极限由原来的30×10-6提高到了5×10-6量级;对于反演后气体的浓度信号则采用Kalman滤波进行再去噪,使信噪比提高了近8倍。比较结果表明,经过上述滤波处理,TDLAS系统的信噪比和检测极限性能有明显改善。本文的上述方法实际应用到我们的TDLAS在线工业排放气体的测量系统中,取得了良好的效果。     

基于TDLAS-WMS的甲烷泄漏遥测系统研制

针对甲烷气体泄漏高精度、非接触和远距离探测的需求，提出一种基于TDLAS-WMS的甲烷泄漏遥测系统。该系统采用高级精简指令集机器(ARM)和现场可编程门阵列(FPGA)双核架构，FPGA实现数字锁相解调提取一次谐波(1f)和二次谐波(2f)信号，ARM通过串行外设接口(SPI)实时接收FPGA解调的1f、2f信号并传送至Labview进行谐波信号分析和甲烷浓度在线解调。通过2f/1f信号处理技术消除光强与靶标反射系数的变化对系统测量结果的影响。研究同等实验条件下0～90 m范围内谐波信号与探测距离的关系，结果表明，2f/1f信号处理技术对噪声抑制效果显著。测量不同积分浓度的谐波信号，采用最小二乘法对2f/1f和气体积分浓度数据进行线性拟合，获得系统标定线性度，为0.9966。对系统误差进行实验测量和分析，在0～2000×10^-6 m范围内，系统测量最大相对误差为-3.66%，最小为-0.23%。利用1500×10^-6 m甲烷浓度的二次谐波信号评估系统的检测下限为70.5×10^-6 m。结果表明，设计和研制的甲烷泄漏遥测系...     

基于宽带光源与相关光谱技术的CH4传感器研究

针对传统光学传感技术气体选择性不高与激光光源在气体检测中需严格控温的缺点,采用红外宽带光源进行CH4气体的检测,并结合实验所用气室与光电探测器件参数,利用HITRAN数据库对CH4吸收进行仿真计算,得出了系统理论探测下限与光强信号之间的变化规律。在不同CH4浓度梯度的实际测量中,采用快速傅里叶变换(FFT)与Savitzky-Golay数字滤波相结合的方法对系统噪声进行处理,将外部因素引起的噪声干扰降低了1个数量级,在不同CH4浓度梯度的实际测量中,利用CH4浓度和光强调制系数的对应关系对系统进行了标定,并通过数据拟合得到CH4浓度的反演曲线,相关系数达到0.998 83,测量灵敏度低至20×10-6,系统检测下限约为50×10-6;与传统化学传感器相比,系统测量误差小于1.5~7.0%,实现了CH4浓度的精确检测。     

基于虚拟锁相放大器的中红外CO检测系统

利用PC机和LabVIEW平台较强的数据处理能力, 设计并实现了一种基于虚拟锁相放大器的中红 外CO检测系统。系统采用双通道热释电探测器检测气体浓度,利用USB数据采集卡采集 探测器的传感信号,利用LabVIEW平台的乘法器、滤波器及直流幅值提取模块构建的虚拟锁 相放大器提 取传感信号幅度。为了表征虚拟锁相放大器的性能,利用幅度可调的标准正弦信号作为 待测信号,对 虚拟锁相放大器输出信号的幅度与标准正弦信号的幅度做实验测量与对比,二者呈现出良 好的线性关系, 线性拟合优度约为99.978%。对配备的20种CO气体 样品开展气体标定实验,并测量 了本文系统的精度、稳定性和检测下限等指标。实验结果显示,系统的检测下限约为50×10－6,对20种气体 样品的检测误差均小于4.2%,对浓度为3500×10－6气体样品3h测量结果的最大波动范围为±6%。 由于LabVIEW资源丰富且功能可任意扩展,因此在实验室环境中的气体检测,本文系统相 比采用嵌入式微处理器的系统更具有优势。     

基于光声光谱技术的CO气体探测

搭建了基于2.3μm中红外可调谐二极管激光器的CO气体的光声光谱测量系统,并选取4300.699 cm~(-1)处的CO吸收谱线作为传感目标。为了消除较长的CO分子弛豫时间对测量的影响,采用在实验气体中混入水汽的方式来增强光声信号。通过优化调制参数确定出系统的最佳调制振幅和调制频率分别为4.29 cm~(-1)和785 Hz。在最优的实验条件下,所选谱线的二次谐波信号与CO浓度间具有良好的线性关系,其线性度为0.994,利用该关系反演出空气中CO的体积分数约为2.13×10~(-6)。最后利用Allan方差对干湿条件系统的长期稳定性进行了分析,得到系统在干湿条件下的探测极限分别为1.18×10~(-7)和0.58×10~(-7),验证了水汽的加入可以有效提高系统对CO的探测灵敏度。     

基于多模激光吸收光谱的CO浓度高灵敏度测量

为提高多模激光吸收光谱技术的探测灵敏度,采用1 570nm多模二极管激光器为光源,以程长为100m的离散镜片型多通池作为气体吸收池,将多模二极管激光关联光谱技术、波长调制技术和长程吸收技术相结合,建立了一套具有高检测灵敏度和高稳定性的气体分子光谱测量系统。实验中将多模激光分成两束,一束作为参考光通过已知目标气体浓度的参考池,另一束通过混有待测气体的测量池,测量光信号和参考光信号被同时探测和解调。通过计算待测气体和参考池气体之间二次谐波信号峰值高度之间的关系,反演出CO的浓度。利用该装置测量了CO气体在1 570nm附近的近红外吸收光谱。实验表明,CO浓度测量值与真实浓度值之间具有良好的线性关系,线性度为0.9995,平均偏差为1.19%,对CO的探测极限为37.3×10-6,对同一样品在30min内的30次连续测量的标准偏差为0.839%,表明了系统良好的稳定性。     

基于虚拟信号处理平台的差分式中红外甲烷检测系统

利用上位机及Labview工作平台数据处理能力强 的优势,实现了一种针对甲烷(CH₄)气体的双通道差分式中红外检测系统。采用IRGJ型双 通道传感器(英国E2V公司,3.31μm 和3.90μm)检测气体浓度变化,利用Labview和数据采集(DAQ)卡(PCI6221)实现对探测器输出 信号的采集和处理,采用二阶巴特沃斯数字滤波器滤除噪声以提高信噪比(S NR),对系统硬件和软 件进行了集成。系统具有信号采集、滤波、幅值提取、浓度计算、存储及网络发布等功能 。 配备了不同浓度的CH₄气体样品,开展了标定实验,并测量了系统的精度、稳定性和检 测下限等指标。实验结果显示,系统对CH₄气体的测量范围为0~5%,对9种气体样品的 检测误差均小于6%。受传感器自身光程的限制,系统的检测下限约为60×10－6。对浓度为 2000×10－6(0.2%)的气体进行了 长达4h的浓度检测,除个别突变点外 ,检测的最大误差小于10%。由于数据处理能力强,系统功能不受资 源限制并可任意扩展。     

激光光声光谱法检测磷化氢气体浓度的研究

论述了光声光谱信号的产生。提出用光纤相位传感器代替传统的微音器检测光声信号。用CO_2激光器作光源对磷化氢(PH_3)气体浓度进行测量。实验表明,最低检测灵敏度可达1.2×10~(-10)。信号处理电路具有较强的抑制噪声干扰能力。该传感器及其系统在灵敏度、精度、响应时间等性能指标上达到了检测气体含量要求。     

基于支持向量回归的光声光谱信号温度和湿度校正方法北大核心CSCD

非共振光声光谱技术可用于在线检测变压器油中溶解气体,保障变压器安全运行。然而在室外环境下,背景信号易受到环境温度、湿度的影响,必须对这些因素进行校正,以提高仪器在线检测的稳定性和可靠性。背景信号的温度和湿度校正因子一般通过实验室测量得到,但测量过程中由于外部环境干扰,采集样本会出现较大波动,因此需要具有一定鲁棒性的回归算法计算校正因子。研究了基于支持向量回归的背景信号的温度和湿度校正方法,选择乙炔作为研究对象,在实验室内利用湿度发生器产生不同浓度水汽,同时利用温度传感器测量光声池温度,回归乙炔背景信号校正因子,并采用体积分数分别为0、5×10^(−6)和2×10^(−5)的乙炔和空气混合气体进行了验证。研究结果表明,对于体积分数为5×10^(−6)和2×10^(−5)的乙炔混合气体,所提方法和最小二乘法校正结果趋势相同,但最小二乘法校正信号存在趋势性偏离,而所提方法对背景信号校正具有更好的重复性和稳定性,优于最小二乘法。     

适合逃逸氨取样测量的新型样品池研究

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)为逃逸氨的在线检测提供了可靠的技术手段,然而现场取样测量需要克服高温、高粉尘及测量滞后性的影响,使得NH3浓度控制在3×10-6左右。采用特殊设计的新型Herriott样品池,具有中空光路、气路带加热的设计结构,能够提高测量的实时性。为了评价样品池的测量精度,分别对浓度为1×10-6到10×10-6的NH3进行检测,采集得到其二次谐波光谱,通过分析吸收峰以及谷值,得到测量结果的拟合曲线,根据光谱曲线的标准偏差得到了样品池的最低检测限为0.22×10-6。结果表明,新型Herriott样品池测量精度高、实时性好,能够满足逃逸氨的取样测量要求,适合在线监测。     

Design of vision measurement system of double optical paths with single CCD based on DSP

The design of vision measurement system of double optical paths with single CCD based on the digital signal processor （DSP） is presented. Using TMS320F2812 as the intelligent control unit, the CCD driving circuit, level conversion circuit and CCD output signal data acquisition and processing circuit are designed. By means of plane reflectors, the optical structure of the system is optimized, which reduces errors owing to tilt effect of the measured unit, improves measuring accuracy and makes the system more compact. Double optical paths signal data acquisition with single CCD is demonstrated. In addition, the improved resolution is enhanced up to sub-pixel level by the average polynomial interpolation algorithm.     

基于FPGA的多路数据实时采集与传输系统

针对传统数据采集系统的硬件设计复杂、开发周期长、精度低和实时性差等问题,提出了一种基于FPGA的多路数据实时采集与传输系统,并完成了系统程序构架。该系统以FPGA作为核心控制单元,采集到32路模拟信号和1路数字信号,根据数据发送帧格式,转换成连续不间断的SPI信号输出。采用Labview软件构建了高速UART数字信号验证平台。实验结果表明,模拟信号经14位A/D采样得到的数字信号与理论值相差的最大值为±3 LSB,采样精度达0.04%。数字信号传输稳定、无误码,实现了模拟信号的高精度实时采集与稳定传输。     

Design of a data acquisition unit using photonic devices

In this paper, the design of a stand-alone optical data acquisition unit is presented. The system hardware consists of optical analog-to-digital converter inputs, optical digital bidirectional switches, analog and digital inputs/outputs and a microcontroller-based system. The unit software consists of several tasks that enable the user through the input-drivenmenu to read, store, analyze, process, and display the incoming data. This unit can be used in different applications, such as signal processing, underwater acoustics, aerospace guidance, optical computing and color sorting.     

基于FPGA的高速数据采集系统设计

针对实际中日益明显的单片机的较慢处理速度与越来越高速的数模转换器速率不能匹配的问题,本文分析了FPGA作为控制单元的特点,在此基础上设计了一个由FPGA控制的数据采集系统。提出了系统整体设计方案,自行设计了FPGA与A/D和MCU的硬件接口电路,并对如何应用FPGA实现数据采集系统的数据采集和数据缓存的逻辑控制,给出了详细的说明。对直流信号、交流信号进行了实际采集,实验数据证明,采用这种方法可以较好满足数据采集系统的实时性、同步性的要求,也增加了系统应用的灵活性。     

基于PEX8311 PCIE总线的高速图像采集系统设计

针对传统PCI总线带宽低,不能传输高速视频信号的缺陷,设计了使用芯片PEX8311为PCI Express桥接芯片,采集传输CamLink接口相机图像的硬件系统。对PEX8311芯片的特点及其工作模式,以及用状态机在FPGA中实现对PEX8311控制做了介绍。通过编写WDM驱动程序和上位机程序对系统的数据传输性能进行了测试。测试表明该系统满足高速图像传输的要求,并且性能稳定。     

基于JESD204B标准的多通道数据同步传输设计

多通道数据同步采集传输是信号采集系统要解决的关键问题。针对多通道数据采集系统前端模拟部分与后端数字信号处理部分高速同步传输面临的挑战,文中介绍了采用基于JESD204B协议的模数/数模转换器(ADC/DAC)与现场可编程门阵列相结合的数据同步传输设计,简述了该系统的基本架构。对基于JESD204B标准子类1的多通道数据采集传输过程中的延时原因进行了分析,利用JESD204B标准子类1同步原理,通过关键控制信号的设计和处理,可以实现接收多通道和发送多通道数据同步传输,有效控制板间及板内多片ADC/DAC之间进行同步采样,从而解决信号采集系统带宽和采样率提高带来的挑战。     

基于USB2013数据采集卡的数字逻辑无环流可逆直流系统控制

本文基于USB2013数据采集卡控制方法,利用MATLAB和SIMULINK工具箱建立了数字逻辑无环流控制信号,对逻辑无环流可逆直流调速系统实现了数字化控制。通过VC编程将AD、DA转换数据与MATLAB环境中的C++语言M文件进行了沟通,使SIMULINK的数字信号经USB数据采集卡DA输出口对直流电机进行了控制,达到了数字逻辑无环流系统运行调试、PID参数整定和智能控制的目的。实验结果表明,该控制方法结合了数据采集卡和MATLAB软件的控制优点,使逻辑无环流控制系统调试更方便、运行更可靠、性能更优良。     

基于FPGA的数字脉冲压缩系统实现

针对采用线性调频信号的宽带雷达系统,完成单通道高速数据采集和数字脉冲压缩系统的工程实现。系统使用ADS5500完成14位6、0 MSPS的数据采集,使用FPGA实现1 024点的数字脉冲压缩。脉冲压缩模块采用快速傅里叶变换IP核进行设计,可以在脉冲压缩的不同阶段对其进行复用,分别完成FFT和IFFT运算,从而使硬件规模大大减少。系统采用块浮点数据格式以提高动态范围,同时减小截断（或舍入）误差对输出信噪比的影响。     

400MHz高速数据采集系统的设计与实现

介绍了一种用ECL逻辑和TTL逻辑器件构成的高速数据采集系统,采样频率为400MHz。系统实现简单,工作稳定。对系统进行的性能测试表明其有效位数为6位以上,满足实际应用的需要,适用于高速数字信号处理领域。     

远场激光能量的多通道同步测量系统设计

设计了一个基于DSP的远场激光能量多通道同步测量系统.系统采用DSP芯片TMS320F2812作为核心数字信号处理器,结合CPLD控制A/D转换芯片采集信号并完成数字信号阈值判别、寻峰、数据处理等任务,从而提高了系统的处理速度和处理能力,满足了实时处理入射激光信号的要求.