光电检测技术教学方法探讨

刘伟玲+杨彩双+冉多刚+康磊

摘 要： 通过对国内外现有恶臭测量方法的研究并结合现有光电检测技术，提出一种基于光吸收的恶臭信号采集系统。该系统基于光电比色法，采用双光路即每个采集电路模块设两个光路：一路参考光，一路信号光，两路信号采集时都使用了双边带调幅技术，相敏解调后的两路信号进入差分放大器做差，并且将差分信号用宽量程可编程增益放大器放大至理想AD值。该系统适合于采集宽范围浓度的恶臭信号，尤其适合于测量微弱的恶臭信号。该方案不仅能够抵抗干扰，降低噪声，还可提高采集的灵敏度，增大了量程，具有较好的应用前景。

关键词： 恶臭信号采集； 光电检测； 调幅技术； 嵌入式技术

中图分类号： TN152+.4?34； TM933 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0153?05

Research on stench signal acquisition system based on photoelectric detection technology

LIU Weiling， YANG Caishuang， RAN Duogang， KANG Lei

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300000， China）

Abstract： By studying the available stench detecting methods at home and abroad， a stench signal acquisition system based on light absorption is proposed in combination with the existing photoelectric detection technology. The system is based on the photoelectric colorimetry. The double optical paths are adopted in the system for each acquisition circuit module. One path is the reference light and another is the signal light. The double?sideband amplitude modulation technology is used for signal acquisition of the two paths. The dual?path signals after phase sensitive demodulation are transmitted into the differential amplifier for subtracting. The differential signal is amplified with the wide?range programmable gain amplifier until a satisfied A/D value is obtained. The system is suitable for acquisition of the stench signal in wide range， especially suitable for detection of the weak stench signal. The design scheme can resist the interference， lower the noise， improve the acquisition sensitivity and detecting range， and has a good application prospect.

Keywords： stench signal acquisition； photoelectric detection； amplitude modulation technology； embedded technology

0 引 言

恶臭[1]一直以来都是自然界很普遍的一种物质，它和人们的生活息息相关。人通过嗅觉感官可以感受到的恶臭物质有4 000多种[2]，我国监测防治的恶臭物质主要有8种，分别是：氨、硫化氢、苯乙烯、三甲胺、甲硫醇、二甲二硫、甲硫醚、二硫化碳，这些恶臭物质对人类均有一定的危害。随着人类对恶臭危害认知的不断增强，恶臭的防治工作逐步成为社会关注的重点。目前，量化恶臭的方法主要有两种：感官测定法和仪器测定法[3]。感官测定法依赖人的感官系统作为评判依据，主观依赖性强，长期测量会产生嗅觉疲劳，但其中三点比较式臭袋法[4]由于操作简单，仍然比较常用。仪器测定法按测定气体的成分分为单一成分测定法和复合成分测定法，该方法主要依赖于先进的分析仪器。通常使用的仪器主要有气象色谱仪、紫外?可见光光度计、气象色谱仪、高效液相色谱仪等。除了上述分析仪器外，还有电子鼻、浓度传感器等专用设备。

目前，我国对恶臭污染的治理还很不完善，而且没有成熟的检测系统，对此提出了一种基于光电检测的恶臭信号采集系统。该系统以光电比色法为基础，可将恶臭气体信号转变成易于采集的电信号，并通过嵌入式系统采集并保存起来，为最终检测恶臭值奠定了基础。

1 系统需求与总体设计

恶臭信号采集系统要实现的最终功能是对被测环境中的恶臭气体信号进行采集和初步处理，采集和处理的主要过程是：系统上电后，双光路恶臭信号采集模块分别采集到恶臭气体及其对照组的电信号，经过差分电路使实验组信号和对照组信号做差求得恶臭信号差，该差值通过可编程增益放大器放大后进入模/数转换器，最后对采集到的信号进行处理分析。

1.1 光电检测技术

光电检测技术是由光学与电子学技术相结合而产生的一门新兴检测技术，它是利用电子技术对光学信息进行检测，并进一步传递、存储、控制、计算和显示等[5]。基于光电检测技术的恶臭气体信号采集系统，是将待测光学量或者非光学待测量转换成光学量，通过光电转换、电路处理以及后期数据分析等，能够完成某种特定检测工作的系统[6]。

（1） 光电比色法检测原理。光电比色法，即将恶臭气体通入带有显色剂的比色皿中来研究通过显色剂后的吸光度。光电比色法原理如图1所示，其中入射光为I0，反射光为Ir，透射光为It。

根据朗伯?比尔定律（Lambert?Beer law）：

式中：k为比例系数；b为液层厚度（单位为cm）；c为溶液的浓度（单位为：mol×L-1）；A为吸光度。该定律是指当一束单色光通过溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度和液层厚度的乘积成正比[7]。因此，液层厚度一定时，吸光度与溶液浓度的比为常数kb。当一束合适的单色光通过溶液后求得该比值，就可以根據吸光度来确定该物质浓度。

（2） 显色剂的选取。在进行气体检测时，首先要将气体通入带有显色液体的比色皿中，使气体与溶液发生反应生成有色物质，以便于进一步的比对测量。这种被测组分转变成有色化合物的反应被称为显色反应，与被测组分化合成有色物质的试剂即为显色剂。同一种物质常常可以与几种显色剂发生显色反应，它们的原理和灵敏度会有一些差别。

1.2 调制解调技术

进入透射光接收器的信号既包含有用测量信号，还夹杂着很多干扰，如日光灯和太阳光。由于带有恶臭信息的测量信号非常微弱，因此从外界干扰和噪声中将带有恶臭信息的信号分离出来是主要关键点。在测控电路中，常通过对信号进行解调[8]将被测量提取出来。因此，该系统采集信号时，光波使用方波激励并进行传感器调制，然后参考信号使用同频方波信号对已调信号进行解调，最后低通滤波、放大，得到带有恶臭信息的低频信号。

1.3 恶臭信号采集系统总体设计

该系统在对恶臭气体信号进行采集的同时还要考虑使其能实现实时监测、显示、数据处理并得出有效恶臭值的功能，因此以嵌入式系统[9]作为采集方案。系统可以分为：被测对象、信号采集电路、嵌入式系统及控制电路、串行通信接口和计算机五部分，结构框图如图2所示。

2 信号采集系统电路设计

采集电路模块主要包括调制解调电路模块和调理电路模块两大部分。调制解调电路模块分为激励源与接收模块；调理电路包含差分放大器和可编程增益放大器两部分。

2.1 激励源的设计

激励源为通入气体的显色剂溶液提供激励，从而产生恶臭气体的已调光信号，主要包括光源、振荡器以及调制电路三部分。

（1） 光源。系统是专门针对恶臭气体的采集而设计的，因此选择响应时间短的发光二极管作为激励光源，光路图如图3所示。

发光二极管由于响应时间短，所以使用电路控制其亮灭的响应频率很高。但如果载波频率过高，则会对其他元器件的频率响应提出更高的要求。经过测试，最终将该频率设置为2 kHz，该频率足以排除太阳和日光灯中的干扰。

（2） 振荡器。系统通过传感器调制方法对光信号进行调制，采用施密特触发器搭建振荡器电路产生载波信号。施密特触发器电路可由两个反相器搭建而成，也可由集成电路CD40106或由555定时器搭建得到。综合考虑系统稳定性和价格等原因，该系统使用CD40106芯片搭建方波发生器。

振荡器产生的方波占空比由阈值电压等参数确定，可能会造成占空比不等于50%，所以要将方波信号整形成占空比50%的方波。常用的方法是将非对称的方波二分频，这样可达到理想的效果。方波整形电路如图4所示。

施密特触发器构成的振荡器能够基本满足频率稳定的要求，但是由于该频率由RC时间常数决定，因此容易受到电阻和电容的影响而发生漂移和相位抖动。为防止其对采集电路的调制解调造成影响，系统在编写软件程序时按要求设置好主控芯片I/O口，由主控芯片产生PWM方波输出，从而提高了振荡频率的稳定度。

综上所述，该系统的设计目标是双光路同时调制解调，因此两路电路使用同一个振荡器能使两个电路保持同步，更重要的是这样两路信号经过差分电路做差时，由于信号的频率和相位完全相同，有利于使没有被滤波滤掉的高频载波成分小量相互抵消。

（3） 调制电路。振荡器产生了频率和幅值稳定的方波信号后，就要对光源进行电路调制。光信号调制实际上就是将原始光信号乘以载波信号的过程[10]。本系统调制电路的原理为：首先直流电压信号与载波信号通过乘法器相乘，将所得到的乘法信号再通过缓冲器为发光二极管提供激励，此时发光二极管发出的光就已经被载波信号所调制，最后只要将发出的光照射到被测显色液中就完成了对恶臭信号的整个调制过程。

在实际应用的电路中，通常不直接使用乘法器，而是用三级管通断与乘法器等效，这样既容易实现又可降低成本。由于载波频率选择2 kHz，因此要求选用运算放大器、三极管等器件的频率响应要足够快，对于运放需要具有大的带宽增益和足够大的摆率。发光二极管是电流型器件，在保证足够电压的前提下，足够大的电流才能使发光二极管工作在理想状态。根据以上考虑，调制电路部分设计成恒流模式如图5所示。

2.2 解调电路设计

经过电路调制后，被调制的光信号首先通过接收器件转换为电信号，该电路选用线性度比较好的光电池进行接收；光电池接收到的信号是电流信号，因此还要对其进行I?V变换转变成电压信号，然后对已调信号进行滤波整形，即完成解调。该部分电路主要分为I?V变换电路、滤波和跟随电路以及解调电路三大部分，具体电路如下：

（1） I?V变换电路。光电池接收到已调至的光信号后，经测定该信号是微安级的电流信号，使用I?V变换电路把该信号转变成电压信号。变换电路如图6所示。

（2） 滤波与跟随电路。I?V变换作为光信号采集的前级，通常会引入很多高频噪声，所以要进行低通濾波将其过滤掉。经过无源滤波后，通常会采用一个运放组成的跟随器减小电路的前级电路的输出阻抗，从而实现阻抗匹配。如图7所示，电压跟随器可以看作同相放大电路的一种特殊形式，其增益为1。

（3） 信号解调电路。解调电路主要由四个开关和一个差分放大电路组成，信号解调电路框图如图8所示。四个开关中有两个常开、两个常闭，每一个开关都被一路解调方波信号控制，周期性导通、截止。若此时方波信号为低电平，则开关2、开关4导通，开关1、开关3截止，此时该电路等效为一个同相放大电路，其增益为10；半个周期后，方波信号为高电平，开关2、开关3截止，开关1、开关4导通，此时该电路等效为一个反向放大电路，其增益为10。总之，通过该解调电路后，该信号等效于乘以了一个幅值为10的方波，即实现了信号的解调。

根据上述原理该电路的具体电路如图9所示，该电路的模拟开关选用了MAX393，其内部总共含有四个模拟开关，两个常开开关，两个常闭开关，导通电阻典型值为20 Ω；它的导通时间65 ns，关断时间为35 ns，适合用于对2 kHz的信号进行解调。

经过解调后的低频信号即为本文所求的恶臭气体 信号。但是从频域上看，除了所求信号还存在着其他的频率的高频信号，所以要使用低通滤波将其他成分滤除。

2.3 调理电路设计

信号调理部分分为差分放大电路和可编程增益放大器两部分，具体如下：

（1） 差分放大电路。两路信号解调后要通过差分放大电路进行放大，该差分放大电路可以由运放实现，但是运放实现的差分放大电路会因电阻的离散性等原因引入很多误差，因此本系统采用仪用放大器AD620。在实际应用中，由于该输出信号最终要进入A/D，而A/D通常只能采集正信号，所以在进行调零时要注意不能使输出信号出现负值。该电路具体设计如图10所示。

（2） 可编程增益放大器。可编程增益[11]放大电路具体电路设计图如图11所示，第一级输入信号往往比较微弱，使用ICL7653降低失调；后两级使用OP07。该电路的每一级都使用了同相放大电路，使用较小的滑动变阻器微调增益。经过可编程增益放大之后，也可能会引入噪声，所以在该电路后级再一次进行低通滤波来保证信号完好。

3 性能测试与实验结果

作为一个成型的信号采集系统，系统的可靠性

和稳定性是系统必备的条件。为了证明本系统实验数据的可靠性以及实验系统的稳定性，对高锰酸钾溶液做了反复多次的实验测量。实验结果见表1。由表1可以看出各浓度下输出信号经过重复性 实验后比较接近。

3.1 恶臭信号采集系统灵敏度实验及分析

灵敏度作为考察系统性能好坏的重要指标之一，对于采集微弱信号的恶臭信号采集系统来说更是如此。灵敏度标准定义为：

（4）

在该系统中，灵敏度为采集信号与被测物质的浓度的比值。由于系统的性能不依赖于所测的物质，所以在实验室的条件下选取了高锰酸钾溶液为被测液体进行试验。选取浓度较小的高锰酸钾溶液放入比色皿，对照比色皿中放入蒸馏水，将可编程增益放置到乘1档，采集输出信号，然后逐级增大高锰酸钾浓度试探直至输出信号至乘1 000档，记录该溶液浓度，然后将该溶液逐级稀释，测量输出信号，直至可编程增益放大器最高档，输出信号小于一定值时停止。

经过该实验，使用10 μg/mL经过稀释11次后无法分辨，故最终无法分辨的浓度在千分之一μg/mL数量级。

3.2 恶臭信号采集系统信号与浓度曲线

该恶臭信号采集系统中由于光电池是线性的，故输出信号的AD值与实际发射光I与透射光It的差值成正比如下：

（5）

又因为该系统发射光的光强I对应的输出信号AD值AD0可以通过遮挡对照组求得。故：

（6）

系统使用白光发光二极管作为光源，对高锰酸钾溶液分梯度做了实验，结果如图12、图13所示。图12从0～25 μg/mL描点作图。从图12中可以看到，该曲线近似为一条直线但有所偏离，这是由于试验中使用了白色光源，吸光度与浓度不再严格成正比关系，因此与理论符合良好。图13为图12的局部放大图，该部分曲线整体与理论仍然符合良好，但该曲线零位稍微有所偏移，对其分析后应该是由于系统调零时要求略大于0的基底AD值（2 000），造成系统零位向上发生了偏移，该AD值对应于浓度为千分之一μg/mL数量级，减掉该值后则与实验符合良好，重新使用Matlab绘图如图14所示。

该系统在较长时间内会有零点漂移，因此在调零时将基底值设置为2 000，保证A/D转换器一直能够正常采集。对该零点漂移原因分析如下：若实验的机械结构和光路结构不够稳定，则实验时不能保证实验的重复性，造成零点漂移。若系统的电压基准不够稳定，也会造成零点漂移。

4 结 论

通过以上分析，基于光电检测技术的恶臭信号采集系统是实现高精度、高灵敏度恶臭气体检测的重要基础，是恶臭信号检测系统的一个很重要的组成部分。

系统硬件采用双光路对比的方法消除了环境干扰，每一条光路信号使用双边带调幅技术，从而进一步抵抗干扰，降低噪声，设计的可编程增益放大器能对带有恶臭信息的信号放大到理想值。通过对信号采集系统进行测试，证明该系统已经达到了对恶臭信号采集的能力，尤其在采集宽浓度范围的微弱的恶臭信号方面具有独特的优势，重复性较好，灵敏度较高，结果稳定可靠，增大了量程，具有较好的应用前景。

注：本文通讯作者为杨彩双。

参考文献

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