基于LabVIEW平台的通用激光吸收光谱系统设计

刘 云， 王伟峰， 付作伟

(1.山西省环境监控中心，山西 太原 030024；2.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；3.中创精仪(天津)科技有限公司，天津 300384 )

引 言

可调谐二极管激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorption spectroscopy)，简称TDLAS技术，是一种高精度在线气体检测技术。TDLAS技术利用激光器可调谐的特性，将激光频率调谐在气体吸收频率附近，对目标频段进行扫描从而得到直接吸收光谱(DAS)，而光谱中的信息与气体的压力、浓度等参数有关。在实时得到气体光谱信息的同时，又不与目标气体接触，做到了高精度、非接触式的测量。利用上述对TDLAS技术的优势分析，该技术可为实时监测痕量气体和不可抗力导致的环境污染及由此带来的对全球环境的影响等提供了独一无二的工程工具和新式研究方法[1-5]。

通用接口总线(GPIB)是通过总线连接控制器与可编程工具等总线协议的一种，也称为IEEE-488标准，因其使用简单、传输速率高而被广泛应用[6-9]，该总线设计开发的初衷就是为设备控制服务，经过长时间的实际测试，该通信协议经常用于设备间，今后仍将继续在测量领域应用；另外，GPIB的开发已经成熟可靠且工况稳定，是全球大型仪器仪表公司在仪器的生产制造中常用的接口类型，同时还有很多软件上的支撑，所以，GPIB总线是世界上使用频率最高的通信协议，且应用方向主要是工业生产和实验室环境。

基于此，本文提出并设计了一种借助LabVIEW软件环境的以可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)为理论背景的监测系统，并以GPIB为通信协议，构架了由锁相放大器、信号发生器、激光驱动器、可调谐激光器、工控机等组成的硬件平台，同时，设计开发了相应的软件并配备数据采集和处理模块，而且在上位机中设置对用户较友好的交互系统。此外，在实验方面，通过对大气环境中的CO2气体进行实地检测，证明该系统能够较好地满足实际需求。

1 硬件设计

利用激光光谱搭建的检测系统包括：总线、光源及驱动器、气室及光路、检测接收装置和虚拟仪器五部分。系统的硬件组成如图1所示。

图1 系统硬件结构图

1) GPIB总线

总线在系统中用于连接系统内各仪器并进行信号的传递，本文选用的GPIB总线，已广泛投入到工业环境和实验室中[10]。由于本文设计的系统须对多台可程控仪器进行统一控制，并要求数据的传输速度较高，每个设备的通用接口均包括GPIB接口，包括上位机在内一共可以连接15台设备，可以满足系统的需要，因此，本文采用GPIB总线进行系统的搭建。

2) 激光器及其驱动器

主要包括信号发生器(tektronix, AFG3052C)、激光驱动器(ILX lightwave, LDC3916)、激光器(NEL，NLK1C5GAAA)和准直器(thorlabs, F028FC-2000)。通过信号发生器产生完成调制的信号，传输给激光驱动器后可产生激光器工作所需的电流、温度，由激光器产生经过调谐的所需激光信号，并通过准直器的校正准直进入到要测试的气体中。

3) 信号检测及放大器

主要包括光电检测器(thorlabs, PDA10CS-EC)、锁相放大器(stanford research, SR830)和数据采集卡(NI，USB-6003)。光电探测器负责接收被气体吸收后出射的光信号，并可将该出射光信号转换为电信号，然后传输给锁相放大器，由锁相放大器对此电信号完成解调工作，解调后的谐波信号通过数据采集卡传输给上位机进行分析。

4) 虚拟仪器LabVIEW

虚拟仪器编程的工作由LabVIEW程序完成，通过GPIB总线进行系统工作模式的选定，控制仪器的运行，将数据采集卡获得的谐波信号进行处理并保存，同时将获得的气体浓度实时显示在上位机的界面中，最后将获得的信息保存至数据库中，此外，还可以提供后续的打印报表功能。

2 软件设计

在利用虚拟仪器软件进行系统搭建的过程中，软件平台的选择会对系统的运行性能和工作效率产生直接影响。本文选用LabVIEW软件作为检测系统的软件开发平台，其工作范围包括：控制可编程器件的工作，完成数据采集，数据处理及显示等功能，并为后续的查询提供便利。本气体测试分析软件界面清晰，操作方便，运行速度快，功能性较强，并可对其进行扩展，它可以完成数据处理的自动化，提高各种情况下的工作效率，并能促进下一阶段的研究工作。程序主界面运行效果图见图2。

为满足实验要求，程序主要以实现以下功能为目的进行编写，分别为：设备参数设置，数据的采集、处理及实时显示与存储，并提供历史数据的查询和报表打印等。由于需实时显示时间，且采集及处理数据时，也需同时响应用户其他操作，所以本程序启用3个进程，整体构架如图3所示。

图2 程序主界面运行效果图

图3 程序整体构架图

2.1 设备参数设置

根据图1，计算机经过GPIB数据卡及和总线对信号发生模块、锁相放大模块及激光二极管驱动器根据需求进行控制，这些设备都遵循SCPI(standard command for programmable instrument)标准，故采用LabVIEW中的GPIB函数来编程进而控制仪器。信号发生器负责提供系统需要的信号波形和信号；激光驱动器用于设置每个激光调制信号的各种参数；锁相放大器的功能为设置灵敏度、时间常数及参考信号等参数，并选择通道输出信号的类型等。

2.2 数据采集及处理

通过电流的调谐控制激光器输出所需的激光波段，由此得到目标吸收谱线。该程序项目的核心需求就是高效率地完成光谱信号的采集和处理。采用某一激光器(LD)单独工作或多个激光器交替工作，所以需预先设置好规则，确保采集数据时只有一个激光器处于工作状态，并在多个激光器交替工作时准确切换。

数据采集和处理主要流程包括：1) 评估数据收集的当前状态，确认无误则进行数据存储；2) 数据规范化：将信号数据列转换为数组数据；3) 剔除粗大误差：根据3σ原则排除粗大误差，不断循环该操作，直至无粗大误差；4) 数据平均：对于排除粗大误差后的数据进行平均，得到均值与标准差； 5) 保存数据：保存第四步中的数据结果，并选择设置所需路径和文件名；6) 基线校正：基于信号未被吸收部分的数据，进行线性拟合，得到的数据记为基线数据，并作差获得基线校正后的数据； 7) S-G平滑滤波：使用S-G平滑滤波算法对数据进行滤波；8) 峰谷点搜索：对信号作差分处理，以确定极值点和两相邻的波峰波谷点；9) 根据2f信号的峰谷差进行浓度的反演，并对结果进行信息的保存，此时对应激光器的浓度将显示在测量界面中。

激光器工作状态的判断及切换主要包括4个模块。前两模块在开始采集任务后，判断激光驱动器的状态，向当前工作的激光器提供电流输入，这两个模块用于保证采集数据时只有一个激光器在工作，避免多个激光器同时工作导致吸收光谱的叠加。后两个模块，在完成数据的采集、处理及保存后，根据当前工作的激光器并从待选LD中选择随后工作的激光器。如果事先已指定某一激光器单独工作，将不进行任何操作；如果指定多个激光器交替工作，则这两个模块将会关闭当前正在工作的激光器，并依照要求启动下一个激光器。

2.3 数据库管理

Access数据库适合处理较低总量的数据，操作方便，效率较高，对运行环境要求低，故采用Access数据库完成信息的保存。

该程序使用LabVIEW提供的免费工具包LabSQL进行数据库的访问，同时，使用Microsoft ADO模块和用于访问数据库的SQL语言完成对数据库的使用工作，简单可行，对于不了解SQL语言的用户也可以方便操作。利用选取工具包LabSQL进行数据的访问，写入操作如图4所示，查询的操作与之类似，将SQL Sxecute出的“插入命令代码”切换为“查询命令代码”，并在其输出端添加“表格”即可完成查询的操作。

图4 使用LabSQL进行写入操作的程序代码

为了方便用户快速获取某次实验的详细信息，在程序内部添加打印报表功能。在设置界面中，可以完成对需打印报表内容的设置并添加注释。其中，可自行选择在报表中添加的内容，包括：主程序界面、子程序界面和图形、表格等。

3 实验测试

对于TDLAS系统，气体测量、系统的响应速度、测量精度和测量过程中的稳定性是非常重要的评价指标。为了得到TDLAS系统的精确度，本实验采取暴露在室外进行测量，激光器发出的光束直接被空气中的CO2吸收，检测频率为10 s/次，测量光路长度为100 m，传感器锯齿波频率设为40 Hz，正弦调制频率为13 kHz。

图5显示了从HITRAN数据库[11]获得的1 577 nm～1 583 nm波段范围内CO2和H2O的吸收光谱，可以看出，在H2O的数量级较CO2低2个数量级，影响微弱可忽略不计[12]，该波段内CO2气体受到的干扰较小。图6为测得的WMS-2f信号光谱图，由LabVIEW程序完成。

图5 CO2在1 578.8 nm～1 579.4 nm波段内的吸收谱线

图6 CO2气体吸收的WMS-2f信号

第19页图7为实验室环境中的CO2浓度变化，实验室环境属于封闭空间，门窗均保持关闭状态。在23:00～8：00阶段无人员活动，浓度维持在稳定的数值；8：00因人员进出，实验室内部的CO2气体与外界环境中的CO2气体发生对流导致浓度短暂下降；随后，因实验室内部人员的呼吸大幅抬高室内的气体浓度；此后，实验室中CO2气体变化均由人员的进出和呼吸活动引起。对比图7和实验室内部环境的实际变化可以看出，CO2气体的浓度变化与实际情况吻合度较高。

在实验室环境下，通过对内部的CO2气体进行不断监测得到该传感器系统的的最佳灵敏度为，光程长度为100 m时的最低监测限为10×10-6。可见，本文中以LabVIEW平台为基础的通用型光谱检测器能够完成实时反映大气中CO2的浓度改变，在实际测量，尤其对时间要求较高的情况下优势明显。

图7 实验室内部的CO2浓度

4 结论

以LabVIEW平台为基础的通用型气体浓度检测系统，采用1.58 μm的DFB激光器，利用波长调制光谱(WMS)的2f检测技术，实验结果表明，该系统在光程长度为100 m时的灵敏度为10 ppm，检测频率为10 s一次，证明该系统可以用来实时监测空气中的二氧化碳浓度，并且系统灵敏度较高，稳定性强。

此外，该传感器只需更换激光器即可实现检测空气中的其他痕量气体，如，CO、CO2及NH3等，并实现光谱数据的采集、处理、显示、保存等过程的高度自动化，实验过程无须人为干预，可长时间、自动化地检测气体浓度，极大提升工作效率。

参考文献：

[1] 阚瑞峰，刘文清，张玉钧，等.可调谐二极管激光吸收光谱法监测大气痕量气体中的浓度标定方法研究[J].光谱学与光谱分析，2006，26(3)：392-395.

[2] 宋雪梅，刘建国，张玉钧，等.可调谐半导体激光吸收光谱遥测二氧化碳通量的研究[J].光谱学与光谱分析，2011，31(3)：803-807.

[3] 洪延姬，宋俊玲，王广宇，等.激光吸收光谱技术测量非均匀燃烧流场研究进展[J].航空学报,2015,36(3)：724-736.

[4] 姚璐，刘文清，刘建国，等.基于TDLAS的长光程环境大气痕量CO监测方法研究[J].中国激光，2015，42(2)：1-8.

[5] 洪延姬.燃烧场吸收光谱诊断技术研究进展[J].实验流体力学，2014，28(3)：19-25.

[6] 马辉，邢超.基于LabVIEW的GPIB总线测控系统研究[J].现代电子技术，35(24)：128-130.

[7] Kiran Patel Vishal Pillai, Neha Singh et al. GPIB based instrumentation and control system for ADITYA Thomson Scattering Diagnostic[J]. Fusion Engineering and Design，2016 (112) ：860-864.

[8] 张金，王伯雄，张力新.基于LabVIEW的GPIB总线独立仪器集成测试平台[J].仪表技术与传感器，2010(9)：13-15.

[9] 胡波.在线光谱数据的滤波优化与TDLAS系统集成[M].天津：天津大学，2010.

[10] 詹惠琴，古军，袁亮.虚拟仪器设计[M].北京：高等教育出版社，2008:303-321.

[11] Rothman L S, Gordon I E, Babikov Y et al. The HITRAN2012 molecular spectroscopic database[J]. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer,2013,130:4-50.

[12] 朱雁军，樊孝华，高潮，等.基于可调谐激光吸收光谱技术的免校准硫化氢气体传感器，2017，38(5)：40-44.