基于虛擬儀器的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

　　虛擬儀器（Virtual Instrument）的概念是由美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments）最先提出的[1]，其核心技術(shù)思想就是“軟件即是儀器”。它改變了傳統(tǒng)儀器的測(cè)量模式,使測(cè)量系統(tǒng)由松散結(jié)合的、常常不兼容的獨(dú)立儀器發(fā)展成緊密結(jié)合的虛擬測(cè)量系統(tǒng)。當(dāng)用戶的測(cè)試要求變化時(shí)可以方便地由用戶自己來(lái)增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測(cè)試要求。這樣，當(dāng)用戶從一個(gè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)向另一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，就能簡(jiǎn)單地構(gòu)造出新的 VI 系統(tǒng)而不丟失己有的硬件和軟件資源。

　　目前城市中汽車保有量的大幅度增加，給人們的日常生活帶來(lái)了極大的便利，同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題，其產(chǎn)生的尾氣已經(jīng)構(gòu)成公害，因此對(duì)于機(jī)動(dòng)車尾氣的監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為治理環(huán)境污染的一個(gè)重要指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)一套基于虛擬儀器的氣體濃度檢測(cè)的系統(tǒng)，采用NI公司的PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集，并借助于NI公司的LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。

2 虛擬儀器概述

　　虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的功能化硬件模塊和計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成的電子測(cè)試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心（如圖1所示），其中軟件的基礎(chǔ)部分是設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件，而這些標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動(dòng)軟件使得系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與儀器的硬件變化無(wú)關(guān)。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點(diǎn)之一，有了這一點(diǎn)，儀器的開(kāi)發(fā)和換代時(shí)間將大大縮短。

圖1虛擬儀器開(kāi)發(fā)框圖

　　與傳統(tǒng)儀器不同，虛擬儀器有其自身的優(yōu)點(diǎn)：

　　它可以通過(guò)在幾個(gè)分面板上的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個(gè)分面板上就可以實(shí)現(xiàn)功能操作的單純化和面板布置的簡(jiǎn)潔化，從而提高操作的正確性和便捷性。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶的要求和操作需要來(lái)設(shè)計(jì)儀器面板。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶的要求和操作需要來(lái)設(shè)計(jì)儀器面板；儀器的功能是由用戶根據(jù)需要用軟件來(lái)定義，不是事先由廠家定義的；虛擬儀器開(kāi)放、靈活，與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)；由于其以 PC 為核心，在軟件的支持下，利用 PC 機(jī) CPU 的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能來(lái)完成；可方便地存貯和交換測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣。

3 系統(tǒng)組成

　　檢測(cè)系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　光源發(fā)出的紅外光經(jīng)過(guò)前光學(xué)系統(tǒng)匯聚變成平行光束，然后平行光經(jīng)過(guò)通有待測(cè)氣體的氣體池，被測(cè)氣體將吸收特定波長(zhǎng)的紅外光，紅外輻射的光能量（光強(qiáng)）發(fā)生變化（光強(qiáng)減?。?。經(jīng)過(guò)氣體的吸收后再通過(guò)后光學(xué)系統(tǒng)的匯聚，將光匯聚到多探頭的紅外探測(cè)器上[2]。當(dāng)多種混合氣體之間沒(méi)有作用，且吸收光譜沒(méi)有重疊或影響較小時(shí)，可在傳感器前安置適合分析氣體吸收波長(zhǎng)的窄帶濾光片，經(jīng)過(guò)濾光片后，紅外探測(cè)器把被測(cè)組分吸收后的剩余光能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的濾波放大后通過(guò)采集卡送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng)的差值是與氣體的濃度有關(guān)系的，據(jù)此可以檢測(cè)出氣體的濃度。

　　現(xiàn)代自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制都離不開(kāi)傳感器，它是測(cè)試與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，它能把被測(cè)物理量直接轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的并容易檢測(cè)的電信號(hào)輸出，以滿足信息的分析、處理等要求。本系統(tǒng)選擇了Heimann的TPS4339熱電堆探測(cè)器。主要是用來(lái)檢測(cè)待測(cè)氣體所處于吸收波長(zhǎng)的光能量的變化。

　　數(shù)據(jù)采集是采用NI公司推出的PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡，是基于計(jì)算機(jī)PCI總線技術(shù)，屬于M系列卡，只支持DAQmx的數(shù)據(jù)采集方法。PCI-6221提供16路帶37針D-Sub的模擬輸入，16位的A/D 轉(zhuǎn)換器，采樣率可達(dá)到250 kS/s [3]。圖3所示是PCI-6221數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。