烟尘在线监测系统中信号提取及处理电路的设计

引言 
　　随着人们环境保护意识的不断加强及国家环保法规的愈加严格，电厂、水泥厂等烟囱烟尘的排放浓度越来越低，因此在线监测系统中对低浓度颗粒物测量的精度及度的要求越来越高。光学法中的双光程测量方法安装精度要求较高，但是测量度和精度较高，比较适合当前在线监测系统中颗粒物浓度越来越低的趋势。 
　　由于烟囱、尾气管道或者其他类似场合的环境比较恶劣，如环境温度温差较大，颗粒物的尺寸分布不均，水蒸气的影响以及各种杂散光的影响等，使得透射法测得的信号中信噪比非常低，因此对于有用信号的提取及前置处理等就变得尤为重要。 
　　1 颗粒物测量系统简介 
　　考虑到烟气中的水蒸汽对650nm波长的红光吸收程度弱，系统采用波长为650nm的脉冲式激光二极管作为光源，经过分光镜分为参考光束和测量光束，参考光束用于跟踪光源衰减变化，并对测量光束进行定时校正及温度补偿。光电检测器将接收到的光信号转换为对应的电流信号，此信号与烟尘浓度具有一定线性对应关系，核心控制器Microchip公司的PIC16系列单片机把对应的输入信号转换成对应的烟尘浓度值，进行输出通讯与传输。 
　　2 数据采集系统电路设计 
　　对被检信号进行分析与处理时，常常会遇到有用信号叠加上无用噪声的问题，这些噪声有的是与被检信号同时产生的，有的是传输过程中引入的。因此，从接收到的被检信号中消除或减弱干扰噪声，就成为信号传输与处理过程中的重要问题。 
　　本电路中光电检测器D1传输过来的脉冲信号掺杂着各种不同频率的噪声，因此需要对信号进行处理就显得尤为重要。本系统中采用放大、整流、低通滤波对原始输入信号进行处理。 
　　图1中，*级放大采用TI公司生产的低噪声高精度集成运放OPA37得到脉冲信号，放大倍数根据烟尘现场实际情况通过W1可调。第二级运放MC1558放大倍数为1，经二极管整流滤波电路将调制的脉冲信号转换为直流电压信号。第三级运放采用二阶低通滤波AD622。 
　　二阶低通滤波器是一种信号检测及传递系统中常用的基本电路，具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点。二阶滤波器对于削减高频信号能起到很好的效果。图中R14，C23，R15，C26，集成运放AD622构成二阶低通有源滤波器，不仅不影响电路的滤波特性，而且在集成运放AD622功耗允许的情况下，提高了电路的带负载能力。 
　　集成运放AD622是美国ADI公司推出的一种低成本、高精度的仪表放大器，具有优良的共模抑制、线性度、温度稳定性，只需一只外接电阻便可设置2～1000范围内的任何增益。根据AD622的电路结构，可以得到增益计算公式：G=50.5kΩ/RG+1，其中G为放大器增益，RG为增益。 
　　AD622的增益通过外接电阻RG进行设置，或更地说通过1脚和8脚之间的外接阻抗来确定增益。AD654是美国ADI推出的一种低成本电压频率（V/F）转换器。它由低漂移输入放大器、精密振荡器系统和输出驱动级组成，使用时只需一个RC网络即可构成应用电路。AD654工作电压范围很宽。输出为频率受控于输入电压的方波。可用于信号源、信号调制、解调和A/D变换等。AD654的输入电压与频率的转换关系为：f = V/（10 RC）。 
　　经二阶低通滤波器处理完的终信号范围为0～10V，进入V/F变换器AD654之前，经分压电路降为0～1V，V/F变换器的输出频率对应为0～100KHZ，输出的频率信号利用单片机的计数器功能进入微控制器，并进行运算及处理。 
　　3 信号处理实验结果 
　　如图2所示，分别为各级信号处理的波形结果。由图可见，光电检测器D1输出的电流信号仅经运放处理之后，噪声信号很大几乎淹没有用信号。经过二极管整流滤波电路后，交流信号转换为直流信号，并且由于二极管导通电压为0.7V，滤去了一部分噪声，经过第三级的二阶低通滤波器后，信号已经变得相对比较干净，基本满足后续处理的要求。 
　　4 结束语 
　　由于激光的准直性以及光的透射性，光电转换的快速性以及易于与计算机配合使用等特点，使得基于激光透射方法的颗粒物在线监测系统具有实时快速、在线、连续测量等显著优点。 
　　实验结果证明本文介绍的微弱信号前置处理电路对颗粒物浓度信号的提取非常有效，显著抑制了干扰噪声的影响，并且成本低廉，非常实用。