基于虛擬儀器的氣體濃度檢測系統(tǒng)的設(shè)計

1 引言

　　虛擬儀器（Virtual Instrument）的概念是由美國國家儀器公司（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)儀器的測量模式,使測量系統(tǒng)由松散結(jié)合的、常常不兼容的獨立儀器發(fā)展成緊密結(jié)合的虛擬測量系統(tǒng)。當用戶的測試要求變化時可以方便地由用戶自己來增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測試要求。這樣，當用戶從一個項目轉(zhuǎn)向另一個項目時，就能簡單地構(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了極大的便利，同時也帶來了嚴峻的環(huán)境問題，其產(chǎn)生的尾氣已經(jīng)構(gòu)成公害，因此對于機動車尾氣的監(jiān)測已經(jīng)成為治理環(huán)境污染的一個重要指標。本文設(shè)計一套基于虛擬儀器的氣體濃度檢測的系統(tǒng)，采用NI公司的PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)氣體檢測數(shù)據(jù)的采集，并借助于NI公司的LabVIEW軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。

2 虛擬儀器概述

　　虛擬儀器是基于計算機的功能化硬件模塊和計算機軟件構(gòu)成的電子測試儀器，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)動軟件，而這些標準的儀器驅(qū)動軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無關(guān)。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點之一，有了這一點，儀器的開發(fā)和換代時間將大大縮短。

圖1虛擬儀器開發(fā)框圖

　　與傳統(tǒng)儀器不同，虛擬儀器有其自身的優(yōu)點：

　　它可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復雜的功能。這樣，在每個分面板上就可以實現(xiàn)功能操作的單純化和面板布置的簡潔化，從而提高操作的正確性和便捷性。設(shè)計者可以根據(jù)用戶的要求和操作需要來設(shè)計儀器面板。設(shè)計者可以根據(jù)用戶的要求和操作需要來設(shè)計儀器面板；儀器的功能是由用戶根據(jù)需要用軟件來定義，不是事先由廠家定義的；虛擬儀器開放、靈活，與計算機同步發(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 CPU 的強大的數(shù)據(jù)處理功能來完成；可方便地存貯和交換測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果的表達方式更加豐富多樣。

3 系統(tǒng)組成

　　檢測系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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

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

　　數(shù)據(jù)采集是采用NI公司推出的PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡，是基于計算機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。