基于FPA的锁相放大器在多组分气体检测中的应用.doc

基于FPGA的锁相放大器在多组分气体检测中的应用 苟星 苟小霞 苟勇 Design of the Lock-in Amplifier Based on FPGA and its Application in Multi Component Gases Detection Zhao xing, Li Xiaoxia, Li Yong （School of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mian yang, Sichuan, 621010, China） 摘要 本文介绍了基于光声光谱技术的多组分气体检测的基本原理，设计了基于FPGA的数字双相锁相放大器，完成了低通滤波器和DDS信号发生模块的仿真设计并应用于光声光谱多组分气体检测系统。通过对不同浓度的, ,混合气体的检测结果表明，该锁相放大器可以有效提取微弱的光声信号，检测出, ,这三种气体的浓度，系统检测相对误差小与5%，精度好且具有一定的稳定性，能广泛应用于气体检测中。 Abstract This paper introduces the basic principle of multi-component gas detection based on the photoacoustic spectroscopy technique, designed A lock-in amplifier on FPGA is and Completed the simulation design of related modules then Applicated in photoacoustic spectra of multi-component gas detection system. Through the detection of multi-component gases, results show that the lock-in amplifier can effectively extract weak photoacoustic signals, Detect the concentration of ,,these three kinds of gases, The relative error of the System Lower than 5%, The precision of the system is good and has certain stability and it can be widely used in gas detection. 关键字 光声光谱 FPGA 多组分 锁相放大器 Keywords Photoacoustic spectroscopy ; fpga ; Multi component; lock-in amplifier 0引言 随着电力系统的不断发展和用电需求的日益增长，大型变压器设备容量不断扩大，事故率也就随之增大。长期运行或发生故障的油侵式电力变压器绝缘油和绝缘材料会分解出一些气体，如, ,和等[1]。研究表明，变压器油中溶解气体是表征运行电力变压器早期潜伏性故障的重要特征量之一[1-2]，油中溶解气体的在线监测技术在变压器运行状态的在线评估及剩余寿命的预测领域具有良好的应用前景。变压器油中溶解气体在线监测主要方法是气相色谱法、传感器法、傅立叶红外光谱法等[3]，但在长期使用中，这些方法存在取样复杂、干扰严重、长期稳定性差、检测气体组分不够齐全等缺点。 光声光谱技术作为一种无背景测量技术[4-6]，是利用光声效应对气体浓度进行检测。信号仅仅由被吸收的光能量产生，具有灵敏度高、响应快和检测范围宽等特点，特别适合多组分气体弱吸收测量。其基本实验装置及原理[7]如图1所示。许多文献[1-3]已经详细阐述了光声光谱工作原理，这里不再详细说明。 图1 采用数字相关解调器取代模拟器件，数字相关解调器在动态范围、线性失真、噪声等方面的性能优点已经远大于模拟器件，对于零点漂移的问题，使用数字器件几乎可以完全消除。数字放大器具有很好的灵活性，可以对制作出的不同功能模块进行灵活的选择、连接和控制，从而实现对锁定放大器灵敏度、频率的动态范围、及显示方式等功能的灵活改变图，按照采样频率进行采样，采样周期N 得到的采样信号为： (1) 数字锁相中参考序列由微处理器根据M 来产生，正交参考序列和分别为： (2) (3) 采集得到信号与和的互相关为：