基于虛擬儀器的氣體濃度檢測系統的設計

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]，其核心技術思想就是“軟件即是儀器”。它改變了傳統儀器的測量模式,使測量系統由松散結合的、常常不兼容的獨立儀器發展成緊密結合的虛擬測量系統。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，或重新配置現有系統以滿足新的測試要求。這樣，當用戶從一個項目轉向另一個項目時，就能簡單地構造出新的 VI 系統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境問題，其產生的尾氣已經構成公害，因此對于機動車尾氣的監測已經成為治理環境污染的一個重要指標。本文設計一套基于虛擬儀器的氣體濃度檢測的系統，采用NI公司的PCI-6221數據采集卡實現氣體檢測數據的采集，并借助于NI公司的LabVIEW軟件實現數據的處理。

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），其中軟件的基礎部分是設備驅動軟件，而這些標準的儀器驅動軟件使得系統的開發與儀器的硬件變化無關。這是虛擬儀器最大的優點之一，有了這一點，儀器的開發和換代時間將大大縮短。

圖1虛擬儀器開發框圖

　　與傳統儀器不同，虛擬儀器有其自身的優點：

　　它可以通過在幾個分面板上的操作來實現比較復雜的功能。這樣，在每個分面板上就可以實現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。設計者可以根據用戶的要求和操作需要來設計儀器面板。設計者可以根據用戶的要求和操作需要來設計儀器面板；儀器的功能是由用戶根據需要用軟件來定義，不是事先由廠家定義的；虛擬儀器開放、靈活，與計算機同步發展，與網絡及其他周邊設備互聯；由于其以 PC 為核心，在軟件的支持下，利用 PC 機 CPU 的強大的數據處理功能來完成；可方便地存貯和交換測試數據，測試結果的表達方式更加豐富多樣。

3 系統組成

　　檢測系統的組成如圖2所示。

圖2 測量系統結構圖

　　光源發出的紅外光經過前光學系統匯聚變成平行光束，然后平行光經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）發生變化（光強減小）。經過氣體的吸收后再通過后光學系統的匯聚，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，經過濾光片后，紅外探測器把被測組分吸收后的剩余光能轉換為電信號，經過信號調理電路的濾波放大后通過采集卡送到計算機進行數據分析。入射光強和出射光強的差值是與氣體的濃度有關系的，據此可以檢測出氣體的濃度。

　　現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的首要環節，它能把被測物理量直接轉換為與之有確定對應關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。

　　數據采集是采用NI公司推出的PCI-6221數據采集卡，是基于計算機PCI總線技術，屬于M系列卡，只支持DAQmx的數據采集方法。PCI-6221提供16路帶37針D-Sub的模擬輸入，16位的A/D 轉換器，采樣率可達到250 kS/s [3]。圖3所示是PCI-6221數據采集系統的結構框圖。