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试论数字信号处理技术在气体检测中的应用

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：葛逢春

[导读] 摘要：在消除被测信号噪声的方法中，数字信号处理技术是其中之一。

        深圳市科陆精密仪器有限公司广东省深圳市 518057
        摘要：在消除被测信号噪声的方法中，数字信号处理技术是其中之一。
        通过频谱分析设计数字滤波器以消除二次谐波中的干扰噪声是目前应用最广泛的方法之一。在使用这种方法的过程中，首先要对测量的信号进行分析，然后根据信号的特点完成数字滤波器的设计。通过这一系列的工作，可以保证滤波器的工作更加准确。通过这种方法，我们也可以分析空气中的主要污染气体，为我国的环境治理带来便利。
        关键词：数字信号；处理技术；气体检测；应用
        1.气体检测中滤波技术分析
        随着工业生产规模的不断发展壮大，工业生产中废弃排放量正在逐年增加，并且工业生产所产生的有毒有害气体泄漏事故起因较为复杂，导致气体泄漏的原因有这几点内容：安全管理意识、安全防范意识、安全技术措施、自然灾害等因素，以上影响因素在一定程度上增加了安全事故发生的几率。综上所述，充分表明了工业气体检测技术仍然存在局限，因此为了降低有害气体泄漏的几率，工业企业需要加强完善气体检测系统。同时，要不断引入先进的气体检测技术，加强对有害气体的实时监控，建立完善的预警系统。
        当前，在对工业有毒气体的检测当中，通常情况下主要采用电化学传感器、以及物理性质、化学性质完成检测工作。例如，基于可调谐半导体激光收光谱气体传感。该技术能够借助光纤耦合技术，能够顺利检测出管道气体参数，从而获取到压力与温度等相关数值。TDLAS技术具有较高的灵敏度，并且具备较好的动态化，为进行污染成因研究、气体组成研究等工作，提供了重要的技术保障。其中，TDLAS技术所涉及到的滤波技术，具体主要包括α、β、γ滤波、小波更换等。通常情况下，可以通过采用数字滤波器过滤与处理检测数据，从而提升气体检测中滤波算法的有效性。
        2.数字信号处理技术的优点
        2.1处理速度快
        与模拟信号处理器相比，数字信号处理器在高速处理方面有着明显的优势能力。数字信号模拟器自身具有的芯片与其他芯片较为不同，主要采用哈佛结构，电子工程的专业人士可以将数字信息程序和存储的空间进行独立开来，保证两者互不干扰，形成数字信号处理器的工作流程。将数字信号处理系统与传统的信号处理相比较，数字信号可以在处理的过程中，进行其他指令的识别和处理，这样就大大提高了信息处理的效率，提高了信息的处理速度。
        2.2适用范围广
        数字信号处理技术广泛应用于各个领域，具有广泛的适用性。数字信号处理技术可以应用于许多领域，因为数字信号处理器有多种类型，可以被各种软件使用，也可以根据不同的需要进行选择。当操作员在数字处理系统中存储数据时，他们可以很容易地将各种信息处理转换成所需的形式，以计算机网络技术为例，在计算机中，数字信号可以作为调制处理器的技术使用，将数字信号处理技术应用于程序编程中。
        3.数字信号处理技术在气体检测中的应用分析
        3.1数字谐波算法分析
        在应用数字信号处理技术进行气体检测的过程中，一般都会应用DSP芯片来起到滤波作用。主要过程为：
        （1）从信号的配制与存储单元之中来实现相关信息的采集工作，并借助于滤波系数来达到过滤采样值的效果。在对滤波系数进行设置的过程中，可以将很短时间里的一个采样信号作为一个有限的序列，并对该序列进行滤波，最后把这个信号从中提取出来。
        （2）通过PPT来实现滤波信号有效的转换，再让该信号在频域信号的作用下实现反向的转换，进而得出一个信号。
        （3）按照相应的时域进行数据的卷积计算。在计算过程中，试验程序之中主要是对寻址法加以应用，并通过这种方法实现卷积乘法叠加，所以在存储器里面应该预先设立一个缓冲数据，并合理设置数据的长度，通过不同指针来实现对样品数据的收集。另外，在录入的过程中，应该注意从低地址到高地址进行录入，以实现数据的科学处理。
        （4）滤波。在气体检测数据的处理过程中，滤波是最为关键的一个环节，滤波对于数据的处理有着关键性的作用。在具体对滤波参数进行设定的过程中，技术人员应该将具体的信号参数作为参考依据，不能盲目设定，这样才可以保障滤波参数设定的科学性。同时，在对检测气体之中的谐波进行二次测量的过程中，因为等待处理的信号未知，所以若要实现有效的处理，就需要对其频率以及幅值等进行全面掌握，以保障数据的准确性。
        3.2试验仿真效果分析
        在具体的试验过程当中，通过软件实现对测量仿真环境进行模拟，通过对仿真环境的模拟，进一步分析处理数字信号滤波器，并结合二次谐波的调谐原理，借助软件的优势，构建一个实验模型。调谐信号及待测信号都是基于相同频率、不同幅值的正弦信号模拟，待测信号与调谐信号都是通过乘法器进行处理，然后将示波器与信号进行有效连接，则显示出调谐信号。如果被测信号与参考信号基于相同频率的情况下，此时会产生直流信号，而获取到的直流信号即试验中二次谐波的幅值信号。如若直流信号受到外界因素所影响，则会促使待测信号产生大量噪音，将会降低其获取清晰信号的几率。因此，通过低通滤波器完成信号初步处理，但是当前的这种设计形式，难以确定滤波器的性能指标。为了最大限度获取滤波性能指标，则可以预先对信号进行频谱分析，从而获取到待测信号中的信息参数。如若频率与幅值均相同的情况下，此时在数字信号处理中，则会轻松地获取到滤波器参数。通过实验分析得出，在低频区内主要体现出了待测信号中的有用信号，而噪声信号却体现了高频特征。基于上述情况而言，在处理信号时，可采用设定低通滤波器实现。
        3.3在大气二次谐波技术中的实际应用
        在TDLAS气体检测技术中，得到气体的二次谐波曲线后，通过最小二乘法的拟合求出待测气体浓度值，最小二乘法的思想是在一定的范围内，用线性方程来表示测量谱和标准谱之间的关系，由此得到拟合的线性方程为Yi=aXi+b，X为标准谱，Y为测量谱，i为拟合点，a，b为拟合系数，通过拟合得到。若V0为标准气体的浓度，V为未知气体浓度，则aV0。由此可知，二次谐波的准确度直接影响气体浓度准确度的检测。
        下图是实验室中设计的数字滤波其及其实现滤波的效果。

        图1                            图2
        由实验室配制的4.98%的标准CH4气体，通过实验得到二次谐波曲线。图1是来自锁相放大器未经处理的二次谐波曲线。图2是经过低通滤波和扣除背景后的二次谐波曲线，与标准气体浓度值进行拟合，测得其拟合系数为0.991，说明滤波后的二次谐波曲线与气体的浓度有很好的线性关系。
        结束语：
        总之，随着工业生产的发展，有毒害的气体对生产安全性的威胁也越来越大，因此需要先进的气体检测技术支持实时化测量，获得数据支持预警和管理。在气体检测中，因为有诸多外部因素会影响气体检测的准确性，因此为了提高其检测的准确性，则需要借助数字处理技术来帮助处理采集到的信息，这样才能提高检测的效率与准确性。
        参考文献：
        [1]林桂玲.数字信号处理技术在气体检测中的应用[J].工程技术研究，2020.
        [2]吕冰，左曦，王兆磊等.数字信号处理技术在气体检测中的应用初探[J].军民两用技术与产品，2017.