基于虚拟仪器的气体浓度检测系统的设计

1 引言

　　虚拟仪器（Virtual Instrument）的概念是由美国国家仪器公司（National Instruments）最先提出的[1]，其核心技术思想就是“软件即是仪器”。它改变了传统仪器的测量模式,使测量系统由松散结合的、常常不兼容的独立仪器发展成紧密结合的虚拟测量系统。当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的 VI 系统而不丢失己有的硬件和软件资源。

　　目前城市中汽车保有量的大幅度增加，给人们的日常生活带来了极大的便利，同时也带来了严峻的环境问题，其产生的尾气已经构成公害，因此对于机动车尾气的监测已经成为治理环境污染的一个重要指标。本文设计一套基于虚拟仪器的气体浓度检测的系统，采用NI公司的PCI-6221数据采集卡实现气体检测数据的采集，并借助于NI公司的LabVIEW软件实现数据的处理。

2 虚拟仪器概述

　　虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心（如图1所示），其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。

图1虚拟仪器开发框图

　　与传统仪器不同，虚拟仪器有其自身的优点：

　　它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板；仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的；虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联；由于其以 PC 为核心，在软件的支持下，利用 PC 机 CPU 的强大的数据处理功能来完成；可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。

3 系统组成

　　检测系统的组成如图2所示。

图2 测量系统结构图

　　光源发出的红外光经过前光学系统汇聚变成平行光束，然后平行光经过通有待测气体的气体池，被测气体将吸收特定波长的红外光，红外辐射的光能量（光强）发生变化（光强减小）。经过气体的吸收后再通过后光学系统的汇聚，将光汇聚到多探头的红外探测器上[2]。当多种混合气体之间没有作用，且吸收光谱没有重叠或影响较小时，可在传感器前安置适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，经过滤光片后，红外探测器把被测组分吸收后的剩余光能转换为电信号，经过信号调理电路的滤波放大后通过采集卡送到计算机进行数据分析。入射光强和出射光强的差值是与气体的浓度有关系的，据此可以检测出气体的浓度。

　　现代自动检测和自动控制都离不开传感器，它是测试与控制系统的首要环节，它能把被测物理量直接转换为与之有确定对应关系的并容易检测的电信号输出，以满足信息的分析、处理等要求。本系统选择了Heimann的TPS4339热电堆探测器。主要是用来检测待测气体所处于吸收波长的光能量的变化。

　　数据采集是采用NI公司推出的PCI-6221数据采集卡，是基于计算机PCI总线技术，属于M系列卡，只支持DAQmx的数据采集方法。PCI-6221提供16路带37针D-Sub的模拟输入，16位的A/D 转换器，采样率可达到250 kS/s [3]。图3所示是PCI-6221数据采集系统的结构框图。