一氧化碳氣體檢測儀的算法設計

摘要：基于紅外光譜吸收原理，對一氧化碳的濃度檢測進(jìn)行研究。為了在不提高成本的條件下提高設備測量精度，采用二維拉格朗日插值算法對測量alpha表進(jìn)行插值。實(shí)驗表明，運用拉格朗日算法進(jìn)行插值造成的誤差在設備誤差允許范圍內。該方法在同樣精度條件下，需要更少的采樣點(diǎn)數，從而降低了設備成本。
關(guān)鍵詞：一氧化碳；檢測儀；拉格朗目插值算法；紅外光譜吸收

0 引言
一氧化碳(CO)是最為常見(jiàn)的一種有毒有害的可燃可爆性氣體，它給工業(yè)安全生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的危害。因此研制一種能夠實(shí)時(shí)準確地測量一氧化碳氣體濃度的氣體檢測儀是非常必要的。目前應用于一氧化碳氣體的檢測方式主要有氣相色譜法、光干涉法、半導體氣體傳感器、紅外光譜吸收式等，以上四種一氧化碳氣體濃度測量方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。然而紅外光譜吸收法表現出更多的優(yōu)點(diǎn)，紅外光譜吸收式的基本原理為：將窄帶光源波長(cháng)對準被測氣體某一吸收峰，用正弦信號對激光波長(cháng)進(jìn)行調制，調制后的激光通過(guò)被測氣體，由于氣體的吸收效應，波長(cháng)調制轉換為強度調制，當激光中心波長(cháng)對準氣體吸收峰的中心處，輸出光包含有調制頻率的二次諧波信號，而且信號幅度正比于氣體的濃度。通過(guò)提取吸收信號的二次諧波，便可實(shí)現氣體濃度的測量。與差分吸收法相比，諧波檢測法具有更高的分辨率。本文采用紅外光譜吸收式來(lái)實(shí)現對一氧化碳氣體濃度的測量，在一氧化碳氣體檢測儀的設計過(guò)程中，將拉格朗日插值思想應用于數據處理。本文主要對一氧化碳氣體檢測儀中算法的設計進(jìn)行研究，對數據進(jìn)行最優(yōu)化處理。

1 拉格朗日插值的意義
紅外光譜技術(shù)光譜吸收技術(shù)的基本原理是比爾一朗伯特(Beer Lambert)定律，出射光強I與入射光強Io的關(guān)系為I=Ioexp[-a(v)CL]，其中a(v)為氣體在一定頻率v處的吸收系數；C為氣體濃度；L為氣體吸收的路徑長(cháng)度。由于a(v)是關(guān)于環(huán)境溫度和壓強的函數，只要測量出環(huán)境中的溫度和壓強就可以求出a(v)的值，但是該函數的解析表達式相當復雜，不便于處理和計算，無(wú)法實(shí)時(shí)準確地計算出a(v)的值，也就無(wú)法求出被測氣體的濃度。因此設計某種算法比較準確地求出a(v)的值將成為一氧化碳測量的關(guān)鍵環(huán)節，當求出一氧化碳氣體吸收系數后，就可根據比爾-朗伯特定律用算法實(shí)現一氧化碳氣體濃度的測量。
本文采用拉格朗日插值算法思想來(lái)實(shí)現對吸收系數a(v)的處理，并通過(guò)程序來(lái)比較準確的求出吸收系數a(v)的值。這里我們可以通過(guò)實(shí)驗得到許多在不同溫度和壓強下一氧化碳氣體的吸收系數，但它們是一些孤立離散的點(diǎn)，是不連續的。然后運用拉格朗日插值的思想對他進(jìn)行處理，由于一氧化碳的吸收系數a(v)與溫度和壓強2個(gè)參數有關(guān)，因此本文用二維拉格朗日插值算法來(lái)實(shí)現。
在設計一氧化碳氣體濃度測量算法時(shí)，使用拉格朗日插值算法進(jìn)行相關(guān)的處理，可使準確的求出一氧化碳氣體的濃度。由此可知，對一氧化碳氣體檢測儀進(jìn)行算法設計是非常必要的，這種拉格朗日插值算法思想在氣體檢測方面將具有較大的應用前景。

2 拉格朗日插值原理
2．1 拉格拉朗日插值
拉格朗日插值由線(xiàn)性插值與拋物線(xiàn)插值推廣而來(lái)，將n=1及n=2的插值推廣到一般情形，考慮通過(guò)(n+1)個(gè)點(diǎn)，(xi，f(xi))(i=0，1，2，…，n)的插值多項式Ln(x)，使Ln(xi)=f(xi)i=0，1，2，…，n。
用插值基函數方法可得：