非共振光聲CO2氣體檢測(cè)系統(tǒng)*

管人寶，何秀麗，高曉光，趙 玲，李建平，賈 建

（中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

0 引言

非色散紅外（NDIR）吸收氣體探測(cè)系統(tǒng)由于具有檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。它的基本檢測(cè)原理為:經(jīng)過(guò)直接電調(diào)制或光學(xué)斬波器調(diào)制方式產(chǎn)生周期性的紅外光入射到樣品氣室，經(jīng)過(guò)濾光片到達(dá)紅外探測(cè)器，通過(guò)紅外探測(cè)器來(lái)檢測(cè)由于樣品氣室中待測(cè)氣體的吸收所引起的光強(qiáng)變化，進(jìn)而確定待測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)。NDIR分析技術(shù)已被用于環(huán)境氣體檢測(cè)、工業(yè)廢氣以及尾氣排放監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域［1］。

美國(guó)科學(xué)家Alexander Bell最早發(fā)現(xiàn)光聲效應(yīng)，到了十九世紀(jì)三四十年代，德國(guó)科學(xué)家Karl Luft［2］將光聲效應(yīng)應(yīng)用于NDIR氣體分析，使用寬譜帶的紅外光源和電容式微音器進(jìn)行氣體檢測(cè)，精度達(dá)到×10－6量級(jí)［3］。隨著工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，NDIR系統(tǒng)的檢測(cè)精度越來(lái)越高，儀器也更小型化與智能化。雖然共振型光聲探測(cè)器靈敏度高，但需要激光光源等昂貴部件，加上結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)較復(fù)雜，對(duì)于一般的應(yīng)用性價(jià)比不是很高。而非共振型光聲探測(cè)器對(duì)光源和系統(tǒng)要求不高，儀器可以做得很小，能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)放式的連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。因此，研究人員一直致力于傳統(tǒng)非共振光聲探測(cè)器氣體檢測(cè)的機(jī)理與應(yīng)用技術(shù)研究，探尋微型化和高性價(jià)比紅外氣體傳感器解決方案［4～8］。

本文設(shè)計(jì)制備了基于MEMS電調(diào)制光源、駐極體麥克風(fēng)及單、雙腔室非共振光聲探測(cè)器的氣體檢測(cè)系統(tǒng)并對(duì)CO2氣體進(jìn)行了測(cè)試。

1 非共振光聲紅外氣體檢測(cè)原理

圖1為非共振光聲氣體檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，系統(tǒng)由光源、樣品氣室、非共振光聲探測(cè)器三部分組成。非共振光聲探測(cè)器吸收腔中充入高體積分?jǐn)?shù)的目標(biāo)氣體，氣體分子吸收紅外光后，被激發(fā)至振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的高能態(tài)，然后以去激發(fā)的形式回到基態(tài)，并將吸收的能量轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，溫度升高，內(nèi)部氣壓發(fā)生變化。麥克風(fēng)檢測(cè)到的壓力變化幅值就反映了到達(dá)吸收腔的光強(qiáng)。當(dāng)樣品氣室內(nèi)存在待測(cè)氣體時(shí)，入射到吸收腔的光強(qiáng)減弱，導(dǎo)致腔內(nèi)壓強(qiáng)變化幅值減小。因此，通過(guò)標(biāo)定與校準(zhǔn)后，可以根據(jù)麥克風(fēng)輸出信號(hào)幅值的大小確定樣品氣室中的待測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)。

圖1 非共振光聲型氣體檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Schematic diagram of the nonresonant photoacoustic gas detection system

2 非共振光聲探測(cè)器與氣體檢測(cè)系統(tǒng)

采用駐極體麥克風(fēng)（型號(hào)為 EM9767P，靈敏度為50 mV/Pa（1 kHz）），設(shè)計(jì)、加工了單腔室和雙腔室兩種結(jié)構(gòu)非共振光聲探測(cè)器。單腔室探測(cè)器如圖2（a）所示，氟化鈣光學(xué)窗口和麥克風(fēng)通過(guò)前后蓋和紅外吸收腔連接，利用O型氟橡膠圈密封。雙腔室探測(cè)器比單腔室探測(cè)器多了一個(gè)補(bǔ)償腔室，如圖2（b）所示。氟化鈣光學(xué)窗口用環(huán)氧膠直接粘在前吸收腔端面上，麥克風(fēng)粘在后腔室上并與后補(bǔ)償腔室連通。前后腔室通過(guò)O型氟橡膠圈密封連接。

圖2 單腔室和雙腔室光聲探測(cè)器Fig 2 Single chamber and double chamber photoacoustic detector

本文采用Intex的MIRL17—900R型MEMS紅外光源，省掉了機(jī)械斬波器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該光源可直接電調(diào)制供電，在調(diào)制頻率為10 Hz時(shí)仍能達(dá)到100%的調(diào)制深度。樣品氣室長(zhǎng)度為10 cm，內(nèi)徑為11 mm，材料為黃銅，內(nèi)襯鍍金不銹鋼箔片以提高內(nèi)壁反射率。為檢測(cè)CO2氣體，通過(guò)真空抽氣與充氣系統(tǒng)將體積分?jǐn)?shù)99.9%的CO2氣體充入探測(cè)器吸收腔。采用兩路質(zhì)量流量計(jì)分別控制標(biāo)準(zhǔn)氣體和稀釋氣體的流量，混合后得到不同體積分?jǐn)?shù)的待測(cè)氣體，稀釋氣體為高純氮?dú)狻?/p>

圖3為氣體檢測(cè)系統(tǒng)硬件框圖。以C8051F060單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)紅外光源調(diào)制和信號(hào)采集功能。單片機(jī)通過(guò)12位DA控制輸出一個(gè)所需調(diào)制頻率的方波信號(hào)，通過(guò)光源功率驅(qū)動(dòng)電路給紅外光源供電，從而實(shí)現(xiàn)紅外光的調(diào)制。探測(cè)器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后由單片機(jī)AD采樣電路進(jìn)行采樣，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)，AD采樣率為每秒200個(gè)點(diǎn)。PC機(jī)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示及處理單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)的濾波降噪和氣體響應(yīng)曲線的顯示存儲(chǔ)。

圖3 氣體檢測(cè)系統(tǒng)硬件框圖Fig 3 Hardware block diagram of the gas detection system

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線

非共振光聲紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)中光源強(qiáng)度和光源調(diào)制頻率都會(huì)對(duì)光聲信號(hào)產(chǎn)生影響。MEMS光源存在最佳調(diào)制頻率，調(diào)制頻率過(guò)高會(huì)降低調(diào)制深度，進(jìn)而影響光源輻射強(qiáng)度，減小光聲信號(hào)，因此，光源調(diào)制頻率不能太高。另外，麥克風(fēng)有固有的頻率響應(yīng)特性，在低頻時(shí)響應(yīng)下降，所以，進(jìn)行氣體測(cè)試時(shí)不能選擇過(guò)低的調(diào)制頻率。光源調(diào)制頻率同麥克風(fēng)測(cè)試頻率之間存在矛盾，實(shí)際氣體測(cè)試時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性來(lái)確定最佳光源調(diào)制頻率。

圖4為前面所述系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線（分別以20Hz點(diǎn)處數(shù)據(jù)做歸一化），其中，光源調(diào)制電壓固定為6.3 V，樣品氣室中氣體為高純N2。圖5為2種探測(cè)器在20 Hz時(shí)的原始信號(hào)，信號(hào)幅值分別為 12.1，21.7 mV。

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線Fig 4 Frequency response curve of the detecting system

從圖4和5中可以看出:雙腔室探測(cè)器信號(hào)幅值約為單腔室的2～3倍，而且雙腔室探測(cè)器低頻響應(yīng)比單腔室的要好。過(guò)了頻響極大值點(diǎn)后，隨著頻率的減小，單腔室探測(cè)器信號(hào)幅值衰減相對(duì)緩慢。單腔室在調(diào)制頻率約為2.5 Hz時(shí)信號(hào)幅值最大，而雙腔室則在2 Hz時(shí)最大。由于補(bǔ)償腔室的存在，麥克風(fēng)膜片后面空間較大，形變時(shí)的阻尼較小，所以，同樣條件下形變幅度比單腔室的要大，所以，雙腔室信號(hào)幅值較大、低頻響應(yīng)較好。

圖5 單、雙腔室探測(cè)器在20 Hz時(shí)的原始信號(hào)Fig 5 Original signal of the double chamber detector at frequency of 20 Hz

3.2 CO2氣體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

由于非共振光聲探測(cè)器在實(shí)際測(cè)試時(shí)很容易受環(huán)境影響而發(fā)生信號(hào)漂移，所以，本次CO2氣體測(cè)試實(shí)驗(yàn)是在探測(cè)器前加上4.3 μm窄帶濾光片的條件下進(jìn)行的。光源調(diào)制頻率為2.5 Hz。圖6為單、雙腔室探測(cè)器檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)CO2氣體測(cè)試結(jié)果，CO2氣體體積分?jǐn)?shù)范圍為（10～2000）×10－6。在測(cè)試的體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，探測(cè)器輸出信號(hào)衰減值與氣體體積分?jǐn)?shù)呈近似線性關(guān)系。

圖6 不同體積分?jǐn)?shù)CO2氣體測(cè)試結(jié)果Fig 6 Test result at different volume fraction of CO2

圖7為兩種探測(cè)器對(duì)10×10－6CO2氣體的響應(yīng)恢復(fù)曲線，在樣品氣室氣體為N2時(shí)單腔室探測(cè)器信號(hào)幅值約為92.7 mV，雙腔室探測(cè)器的約為 304.7 mV，噪聲均為約0.1 mV。10 ×10－6CO2所對(duì)應(yīng)的信號(hào)衰減分別為 0.14，0.47 mV，可計(jì)算出系統(tǒng)檢測(cè)限分別為7.2 ×10－6，2.1 ×10－6。

圖7 10×10－6CO2氣體響應(yīng)—恢復(fù)曲線Fig 7 Response-recovery curve of 10×10－6CO2

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)制備了單腔室和雙腔室非共振光聲探測(cè)器，采用MEMS光源組建了氣體檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線確定最佳的光源調(diào)制頻率，并對(duì)（10～2 000）×10－6CO2氣體進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明:雙腔室探測(cè)器信號(hào)幅值和低頻響應(yīng)特性均比單腔室的要好，響應(yīng)靈敏度高，檢測(cè)下限低。單腔室探測(cè)器系統(tǒng)的檢測(cè)限約為7.2×10－6，雙腔室的約為2.1×10－6。系統(tǒng)探測(cè)限雖不及報(bào)導(dǎo)的共振式光聲探測(cè)方法，但系統(tǒng)性價(jià)比較高，在農(nóng)業(yè)CO2檢測(cè)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

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