反射式紅外甲烷傳感器氣室設計*

2013-12-07 06:54:02趙曉霞

傳感器與微系統 2013年2期

劉崗，梁庭，郇弢，雷程，趙曉霞

(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西太原030051;2.電子測試技術國防科技重點實驗室，山西太原030051)

0 引言

在紅外甲烷傳感器中，紅外氣室結構的設計通常關系到該傳感器的性能好壞，所以，紅外氣室是紅外傳感器的關鍵部件之一。在生產和生活環境中由于意外和緊急情況所產生的甲烷氣體對正常的生產和生活造成了很大的危害，尤其工業礦井生產中產生的甲烷氣體，它是造成礦井瓦斯爆炸的重要組成氣體［1］。近年來，隨著國民經濟的不斷發展，對甲烷氣體的檢測提出了更高的要求。反射式紅外甲烷傳感器因其受環境因素影響小、靈敏度高、響應速度快、選擇性好等優點，成為紅外氣體傳感器領域研究的焦點［2］。

反射式紅外甲烷傳感器是基于光譜吸收原理，紅外光譜吸收法是利用雙原子分子對紅外光具有特定吸收峰這一特性來實現的，甲烷氣體分子對某些特定波長紅外光具有吸收作用，這個波段就稱為這一氣體的特定紅外吸收峰，它并不與其他氣體吸收峰干擾，這種性質是具有紅外活性物質本身固有的一種屬性，如同人類的指紋，具有唯一性，不會因環境、溫度等條件的改變而改變［3］，通過對比吸收前后的紅外光強度，根據朗伯—比爾定律即可得到甲烷氣體的體積分數。

1 反射式紅外甲烷傳感器氣室設計

反射式紅外甲烷傳感器氣室由IRL715紅外光源、PYS3228雙通道熱釋電紅外氣體探測器、旋轉拋物面氣室中腔、底蓋和插針等部分構成。

1.1 氣室中腔的設計

紅外探測器的兩通道在接收紅外光后，兩通道會有微弱的信號，甲烷氣體分子對某些特定波長紅外光具有吸收作用，通過對比吸收前后的紅外光強度，根據朗伯—比爾定律［4］烷氣體的體積分數

式中 I為出射光強;I0為入射光強;K為被測氣體的吸收系數;C為被測氣體的體積分數;L為輻射通過被測氣體介質的光程。由式(1)可知，甲烷體積分數的計算和檢測與光程有關系。為了得到準確的光程和匯聚光線，將氣室中腔設計成曲率為6mm的旋轉拋物面，并將紅外光源和探測器放置在拋物面的焦點，這樣，就能得到近似平行光的紅外光束，平行光追跡過程遇到氣室頂蓋后反射到氣室底部的探測器，氣室采用反射式不僅可增加光程，還避免了傳統封閉式氣室需要氣泵抽送氣而帶來的檢測儀體積和功耗的增加［5］。

理論上氣室越長越好，因為這樣氣室中的氣體在較均勻分布下對紅外輻射的吸收較充分，并且能提高傳感器的靈敏度。但綜合考慮到傳感器的便攜性、紅外輻射的衰減和紅外光在氣室內的折射散射等因素，氣室不能太長，實際應用中，氣室的長度是根據待測氣體種類、測量范圍和分辨率來決定，在室溫下，氣室直徑一定(25 mm)不同長度的氣室響應時間和靈敏度如表1。

表1 氣室長度和響應時間關系Tab 1 Relationship between length of gas chamber and response time

由表1可以看出在氣室直徑一定的情況下，氣室的長度在25～35 mm之間，傳感器的響應時間和靈敏度比較合理，本設計中選用的氣室的長度為27 mm。對于氣室的直徑，在能滿足光源、探測器和導線放置的前提下應該越小越好，直徑小，則響應時間短，并且會使平行光束更加密集，進而到達探測器的紅外器的光通量大，得到的氣室輸出更加準確可靠，本設計采用25 mm的直徑。圖1為不同長度的幾種氣室外殼，圖2為確定的氣室結構。

圖1 不同長度的氣室Fig 1 Gas chamber with different length

圖2 氣室結構Fig 2 Structure of gas chamber

1.2 氣室內壁鍍膜材料的選擇

旋轉拋物面對光線有很強的匯聚作用，紅外光經拋物面后會形成近似平行光的光束，但仍有部分光會在氣室內發生反射和折射，為了減少光能的損失和增強反射需要對氣室內進行鍍膜。用于紅外的反射膜主要有:金屬膜、玻璃膜、氧化物等幾大類，本設計中采用金屬鍍膜，因為金屬膜具有高反射率、制備工藝簡單及成本低等優點。常見的金屬Ag，Al，Au膜在近紅外區有很高的反射率［6］射率曲線如圖3。

圖3 Al，Ag，Au 的反射率曲線Fig 3 Reflectivity curves of Al，Ag，Au

Al在紅外區域都具有幾乎最高的反射率并且便宜，是地球上豐度最高的金屬元素，但Al膜的化學性質不穩定，這是由于Al膜表面在大氣中容易生成一層薄的Al2O3膜，這種自然反應生成的鍍膜會影響氣室內部的平滑度和粗糙度;Ag膜在可見光區和紅外區都有很高的反射率，但Ag膜附著力較差，機械性能和化學穩定性不好，在可見光譜區Ag膜暴露大氣后，其反射率損失嚴重;Au在紅外區有幾乎和Ag有相近的高反射率，而其化學穩定性要比Ag好得多，不易受氧化，在大氣中也不易受污染，所以，本設計選擇Au進行鍍膜。

1.3 氣室結構性能仿真

用光學仿真軟件ZEMAX模擬紅外光傳播路徑和在探測器上形成的光強分布，如圖4。

圖4 氣室仿真圖Fig 4 Simulation figure of gas chamber

由圖4可以看出:紅外光經過旋轉拋物面反射后會得到近似平行的紅外光，從而驗證光源的放置和拋物面的確定是成功的。同時，還可以看出紅外光經過反射后在探測器兩通道上形成的光強分部近似是對稱和相等的，這對后面進行體積分數計算至關重要;紅外探測器的兩路通道在接收紅外光后，兩路通道都有電壓信號輸出，對于檢測通道是與被測氣體體積分數直接有關的，而對比通道則是與被測氣體無直接關系的，但它反映了外界環境條件等因素，假設兩路通道的比例因子分別為K1，K2，而對于一個確定的系統通道的比例因子都已確定［7］，由式(1)可推算出檢測通道輸出如式(2)，對比通道輸出如式(3)

在實驗過程中，光強很難準確地測量，為了消除光強因子的影響，需要探測器上的光強分布近似相等，對以上兩式求比值消除了光強因子，可以求得體積分數

通過標定實驗、軟件和電路的方法來補償及單片機運算，則可得到甲烷氣體的體積分數。圖5為最終氣室實物圖。

2 實驗過程

反射式紅外甲烷傳感器氣室的測試實驗分為以下幾個步驟:反射氣室的標定、氣室最終的測試。實驗采用北京金迅公司的RCS2000—A計算機配氣系統。

2.1 反射氣室的標定

標定過程采用純度為99.9%N2作為實驗的載氣，配氣系統將配好的甲烷和氮氣輸送到配氣箱，一定時間后氣體會自動擴散整個配比箱并平衡箱內，這時就可以觀測大型分析儀所測的氣體體積分數參數F a，以20 min作為一個平衡點(若此時傳感器的顯示還不穩定，則可適當地延長平衡時間)，依次按照0.25%，0.5%，0.75%，1%，…，2.5%來調整配氣系統的配氣體積分數，通過多次觀測不同體積分數下不同的輸出值，圖5為標定實驗記錄的數據圖。