基于紅外光聲光譜的氣體檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

錢(qián) 旭， 程明霄， 王雪花， 趙天琦

(1.南京工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210009；2.南京灼徽檢測(cè)技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210009)

基于紅外光聲光譜的氣體檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

錢(qián) 旭1， 程明霄1， 王雪花1， 趙天琦2

(1.南京工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210009；2.南京灼徽檢測(cè)技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210009)

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，環(huán)境變化日益復(fù)雜，而人民的環(huán)境健康意識(shí)也在不斷提高。在這種情況下，傳統(tǒng)的氣體檢測(cè)系統(tǒng)已不能滿足要求，有待開(kāi)發(fā)一種高靈敏度、高分辨率的新型實(shí)時(shí)氣體檢測(cè)系統(tǒng)。從氣體分子紅外光譜理論出發(fā)，在對(duì)當(dāng)前各種氣體檢測(cè)方法進(jìn)行分析比較的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于光聲光譜技術(shù)的氣體檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)可有效進(jìn)行CO2氣體檢測(cè)。

氣體檢測(cè)； 高靈敏度； 高分辨率； 光聲光譜

0 引 言

氣體探測(cè)技術(shù)在人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)方面都發(fā)揮著極為重要的作用[1]。大氣中某些微量氣體過(guò)量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)、酸雨、毒霧、臭氧層空洞等現(xiàn)象[2]，嚴(yán)重影響人類(lèi)賴以生存的環(huán)境。近年來(lái)，隨著人們環(huán)境健康意識(shí)的提高和環(huán)境變化的復(fù)雜性，傳統(tǒng)上使用的氣體探測(cè)系統(tǒng)已不能滿足要求，有待開(kāi)發(fā)性能更高的新型氣體探測(cè)系統(tǒng)。按照工作原理的不同，氣體檢測(cè)方法可分為非光學(xué)分析法與光學(xué)分析法[3]。本文設(shè)計(jì)了一種基于紅外光聲光譜(PAS)的氣體檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可有效進(jìn)行CO2氣體的檢測(cè)。

1 PAS法檢測(cè)氣體的原理

PAS技術(shù)是一種理想的無(wú)背景噪聲信號(hào)技術(shù)[4]，具有較高靈敏度和良好選擇性。與傳統(tǒng)光譜分析方法不同，PAS技術(shù)是監(jiān)測(cè)物體吸收光能后產(chǎn)生的熱能中以聲壓形式表現(xiàn)出來(lái)的那部分能量，即使在高反射弱吸收的情況下，吸收能也可被微音器檢測(cè)。與其它氣體檢測(cè)方法相比較，PAS技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：長(zhǎng)期穩(wěn)定性好,靈敏度高；不消耗氣樣，如載氣、標(biāo)氣；檢測(cè)時(shí)間短，便于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，適于多種氣體成分的檢測(cè)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

大部分氣體分子的特征譜線處于中紅外波段(3～20 μm)[5]。目前，在使用寬譜帶黑體輻射源和普通紅外吸收技術(shù)的紅外氣體檢測(cè)中，傅里葉變換紅外光譜儀被認(rèn)為是最好的儀器。但現(xiàn)代的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)氣體分析儀器已發(fā)展到接近于理論性能的極限，很難再有顯著提高。而PAS技術(shù)則在進(jìn)一步提高靈敏度等性能方面表現(xiàn)出了良好的潛力。

2 紅外PAS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

紅外PAS系統(tǒng)主要包括光聲系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。光聲系統(tǒng)主要由紅外光源及其頻率調(diào)制電路、濾光片、光聲池、微音器組成，光聲系統(tǒng)主要作用在于產(chǎn)生氣體的光聲信號(hào)。檢測(cè)系統(tǒng)由控制電路和信號(hào)處理電路構(gòu)成,信號(hào)處理電路包括前置放大和選頻放大。整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)氣體步驟為：光源發(fā)出的紅外光經(jīng)過(guò)頻率調(diào)制電路發(fā)出固定頻率的光，然后通過(guò)濾光片選取所需波長(zhǎng)的光，入射到光聲池中，光聲池中的微音器將光聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，但是該電壓信號(hào)非常微弱，需要先經(jīng)過(guò)前置放大電路將電壓信號(hào)放大60倍，再通過(guò)選頻放大電路將頻率放大為180 Hz的信號(hào)，用戶可以通過(guò)人機(jī)界面選擇合適的信號(hào)放大倍數(shù)，放大后的交流信號(hào)經(jīng)過(guò)交流有效值轉(zhuǎn)直流電路，然后由控制電路的AD采集得到數(shù)字量，經(jīng)過(guò)計(jì)算將體積分?jǐn)?shù)值顯示在液晶屏上，同時(shí)可以將體積分?jǐn)?shù)值通過(guò)RS—485通信電路和4～20 mA電流信號(hào)兩種方式傳輸出去。

圖1 光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)Fig 1 Detecting system of gas based on PAS

2.1 光源調(diào)制系統(tǒng)

激發(fā)光源是PAS儀器的關(guān)鍵部件之一。光譜輸出的譜線波長(zhǎng)范圍、譜線強(qiáng)度和寬度決定了儀器的基本性能和應(yīng)用范圍。理想的光源應(yīng)該從UV到IR區(qū)域波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)諧，且輸出功率高、帶寬窄。實(shí)際上，這種要求很難滿足，多數(shù)氣體分子振動(dòng)吸收帶均位于近、中紅外區(qū)，因而,該波段又被稱為氣體分子的“指紋區(qū)”。激發(fā)光處于該波段的光源可分為窄帶紅外激光相干光源和基于紅外熱輻射的寬譜帶非相干光源兩類(lèi)[6]。

紅外熱輻射光源恰巧彌補(bǔ)了激光光源的不足。該光源具有接近黑體輻射的連續(xù)光譜分布，發(fā)射光譜范圍寬，將其與窄帶濾光片結(jié)合使用，可實(shí)現(xiàn)多種氣體的檢測(cè)。因而，本文選擇紅外熱輻射光源作為系統(tǒng)光源。

2.1.1 紅外光源

由于紅外光源的頻率會(huì)影響光聲信號(hào)的幅度，所以，光源的頻率調(diào)制很重要，需要很穩(wěn)定。本文選擇的是一個(gè)紅外光源調(diào)制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由紅外光源和頻率調(diào)制電路組成，其實(shí)物如圖2所示。

圖2 紅外光源調(diào)制系統(tǒng)Fig 2 Modulation system of IR light source

紅外光源調(diào)制系統(tǒng)中的紅外光源是CalSensors公司的SPF系列紅外高頻可調(diào)發(fā)射器。CAL光源TMSPF系列IR發(fā)射器是作為黑體輻射的快速脈沖源設(shè)計(jì)的。該光源在實(shí)現(xiàn)高調(diào)制深度和光輸出上做過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)。發(fā)射器的輻射單元是一種特殊的金屬薄片構(gòu)成的超薄CAL傳感器，可以從加熱的金屬薄片的兩面沿著光軸直接有效地輻射出去。金屬薄片材料的輻射率為88 %，而且可以準(zhǔn)確地模擬黑體輻射源的光譜分布。SPF系列發(fā)射器的材料最大額定溫度為1 000 K,其封裝形式為T(mén)O—5，發(fā)射器唯一的窗口是藍(lán)寶石。SPF系列發(fā)射器帶有一個(gè)整體反射，且采用標(biāo)準(zhǔn)拋物面反射鏡實(shí)現(xiàn)紅外光的準(zhǔn)直和均勻的輻射輸出。

2.1.2 頻率調(diào)制電路

紅外光源調(diào)制系統(tǒng)選用CalSensors公司的高性能產(chǎn)品PIREPLUS。PIREPLUS是帶頻率調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路的，其主要特點(diǎn)：(快速脈沖頻率，在實(shí)現(xiàn)50 %的調(diào)制深度時(shí)，頻率可高達(dá)180 Hz；脈沖頻率可以通過(guò)控制電路中頻率控制電壓(0～5 V)調(diào)節(jié)；燈絲每英寸輻照度高達(dá)0.04 W/cm2；集成體積小的封裝形式；支持自定義的脈沖調(diào)制；輸出輻射率帶寬為88 %；整個(gè)系統(tǒng)成本較低。PIREPLUS輸出脈沖頻率在1～200 Hz范圍內(nèi)可調(diào)，整個(gè)系統(tǒng)在最大限度地減少了體積的同時(shí)增強(qiáng)了信噪比。發(fā)射器和控制電路相配合，為所需的工作頻率匹配相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)波形，優(yōu)化了性能。

2.2 濾光片

氣體的特征頻譜分布范圍較廣，需要用窄帶濾光片截取出氣體各組分的特征譜線。氣體特征頻譜的選取原則是:盡量避開(kāi)氣體間的交叉干擾，即波長(zhǎng)為某一氣體特征頻譜的光只能夠激發(fā)該氣體，且不能同時(shí)激發(fā)其他氣體；各種氣體在其特征頻譜處有較強(qiáng)的光譜吸收；受外界因素(如雜質(zhì)氣體)的影響小。為了避免檢測(cè)CO2氣體過(guò)程中其他氣體的干擾，依據(jù)此原則，本文選取的CO2濾光片檢測(cè)波段為4 260 nm。濾光片的相關(guān)參數(shù)：中心波長(zhǎng)為(4260±42)nm；最大峰值透過(guò)率Tpeak≥80 %；最大透射率Tmax<1 %。

2.3 微音器

微音器中，有些靈敏度高達(dá)100 mV/μbar。但是，高靈敏度往往要以降低帶寬和采用大的體積為代價(jià)。國(guó)外常用的商品微音器有Knowles Electronics(樓氏電子)BT—1759型、BL—1785(微型，0.3 mV/μbar)、General Radio GR 1961型。國(guó)內(nèi)亦有微音器生產(chǎn)，如CRZ2—79(0.2～2 mV/μbar)和CRZ2—9型等。本文選擇的微音器是樓氏的駐極體電容微音器(electret condenser microphone)EK—23024—000， EK—23024—000使用了可保有永久電荷的駐極體物質(zhì)，因而不需再對(duì)電容器供電。但一般駐極體微音器元件內(nèi)建有電子電路以放大信號(hào)[7]，因此仍需以低電壓供電(常規(guī)電壓是1.0～10 V)。EK—23024—000的額定電壓為1.3 V，輸出頻率范圍為100～5.5 kHz，輸出阻抗范圍為2 800～6 800 Ω，典型值為4.4 kΩ，為高阻抗，在1 000 Hz時(shí)靈敏度范圍為(-53±2)dB，輸出為模擬信號(hào)。

2.4 光聲池的設(shè)計(jì)

光聲池是配有微音器和窗口的密閉池體[8]，光聲池的設(shè)計(jì)是決定光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)探測(cè)靈敏度的關(guān)鍵因素之一。設(shè)計(jì)光聲池的原則是：采取良好的聲屏蔽，減少外界環(huán)境噪聲；盡可能增強(qiáng)樣品的輻照光強(qiáng)或增強(qiáng)池內(nèi)的聲共振，提高信噪比。保持光聲池內(nèi)表面光潔，以減小氣體的吸附和粘滯效應(yīng)。

光聲池的結(jié)構(gòu)多種多樣,按樣品狀態(tài)可分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是用于氣體樣品的氣體光聲池;另一類(lèi)是用于凝聚態(tài)樣品的液體光聲池和固體光聲池。此外，按聲波在池內(nèi)是否產(chǎn)生共振，可分為共振光聲池和非共振光聲池。光聲池池體常用玻璃、黃銅、不銹鋼、鋁等材料加工而成。

本文設(shè)計(jì)的光聲池如圖3所示，在已知光源和微音器的尺寸的情況下，設(shè)計(jì)光聲池，光聲池的材料為鋁,考慮的因素有：1)氣體的進(jìn)氣出氣，本次設(shè)計(jì)通過(guò)電磁閥模塊用于光聲池中氣路的通斷，以保持光聲池中的氣壓和大氣壓相同；2)光聲池上開(kāi)了圓槽，以便插上紅外光源，使得光源能直射入光聲池內(nèi);3)將微音器固定在池底，且由外部供電1.3V以正常工作，而且光聲信號(hào)產(chǎn)生后通過(guò)差分信號(hào)輸出，也通過(guò)屏蔽線將信號(hào)引出；4)整個(gè)光聲池的固定，除用螺絲固定外，還用了強(qiáng)力膠密封，避免外部噪聲的影響[9]。

圖3 光聲池Fig 3 Photoacoustic cell

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

使用標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)的氣體對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線儲(chǔ)存于儀器之中，測(cè)定時(shí)，儀器將待測(cè)CO2氣體體積分?jǐn)?shù)產(chǎn)生的電信號(hào)同標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)的電信號(hào)進(jìn)行比較，計(jì)算得到準(zhǔn)確的氣體體積分?jǐn)?shù)值。實(shí)驗(yàn)前提是光聲池的氣路工作在調(diào)試正常的情況下。系統(tǒng)工作時(shí)，光源調(diào)制電壓為9.8 V，調(diào)制頻率為180 Hz，光聲池中氣體壓力p=101.325 kPa。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：1)將各器件連接好，并準(zhǔn)備好標(biāo)準(zhǔn)氣體；2)將光聲池的進(jìn)氣和出氣口打開(kāi)，將樣品標(biāo)準(zhǔn)氣流入，對(duì)光聲池進(jìn)行吹洗，使氣路保持平衡，保持光聲池內(nèi)氣壓與大氣壓相同，為101.325 kPa，關(guān)閉出氣口和進(jìn)氣口；3)打開(kāi)電源，通過(guò)調(diào)制脈沖控制光源發(fā)光頻率為180 Hz；4)選擇中心波長(zhǎng)為4 260 nm的濾光片安裝于濾光片卡盤(pán)上，此即為CO2的紅外吸收譜峰，將裝有濾光片的圓孔與透鏡中心對(duì)齊；5)通過(guò)人機(jī)界面選擇合適的放大倍數(shù)，測(cè)量光聲信號(hào)的電壓值并記錄，測(cè)20 s，取平均值顯示并輸出；6)使用不同體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)氣體，再次重復(fù)以上步驟。其輸入—輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果和測(cè)量誤差如表1、表2。

表1 氣體體積分?jǐn)?shù)和輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab 1 Corresponding relationship between gas volume fraction and output voltage

表2 氣體實(shí)際體積分?jǐn)?shù)與檢測(cè)所得的誤差Tab 2 Error of actual and measured gas volume fracion

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：低體積分?jǐn)?shù)范圍測(cè)量誤差較大，相對(duì)較高的體積分?jǐn)?shù)范圍(200×10-6～400×10-6)誤差較小，這符合測(cè)試規(guī)律。

4 結(jié) 論

本文提出了PAS氣體檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，完成了PAS氣體傳感系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)，并具體闡述了該設(shè)計(jì)的具體思路。實(shí)驗(yàn)分析表明了其在氣體檢測(cè)中的可行性，在當(dāng)今大氣污染日益嚴(yán)重的大背景下具有一定的實(shí)際意義和發(fā)展應(yīng)用前景。

[1] 王建業(yè),紀(jì)新明,吳飛蝶,等.光聲光譜法探測(cè)微量氣體[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006,19(4):1206-1211.

[2] 巫曉麗,范東棟,王 平.空間大氣成分探測(cè)傅立葉變換紅外光譜儀[J].航天返回與遙感,2007,28(2):15-20.

[3] 鄭龍江,李 鵬,秦瑞峰,等.氣體濃度檢測(cè)光學(xué)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2009(8):24-32.

[4] Miklásá Andrds,Hess Peter.Application of aocustic resonators in photoaocustic trace gas analysis and metrology[J].Review of Scientific Instruments,2004,72(4):1937-1955.

[5] Michaelian K H.Photoacoustic infrared spectroscopy[J].Chemical Analysis Series,2003,159:288-290.

[6] 張 望,于清旭.基于紅外熱輻射光源的光聲氣體分析儀[J].光譜學(xué)與光譜分析,2007,27(3):614-618.

[7] Kuusela T.Photoacoustic gas detection using a cantilever microphone and III-V mid-IR LEDs[J].Vibrational Spectroscopy,2009,68:144-149.

[8] Jean-Philippe Besson.Sub-ppm multi-gas photoacoustic sensor[J].Spectrochimica Acta Part A,2006,63:899-904.

[9] Shin-Ichi Ohira,Kei Toda.Micro gas analyzers for environmental and medical applications[J].Analytica Chimica Acta,2008,619:143-156.

Design of gas detecting system based on infrared photoacoustic spectrum

QIAN Xu1, CHENG Ming-xiao1, WANG Xue-hua1, ZHAO Tian-qi2

(1.School of Automation & Electrical Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,China; 2.Nanjing Zhuohui Detection Technology Co Ltd,Nanjing 210009,China)

In recent years, with development of modern industry,increasing complexity of environmental change,and people’s awareness of environmental health is improving. In this case,conventional gas detecting system can not meet requirements,pending the development of a high sensitivity,high resolution new type realtime gas detecting system.From gas molecules IR spectrum theory，and on the basis of comparison of current variety of gas detection method,study on a gas detecting system based on photoacoustic spectrum(PAS) technology.Experiment verifies that this system can effectively carry out CO2gas detection.

gas detection； high sensitivity； high resolution； photoacoustic spectrum(PAS)

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0098—03

2014—05—04

TP 23

A

1000—9787(2014)12—0098—03

錢(qián) 旭(1990-)，男，江蘇儀征人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榉治鰞x器設(shè)計(jì)。