微型雙氣體紅外傳感器的設計與實現*

張 昊， 崔永俊， 劉 瑋

(1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.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)

0 引 言

礦井瓦斯就是在煤礦生產過程中從煤層、巖層、采空區中涌出產生的各種有害氣體的總稱，主要成分為CH4和CO2[1]。瓦斯無色、無味、無臭，比空氣輕，當其在空氣中含量高時可降低含氧量，引起窒息[2]；它具有爆炸性和燃燒性。隨著煤炭工業的發展，礦井瓦斯的實時、準確檢測問題日益成為迫切需要解決的首要問題[3,4]。

針對目前大部分礦用瓦斯檢測儀體積較大、只能檢測單一氣體的缺點，為實現對井下有害氣體的有效監測和控制，本文設計了可以同時檢測CH4和CO2的雙氣紅外光學傳感器，解決了礦井中非單一氣體體積分數檢測的需要。

1 雙氣體(CO2，CH4)紅外傳感器設計原理

由朗伯—比爾吸收定律，可以知道每種氣體分子都有自己的吸收譜特征，一束單色平行光照射一吸收介質，在通過一定厚度的介質后，由于介質吸收了一部分光能，透射光的強度就要減弱，吸收介質的濃度愈大，介質的厚度愈大，則光的減弱就越明顯[5]。

假設單色光為頻率一定、強度為I0(λ)的紅外光，當它通過待測氣體時,其吸收關系服從朗伯—比爾吸收定律，出射光能量減弱為I(λ)，即

I(λ)=I0(λ)·exp(-K(λ)CL),

(1)

式中K為被測氣體的吸收截面系數，cm2·g-1，即每克吸收的氣體面積，是波長λ的函數;C為被測氣體的體積分數;L為紅外光通過被測氣體的厚度，即光程。

研究發現：大部分非對稱雙原子和多原子分子在紅外區都有自己的特征波長，最強紅外光的波長稱作其特征波長。CH4氣體對波長3.31 μm處的紅外光有很強的吸收作用，CO2氣體對波長4.26 μm處的紅外光有很強的吸收作用，而它們對3.95 μm處的紅外光吸收不大。由朗伯—比爾吸收定律可知，一束紅外光通過待測的含有CO2，CH4的氣體時，CO2，CH4分別只對紅外光中波長為4.26，3.31 μm的光能有吸收作用。通過引入參考探測波長來消除其光強與外界環境因素的影響，設計實現雙氣體體積分數的檢測。雙氣體(CO2，CH4)傳感器設計等效原理圖如圖1所示。

圖1 雙氣體(CO2,CH4)傳感器設計等效原理圖

圖1是CO2與CH4氣體測試的連接結構原理圖。它由3個單元探測器組成，各自的濾波片選擇不同，濾波片要求具有極窄的光譜通過性能，本次設計中，CH4氣體檢測響應波長區域所選擇的光學濾波片參數為3.31 μm±60 nm,CO2氣體檢測響應波長區域所選擇的光學濾波片參數為4.26 μm±60 nm而選擇用作氣體檢測的參考通道的光學濾波片的參數為3.95 μm±90 nm。

2 氣室設計

2.1 氣室布局設計

本文設計的是反射式氣室。該氣室由紅外光源罩、紅外光源、氣室中腔、3個單通道探測器組成。探測器和紅外光源在氣室中的分布如圖2所示。3個探測器在固定半徑的圓上間隔120°分布，1#探測器檢測CH4氣體，2#探測器檢測CO2氣體，3#探測器為參考探測器，紅外光源位于圓心處。本次設計利用了三通道補償測試法，3#探測器起補償作用，1#，2# 探測器起檢測作用。

該氣室將光源發射、紅外光傳播、紅外光吸收、光電信號轉換及信號處理等工作區域全部集成在一起，大大縮小了傳感器的體積，使得傳感器變得微型化、小型化。

圖2 探測器和紅外光源位置分布圖

2.2 氣室光路設計

為了使傳感器微型化、紅外輻射能多次穿過被測氣體，本次設計中紅外傳感器的光學氣室光路設計成了反射式。為匯聚光線，將氣室內壁加工成拋物線，探測器分布于拋物線焦點處。反射式氣室在保證氣體作用長度的同時，大大減小了體積，克服了直線式氣室體積大的缺點。圖3為氣體傳感器氣室設計結構圖;圖4為 微型氣室結構示意圖。

圖3 傳感器氣室結構設計圖

圖4 微型氣室結構示意圖

氣室內壁鍍金，以增強其聚光性能。利用微集成技術，3只紅外探測器和1個光源被集成到一個微型的光學氣室中，這使得整個系統結構更微型化。

2.3 紅外光源選擇和探測器的選擇

2.3.1 紅外光源選擇

紅外光源主要有三類：紅外發光二極管、紅外激光器、熱輻射紅外光源[6]。作為紅外傳感器的重要部件，紅外光源的性能很大程度上決定了紅外傳感器的性能。因為CH4的特征吸收峰在中紅外區的3.39 μm處，CO2的特征吸收峰在中紅外區的4.26 μm處，故選擇的紅外光源在該處必須要有充足的紅外輻射能量。本文選擇的是傳統熱輻射光源IRL—715光源(低頻電調制)，最大直徑3.17 m，它是一種白熾紅外光源，指定應用于NDIR紅外吸收氣體探測器。IRL—715的輻射波長從可見光到5 μm。

2.3.2 探測器的選擇

按探測過程的物理機理，紅外探測器可分為兩類：熱釋電探測器和光電探測器[7]，本次選擇的是熱釋電探測器。熱釋電紅外探測器本質上來說是一種能將熱能轉換為電能的器件，其對強度不變的熱能激勵不會產生響應，只會對交變的紅外熱輻射有響應[8]。本次設計選用了TO—18封裝的單通道熱釋電探測器，對探測器分別配以特征波長為：3.39 μm(CH4)，4.26 μm(CO2)，3.95 μm(參考通道)的紅外濾光片。分別用作CH4檢測、CO2檢測、參考通道。

2.4 氣室設計的其他問題

紅外氣室的結構品質很大程度上決定了紅外傳感器的優劣。氣室設計中還應考慮以下問題；

1)光學氣室內壁鍍膜材料的選擇：氣室內壁一般是圓柱形，為了使紅外輻射能量盡可能多地被反射到探測器上，光學氣室的內壁要光滑，反射度要高。因為金的化學性質穩定，不易與待測氣體發生反應，本次設計中，選擇了金對光學氣室內壁進行了鍍膜處理。

2)防護設計：為了使傳感器能夠正常應用于礦井下的惡劣環境，需要氣室進行防護處理，在光學氣室的進氣處加裝防護罩。氣室為密封的結構，只留些供氣體交換的小孔，以保證靈敏度。

2.5 氣室長度的確定

選擇氣室長度的原則是在刻度線性范圍內選擇最長的氣室長度，這個原則由公式(1)得到。當KCL乘積較大時，儀表的刻度是非線性的，為了提高線性度，應使KCL?1，即在此前提下把氣室長度L盡量取的大一些，以保證有足夠的信噪比(靈敏度)?？紤]到紅外光在氣室內輻射的衰減、測量氣體信息的準確性和傳感器的便攜性，氣室不能太長，最終采用反射式結構，設計了直徑為20 mm，長度為19 mm的氣室，傳感器實物圖如圖5所示。

圖5 傳感器氣室實物照片

3 傳感器的標定與測試

3.1 傳感器的標定

標定實驗選用型號為RCS2000—A的計算機自動配氣系統，對傳感器進行標定實驗并檢測傳感器的性能。在傳感器標定過程中,采用99.9 %的高純N2作為CO2,CH4氣體的載體，來稀釋CO2,CH4氣體，分別對CO2和CH4氣體進行標定。標定步驟：首先向反射氣室中通入不同體積分數的CO2氣體，用來建立CO2氣體體積分數查詢表；然后向反射氣室中通入不同體積分數的CH4氣體，用來建立CH4氣體體積分數查詢表。分別建立CO2和CH4氣體體積分數查詢表，能夠提高傳感器的測量精度。

3.2 傳感器的測試

由于礦井下的瓦斯的體積分數不允許超過0.5 %，所以，本次測試選定瓦斯體積分數為0 %～1 %，對不同體積分數的CH4進行測試，圖7為0 %～1 % CH4體積分數范圍內的測試結果。由圖6可見，最大測量誤差僅為±0.05 %。

圖6 CH4標準值與實測值擬合曲線

本次測試選定CO2體積分數為0 %～3 %，圖7為CO2體積分數范圍為0 %～3 %內的測試結果。由圖7可見，最大測量誤差僅為±0.05 %。

圖7 CO2標準值與實測值擬合曲線

多次實驗表明:本設計方法測得的CH4體積分數和CO2體積分數的誤差可以控制在±0.05 %的范圍內，通過測試系統的初始校準、氣體體積分數算法補償，本設計取得了良好的測量精度。

4 結 論

本次設計利用紅外吸收原理實現了微型氣室檢測雙氣體：CO2和CH4。由于氣室設計中采用了反射式光路設計，大大縮小了紅外傳感器的氣室體積。探測器和光源在傳感器氣室中的合理布局，使得紅外傳感的測試誤差控制在±0.05 %左右。本設計實現了傳感器的小型化和微型化，可以應用于需要非單一氣體體積分數檢測的地方。

參考文獻:

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[6] 任曉力.便攜式紅外甲烷報警儀的設計[D].太原：中北大學,2010.

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[8] 殷亞飛,梁 庭,牛坤旺等.便攜式光離子化有害氣體檢測儀的設計[J].自動化儀表,2011(4):74-76.