基于差分吸收檢測技術的非色散紅外SF6傳感器*

常建華，徐 曦，薛 宇，裴 昱，卞曉陽

（1.南京信息工程大學江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，南京210044；2.南京信息工程大學江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心，南京210044）

基于差分吸收檢測技術的非色散紅外SF6傳感器*

常建華1，2*，徐 曦1，薛 宇1，裴 昱1，卞曉陽1

（1.南京信息工程大學江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，南京210044；2.南京信息工程大學江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心，南京210044）

基于非色散紅外吸收原理，以電調制紅外光源、采樣氣室和雙元紅外探測器組成的紅外傳感模塊為核心，利用差分吸收檢測技術設計了一種小型化高性能的SF6氣體傳感器。利用標準氣體進行濃度標定，擬合了SF6氣體濃度與電壓關系曲線，實現了對SF6氣體濃度的準確檢測。根據傳感器檢測誤差隨環境溫度變化的規律，系統研究了溫度補償方法，有效提高了傳感器在不同溫度下的檢測精度。實驗結果表明，該傳感器系統在環境溫度10℃～40℃、氣體濃度0～2 500×10-6范圍內的檢測精度小于±50×10-6，分辨率為1×10-6，系統響應時間小于5 s，具有良好的重復性和穩定性。

傳感器；差分吸收；溫度補償；SF6氣體

六氟化硫（SF6）氣體具有較好的滅弧性能和絕緣性能，在電力系統中得到廣泛的應用，成為互感器、高壓開關等設備的主要絕緣介質。由于電力設備的質量差異及設備老化等因素，經常會發生SF6氣體泄漏的現象，SF6氣體發生泄漏，遇到高溫電弧發生分解反應生成具有腐蝕性的化合物。SF6氣體及其分解產物不僅腐蝕設備材料，影響電力設備安全運行，而且嚴重危害工作人員的身體健康。所以在電力系統中對泄漏的SF6氣體檢測至關重要［1］。

非色散紅外SF6傳感器是利用氣體分子對紅外光選擇性吸收的性質，實現了SF6氣體濃度的定量檢測，在檢測SF6氣體的諸多傳感器中，因其具有選擇性好、功耗低、壽命長、穩定性高等優勢，成為電力系統中檢測SF6氣體的理想傳感器［2］。然而，非色散紅外SF6傳感器在長期使用時易受到光源老化、光路干擾和探測器噪聲等因素的影響，導致系統不穩定以及檢測準確度降低［3］。而且環境溫度的變化也是影響傳感器系統檢測精度的一個重要因素。在不同環境溫度下，熱釋電探測器的電極間會產生溫度感應電流，導致輸出的結果不準確；信號調理模塊等電路系統在一定程度上也受到溫度變化的影響，產生溫度漂移，造成檢測偏差［4］；此外，環境溫度對鍍膜氣室的信噪比和SF6氣體在特征吸收峰處的吸收系數也有較大的影響。為了克服目前SF6氣體傳感器存在的不足，本文基于非色散紅外吸收原理，設計了一種小型化高性能SF6氣體傳感器系統。該系統采用單光束雙波長的差分吸收檢測技術，消除了光源和光路的干擾因素。在軟件程序設計中使用公式法進行溫度補償，大大提高了傳感器在不同環境溫度下的檢測精度。通過采用新型電調制紅外光源和集成濾光片的紅外探測器，以及超低功耗的單片機系統，有效地提高了傳感器的緊湊性、穩定性和使用壽命等性能，實現了對SF6氣體的連續檢測分析。

1 差分吸收檢測技術

傳感器長期使用時，由于光源老化、光路不穩定、探測器噪聲以及其它氣體等干擾因素造成的氣室環境波動都會對檢測靈敏度和裝置可靠性產生影響。為克服這些干擾因素的影響，本設計在運用非色散紅外原理的基礎上，采用單光束雙波長的差分吸收檢測技術實現對SF6氣體的精確檢測。

根據量子力學理論，氣體分子具有吸收光子能量引起自身能級躍遷的性質。由于不同的氣體分子具有不同的能級結構，而紅外光光子具有的能量與紅外光的頻率成正比，使得不同氣體分子對紅外光的吸收具有頻率選擇性。SF6氣體的紅外吸收光譜圖如圖1所示，SF6氣體在紅外區對波數948 cm-1（波長10.55 μm）為中心的波段有強烈的吸收作用，此吸收波段的紅外光衰減最為劇烈。

圖1 SF6氣體吸收光譜圖

紅外光與SF6氣體相互作用，處于中心波長為10.55 μm波段的紅外光被SF6氣體吸收，假定在整個物理過程中不考慮散射的情況下，其吸收強度遵循朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律。朗伯-比爾定律公式表示如下：

式中，I0表示入射光強度，I表示出射光強度，C表示氣體的濃度；L表示紅外光通過氣體的有效光程；K表示氣體的吸收系數［5］。

單光束雙波長差分吸收檢測技術是基于朗伯-比爾定律，并借助體積小且集成在探測器上的兩個不同的窄帶濾光片實現的，兩個濾光片分別為中心波長10.55 μm的測量濾光片和中心波長3.95 μm的參比濾光片。紅外光經SF6氣體吸收后透過兩個濾光片，獲得波長為10.55 μm和3.95 μm的兩路光信號，其中波長10.55 μm的紅外光光強減弱，其攜帶著SF6濃度信息，作為測量信號；波長3.95 μm的紅外光不會被任何氣體吸收，將其作為參比信號。紅外探測器輸出的兩路電信號分別表示為：

式中，Vgas、Vref分別為探測器測量通道和參比通道的輸出電壓值；Igas(T,t)、Iref(T,t)分別為測量波長和參比波長的入射光強度，它是溫度和時間的函數；Kgas、Kref分別為兩波長光信號經濾光片和探測器的傳輸系數。兩路傳輸系數雖然不可能完全相同，但在相同的使用環境下，其比值是恒定的；兩個波長的入射光由同一光源發出，雖然光源輸出功率隨溫度和時間變化，但兩波長的光強比值是不變的。由此可知：

式中，A為常數。

根據式（2）～式（4）可得到氣體濃度與探測器兩路輸出電壓的關系式如下：

由式（5）可知，單光束雙波長差分吸收檢測技術能夠消除光源和光路的不穩定等干擾因素的影響，提高傳感器的檢測精度。

2 系統設計

傳感器系統結構圖如圖2所示。傳感器主要由光路系統和電路系統組成。其工作過程如下：電調制紅外光源發出穩定的紅外光，待測氣體由采樣氣泵通過進氣口被泵入采樣氣室，待測氣體中的SF6氣體分子吸收特定波長的紅外光，透過采樣氣室由紅外探測器檢測，輸出測量電信號和參比電信號，兩路電信號經信號調理模塊和A/D轉換電路轉換成數字信號送入微控制器，微控制器處理數據并計算出SF6氣體濃度值及顯示。同時光源驅動模塊接收調制信號，以脈沖電壓調制紅外光源。

圖2 傳感器系統結構圖

SF6氣體傳感器光路結構示意圖如圖3所示。采樣氣室內部中空，長度為7 cm，采用圓柱形結構，為盡可能減少光強的損失，氣室內壁鍍有反射膜［6］。光源采用發出2 μm～16 μm寬譜紅外光的新型電調制紅外光源EMIRS200，其具有發射效率高、使用壽命長、響應時間短等特點。光源帶有反射杯，能夠聚集大部分紅外光反射進入氣室。為抑制背景噪聲，采用1 Hz方波脈沖對紅外光源進行低頻調制。探測器采用具有測量通道和參比通道的雙元熱釋電紅外探測器，測量濾光片和參比濾光片各自封裝在兩個通道前端，測量濾光片中心波長為10.6 μm±60 nm、半帶寬為240 nm±50 nm，參比濾光片中心波長為3.95 μm±40 nm、半帶寬為90 nm±20 nm［7］。

圖3 光路結構示意圖

傳感器電路系統主要實現光源驅動、信號處理和濃度計算等功能［8］。微控制器是電路系統的核心，其采用的是超低功耗的MSP430單片機。利用單片機的I/O口輸出高低電平控制光源驅動電路，產生1 Hz頻率的方波脈沖對光源進行調制。信號調理模塊集成了放大電路、整流電路和積分濾波電路，其作用是將探測器輸出的微弱信號調理成單片機能夠接收的電壓范圍并提高信噪比，其中放大電路是采用低噪聲運放LTC1150組成的兩級放大。A/D轉換使用單片機內部自帶的ADC12模塊，分辨率為12位，單片機控制其將調理后的模擬信號轉換為數字信號，完成SF6氣體濃度信息采集。單片機接收采集后的數字信號，進行數據處理并根據設定的算法計算氣體濃度值。溫度傳感器探測環境溫度，將溫度電壓信號經A/D轉換后送入單片機，在軟件程序中通過補償公式進行溫度補償［9-10］。

3 實驗結果與討論

3.1 系統標定實驗

在理論上SF6氣體吸收關系遵循朗伯-比爾定律，但是在實際應用時，由于氣體的吸收系數K取決于氣體的特性，其隨著壓強、溫度和氣體濃度的不同而變化，直接利用式（5）計算SF6氣體濃度是很困難的。因此本系統采用標準氣體標定的方法，擬合出SF6氣體濃度與兩路輸出電壓比值的關系曲線［11］。

標定實驗在標準大氣壓強環境下進行，將傳感器置于恒溫箱中，設置溫度為25℃，分別通入10組不同濃度的SF6標準氣體，等待輸出穩定后記錄每組輸出的測量電壓和參比電壓并計算比值。以測量的數據作為系統標定的樣本數據，綜合考慮單片機的處理能力和檢測精度等因素，通過多種擬合模型的對比，最終采用三項式擬合模型C=aR3+bR2+cR+d，其中C為SF6氣體濃度，R為測量電壓與參比電壓的比值，a、b、c和d為擬合系數。在Matlab環境中將樣本數據采用遺傳算法擬合得到4個擬合系數的值a=-47 920、b= 166 400、c=-171 800、d=55 460，建立SF6氣體濃度與輸出電壓比值的關系曲線，得到擬合曲線圖如圖4所示。

圖4 擬合曲線圖

圖4中黑色離散數據點為標定實驗測量的10組樣本數據點，觀察可知，SF6氣體濃度與兩通道電壓比值呈負相關性。該擬合曲線擬合度為0.9 986，接近于1，所以采用該擬合模型，系統的測量誤差比較小，該擬合模型適合于傳感器系統。

3.2 溫度補償實驗

在進行SF6氣體檢測時，環境溫度的變化是影響傳感器系統檢測精度的一個重要因素。為了使傳感器系統在不同環境溫度下都能達到預期的檢測精度，本設計對傳感器進行溫度補償實驗。

實驗在標準大氣壓強環境下進行，將傳感器置于恒溫箱中，以氮氣作為背景氣體，分別取0、500× 10-6、1 000×10-6、1 500×10-6、2 000×10-6、2 500×10-6的6種不同濃度的SF6混合氣體通入傳感器采樣氣室。每種濃度的SF6氣體通入時，依次設置溫度為10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃和40℃，在每個溫度測量點上測量時，先等待系統穩定后再記錄數據。實驗測量結果如圖5所示。

圖5 未進行溫度補償的濃度測量值

由圖5觀察可知，環境溫度對傳感器的檢測精度有較大的影響。由于傳感器系統是在25℃恒溫環境下標定的，所以在未進行溫度補償時，傳感器系統在25℃環境溫度下的檢測精度最高。而隨著溫度逐漸地偏離25℃，傳感器檢測誤差逐漸增大。為抑制溫度漂移以及提高傳感器在不同溫度下的檢測精度，本設計采用公式法對傳感器進行溫度補償。采用的公式擬合模型為：

式中，C為溫度補償后的SF6氣體濃度測量值；C0為未經溫度補償的SF6氣體濃度測量值；a和b為補償公式的待定系數；ΔT為實際檢測溫度與標定溫度的差值。由于0、500×10-6和1 000×10-6三種低濃度SF6標準氣體的實際濃度測量值，隨著溫度變化的走勢大致相近，1 500×10-6、2 000×10-6和2 500×10-6三種高濃度SF6標準氣體的實際濃度測量值，隨著溫度變化的走勢也大致相近，所以為了使得溫度補償達到更好的效果，采用分段的形式對檢測濃度值進行溫度補償。以半量程1 250×10-6為分界點，選取500×10-6濃度點作為低濃度段溫度補償的基準，選取2 000×10-6濃度點作為高濃度段溫度補償的基準。根據所測量的溫度補償前濃度值和溫度差等數據，經回歸分析和數據擬合，最終求得溫度補償后的SF6濃度計算公式。

當C0≤1 250×10-6時，檢測SF6氣體濃度的溫度補償公式為：

當C0＞1 250×10-6時，檢測SF6氣體濃度的溫度補償公式為：

將溫度補償公式寫入單片機數據處理系統，實現對SF6氣體濃度測量值的溫度補償。重復溫度補償前的實驗過程，得到溫度補償后的傳感器檢測結果如圖6所示。由檢測結果可知，溫度補償后的測量值基本不受溫度影響，補償公式的引入有效地抑制了溫度漂移，消除了環境溫度對傳感器系統的影響，提高了傳感器系統在不同環境溫度下的檢測精度［12-13］。

圖6 經溫度補償后的濃度測量值

3.3 重復性實驗

實驗在標準大氣壓強、室溫環境下進行。首先使用純氮氣通入傳感器氣室，吹洗干凈殘留的SF6氣體，排除干擾因素。然后將濃度為1 200×10-6的SF6標準氣體通入氣室，等待系統穩定一段時間后，記錄SF6氣體的濃度測量值。在同一實驗環境下，重復上述實驗過程8次，記錄每次所測的數據如表1所示。

表1 重復性實驗數據

根據8次重復測量的數據計算得到測量數據相對標準差為1.047%，表明傳感器系統具有較好的重復性，重復性指標滿足設計要求。

3.4 穩定性實驗

系統的穩定性也是傳感器長期使用的一項重要指標，穩定性實驗同樣在標準大氣壓強、室溫環境下進行，首先使用純氮氣通入氣室，吹洗干凈殘留的SF6氣體，穩定系統零點。然后取一定濃度的SF6標準氣體通入傳感器氣室，每隔0.5 h記錄一次實時數據，傳感器連續運行3個小時。分別取800× 10-6和1 600×10-6兩種不同濃度的SF6標準氣體進行測試，穩定性實驗測量數據如表2所示。

表2 穩定性實驗數據

根據穩定性實驗測量數據計算可知，傳感器系統的穩定度小于2%，表明系統具有很好的穩定性，穩定性滿足設計要求，達到預期效果。

4 結論

本文設計了一種非色散紅外原理SF6氣體傳感器。采用單光束雙波長的差分吸收檢測技術，不僅消除了光源老化和光路不穩定等因素影響，提高了傳感器系統的抗干擾能力和檢測精度，而且避免了雙光束雙波長的復雜結構。運用溫度補償公式有效地抑制了溫度漂移，消除了環境因素對傳感器的影響，且無需使用硬件溫控模塊，減小了系統的體積和功耗。在光學結構上，采用新型電調制紅外光源和紅外探測器，輔以合理地氣室結構設計，大大提高了系統的穩定性和緊湊性。在電路上使用超低功耗的單片機系統，進行數據實時處理與顯示。在標定實驗中，通過遺傳算法擬合得到標定系數，建立SF6氣體濃度與輸出信號的關系。實驗結果表明，在環境溫度10℃-40℃、檢測量程0～2 500×10-6范圍內，SF6氣體傳感器的檢測精度小于±50×10-6，分辨率為1×10-6，系統響應時間小于5 s，重復性和穩定性滿足設計要求。傳感器具有量程寬、精度高、壽命長、功耗低、小型化和抗干擾能力強等特點，對電力設備中SF6氣體泄漏檢測具有廣泛的應用價值。

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常建華（1976-），男，博士，教授，碩士生導師，主要從事光子學與光器件、光電傳感與應用技術研究，jianhuachang@ nuist.edu.cn；

徐 曦（1990-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事光電傳感技術研究。

薛 宇（1991-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，主要從事光電傳感技術研究。

Non-Dispersive Infrared SF6Sensor Based on the Differential Absorption Detecting Technology*

CHANG Jianhua1，2*，XU Xi1，XUE Yu1，PEI Yu1，BIAN Xiaoyang1
（1.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing210044，China；2.Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing210044，China）

A miniature high performance SF6gas sensor based on non-dispersive infrared（NDIR）absorption theory is designed by using the differential absorption detecting technology.In the system，the core sensing module is composed of an electrically modulated infrared light source，a sample gas chamber and a dual channel infrared detector.Through the calibration with the standard SF6gas，the relation curve between SF6concentration and the output voltage is obtained，which can be used for accurate detection of SF6gas concentration.Since the detection error is changed with the ambient temperature，a temperature compensation method is studied and applied in the system，which effectively improves the detection accuracy.The experimental results show that the detection accuracy of the gas sensor is less than±50×10-6within the ambient temperature range of 10℃to 40℃and the gas concentrations from 0 to 2 500×10-6，as well as with good repeatability and stability.The resolution of the system is 1×10-6and the system response time is less than 5 s.

sensor；differential absorption；temperature compensation；SF6gas

TN219

A

1004-1699（2016）12-1804-06

??7230C

10.3969/j.issn.1004-1699.2016.12.004

項目來源：國家自然科學基金項目（11374161）；江蘇高校優勢學科Ⅱ期建設工程項目;國家級大學生實踐創新訓練計劃項目（201610300030)

2016-05-17修改日期：2016-07-11