紅外氣體傳感器

    [摘要]介紹一種采用電調(diào)制紅外光源的新型非分光紅外氣體傳感器。該傳感器通過(guò)采用電調(diào)制紅外光源，省卻了傳統(tǒng)方法中的機(jī)械調(diào)制部件；同時(shí)采用了高精度干涉濾光片一體化紅外傳感器以及單光束雙波長(zhǎng)技術(shù)，配合易拆卸的鍍金氣室及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)SO2、NO、CO2、CO、CH4、N2O等氣體的實(shí)時(shí)測(cè)量。

    一前言

    隨著我國(guó)對(duì)環(huán)保的重視，氣體分析儀器在我國(guó)具有很大的市場(chǎng)，特別是作為連續(xù)污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）以及機(jī)動(dòng)車尾氣檢測(cè)儀器在國(guó)內(nèi)需求廣泛，也是國(guó)家“十五”期間需要重點(diǎn)解決的環(huán)境分析儀器技術(shù)。NDIR紅外氣體分析儀作為一種快速、準(zhǔn)確的氣體分析技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中十分普遍。國(guó)外NDIR儀器占有率在70%左右，國(guó)內(nèi)NDIR氣體分析儀的主要廠家大都采用國(guó)際上八十年代初的紅外氣體分析方法，如采用鎳锘絲作為紅外光源、采用電機(jī)機(jī)械調(diào)制紅外光、采用薄膜電容微音器或InSb等作為傳感器等。由于采用電機(jī)機(jī)械調(diào)制，儀器功耗大，且穩(wěn)定性差，儀器造價(jià)也很高。同時(shí)采用薄膜電容微音器作為傳感使得儀器對(duì)震動(dòng)十分敏感，因此不適合便攜測(cè)量。此類儀器一般為合資生產(chǎn)，在我國(guó)價(jià)格在3-8萬(wàn)元左右，價(jià)格因素也限制了NDIR儀器在我國(guó)的廣泛使用。隨著紅外光源、傳感器及電子技術(shù)的發(fā)展，NDIR紅外氣體傳感器在國(guó)外得到了迅速的發(fā)展。主要表現(xiàn)在無(wú)機(jī)械調(diào)制裝置，采用新型紅外傳感器及電調(diào)制光源，在儀器電路上采用了低功耗嵌入式系統(tǒng)，使得儀器在體積、功耗、性能、價(jià)格上具有以往儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

    二NDIR氣體分析基本機(jī)理

    當(dāng)紅外光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí),這些氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光有吸收,其吸收關(guān)系服從朗伯--比爾(Lambert-Beer)吸收定律。設(shè)入射光是平行光,其強(qiáng)度為I₀,出射光的強(qiáng)度為I,氣體介質(zhì)的厚度為L。當(dāng)由氣體介質(zhì)中的分子數(shù)dN的吸收所造成的光強(qiáng)減弱為dI時(shí),根據(jù)朗伯--比爾吸收定律: dI/I=-KdN，式中K為比例常數(shù)。經(jīng)積分得:lnI=-KN+α  (1) ，式中:N為吸收氣體介質(zhì)的分子總數(shù);α為積分常數(shù)。顯然有N∝cl,c為氣體濃度。則式(1)可寫成:

           I=exp(α)exp(-KN)=exp(α)exp(-μcL)=I₀exp(-μcL)    (2)

                       圖1 NDIR紅外氣體分析示意圖

式(2)表明,光強(qiáng)在氣體介質(zhì)中隨濃度c及厚度L按指數(shù)規(guī)律衰減。吸收系數(shù)取決于氣體特性,各種氣體的吸收系數(shù)μ互不相同。對(duì)同一氣體,μ則隨入射波長(zhǎng)而變。若吸收介質(zhì)中含i種吸收氣體,則式(2)應(yīng)改為:

                  I=I₀exp(-l∑μ_i c_i)       (3)

圖1為NDIR紅外氣體分析原理圖：以CO2分析為例，紅外光源發(fā)射出1-20um的紅外光，通過(guò)一定長(zhǎng)度的氣室吸收后，經(jīng)過(guò)一個(gè)4.26μm波長(zhǎng)的窄帶濾光片后，由紅外傳感器監(jiān)測(cè)透過(guò)4.26um波長(zhǎng)紅外光的強(qiáng)度，以此表示CO2氣體的濃度，因此對(duì)于多種混合氣體，為了分析特定組分，應(yīng)該在傳感器或紅外光源前安裝一個(gè)適合分析氣體吸收波長(zhǎng)的窄帶濾光片，使傳感器的信號(hào)變化只反映被測(cè)氣體濃度變化。

    三 電調(diào)制NDIR紅外氣體傳感器關(guān)鍵技術(shù)

    在設(shè)計(jì)傳感器的光學(xué)系統(tǒng)部分時(shí)，為了減少紅外傳感器微弱信號(hào)的衰減以及外界信號(hào)干擾，將前置放大電路也一并放在光學(xué)部件上，并采取了一定的電磁屏蔽措施。為了使氣體紅外吸收信號(hào)具有較好的分辨率，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),紅外光源、氣室、紅外探測(cè)器應(yīng)設(shè)置在同一光軸上。此外為了使得信號(hào)足夠大，可以使用橢圓型或拋物線型反射鏡。紅外光源由穩(wěn)流供電,供電電壓和電流根據(jù)使用的光源不同而不同。工作時(shí),傳感器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)制頻率發(fā)出周期性的紅外光，紅外光源發(fā)出的紅外光通過(guò)窗口材料入射到測(cè)量氣室,測(cè)量氣室由采樣氣泵連續(xù)將被測(cè)氣體通入測(cè)量氣室,氣體吸收特定波長(zhǎng)的紅外光,透過(guò)測(cè)量氣室的紅外光由紅外探測(cè)器探測(cè)。由于調(diào)制紅外光的作用紅外傳感器輸出交流的電信號(hào)，通過(guò)其后的前置放大電路放大后在一次經(jīng)過(guò)高精密放大整流電路，得到一個(gè)與被測(cè)氣體濃度對(duì)應(yīng)的直流信號(hào)送入測(cè)控系統(tǒng)處理。紅外傳感器內(nèi)有溫度傳感器探測(cè)其工作環(huán)境溫度，并在其外殼上有微型加熱裝置，通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)控制傳感器的溫度。紅外傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)控系統(tǒng),并經(jīng)數(shù)字濾波、線性插值及溫度補(bǔ)償?shù)溶浖幚砗?span lang="EN-US">,給出氣體濃度測(cè)量值，并將其濃度信號(hào)通過(guò)RS232串口輸出。此外，在傳感器的控制系統(tǒng)內(nèi)，除RS232外，同時(shí)設(shè)計(jì)有液晶顯示(支持240*128)、微型打印、鍵盤輸入、氣泵控制、報(bào)警輸出等接口。因此本傳感器也類似一個(gè)測(cè)量氣體濃度的“主板”，只須添加一些“外設(shè)”如液晶、打印機(jī)等，即可成為一個(gè)完整的氣體分析儀。

    本研究主要采用了以下關(guān)鍵技術(shù)：

    1.紅外光源及其調(diào)制

    傳統(tǒng)的氣體分析儀采用連續(xù)紅外熱輻射型光源，如鎳锘絲、硅碳棒等紅外加熱元件，由于其熱容量大，通常采用切光片對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制。因此需要一個(gè)同步電機(jī)帶動(dòng)切光片旋轉(zhuǎn)，其缺點(diǎn)在于存在機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)?？拐裥圆睿ズ拇?，不適合于便攜設(shè)備；其次為保證調(diào)制的頻率，還需要嚴(yán)格同步的電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路，使得系統(tǒng)復(fù)雜化，成本也大大增加。

   本研究采用了國(guó)際上*新研制的一種電調(diào)制紅外光源。該光源采用導(dǎo)電不定型碳（CAC）多層鍍膜技術(shù)，熱容量很低，因此升降溫速度很快，其調(diào)制頻率*高可以達(dá)到100Hz。紅外光源發(fā)射窗口上安裝有透明窗,一方面可以保證發(fā)射的紅外光波長(zhǎng)在特定范圍內(nèi),適合于對(duì)常規(guī)的氣體如CO2、CO、CH4、NO、SO2等氣體進(jìn)行測(cè)量。此外也可以阻止外界環(huán)境對(duì)光源溫度的影響。

    2.鍍膜氣室

    傳統(tǒng)氣室采用了與外支撐一體化設(shè)計(jì)，具有制造容易﹑安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但受外界溫度波動(dòng)影響較大；其次，由于被分析氣體成分復(fù)雜，具有一定的腐蝕性，如SO₂﹑NO_x等，長(zhǎng)時(shí)間使用后氣室極易被污染，直接影響測(cè)量精度。本研究采用了氣室與外支撐分離結(jié)構(gòu)安裝時(shí)只需將氣室固定安裝在支撐結(jié)構(gòu)的中心即可。此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了該部件易于裝卸﹑更換；同時(shí)由于與外支撐分離，進(jìn)一步減小了外界條件的影響，使儀器能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下工作。此外原來(lái)一些需要較長(zhǎng)氣室的傳感器，采用以往方法加工鍍膜工藝十分困難，采用此法后將十分容易，成本也將大大降低。

   3.紅外探測(cè)器

    紅外探測(cè)器是該分析儀的核心部件，NDIR氣體傳感器的測(cè)量精度很大程度取決于傳感器的性能高低。本研究采用高靈敏度紅外傳感器，并且在其封裝上固定安裝有針對(duì)不同氣體的窄帶干涉濾光片。通過(guò)使用固定有不同波長(zhǎng)濾光片的的紅外傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體的測(cè)量。為了確保紅外探測(cè)器得到較強(qiáng)的穩(wěn)定信號(hào)，本研究設(shè)計(jì)了一種紅外探測(cè)器定向軸，即使在前置放大板上焊接的紅外探測(cè)器位置有一定的偏差，本傳感器也可確保與紅外光源和氣室位于同一光學(xué)中心軸上。

    紅外探測(cè)器接收紅外光產(chǎn)生的信號(hào)十分微弱，極易受外界的干擾，因此穩(wěn)定可靠的前置放大電路是儀器的關(guān)鍵，本研究采用了高精密、低飄移的**級(jí)模擬放大電路，并采用了窄帶濾波電路。通過(guò)示波器的跟蹤表明，本研究采用的前置放大電路具有精度高、漂移小、響應(yīng)快的特點(diǎn)。前置放大出來(lái)的信號(hào)通過(guò)二級(jí)放大電路，直接輸出一個(gè)與氣體濃度對(duì)應(yīng)信號(hào)，并送入測(cè)控系統(tǒng)，通過(guò)非線性校正和補(bǔ)償后得到氣體濃度。

    4.傳感器測(cè)控系統(tǒng)

    為了實(shí)現(xiàn)NDIR氣體傳感器的測(cè)量、控制以及自動(dòng)標(biāo)定等功能，需要一個(gè)合適的微控制器來(lái)管理傳感器。傳感器測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)采集紅外輸出信號(hào)及測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)氣體曲線，采用非線性校正算法可以直接得到測(cè)量氣體的濃度，并通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)的串口每1秒向外部設(shè)備發(fā)送測(cè)量濃度數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以根據(jù)傳感器測(cè)量量程和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)的的D/A控制，輸出與濃度成正比的12位精度電壓信號(hào)。

    為便于采用此傳感器組成完整的氣體分析儀，在測(cè)控系統(tǒng)多余的數(shù)據(jù)線和地址線基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊、打印驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤輸入模塊、氣泵控制、報(bào)警等接口，用戶可以通過(guò)安裝這些標(biāo)準(zhǔn)模塊，快速形成一套完整的氣體分析儀器。

   通過(guò)采用以上技術(shù)，NDIR紅外氣體傳感器的結(jié)構(gòu)比以往儀器將大大簡(jiǎn)化，儀器功耗也大幅度降低（只有以往的1/4），傳感器的成本也不到以往技術(shù)的1/4。此類傳感器可以實(shí)現(xiàn)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，因此更加適合在我國(guó)廣泛使用。

    四 氣體傳感器性能測(cè)試

    為驗(yàn)證傳感器性能，作者對(duì)傳感器的進(jìn)行了長(zhǎng)期的測(cè)試。以下分別介紹采用CO2和SO2傳感器測(cè)量的結(jié)果，CO2傳感器氣室長(zhǎng)度8cm，內(nèi)經(jīng)8mm，傳感器的量程為2%。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)鋼瓶配氣，濃度為0.98% CO2，平衡氣為N2，流量為1.5L/Min，通過(guò)采用PC采集測(cè)控系統(tǒng)串口數(shù)據(jù)，在PC上保存數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析，測(cè)量時(shí)間24小時(shí)。試驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量準(zhǔn)確度可以達(dá)到2%以上；SO2傳感器氣室長(zhǎng)度13cm，內(nèi)經(jīng)8mm，傳感器的量程為8000ppm。試驗(yàn)采用自行配置的SO2氣體，濃度為4200ppm，平衡氣為N2，流量為0.5L/Min，同樣通過(guò)采用PC采集傳感器串口數(shù)據(jù)，在PC上進(jìn)行分析，測(cè)量時(shí)間12小時(shí)（為**考慮，從晚8：00到**日早8：00）。試驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量準(zhǔn)確度同樣可達(dá)到2%以上。對(duì)于傳感器的響應(yīng)時(shí)間，由于采用了較高的調(diào)制頻率，傳感器一般在同如氣體15秒左右就可以達(dá)到平衡，因此響應(yīng)速度很快。