一種高靈敏度紅外CO濃度檢測方法與設計

蘭 江，李明勇，白麗麗，譚旭暉，尤興志

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，宜昌 443003）

CO作為一種有毒氣體，威脅著人類的身體健康和生命安全，工業生產排放的廢氣、汽車尾氣、農業焚燒秸稈產生的氣體等均含有一定濃度的CO，日常生活中煤氣中毒致死情況也時有發生，對CO濃度的檢測和預警對保護生命健康和控制環境污染有著十分重要的意義。

現有的CO檢測方法主要有化學反應法、非散射紅外吸收光譜法、色譜分析法等[1，4-5]。紅外光譜吸收法是一種實施簡單、精度高、抗干擾能力強且可在線連續測量的方法。紅外光譜吸收法常采用單光路雙波長技術或者切光型技術，國內外對2種方法都進行了大量的研究[2-3]。部分儀器公司采用切光型技術做成了測量CO濃度的商用儀器，但這類儀器普遍采用較為落后的紅外分析器件，光源穩定性差，造成測量誤差較大。此外，這類儀器采用機械調制方法，故障率高，維護困難[6]。針對上述問題本文提出了一種單光路雙波長的電學調制測量方法，簡化了設計方案，增加了可靠性。并采用改進雙T技術設計了一套高Q值的濾波器，結合差分技術增強了儀器抗干擾性能，使得CO測量靈敏度達0.8 ppm。

1 高靈敏紅外CO濃度檢測原理

由于氣體分子對特定的光譜有一定的吸收作用，且滿足朗伯—比爾定律，即：

式中：I0為輸入光線光強；k為氣體對光線的吸收系數；C為氣體濃度；L為光線傳播距離。對式（1）進行進一步化解可得氣體濃度與其它參數之間的關系：

CO濃度的測量也滿足上述原理，然而僅采用式（2）很難準確求出CO氣體濃度，主要有以下幾方面原因：CO氣體對紅外光譜的吸收系數較小，要想測到低濃度的CO氣體，需要設計多次反射的吸收池以增加光程，準確測量光程大小較為繁瑣；紅外光源不穩定造成的信號變化會淹沒掉CO濃度信號的變化；干擾物質的影響，由于吸收池內存在水蒸氣、粉塵顆粒，這會干擾CO氣體對紅外光線的吸收，影響CO濃度測量準確性[7]。

為了解決上述問題，單光束雙波長技術，即采用CO沒有任何吸收的3.96 μm波段的響應信號作為參比信號；采用CO吸收作用較強的4.64 μm波段的響應信號作為濃度信號。對4.64 μm波段響應的信號記為測量信號D2，對3.96 μm波段響應的信號記為參比信號D1，兩信號可分別表示為

單光束雙波長技術一般由探測器端外加2片窄帶濾光片實現。由窄帶濾光片工藝可知，窄帶濾光片不可能做到很窄，一是成本太高，二是光強將被極大地衰減。目前市場上的濾光片有特定中心波長，半功率帶寬一般為100 nm～200 nm。假定參考波長λ1是由中心波長3.96 μm、半功率帶寬200 nm的濾光片得到，濃度波長λ2是由中心波長4.64 μm、半功率帶寬200 nm的濾光片得到。由于CO幾乎不吸收參考波長帶寬范圍內（3.96±0.2）μm 的光譜；而在測量波長帶寬范圍內（4.64±0.2）μm，分布著數條CO吸收譜線，且帶內無吸收的譜線遠多于吸收譜線，因此式（3）可進一步表示為

式中：λ22為帶內CO吸收的譜線；λ21為帶內CO不吸收的譜線。由于兩波長來自同一光源，則有S1（λ）＝mS2（λ），在通入零氣時，式（4）中兩者之間的比值可表示為

同理，通入濃度為C的標準氣體CO時，兩者的比值可表示為

由上式可知，計算出比值A和B，即可推導出測量氣體濃度。可以看出，A為定值，且A和B大小與光源強度和光強傳遞系數無關，這種差分檢測方法不僅可以從理論上消除光路的干擾因素，還可以消除光源輸出光功率不穩定帶來的影響。

2 高靈敏紅外CO濃度檢測硬件設計

圖1 高靈敏紅外CO濃度檢測儀結構圖Fig.1 Structure chart of highly sensitive infrared CO concentrating detection instrument

高靈敏紅外CO濃度檢測儀硬件結構如圖1所示，提高靈敏度的關鍵在于增加CO吸收池光程；采用高靈敏紅外探測器；采用高Q值的改進雙T濾波技術；采用低噪音差分式的前置放大電路。

2.1 CO吸收池設計

由于CO氣體對紅外光吸收率較低，當檢測低濃度的CO氣體時，需要增加光程。文中設計的紅外CO濃度檢測儀的吸收池結構簡圖如圖2所示，其中a為紅外光源，用于產生紅外光；b為5個反射鏡，其將紅外光進行多次反射，增加光線傳播光程；c為紅外光線傳播示意圖；d為紅外傳感器，用于檢測CO濃度信號和參比信號；e為進氣口；f為出氣口。采用這種結構設計的吸收池光程可達到1.2 m。

圖2 CO吸收池結構簡圖Fig.2 Structure chart of CO absorption cell

2.2 光源調制電路

文中選擇的紅外傳感器為英國某公司生產紅外探測器，其有2路信號輸出，一路為CO濃度信號，一路為參比信號，該紅外探測器具有較高的靈敏度，當光源變化率為1 Hz時，其光電響應率可達3.2 kV/W。 文中選擇的光源變化率為 3.183 Hz，此時紅外探測器的光電響應率約為1 kV/W。

為了使得紅外光源變化率在3.183 Hz，需要設計光源調制電路，光源調制電路如圖3所示，其中UDA-in為DA的輸出信號，其按照正弦波形式變化，具體幅值滿足如下公式：

其中，2.5 V電源由基準源ADR421提供，紅外光源選擇北京某公司功率2 W、額定電流1 A的紅外光源，根據上述參數可得出流過電阻R28的電流滿足：

如果取R25為1kΩ，那么可計算出的參數如下

圖3 紅外光源調制電路Fig.3 Infrared light source modulation circuit

2.3 前置放大電路設計

前置放大電路原理如圖4所示，CO濃度信號S2和參比信號S1經過RC濾波放大后接入差分運算放大器的同相端和反相端，經過放大后可得到消除參比信號后的信號Uos。

圖4 前置放大電路連接圖Fig.4 Pre-amplifier circuit connection diagram

3 改進雙T濾波電路設計

前置檢測電路的輸出信號中含有大量的噪聲，信號的波形有一定的失真，這樣的信號會嚴重影響CO測量的靈敏度。由于調制的光源頻率為3.183 Hz，因此檢測信號也應該是3.183 Hz，因此需要設計一種高Q值的中心頻率為3.183 Hz的帶通濾波器，采用傳統的Sallen-Key型或者MFP型濾波電路設計3.183 Hz的帶通濾波器十分困難，濾波效果并不理想。在此，在雙T濾波技術的基礎上，改進設計了一種高Q值的帶通濾波器，其電路圖如圖5所示。

圖5 改進雙T濾波電路Fig.5 Improved double-T filter circuit

下面對改進雙T濾波電路的工作原理進行推導。 結合圖中的參數，令 C=C6＝C7＝C8/2，R＝R18＝R19＝2×R20。輸入電壓為 Uos，節點電壓用 U1、U2、U3、U4、U5、Ua、Ub表示，輸出電壓為 Uout，根據電路的相關知識可以得到如下關系式

經過計算可得到改進雙T濾波電路輸出Uout和輸入Uos的傳遞函數如下

實際設計中， 取 C＝1 μF，R＝25 kΩ，R14＝R15＝1 kΩ，R16＝100 kΩ，R17＝1 kΩ，R21＝10 kΩ，R22＝1 kΩ，令s=jω=j2πf，因此式（12）可以進一步化簡為

其中 f0＝1/（2πCR），帶入數據可得 f0＝3.183 Hz。傳遞函數在3個區間內滿足：

可見，對于頻率遠小于f0和遠大于f0的信號，傳遞函數增益僅為-13.238 dB；而對于頻率等于f0的信號，信號增益為26.848 dB。這樣就可以有效地將干擾信號濾除，其傳遞函數幅頻響應曲線如圖6所示。

圖6 改進雙T濾波電路幅頻響應曲線Fig.6 Amplitude frequency response curve of Improved double-T filter circuit

采用Matlab計算出中心頻率附近的幅頻響應關系，通過數據可以看出，增益為-3dB（即 23.848dB）的頻率約為 3.12 Hz和 3.24 Hz，帶寬為 0.12 Hz，Q 值高達26.5。中心頻率附近幅頻響應關系如表1所示。

表1 中心頻率附近幅頻響應關系Tab.1 Amplitude frequency response near center frequency

4 實驗結果

將濃度為 99.999%的純 N2（零氣）、濃度為 9.8 ppm、20.5 ppm 和 40.3 ppm 的標準 CO 氣體通入 CO吸收池中，對儀器進行校準，測量數據如表2所示，根據測量數據擬合校準曲線，如圖7所示。其相關系數高達0.9975，校準后的測量結果也較為準確。

表2 高靈敏紅外CO檢測儀校準前與校準后數據Tab.2 Pre-calibration and calibration data of highly sensitive infrared CO concentration detector

圖7 高靈敏紅外CO檢測儀擬合曲線Fig.7 Fitting curve of highly sensitive infrared CO concentration detector

5 結語

在單光束雙波長技術基礎上，提出了一種高靈敏的紅外CO濃度檢測方法。在對測量原理充分討論的基礎上，給出了CO氣室和紅外光源調制驅動的設計方法，結合雙T濾波技術，提出了一種高Q值的帶通濾波電路，大幅度地提高了信噪比。測試結果表明，紅外CO濃度測量的檢測限達到0.8 ppm。

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