基于光線追蹤法的高精度CO2測量系統(tǒng)的研究

伍雷++張學典++王業(yè)生++于西龍++李荊軒++顏澤帆

摘要： 為了提高測量精度，對光線的有效利用率和最佳光程的選擇進行了推導和優(yōu)化。首先應用光線追蹤法模擬CO2氣室光路結構，計算光線的有效利用率；其次通過分析紅外探測器接收到的光線，計算光程長對測量結果貢獻率的影響，得出4.26 μm波長下CO2的最佳光程為31 mm。據(jù)此設計了CO2體積分數(shù)測量系統(tǒng)，并對20×10-6～1 500×10-6范圍內(nèi)的標準氣體進行了測量。實驗結果表明，該系統(tǒng)的測量精度可達到50×10-6。

關鍵詞： 光學測量； CO2體積分數(shù)測量； 光線追蹤法； 最佳光程長

中圖分類號： O 439文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.001

引言

二氧化碳氣體作為環(huán)境中普遍存在的一種氣體，影響著各種動植物的生存狀態(tài)與活動。二氧化碳的體積分數(shù)在環(huán)境衛(wèi)生、衛(wèi)生防疫、工業(yè)過程控制與分析、醫(yī)學診斷以及宇航生保等領域是需要實時監(jiān)測與分析的重要參數(shù)[1]。自然界中的植物在進行光合作用時會吸收二氧化碳氣體，所以環(huán)境中的二氧化碳的體積分數(shù)可以反映植物的生長狀況，從而起到對植物生長的預警和檢測作用。特別在現(xiàn)今溫室效應日趨嚴重的情況下，對二氧化碳的測量具有更重要的意義。目前利用光譜分析測量二氧化碳體積分數(shù)有多種方式，其中應用較普遍的是紅外非色散分析法（NDIR）。特別是在現(xiàn)今傳感器件小型化、集成化和智能化的背景下，紅外氣體分析儀器以其體積小、重量輕、精度高、可靠性好、可連續(xù)快速檢測等特點，在二氧化碳的體積分數(shù)測量中應用廣泛。張廣軍等[2]設計的小型紅外CO2傳感器，通過采用旋轉(zhuǎn)拋物面接收光錐有效地提高了信噪比，可實現(xiàn)較高的測量精度。Hk等[3]設計的檢測呼氣中酒精含量的手持氣體分析儀，通過對CO2的測量來檢測呼氣中酒精的體積分數(shù)，主要運用NDIR原理，在光路設計中運用多個反射面來提高光程長度從而提高測量精度。王莉等[4]應用集成的CO2體積分數(shù)傳感器獲得信號，通過設計和改進傳感器的濾波放大和信號處理電路系統(tǒng)來減小環(huán)境對測量的干擾，并在數(shù)據(jù)處理中優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法，以此提高系統(tǒng)的測量精度。本文主要設計了一種CO2測量系統(tǒng)，采用了光線追蹤法計算光線的有效利用率，在此基礎上計算最佳光程長，以達到提高傳感器的測量精度的目的。

2最佳光程分析

測量光程[6]是系統(tǒng)測量性能的一個重要因素。汪曣等[7]對光程長度與靈敏度之間關系的研究表明：單位光程長吸光度越小，則光程長對測量誤差的影響越小，可選擇光程長范圍就越寬。對于單個樣品，當最佳光程長獲取存在較大誤差時，應使所選光程長落在大于最佳光程長的區(qū)域 。由式（1）可知，在條件不變的情況下，測量光程越精確，測量所得到的體積分數(shù)值精度越高。而在實際測量光路中，光程長的值不是確定的，而是分布在一定范圍內(nèi)。所以可以通過仿真模擬的方法來計算得到一個和真實光程長接近的最佳光程長來減小光程帶來的誤差，最佳光程長可由模擬所得的光線利用率[8]和有效光程的分布計算得出。光線利用率指被紅外探測器所接收的光線占所有出射光線的比例；有效光程分布是指在理想狀態(tài)下不同光程出現(xiàn)的概率和該光程在所有光程中所占的比例。通過模擬計算不同光程長下的光線利用率，得出最佳光程長。

由于測量光程會受到氣室環(huán)境，如內(nèi)壁氣室的材料、氣室的形狀、光源的類型以及氣室內(nèi)部的介質(zhì)等的影響，因此在仿真時充分考慮了這些因素。模擬的具體條件為：光源為點光源，發(fā)散角45°；氣室內(nèi)壁材料為鋁，形狀為圓筒狀，長度為30 mm，直徑為10 mm；氣室內(nèi)介質(zhì)為真空；紅外探測器的接收面積為圓形，直徑為6 mm。應用光線追蹤法（ray tracing approach）[9]，可從光源開始追蹤每條光線經(jīng)過氣室內(nèi)壁被反射的過程，直到最終被紅外探測器接收。

圖1為Zemax仿真模擬的氣室內(nèi)部光路和探測器接收到的光線分布圖，由圖可知：一部分光線出射后經(jīng)過氣室內(nèi)壁反射一次或多次后最終才能被氣室后的紅外探測器接收；另一部分光線不經(jīng)過氣室內(nèi)壁的反射而直接到達探測器。光經(jīng)過反射后，其光強會有一定程度的衰減，故光線利用率主要由探測器接收面的面積和氣室內(nèi)壁的材料決定。

根據(jù)光線追蹤法計算得到各反射光線對應的光程長度分布如圖2所示。根據(jù)模擬的實際光程所占百分比的分布圖可知：在30 mm光程附近的光線由于沒有經(jīng)過反射，很容易就被探測器所接收；而在30 mm到35 mm之間得到各波谷則是由于光線經(jīng)過多次反射而衰減無法被探測器探測到；隨著光程的增加光強度減弱，能被探測器接收的概率越低。綜上所述，由光線利用率和光程分布計算得出CO2測量的最佳光程為31 mm。

3實驗結果與數(shù)據(jù)分析

為了驗證上述仿真結果，本文設計了CO2測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)主要由光源、氣室和紅外探測部分組成，

如圖3所示。

系統(tǒng)的工作流程為：單片機STC8051實現(xiàn)光源的控制，光源出射的光進入氣室后經(jīng)樣品吸收到達另一側(cè)的紅外探測部分并被接收。通過對比入射光和測量光的光

強，得出被測CO2的體積分數(shù)大小。系統(tǒng)光源采用中心波長在4.3 μm附近的LED光源，氣室長度為31 mm，并減小氣室接收端的直徑，以確保測量光程的峰值在31 mm附近。

實驗時，將測量系統(tǒng)放置于密封容器內(nèi)，如圖4所示。將固定體積分數(shù)的CO2、N2混合氣體通入到此容器中。實驗共對8個不同CO2體積分數(shù)的標準氣體進行了測量，具體為20×10-6，50×10-6，100×10-6，150×10-6，200×10-6，500×10-6，1 000×10-6和1 500 ×10-6。為提高系統(tǒng)的測量精度，在測量過程中采取5次測量取平均值的方法。

實驗得到的數(shù)據(jù)如表1所示，將測量得到的CO2體積分數(shù)與標準值進行比對，得到的關系曲線如圖5所示。

實驗結果表明：測量系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)能準確反映密閉氣室內(nèi)部的CO2的體積分數(shù)的變化，而且每個監(jiān)測點的體積分數(shù)的標準偏差離散值在3左右；測量所得的數(shù)據(jù)擬合得到的曲線也能準確反映真實體積分數(shù)變化，且擬合曲線的相關系數(shù)R很接近于1；每次測量值與相同環(huán)境多次測量的平均值相比，其測量數(shù)值誤差均在50×10-6以內(nèi)，表明測量系統(tǒng)的性能穩(wěn)定。

4結論

由測試實驗可知，本測量系統(tǒng)能很好地完成CO2體積分數(shù)測量的任務。系統(tǒng)具有高精度、高靈敏度的特點。應用Zemax進行有效測量光程的預估與計算，優(yōu)化了測量精度，提高了系統(tǒng)的測量性能。系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，在多次測量的比較試驗中，單次測量誤差值很小。

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（編輯：劉鐵英）