具有開放氣室的實時紅外氣體檢測系統

楊清永 王海超 張朋

摘 要：隨著光譜成像技術的發展，光譜學方法發展日趨迅速，相比于傳統的氣體檢測方法，光譜法不需要樣品制備，具有快速、非侵入、高效和動態等優點，適用于現場快速檢測和連續實時在線分析，成為各國研究和應用的熱點。介紹了一種具有開放氣室的實時紅外氣體檢測系統。系統由Silicon Lab C8051F060單片機控制，選用MEMS紅外光源和光電二極管紅外探測器，依據相關檢波基本原理設計了信號調理電路。

關鍵詞：開放氣室;實時;紅外氣體檢測系統

前言

傳統氣體檢測主要是人工采樣和預處理采樣。傳統化學測量方法，包括化學反應方法、電化學法、色譜及質譜相關技術，都屬于人工采樣的方式。人工取樣后，將試樣進行分離、富集和掩蔽，通過特定的化學反應或計量關系，只能在實驗室對氣體進行分析，或進行現場初步定性定量的分析。預處理采樣是將預處理的測量氣體輸送到測量管中，并通過測量安裝在管道兩端的光學探頭（紅外或紫外探頭）來測量氣體的濃度。由于傳統氣體傳感器的接觸性原理，使其難以實現遠距離精確測量，且大多數傳統氣體傳感器（電化學氣體傳感器、PID氣體傳感器等）只能對目標氣體進行單點監測，難以滿足大范圍實時動態監測。

1 氣體光學檢測技術分類

現有氣體光學檢測方法按有無外置光源可以分為主動式檢測和被動式檢測兩種。

主動式氣體檢測通常使用紅外或紫外激光作為外置光源，其檢測方式都是基于待測氣體對激光光源的輻射吸收來實現的，待測氣體與背景之間不需要溫差，信噪比高，穩定性好;但是由于配有激光光源等設備，使得其體積重量較大，系統結構復雜。

被動式氣體檢測不需要光源，系統結構簡單，根據待測氣體與背景之間的溫度差來探測氣體，其可檢測光譜范圍大，遠距離探測能力強;但是信噪比較低，且被測氣體和背景之間必須存在相對溫差。

早期的紅外光源一般使用鎳鉻合金，功耗較大，需要很長的預熱時間，而且采用復雜的機械斬波器進行調制。隨著材料和工藝技術的發展，出現了各種新型紅外光源，可以用脈沖電流或電壓方式進行快速調制。系統使用MEMS光源，發射含2～12μm范圍的廣譜紅外光，采用恒定電功率的脈沖電流源來驅動光源。

紅外探測器的種類很多，常用的有熱電型探測器和量子型探測器。熱電型的有熱電堆型、熱釋電型等。量子型的主要有3種：光電導型，如PbSe探測器;光電壓型，如InAs探測器;

光電流型，如光電二極管。紅外探測器的一個重要指標是探測率D*，它是信噪比的一種度量。量子型探測器的探測率一般是熱電型的10倍或更大，而且響應快。熱電型探測器受環境溫度影響大，響應慢。系統采用紅外光電二極管探測器，D*為3.2×109cmHz1/2W-1，20～80°C內的溫度穩定性好，響應快。探測器為多層膜結構，表層膜有濾波功能。甲烷的吸收峰在3.3μm，乙醇的吸收峰在3.4μm，所以探測器適合于測量這兩種氣體。

一般的紅外氣體檢測系統都配有封閉、內壁鍍紅外反射膜的氣室，有進氣、出氣泵，有的還配有選擇性透過膜，這影響了氣體自由流動。系統使用了開放式氣室，光源和探測器同軸固定，光源和探測器之間的空間完全敞開。

2 紅外探測器信號調理設計

2.1相關檢波的基本原理和簡化實現

輸入信號和參考方波相乘，然后低通濾波。光源調制頻率為f，探測器輸出的信號Vs=Vsin（2πft+α），V反比于氣體濃度。VS輸入到截止頻率f0=1/（2πRC）的低通濾波器。若滿足條件f0≤f，相關檢波器的穩態輸出值為V0=2Vcos（|α-β|）/π。當方波和輸入信號同相位時，輸出達到極大值。

相關檢波器在特定情況下可以簡化實現。對于占空比接近50%的周期交流信號，濾除高頻噪聲后，若它和參考方波沒有相位差，那么乘法器輸出的信號就是輸入信號的絕對值。這種情況下，窄帶通濾波器、絕對值整流器和低通濾波器的組合同相關檢波器的處理過程完全類似。

2.2信號調理電路的設計和分析

單片機控制光源的調制頻率f和占空比β，光電二極管接收到頻率為f的電流信號，I-V（電流-電壓）轉換得到電壓信號，進行濾波、整流等環節后輸入AD.運放是電路中的關鍵元件，根據各級的功能需要，選擇性能和價格合適的運放，并且使用低溫漂的RC元件。在運放反相端和輸出端跨接一個電阻，光電二極管的電流I流過跨阻Rf，輸出電壓 VOUT=I·Rf

所以跨阻值越大信噪比越高。但是隨著跨阻值的升高，運放的閉環帶寬會下降，在閉環帶寬和信噪比之間尋求平衡。加入電容C也會限制運放閉環帶寬，但可降低高頻噪聲。系統使用TI公司的運放OPA350，它適合于電池供電系統。

采用RC和運放構成有源濾波器，成本低，結構靈活。首先用Matlab設計濾波器頻域參數，接著用Filter Wiz Pro軟件確定最佳濾波器結構和RC初始值，然后PSPICE仿真、優化RC參數，得到最優設計。運放選用TI公司的OPA4227，它適用于絕對值整流電路。低通濾波電路采用多個級連。

此外，將信號調理電路屏蔽避免了環境的電磁輻射噪聲。電路中的模擬和數字部分使用不同的穩壓芯片，適當的安放去耦電容，合理布局、布線、接地，避免了數字信號對模擬信號的干擾。

3 實驗結果及討論

在室溫環境下，固定氣室長度為10cm，光源調制頻率為16Hz，分別對乙醇氣體和甲烷氣體進行了測量。設氣體體積分數為C時，信號調理電路輸出信號（以下簡稱輸出信號）的均值為Mc，標準差Std，相對標準差δ=Std/Mc.相對標準差反映了系統的信噪比。

乙醇的體積分數范圍0～9×10-4。乙醇的最低檢測體積分數為5×10-5，相對標準差不超過0.35%，在低的體積分數范圍內，輸出信號和體積分數近似成線性關系。

甲烷的體積分數范圍0～1×10-2。甲烷的最低檢測體積分數為1×10-4，相對標準差不超過0.38%，在較大的體積分數范圍內，輸出信號和體積分數近似成指數關系。

在潔凈空氣中，輸出信號的波動主要是光源的波動，潔凈空氣中的相對標準差為0.23%，說明波動較小。由于光源調制頻率達到了16Hz，不僅有效避免低頻噪聲，還使得系統能夠較快的響應氣體濃度變化。隨著光源調制頻率的提高，光源的發光功率減小，16Hz頻率較適中。為了測量系統的響應速度，將氣室封閉，留有進氣口和出氣口。使用質量流量控制器和電磁閥產生濃度急劇變化的氣體脈沖，通入氣室。

4 結束語

介紹了一種具有開放氣室的實時紅外氣體檢測系統，可以用于乙醇和甲烷氣體的檢測。采用開放式氣室使得氣體可以自由流動，系統響應快、實時性好。選用了電調制的MEMS紅外光源，省去了復雜的機械斬波器;而恒定電功率的脈沖電流源使得光源發光功率穩定。選用的探測器有較高信噪比，由于具有濾光薄膜，對于乙醇和甲烷的檢測無需再加濾光片。精心設計的信號調理電路替代了相關檢波器，簡單可靠、成本低。實驗表明，系統具有較高的信噪比和靈敏度。

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