紅外光源氣體檢測系統設計

王海超 張朋 方雁群

摘 要：氣體探測技術在人類活動的各個方面都發揮著極為重要的作用。大氣中某些微量氣體過量時，會導致溫室效應、酸雨、毒霧、臭氧層空洞等現象，嚴重影響人類賴以生存的環境。近年來，隨著人們環境健康意識的提高和環境變化的復雜性，傳統上使用的氣體探測系統已不能滿足要求，有待開發性能更高的新型氣體探測系統。按照工作原理的不同，氣體檢測方法可分為非光學分析法與光學分析法。鑒于上述研究背景與意義，本項目擬采用高靈敏度的紅外光源作為系統光源，基于紅外吸收光譜技術，設計研發高精度、高穩定性、快速響應、低成本、可集成的小型化氣體檢測系統。

關鍵詞：紅外光源;氣體檢測系統;設計

前言

近年來，我國安全生產問題和環境問題十分嚴峻。一方面，煤礦瓦斯爆炸、危險氣體泄漏等安全事故頻發，給國家造成了重大的經濟損失和惡劣的社會影響。另一方面，大氣中溫室氣體濃度的不斷升高也帶來了一系列的環境問題。因此，先進的氣體傳感器研發工作十分重要。目前，采用紅外吸收原理檢測氣體是國內外較為先進的方法。相比于其他原理的氣體傳感器，光學氣體傳感器具有很多優點。首先，光學氣體傳感器的靈敏度高、響應速度快，具有非接觸性的優點，非常適合在很多危險場合中對氣體進行實時精密檢測。其次，光學氣體傳感器具有高選擇性的特點，對待測氣體進行檢測時幾乎不會受到其他氣體的影響。檢測系統在進行多氣體檢測時，可以通過分時復用等技術手段對混合氣體進行快速的組分檢測。最后，光學氣體傳感器的壽命長，并且在使用過程中不需要頻繁的校準，便于后期使用及維護。

1 紅外氣體檢測的優點

根與傳統的檢測方法相比較，基于紅外氣體光譜吸收原理的氣體檢測方法具有以下幾個方面顯著的優點：

1）檢測對象范圍廣：除了具有對稱結構的無極性雙分子氣體以外，大多數多原子分子氣體均有紅外吸收光譜，都可以用紅外吸收原理氣體檢測方法測量;

2）優秀的氣體選擇性：每種氣體有各自對應的紅外吸收波段，也就是每種氣體有各自對應的特征吸收峰，適用于多組分混合氣體中某單一氣體組分的測量。

3）穩定性好、響應速度快：在有些其他的氣體檢測方法中，由于檢測元件的發熱和溫度升高等因素，導致測量結果有誤差。但是紅外氣體檢測原理采用的是光信號，自然也就不會引起檢測系統的升溫發熱，所以紅外檢測系統具有良好的穩定性。

4）信噪比高、壽命長、靈敏度高：該檢測方法帶來的干擾噪聲小，有用信號非常明顯，該系統信噪比高。并且該檢測系統具有零點自校準和靈敏度自補償功能，無需定時校準，紅外檢測系統所使用的紅外光源與探測器等主要元件技術成熟，壽命長達5年以上，所以使用壽命相當的長。只要系統設計合理，微弱變化的氣體濃度即可被檢測出來，國外高端痕量氣體檢測儀可達到ppb（parts per billion，十億分之一）量級的靈敏度。

5）可以在非常多的場合工作，適用環境的能力很強：因為紅外吸收檢測方法屬于物理檢測方法的范疇，礦下潮濕、灰塵、昏暗的復雜環境不會影響氣體的測量，對應用環境沒有任何特別的要求，所以紅外氣體檢測儀表現出很強的抗化學腐蝕和抗氧化的能力，繼而紅外氣體檢測方法成為礦下氣體檢測的技術的研究熱點。

6）抗干擾能力強：采用紅外吸收原理的檢測儀本質上是利用了光學原理，也就是光信號進行測量。

7）測量范圍寬、具有很強的抗毒性和抗老化性：利用紅外吸收原理的氣體檢測儀可檢測0～100%范圍內任何濃度的氣體，具有很大的量程。采用紅外氣體檢測原理的檢測儀不會因為待測氣體濃度太高超過測量范圍而造成催化類元件中毒失活，導致檢測結果存在很大誤差，它能很好的克服這類缺點，所以不易受其他干擾氣體的影響而中毒老化。

2 系統設計

系統采用中紅外波段的光源，檢測系統包括硬件系統和軟件系統組成。硬件系統包括光學和電學部分。MEMS紅外光源經電調制發出紅外光，經氣室后光被吸收，探測器完成光電轉換，輸出的電信號經信號處理電路處理后，經AD采樣，輸送到主控部分處理，最后實現濃度的顯示和聲光報警。氣室部分集成了MEMS紅外光源、雙通道的探測器和開放式球面聚光鏡氣室。供電部分主要將外部輸入的220 V交流電通過AC/DC轉換模塊變成24 V，然后DC/DC模塊變為±12 V和±5 V，向電學系統提供工作電源。信號處理部分主要將探測器的輸出信號進行差分、放大、濾波、鎖相放大（鎖相放大刪掉），經AD采樣后完成模數轉換，將數字量送入主控制芯片進行處理。控制系統的核心器件是MCU（Micro Control Unit，微處理單元），本文選擇的是LPC2132（跟后面的控制電路和軟件設計部分，系統采用應用較為廣泛的STM32嵌入式芯片作為系統的主控芯片不一致，改為STM32F103C8T6）。該主處理芯片主要完成對數字信號的處理、顯示及聲光報警，以及溫度測量，按鍵處理（及通信）等功能。軟件系統主要完成光源調制、AD轉換、溫度采集、按鍵識別與處理、濃度計算、報警閾值存儲、聲光報警、LCD顯示等功能。

3 設計方案與器件選型

根據氣體的吸收特性，應該制作高精度的紅外熱光源驅動電路，包括直流驅動和脈沖驅動兩種方式，使光源滿足甲烷檢測實驗的要求。此外，還應該研制系統整體供電電源電路，用于各個電路模塊和系統光源的供電。此外，還需要研制光電探測器電路，將包含氣體吸收信號的微弱光信號轉化為電信號，并進行去噪和放大處理，用于提取包含甲烷氣體濃度的信號。擬選取InGaAs光電二極管作為核心器件，研制光電轉換電路。選擇嵌入式芯片作為主控制芯片，為實現紅外甲烷氣體的檢測，主控程序實現光源的PWM驅動、溫度采集、AD芯片驅動、軟件濾波、電壓濃度轉換、顯示、聲光報警、按鍵功能切換、及串口通信功能。在紅外甲烷檢測系統研制完成后，需要進行足夠的實驗測試以完善系統功能，主要目的在于測試檢測靈敏度和穩定度，最終達到項目設計目標。

4 控制電路和軟件設計

系統采用應用較為廣泛的STM32嵌入式芯片作為系統的主控芯片。該芯片具有高性價比、低功耗的優點。采用主控芯片對紅外甲烷傳感器進行控制和通信，將接受（改為測量）到的甲烷濃度信息進行存儲，可以通過串口電路將甲烷濃度信息發送到上位機，也可以使用LCD液晶顯示屏進行實時顯示。受工作環境限制，在一些需要測試甲烷氣體的場所存在布線困難的實際問題，因此可以在系統中加入無線通信模塊，實現無線通信功能。無線通信功能的另一個好處是可以方便地進行進一步的系統開發和擴展，如采用多節點共同檢測等。

軟件開發部分分為兩個方面，一方面需要進行嵌入式程序開發，包括片載程序的編譯、調試和燒寫等，另一方面需要開發上位機軟件，具有串口通信功能，可以將檢測系統發送的數據進行接收、顯示和存儲，上位機軟件可以基于LabVIEW軟件進行開發，該軟件具有強大的上位機程序設計功能，可以有效地滿足系統的設計要求。

5 結論

本文以紅外波段的光學器件作為光源，設計了應用于農業設施中氣體檢測系統。紅外氣體檢測的優點有很多，包括檢測范圍廣、氣體選擇性好、穩定性高、響應速度快等，本文中的系統不僅具有研究意義，若得到市場推廣，也具有一定的商業價值。

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