非色散紅外氣體檢測元件結構設計

劉 帥，蔣 韜，文小紅，賴 建

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1 紅外氣體檢測元件結構設計思路

非色散紅外甲烷檢測元件主要是由氣室、紅外光源、紅外探測器（含有兩個通道：測量通道和參考通道）、窄帶濾光片、氣室、信號放大、控制電路以及光源驅動電路組成。非色散紅外甲烷檢測理論是基于朗伯比爾定律提出的。朗伯比爾定律是分光光度法的基本定律，主要描述物質對某一波長光吸收的強弱與吸光物質的濃度及其液層厚度間的關系，其適用于待測物為氣體或者溶液等均勻物質的情況。根據朗伯比爾定律，當待測氣體進入氣體吸收腔時，測量通道附近的紅外光強度就會呈指數下降。公式表述如下：

式中：I為光通過介質吸收后的出射光強；I0為入射光強（在濃度為零的氣體中即干燥空氣中的出射光強）；K為固定系數，取決于氣體的吸收譜線、濾光片的頻帶寬度；L為光源和探測器之間的光程；C為待測氣體的濃度。由式（1）可以確定氣體濃度C。對于測量通道輸出可以做一個對應的電壓轉換，即

式中：V為在被測氣體中的探測器輸出電壓；V0為在干燥空氣中的探測器輸出電壓。

式（2）就是所謂的吸收率，記為FA。結合式（1）和式（2）得到下式：

由式（3）可知，要想保證光吸收的效果，必須構建出表面十分平整光滑，達到近似鏡面反射的環境，從而提高輸出信號幅度的要求。又根據氣室紅外甲烷檢測系統的特點（如圖1所示），進行了紅外甲烷檢測元件的結構設計（如圖2所示）。

圖1 紅外甲烷檢測系統

圖2 紅外甲烷檢測元件組成結構

2 紅外氣體檢測元件氣室結構設計

利用氣體能夠吸收紅外輻射的特性，需要設計一個腔體，即氣室。紅外光從外界射入氣室內部，進一步輻射到探測器上。如果不考慮任何實際情況，紅外光在通過氣室的過程中不應出現任何衰減，氣室內壁表面近似鏡面。采用圓柱形塑料氣室可以減少對溫度變化的敏感性，這樣就降低了溫度變化對紅外探測器輸出的影響。氣室的CAD結構如圖3所示。

圖3 氣室CAD結構

在氣室彎管上的小圓孔為進光孔，紅外光通過進光孔進入氣室內的彎管，與紅外探測器進行反應。氣室的下半部分的兩個大圓孔分別用來安裝探測器和紅外光源。氣室的上下兩部分通過螺絲來固定。該氣室內部采用鍍膜工藝用金對氣室進行蒸鍍，因此氣室表面近似鏡面，非常光滑，光線在氣室內部的傳輸近似全反射。

3 紅外氣體檢測元件工藝要求

紅外元件的設計考慮到體積小、防銹、防水、防塵、防爆等因素，外殼采用304不銹鋼材質，整體用環氧樹脂灌封，具有耐腐蝕、防潮的作用。紅外元件的電路部分和氣室部分應采用內部隔離式結構設計。

工藝要求如下：

（1）在灌封前1h，先調和環氧樹脂，環氧樹脂及其凝固劑的調和比例為5∶1，并充分調勻。

（2）產品外殼防護等級應符合IP54。

（3）鋼網與外殼之間采用焊接方式，滿圈焊接固定。

（4）防爆性能符合《爆炸性環境 第1部分：設備通用要求》（GB 3836.1—2010）、《爆炸性環境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護的設備》（GB 3836.2—2010）和《爆炸性環境 第4部分：由本質安全型“i”保護的設備》（GB 3836.4—2010）的相關規定。

（5）性能應符合《煤礦用非色散紅外甲烷傳感器》（AQ 6211—2008）的相關要求。

4 研究結論

檢測元件中氣室是紅外光傳輸、氣體擴散的場所，對響應時間、測量精度、抗濕度干擾、抗粉塵干擾有重要影響。光源產生的光譜在氣室內形成反射、折射，光路傳輸路徑及光路長度主要由氣室的光路結構決定，文章將紅外氣體檢測元件光路采用修正的阿基米德螺旋線型紅外光傳輸通道，用光學仿真軟件對紅外光反射測試、傳輸路徑和光強分布進行理論計算，得到最優設計方案，氣室采用精密模具和注塑法制作，保證了氣室加工的精密度及一致性。

此外，氣室采用有機高分子材料制作，耐酸耐堿、溫度穩定性好、抗沖擊力強，但表面不夠光滑，因此氣室表面需做鍍金處理。鍍層表面要求達到鏡面效果，以減小光譜能量的損耗，提高檢測靈敏度。

5 結束語

雖然紅外氣體檢測元件的性能、指標已滿足行業標準要求，但是目前受技術限制，氣室內部氣體擴散與光路光通量的增強改進仍有一定的難度。另外，溫濕度對紅外光譜的影響目前只能通過補償算法進行修正，無法通過技術根除影響，這也是未來紅外氣體檢測元件研究需解決的問題。