红外吸收型气体传感器

-1-红外吸收型气体传感器-2-1引言众所周知，气体与我们的日常生活紧密相关，随着科学技术的进步和人民生活水平的不断提高，气体检测在人们日常生活、农作物种植、化工行业、资源开发以及环境保护等方面的作用越来越大。从而对气体检测方法的研究也越来越重要，基于红外吸收型原理的气体检测方法具有可检测多种气体、使用寿命长、体积小、安全性高、稳定性好等优点。因此对基于红外吸收原理的气体检测系统的研究具有重要的实际意义。2原理分析2.1红外光谱法红外光谱法吸收法是利用不同气体具有自己独特的分子结构，对红外光具有特定吸收谱这一特性来实现的，也即是不同的气体对某一特定波段的红外光具有吸收能力。而这个特定波段红外光就称为该气体的红外吸收峰，不同的气体的红外吸收峰是不一样的，即使在混合气体环境中各气体之间的红外吸收也不会相互干扰。这种性质不会因外界条件的改变的改变而改变，某一待测气体吸收的能量大小与该气体在红外光区内的浓度有关，浓度越大吸收能量越多。可以利用这一特性来对物质进行定性和定量分析。因此，可以通过检测红外光的强度的变化来检测气体的浓度。图1不同气体的吸收光谱图Fig.1Theabsorptionspectrumofdifferentgases2.3Lambert-Beer定律当红外光通过气体时，在相应频率处就会产生能量衰减，而能量的衰减程度又与气体浓度大小有关，通过分析红外光的衰减程度，即可推算出待测气体浓度。待测气体对红外光的吸收服从Lamber--Beer定律。入射光强度I和出射光强度I’关系表达式如下：I’(λ)=I(λ)exp(-KCL)(1)I’(λ):出射光强度I(λ):入射光强度K:比例系数C:待测气体浓度L:红外光透过气体的厚度对于一个固定的气体室来说，K和L的值是确定的。其适用范围为：(1)吸光质点之间无相互作用。(2)吸光物质为均匀非散射体系。(3)辐射与物质之间的作用仅限于光吸收，无荧光和光化学现象发生。2.4基本测量方法-3-红外光谱吸收气体浓度检测的基本方法主要分为：直接吸收检测法、差分检测法。差分检测法又分为：单波长双光路法和双波长单光路法。直接吸收检测法：这是一种最简单的红外吸收检测方法，将待测气体直接通入气室内，当红外光源发出的红外光通过气室时，用红外探测器检测光强前后的变化，在没有通入待测气体时检测红外光的强度I，通过待测气体时检测红外光的强度I’，通过计算前后光强的差值来确定待测气体的浓度。基本检测流程框图如图2所示图2直接吸收检测法基本流程框图Fig.2Thebasicflowchartofdirectabsorptionmethod这种方法简单、易做。但是系统光路和电路中，光源的不稳定，环境(振动和温度)的影响，电路中元器件的漂移都会不同程度的降低系统的检测灵敏度。检测精度比较低。单波长双光路法：基本原理如图3所示，红外光被分成两束光分别进入检测气室和参考气室。参考气体室内一般装入的是不含待测气体的空气。因为通入气体室的红外光来自同一光源，并且检测通过气体室后的红外光强的传感器特性相同，所以由于红外光源的波动、温度漂移、器件的漂移等因素对两路实验的影响是相同的，待测气体的浓度的大小与二者的比值成正比，这样以上因素对两路信号的影响就抵消掉了，降低了测量的误差，从而提高了检测结果的准确性。图3单波长双光路法基本流程框图Fig.3Singlewavelengthdoublebeammethodbasicflowdiagram由Lamber-Beer定律可知)exp()()()exp()()(''0201LKCIIKCLII(2)C’为参考气体室中待测气体的浓度，所以C’=0.两个气体室的红外光由同一光源发出，并且通过气体室前的光强相同，即)()('00II(3)则由式(2)中两式相比可得-4-)()(ln112IIKLC(4)但是对于单波长双光路来说，必须保证两条光路严格的可参比性，对元器件的要求很高，两套光路、电路的差异无法真正消除，单波长光源的发光光谱带宽要小，中心波长会随温度升高而变化，要严格控制光源的外壳温度及内核温度，使光源波长与吸收峰对准，此方案的精度不高。双波长单光路法：基本原理如图4所示，两种不同波长的红外光通过充满被测气体的气室。经过参考滤光片后的光气体不吸收，经过测量滤光片后的光为强吸收波长。由于两路光通过同一光路，所以外界影响相同，相对单波长双光路法更精确。图4双波长单光路法基本流程框图Fig.4Dualwavelengthsinglebeammethodbasicflowdiagram综合以上论述，我们采用双波长单光路法。2.5传感器结构设计图5是传感器的结构简图。图中防尘罩主要作用是过滤气体中的颗粒物，以免影响测量结果。其中红外探测器分为参考端和测量端。图5传感器结构图Fig.5Sensorstructurediagram3甲烷浓度检测仪3.1系统设计1、气室长度为了提高传感器的灵敏度，需要尽量增加气室的长度，以保证红外辐射被气体充分吸收，然而随着气室长度的增加，探测器输出的强度也逐渐减小。考虑到上述两方面的要求，气室的长度定为4cm。2、光源选择德国PerkinElmer公司的IRL715中红外光源,是一种白炽灯泡，它发出的光覆盖可见光到4.4μm的波段，由于甲烷在3.3μm附近存在强吸收峰，所以它适合作为红外甲烷气体传感器的红外辐射激励源。光源参考滤光片测量滤光片气室探测器数据采集处理-5-直径只有3.17mm，采用玻璃封装，额定工作电压为5V额定电流为115mA。3、红外探测器的选择根据能量转换方式，红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类。光子探测器具有波长的选择性，光谱响应范围比较小，单一种类的光子探测器不太适合多波段红外光的测量。热释电探测器具有探测率高、频率响应范围宽、响应速度快等优点，因此甲烷传感器采用双光路热释电探测器PYS3228。PYS3228是具有参考通道和测量通道的双路热释电探测器。其内部集成了两个将红外辐射能量转化为电压信号的焦热电元件，在封装外壳开了两个窗口，在两个焦热电元件前分别装配了两个窄带滤光片，中心波长分别为3.39μm和4μm。3.2硬件电路红外吸收型甲烷浓度测量仪以美国微芯公司的PIC16F877单片机为控制核心。整体电路主要以下几部分组成：MCU、系统电源电路、光源驱动电路、基本放大电路、驱动显示电路ZLG7290、声光报警电路、人机接口电路和光源驱动电路。如图6所示。图6硬件电路框图Fig.6Hardwarecircuitdiagram光源驱动电路：采用555定时器发出1Hz的方波来驱动光源。图7光源驱动电路Fig.7Thelightsourcedrivingcircuit通信电路：在要求通信趾离为几十米到上千米时，广泛采用RS一485串行总线标准。RS一485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至20OmV-6-的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。3.3软件设计主要为：驱动程序、显示程序、数据处理程序、仪表功能程序。图8系统软件结构图Fig.8Thesystemsoftwarestructurediagram否是否是否是图9程序流程图Fig.9Programflowchart主程序驱动程序显示程序数据处理程序仪表功能程序光源驱动显示驱动字库菜单显示数据采集数据处理数据输出参数查阅时间设定屏幕校准开始初始化采样是否中断数据转化为浓度输出显示是否达到报警界限声光报警显示浓度中断返回修改界限是否修改报警界限-7-4实验分析4.1系统零点标定实验使用纯氮气进行零点标注。向气室内通入一定时间的氮气后，气室内的甲烷气体浓度将会变为O，此时的传感器输出电压值即为仪器的零点电压值，将此电压值存入系统存储器内，供数据处理调用。4.2系统重复性实验所谓重复性是指在相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性。在同一标气和环境温度条件下对该分析仪进行重复性分析。采用2%的甲烷标准气体通入检测气室，等待系统运行正常的情况下，每分钟一记录一次数据，连续记录十组数据。具体数据如表1所示。表1重复性试验数据Tab.1Repeatthetestdata十次测量平均值：011.210...1021xxxx(5)1)()(12nxxxnii(6)把测量数据代入得到标准差值等于0.0195,正态分布值均匀，仪器测量重复性好，满足实际测量要求。4.3系统准确性实验选用几种不同浓度的标准甲烷气体(0一5%)来检测该仪表的准确度，如下表所示为同一温度环境下不同浓度的标准甲烷气体测量数据表。表2准确性实验数据Tab.2Theaccuracyofexperimentaldata从上表可以看出，系统绝对误差最大值为0.04，相对误差最大值为0.9%，满足气体检测仪性能指标的要求。-8-5结论本文在红外吸收原理的基础上总结国内外的研究经验，设计了红外吸收型气体传感检测系统，并且以甲烷浓度分析仪为对象作了具体介绍。简要介绍了几种测量方法及各自优缺点，最终选择了单波长双光路法。经过反复实验验证，证明该红外吸收型气体传感系统满足设计要求，在精度、使用寿命、准确度上均达到理想效果。并且整体系统还具有功耗低、操作简单等优点。参考文献：[1]王晓东.基于红外吸收型二氧化碳浓度分析仪设计[D].郑州:郑州大学,2010[2]梁永直,李卯东,夏路易,王正.红外甲烷传感器检测中的算法研究[J].仪表技术与传感器,2012,(11)[3]张静.基于红外吸收原理的甲烷浓度检测仪[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008[4]马丽娟.矿用二氧化碳传感器设计[J].煤矿安全,2005[5]王文义.二氧化碳气体浓度的光谱检测[D].长春:吉林大学,2002[6]田学杭.基于红外吸收的光纤一氧化碳传感系统的研究[D].北京:华北电力大学,2007[7]邓勃.原子吸收光谱分析的原理、技术和应用[M].北京:清华大学出版社,2004[8]T.Yoshika,N.Mizuno,M.lwamoto,La2O3-loadedSnO2elementasaCO2gassensor,Chem,Left,1991[9]甘宏等.便携式非分光红外吸收型CO2传感器[J].桂林电子科技大学学报,2007,(1)[10]陈冬云等.ATmegal128单片机原理与开发指导[M].北京:机械工业出版社,2003[11]陈永甫.红外探测与控制电路[M].北京:人民邮电出版社,2004[12]刘永平.红外技术在煤矿井下测温和测气中的应用[J].红外技术,2000,22(4)[13]刘敏.红外吸收型煤矿甲烷检测仪的研制[D].大连:大连理工大学,2006[14]NakamotoT,OkazakiN,MornzumiT.Highspeedactivegas/odorsensingsystemusingadaptivecontroltheory.SensorsandActuatorsB.2000,(62)[15]YanfengWang,MasakatsuNakayama,MikikoYagi.etal.TheNDIRCO2MonitorWithSmartInterfaceforGlobalNetworking.TransactionsonInstrumentationandMeasurement,2005,(4)[16]凌志浩.智能仪表原理与设计技术[M].上海:华东理工大学出版社,2003[17]张宇.甲烷中红外检测系统结构设计及实验研究[D].长春:吉林大学,2007[18]王汝霖.矿井瓦斯传感器的近代研究方法及方向[J].煤矿自动化,1998,(4)[19]王书涛,车仁生,王玉田等.光纤甲烷气体传感器的研究[J].仪器仪表学报,2006,(10)[20]王君,凌振宝.传感器原理及检测技术[M].长春:吉林大学出版社,2003