楊清永 王海超 張朋

摘 要：隨著光譜成像技術(shù)的發(fā)展，光譜學(xué)方法發(fā)展日趨迅速，相比于傳統(tǒng)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(tài)等優(yōu)點(diǎn)，適用于現(xiàn)場快速檢測和連續(xù)實(shí)時(shí)在線分析，成為各國研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。介紹了一種具有開放氣室的實(shí)時(shí)紅外氣體檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)由Silicon Lab C8051F060單片機(jī)控制，選用MEMS紅外光源和光電二極管紅外探測器，依據(jù)相關(guān)檢波基本原理設(shè)計(jì)了信號調(diào)理電路。

關(guān)鍵詞：開放氣室;實(shí)時(shí);紅外氣體檢測系統(tǒng)

前言

傳統(tǒng)氣體檢測主要是人工采樣和預(yù)處理采樣。傳統(tǒng)化學(xué)測量方法，包括化學(xué)反應(yīng)方法、電化學(xué)法、色譜及質(zhì)譜相關(guān)技術(shù)，都屬于人工采樣的方式。人工取樣后，將試樣進(jìn)行分離、富集和掩蔽，通過特定的化學(xué)反應(yīng)或計(jì)量關(guān)系，只能在實(shí)驗(yàn)室對氣體進(jìn)行分析，或進(jìn)行現(xiàn)場初步定性定量的分析。預(yù)處理采樣是將預(yù)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(xué)探頭（紅外或紫外探頭）來測量氣體的濃度。由于傳統(tǒng)氣體傳感器的接觸性原理，使其難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離精確測量，且大多數(shù)傳統(tǒng)氣體傳感器（電化學(xué)氣體傳感器、PID氣體傳感器等）只能對目標(biāo)氣體進(jìn)行單點(diǎn)監(jiān)測，難以滿足大范圍實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測。

1 氣體光學(xué)檢測技術(shù)分類

現(xiàn)有氣體光學(xué)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(shí)現(xiàn)的，待測氣體與背景之間不需要溫差，信噪比高，穩(wěn)定性好;但是由于配有激光光源等設(shè)備，使得其體積重量較大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

被動式氣體檢測不需要光源，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，根據(jù)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(yuǎn)距離探測能力強(qiáng);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(yù)熱時(shí)間，而且采用復(fù)雜的機(jī)械斬波器進(jìn)行調(diào)制。隨著材料和工藝技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型紅外光源，可以用脈沖電流或電壓方式進(jìn)行快速調(diào)制。系統(tǒng)使用MEMS光源，發(fā)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(qū)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(dǎo)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(gè)重要指標(biāo)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(yīng)快。熱電型探測器受環(huán)境溫度影響大，響應(yīng)慢。系統(tǒng)采用紅外光電二極管探測器，D*為3.2×109cmHz1/2W-1，20～80°C內(nèi)的溫度穩(wěn)定性好，響應(yīng)快。探測器為多層膜結(jié)構(gòu)，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(tǒng)都配有封閉、內(nèi)壁鍍紅外反射膜的氣室，有進(jìn)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(tǒng)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(diào)理設(shè)計(jì)

2.1相關(guān)檢波的基本原理和簡化實(shí)現(xiàn)

輸入信號和參考方波相乘，然后低通濾波。光源調(diào)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(guān)檢波器的穩(wěn)態(tài)輸出值為V0=2Vcos（|α-β|）/π。當(dāng)方波和輸入信號同相位時(shí)，輸出達(dá)到極大值。

相關(guān)檢波器在特定情況下可以簡化實(shí)現(xiàn)。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(guān)檢波器的處理過程完全類似。

2.2信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)和分析

單片機(jī)控制光源的調(diào)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(zhuǎn)換得到電壓信號，進(jìn)行濾波、整流等環(huán)節(jié)后輸入AD.運(yùn)放是電路中的關(guān)鍵元件，根據(jù)各級的功能需要，選擇性能和價(jià)格合適的運(yùn)放，并且使用低溫漂的RC元件。在運(yùn)放反相端和輸出端跨接一個(gè)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(yùn)放的閉環(huán)帶寬會下降，在閉環(huán)帶寬和信噪比之間尋求平衡。加入電容C也會限制運(yùn)放閉環(huán)帶寬，但可降低高頻噪聲。系統(tǒng)使用TI公司的運(yùn)放OPA350，它適合于電池供電系統(tǒng)。

采用RC和運(yùn)放構(gòu)成有源濾波器，成本低，結(jié)構(gòu)靈活。首先用Matlab設(shè)計(jì)濾波器頻域參數(shù)，接著用Filter Wiz Pro軟件確定最佳濾波器結(jié)構(gòu)和RC初始值，然后PSPICE仿真、優(yōu)化RC參數(shù)，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)。運(yùn)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(gè)級連。

此外，將信號調(diào)理電路屏蔽避免了環(huán)境的電磁輻射噪聲。電路中的模擬和數(shù)字部分使用不同的穩(wěn)壓芯片，適當(dāng)?shù)陌卜湃ヱ铍娙荩侠聿季?、布線、接地，避免了數(shù)字信號對模擬信號的干擾。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

在室溫環(huán)境下，固定氣室長度為10cm，光源調(diào)制頻率為16Hz，分別對乙醇?xì)怏w和甲烷氣體進(jìn)行了測量。設(shè)氣體體積分?jǐn)?shù)為C時(shí)，信號調(diào)理電路輸出信號（以下簡稱輸出信號）的均值為Mc，標(biāo)準(zhǔn)差Std，相對標(biāo)準(zhǔn)差δ=Std/Mc.相對標(biāo)準(zhǔn)差反映了系統(tǒng)的信噪比。

乙醇的體積分?jǐn)?shù)范圍0～9×10-4。乙醇的最低檢測體積分?jǐn)?shù)為5×10-5，相對標(biāo)準(zhǔn)差不超過0.35%，在低的體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，輸出信號和體積分?jǐn)?shù)近似成線性關(guān)系。

甲烷的體積分?jǐn)?shù)范圍0～1×10-2。甲烷的最低檢測體積分?jǐn)?shù)為1×10-4，相對標(biāo)準(zhǔn)差不超過0.38%，在較大的體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，輸出信號和體積分?jǐn)?shù)近似成指數(shù)關(guān)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(biāo)準(zhǔn)差為0.23%，說明波動較小。由于光源調(diào)制頻率達(dá)到了16Hz，不僅有效避免低頻噪聲，還使得系統(tǒng)能夠較快的響應(yīng)氣體濃度變化。隨著光源調(diào)制頻率的提高，光源的發(fā)光功率減小，16Hz頻率較適中。為了測量系統(tǒng)的響應(yīng)速度，將氣室封閉，留有進(jìn)氣口和出氣口。使用質(zhì)量流量控制器和電磁閥產(chǎn)生濃度急劇變化的氣體脈沖，通入氣室。

4 結(jié)束語

介紹了一種具有開放氣室的實(shí)時(shí)紅外氣體檢測系統(tǒng)，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(tǒng)響應(yīng)快、實(shí)時(shí)性好。選用了電調(diào)制的MEMS紅外光源，省去了復(fù)雜的機(jī)械斬波器;而恒定電功率的脈沖電流源使得光源發(fā)光功率穩(wěn)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(shè)計(jì)的信號調(diào)理電路替代了相關(guān)檢波器，簡單可靠、成本低。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)具有較高的信噪比和靈敏度。

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