馬素艷

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030024）

引言

一氧化碳是導(dǎo)致煤礦爆炸和火災(zāi)的有害氣體，當(dāng)空氣中一氧化碳的濃度大于12%時，且在特定條件觸發(fā)的情況極易發(fā)生爆炸。同時，一氧化碳?xì)怏w在大氣化學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測以及工業(yè)生產(chǎn)中可作為示蹤物使用；而且一氧化碳?xì)怏w作為生理信使在醫(yī)學(xué)上也發(fā)揮著不可替代的作用。因此，不論在哪個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對一氧化碳?xì)怏w的精準(zhǔn)、快速的檢測意義重大[1]。目前，電化學(xué)型、半導(dǎo)體型以及催化燃燒型一氧化碳檢測裝置存在精度低、量程小以及零點(diǎn)漂移大等問題，急需設(shè)計一套高精度、量程大的監(jiān)測裝置。本文將基于紅外氣體檢測原理設(shè)計一套可檢測一氧化碳的裝置。

1 紅外氣體檢測原理與技術(shù)研究

紅外光譜技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于對物質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探查。通過紅外光譜技術(shù)對氣體的濃度進(jìn)行探查。

1.1 分子光譜理論研究

從物理學(xué)層面分析，氣體從分子的角度分析可總結(jié)為三種狀態(tài)，包括有電子圍繞原子核的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，分子圍繞一個軸的進(jìn)行旋轉(zhuǎn)以及分子在其原子核的平衡位置進(jìn)行有規(guī)律的振動。從能量角度分析，處于不同運(yùn)動狀態(tài)的分子其所蘊(yùn)含的能量大小不同[2]。在紅外區(qū)域，不同氣體對應(yīng)的吸收光譜不同。由于不同氣體的振動頻率不同，導(dǎo)致不同氣體對應(yīng)的吸收光譜不同。也就是說，不同氣體所能夠吸收光譜的能量大小不同；根據(jù)某種氣體所吸收光譜的能力對氣體進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

1.2 一氧化碳?xì)怏w的紅外吸收光譜研究

氣體吸收紅外光譜實(shí)際上是氣體分子能量躍遷表現(xiàn)的形式。對于一氧化碳?xì)怏w而言其有三個吸收譜帶，分為處于2 150 cm-1的強(qiáng)吸收譜帶和處于4 347 cm-1和6 410 cm-1的弱吸收譜帶。但是，在不同吸收譜帶上對應(yīng)的光譜特性存在差異，選擇一個光譜特性獨(dú)特的吸收譜帶對于可精確對氣體的檢測尤為重要[3]。

綜合分析一氧化碳在上述三個吸收譜帶對應(yīng)的光譜特性；當(dāng)譜帶吸收強(qiáng)度較大時可減少其他氣體分子對其造成的干擾。因此，采用處于2 150 cm-1的強(qiáng)吸收譜帶作為一氧化碳?xì)怏w濃度檢測的理想譜帶。

目前，基于紅外吸收光譜原理的檢測檢測技術(shù)包括有NDIR 光譜檢測技術(shù)、長光程光譜檢測技術(shù)、波長/頻率調(diào)制光譜檢測技術(shù)、腔增強(qiáng)光譜檢測技術(shù)以及光聲光譜檢測技術(shù)。上述光譜檢測技術(shù)在可選用的紅外光源類型、可選用紅外探測器的類型以及檢測靈敏度等方面存在一定的差異。

2 一氧化碳?xì)怏w檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)光源的不同可將一氧化碳?xì)怏w檢測系統(tǒng)分為基于脈沖式量子級激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)和基于連續(xù)式量子級聯(lián)激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)。本節(jié)將分別完成上述兩種CO 氣體檢測系統(tǒng)的設(shè)計，并對其性能進(jìn)行測試。

2.1 基于脈沖式量子級激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)的設(shè)計與測試

基于脈沖式量子級激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)包括有光學(xué)部分、電氣部分和配氣部分。該CO 氣體檢測系統(tǒng)中的光學(xué)部分是參照直接光譜吸收技術(shù)設(shè)計的，在脈沖式量子級激光器中集成熱敏電阻和TEC。光學(xué)部分的核心為不銹鋼氣室，在不銹鋼氣室內(nèi)部安裝多個鍍金反射鏡[4]。結(jié)合實(shí)際需求，設(shè)計光學(xué)部分中不銹鋼氣室的長度為147 mm，氣室罐體的外部直徑為67 mm，整體容積為510 mL。其中，在不銹鋼氣室內(nèi)部包括有進(jìn)光孔、出光孔、進(jìn)氣孔和出氣孔。其中，進(jìn)光孔和出光孔的直徑為4 mm，進(jìn)氣孔和出氣孔的直徑為6 mm。鍍金反射鏡的關(guān)鍵參數(shù)，如下頁表1 所示。

表1 鍍金反射金主要技術(shù)參數(shù)

電學(xué)部分主要根據(jù)檢測需求完成關(guān)鍵元器件的選型。前置放大器的型號為MCT-1000；帶通濾波器的型號為OPA637；鎖相放大器的型號為AD630。

基于脈沖式量子級激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)的精度驗(yàn)證結(jié)果，如圖1 所示。

圖1 基于脈沖式量子級激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)的精度測試結(jié)果

如圖1 所示，當(dāng)CO 濃度（體積分?jǐn)?shù)，下同）低于100×10-6時，采用脈沖式量子級激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)的相對誤差較高，即精度較差；而當(dāng)CO 濃度高于100×10-6時，采用脈沖式量子級激光器的CO氣體檢測系統(tǒng)的檢測精度可以控制在±4%之內(nèi)。

2.2 基于連續(xù)式量子級聯(lián)激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)的設(shè)計與測試

同樣，基于連續(xù)式量子級聯(lián)激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)也包括有光學(xué)部分、電氣部分和配氣部分。

對于光學(xué)部分而言，與基于脈沖式量子級激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)不同的是：基于連續(xù)式量子級聯(lián)激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)采用多次反射氣室，該多次發(fā)射氣室的規(guī)格尺寸為400 mm×50 mm×25 mm。其中，進(jìn)光孔和出光孔采用標(biāo)準(zhǔn)接口；進(jìn)氣孔和出氣孔的直徑為6 mm；而且，為其所配置鍍金發(fā)射鏡直徑為25.4 mm，剩余的厚度和反射率的參數(shù)與脈沖式的一致[5]。

對于電氣部分而言，與基于連續(xù)式量子級聯(lián)激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)所配套的前置放大器的型號為LT1028，差分變換計算采用的芯片為AD620，正交鎖相放大器的芯片型號為HEF4046。

基于連續(xù)式量子級聯(lián)激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)的精度測試結(jié)果，如圖2 所示。

圖2 基于連續(xù)式量子級聯(lián)激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)的精度測試結(jié)果

如圖2 所示，當(dāng)CO 濃度低于2×10-6時，采用連續(xù)式量子級激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)的相對誤差較高，即精度較差，相對誤差低于17%；而當(dāng)CO 濃度高于2×10-6時，采用連續(xù)式量子級激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)的檢測精度可以控制在±1%之內(nèi)。

3 結(jié)語

一氧化碳?xì)怏w在醫(yī)療中的生命科學(xué)研究、大氣環(huán)境保護(hù)、安全環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域均扮演著十分重要的角色。但是，傳統(tǒng)眾多的一氧化碳濃度檢測系統(tǒng)存在精度低、零點(diǎn)偏移量大且量程小的問題。為此，本文基于紅外氣體檢測原理的紅外光譜吸收技術(shù)設(shè)計了基于連續(xù)式量子級聯(lián)激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)和基于脈沖式量子級激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)。通過測試可知，基于連續(xù)式量子級聯(lián)激光器的CO 氣體檢測系統(tǒng)具有更高的檢測精度，但是其量程小。