基于红外光谱的煤矿新型瓦斯传感器的设计

杨柳（安徽四创电子股份有限公司安防电子事业部，安徽 合肥 230031）

近年来在国内煤矿企业的生产过程中，仍有较多的危险事故发生，而瓦斯爆炸造成的伤亡人数在重大事故的伤亡比例占了50%以上，成为煤矿安全生产的重大障碍之一。所以研制出一种性能稳定、使用寿命高，并且真正实用的新一代光学瓦斯传感器与报警系统，可以有效地克服传统瓦斯监测系统的局限性，运用于矿井内瓦斯气体浓度的实时监测，实现远程监控，提高监测的可控性和准确性，对于工矿的安全运行、人员的生命健康和环境保护都有着重要的意义。

1 红外传感器简介

红外辐射与电磁波都是以波的形式在空气中直线传播，当在大气中传播时，大气层对红外线的不同波长有不同的吸收带，而红外传感器就是利用这一特性完成设计的。红外传感器是一种吸收型、非色散的气体分析仪，当红外光源发出的连续光谱全部透射到气室中时，被测气体则可以通过利用特征吸收波长及其积分特性进行定量和定性的分析[1]。

目前国内外大都运用红外技术的分析仪对气体含量进行精确测量。这是因为红外技术具有以下几个优点：（1）检测选择性好。每种气体都具有唯一的与自身相应的红外特征吸收率。每种气体只吸收和自身对应的红外特征吸收率相同的光谱，它们之间是相互独立，互不影响的。（2）不易被有害气体影响产生中毒和老化。载体催化类仪器在使用过程中当被测气体的浓度值过高并超过测量范围时，容易导致仪器的载体催化元件中毒而失效，从而使测量结果产生严重的偏差。而红外吸收型气体传感器则不存在这方面的问题。（3）稳定性好，响应速度快。红外吸收原理的气体传感器开机后，在相对较短的时间内就可以正常工作。当被测气体的浓度一旦发生变化，检测系统也能在较短的时间内及时地做出反应。并且红外传感系统是采用光信号原理，并不会引起自身检测系统的发热，不易因温度的变化而被影响。（4）防爆性能好。红外吸收检测系统的检测信号采用的是光信号，所需的电压低，不同于以往采用的电信号，在矿井等有混合气体存在的场合内，不易造成燃烧或爆炸。（5）信噪比高，测量精确。基于红外吸收的原理，系统产生的干扰信号小，信噪比高，有用信号明显。且系统还同时具备灵敏度和零点自动补偿的功能，因此会不定时地进行校准[2]。

2 红外吸收型气体传感器的结构和原理

本文选用的是英国E2V公司生产的IR22GJ型红外瓦斯传感器，它采用白炽小灯泡作为红外光源，热释电探测器作为红外探测器；采样气室由铝合金制成，为圆柱体；为了在有限的空间中增加光程，气室的结构会使红外光源发射出的光在气室的内壁多次反射后到达探测器。此红外传感器采用两个探测器的双路信号通道，一路为测量信号通道，一路为参考信号通道，这样可以减少系统的干扰和光源的背景干扰。测量信号通道探测器包括被测气体可以吸收光谱的滤波器，而参考信号通道探测器则包括被测气体不吸收光谱的滤波器。如图1所示。

图1 红外气体探头结构原理图

热释电型红外传感器是一种PZT晶体结构的光电转换器件，当温度发生变化时其表面的电荷极化也随着发生改变。探测器的输出信号会随着红外辐射的突变出现明显的变化，如图2所示。反应时间是指从峰值到稳定的基准值的时间，如果红外辐射持续不变，传感器释放的电荷就会越来越少，内部极化也会慢慢达到平衡，探测器信号也会逐渐回到基准值。

图2 探测信号随红外辐射有规律地变化

热释电型红外传感器只有在红外辐射不断变化的情况下，它的内部温度也会不断变化，从而才会有交变的输出信号，如果红外辐射一直处于稳定的状态，输出的信号则为恒定值。所以在使用热释电型红外传感器时，需要使红外辐射不断变化，才能输出有效的探测器信号，因此需要对红外光源按频率进行相应的调制以满足此需求[3]。

3 红外光谱瓦斯浓度检测传感器的设计

红外瓦斯传感器的总体由五部分组成，分别是：方波驱动电路、敏感元件传感器、放大滤波电路、整流桥电路、单片机。其中核心部分是敏感元件传感器和单片机部分，系统整体结构如图3所示。

图3 红外瓦斯传感器组成图

当被测气体被红外辐射穿过时，气体分子按照朗伯—比尔定律吸收其中的光能，若入射光谱的范围包含了气体的吸收谱线，则当气体中有光辐射通过时，在相应的谱线处会有光强的衰减发生。

基于不同物质对红外辐射的选择吸收性不同的原理，红外传感器首先通过调制模块按一定频率输出正弦脉冲信号来调制红外辐射光源，其发出的具有调制信息的红外辐射将作为探测光，当含有不同波长滤光片的光电探测器接受了经过待测气体区域后的探测光之后将其进行光电转换，转换并处理后的电信号通过单片机进行A/D转换并进行解调与采集，数据通过单片机进行计算，同时单片机也处理测量时的温度信号，进行线性插值、数字滤波以及温度补偿等的相关处理，最终计算出被测气体的浓度值[4]。

敏感元件的光路模型图如图4所示。通电后，钨丝发出的红外光在气室中传输，测量光（实线）和参比光（虚线）在气室内经过多路折叠，最后照到测量端探测器和参考端探测器上。经过测量光滤光片的红外光通过甲烷气体到达测量端探测器后会有较为明显的吸收现象，经过参比光滤光片的红外光到达参考端探测器后基本上没有变化。

图4 红外吸收瓦斯传感器光路模型

红外光源选用钨质细短的白炽灯丝。给两个探测器都提供4 Hz的脉动光源输入，可以对比出有吸收和没有吸收的不同情况，从而排除受到外部光线的干涉，并将两个探测器上产生的直流偏移滤去。在热释电型探测器上发生的热量变化会转化为电压信号从引脚输出，由于测量光与参考光是在同一个环境下产生的，所以被测气体的浓度值可以通过取得两者的电位差进行比较而得到。

单片机部分在系统中的功能主要包括模数转换和气体浓度计算，本文选用的单片机为CC2430芯片。

对CC2430的ADC模块控制主要是对ADCCFG寄存器进行配置，对要采集的通道进行选择。随后对ADCON2序列采集模式寄存器进行初始化，选择序列采集的结束通道号，对ADCON3额外单次采集控制寄存器进行初始化，选择额外采集的通道号。模数转换的程序流程图如图5所示。

图5 模数转换程序流程图

气体浓度计算可通过朗伯-比尔（Lamber-beer）定律得出，其内容是，当有一束能量为I0的单色光入射时，通过波长为L的气体介质吸收后，不考虑散射的情况，其透射光强表示为：

透射光强 I（λ）与气体浓度 C、气体吸收系数 μ（λ）和路径长度L都具有相应的函数关系[5]。被测气体的属性、传感器的特点等都决定了气体的吸收系数，一般通过实验来求得。当待测气体的浓度越大时，气体的吸收系数就会越大，从而气体穿过的有效路径就越长，气体吸收越充分，能量衰减程度就越严重。

4 系统的实验及测试

气体检测平台如图6所示。

图6 气体检测实验平台

为了观察红外瓦斯传感器IR22GJ的输出信号在经过模数处理后的信号，在自建的实验平台下，做了相应的示值对比实验，主要是为了验证LCD液晶显示的甲烷浓度值与实际浓度值的相对误差关系。

将传感器IR22GJ放置于特制的塑料密闭盒中，让浓度为2.5%的甲烷气体通入塑料盒，放置5 min后，记录直接读取到的甲烷气体浓度值。再分别对塑料盒中通入浓度为3.5%和5%的甲烷气体，进行以上相同的实验步骤，得到一组实验结果，将真实值与实验值进行比对，实验结果如表1所示。

表1 真实值与测量值的比较

根据表1的结果，按照下式计算出示值的相对误差η为：

式中，Cy表示系统显示值；Cx表示实际气体浓度；M表示测试范围。实验中M=5%，由表1的实验数据可计算出值，系统示值的相对误差大约为2.6%。

本文给出了红外吸收型甲烷浓度检测系统的硬件及软件实现方案。设计了合理的传感器调制电路以及放大滤波电路，将红外辐射转化为电压信号输出，完成了数据计算、存储、数模转换以及实时显示等功能；利用C语言及汇编语言编程，实现单片机各模块功能。搭建了气体测量环境平台，完成了红外吸收型瓦斯浓度检测系统的实验及测试。验证了LCD液晶显示的甲烷浓度值与实际浓度值的相对误差关系。但由于实验条件有限，实验结果误差较大，需要进一步改善实验环境和优化系统，尽量减少外界影响带来的误差。

[1]罗勇，毛晓波，黄俊杰.红外检测瓦斯传感器的设计与研究[J].仪表技术与传感器，2007（8）：4-5.

[2]NAWROCKI W.Measurement systems and sensors[M].Artech House Publishers，2005：321-333.

[3]林玉池，曾周末.现代传感技术与系统[M].北京：机械工业出版社，2009：1-5.

[4]周杏鹏，仇国富，王寿荣.现代检测技术[M].北京：高等教育出版社，2004：5-8.

[5]周杏鹏.传感器与检测技术[M].北京：清华大学出版社，2010：166-232.