基于中红外LED的CO2差分检测技术

钟德辉，高致慧，陈子聪，杨 勇，林伟豪，曹 志

(深圳大学电子科学与技术学院，广东深圳518060)

1 引言

众所周知，CO2是大气的重要组成部分之一，与我们的生产和生活密不可分。随着科学技术的进步和社会的广泛发展，CO2气体对工农业生产和日常生活及自然环境的影响越来越大。农业上适时调节CO2气体的浓度可以使光合作用时间延长，从而使作物产量提高;工业上煤矿中毒和CO2沉积窒息事件成为各大煤矿亟待解决的问题;环境上CO2是温室效应，全球气候变暖等问题的罪魁祸首［1］。因此，研究二氧化碳检测系统具有十分重要的意义。

检测CO2的方法多种多样，近年来发展广泛的方法是红外光谱吸收法，以此原理制作的气体检测仪具有精度高，选择性好，性能稳定等特点。差分吸收检测技术是红外检测方法其中一种重要的方法。其基本原理是通过待测信号和参考信号两路信号强度的差别来确定待测气体的浓度。差分吸收法可以通过单波长法和双波长法两种方法来实现。本系统采用双波长法［2］。

2 原理

2.1 红外光谱吸收原理

当红外光通过待测气体时，不同的气体对特定波长的红外光具有不同的吸收作用，通过检测红外光的强度的变化来检测气体的浓度。待测气体对红外光的吸收服从朗伯－比尔定律，其表达式如下:

式中，I0为入射光强;I为出射光强;C为待测气体浓度;L为光程;Kλ为吸收系数。由(1)式可推出:

对于一个完整的系统，Kλ和L是固定的，只需要测出I0和I的差别就可以推算出待测气体浓度C的大小。

2.2 双波长差分吸收法

两种不同波长的红外光通过充满被测气体的气室，波长λ1为待测气体的强吸收波长，波长λ2为待测气体的弱吸收波长，由于光路的多种干扰因素影响，朗伯－比尔定律可以修正为:

其中，α( λ)为系统干扰参数。

仅从式(3)确定气体浓度C是困难的，因为α( λ)是一个随机变量。为了消除 α( λ)项，选用双波长法。

两波长分别为λ1和λ2的红外光通过气室时，可得:

两波长λ1和λ2尽可能靠近且几乎同时通过待测气体时，可以近似认为 α( λ1)=α ( λ2)，由式(4)、式(5)可推出:

适当调节光学系统，使I0( λ1)=I0( λ2)，则式(6)简化为:

从式(7)可看出，相对于式(2)，通过增加参考波长，将式(2)朗伯－比尔定律中单波长入射和出射光强的比值，转化为两波长的出射光强比值。说明差分吸收法在理论上消除了光路缺陷带来的误差，提高了系统的灵敏度［3］。

2.3 相关检测技术

系统运用相关检测技术，通过对待测信号和参考信号的互相关运算，解调出所需要的微弱信号，抑制和消除噪声。

待测信号中的有用信号与参考信号互相关，通过乘法运算和积分平均后，得到有效数值。反之，待测信号中的噪声与参考信号不相关，最终输出为0。系统中把光源调制成周期信号，并予以参考信号，通过这一检测方法，能有效提高系统的信噪比。

实验中相关检测是通过锁相放大器来实现。

图1 相关检测原理

3 实验部分

根据HITRAN数据库，CO2在近红外和中红外区域都有吸收带［4］。其中近红外1.57 μm附近的合频带，刚好落在光纤通信的一个窗口处，可以采用光纤传感的方法来实现。中红外4.26 μm附近的吸收谱线要比近红外区的谱线强度大约4～5个数量级。根据朗伯比尔定律，相应的最小可探测灵敏度可提高4～5个数量级［5］。本系统采用中红外波长的光源来检测CO2的浓度。图2为CO2在中红外4.26 μm附近的吸收线强。

图2 二氧化碳在1000～6000 nm的吸收线强

中红外光源常见的有宽带热红外光源、中红外量子级联激光器、中红外LED。热红外光源可发出从可见波段到中红外波段的光，有良好的选择性，但是发热量大，能量利用率低，响应慢;中红外量子级联激光器，光束集中能量大探测灵敏度高，但价格昂贵。中红外LED光源光谱能量集中，稳定性好，价格低廉，而随着技术不断进步和工艺不断提高，中红外LED已逐渐应用于气体检测。本系统采用中红外LED作为光源。

系统框图如图3所示。探测光源选用的是对CO2有强吸收波长的 LED43，中心波长约为4.26 μm，如图4所示。参考光源选用的是对CO2吸收极弱的LED38，中心波长约为3.75 μm。LED通过驱动电路的电流控制和振荡电路控制，将光源调制成16 kHz的调制光信号，同时为锁相放大器提供相同频率的参考光信号。

图3 双波长双光路CO2差分检测系统框图

图4 4.26 μm中红外LED吸收光谱

气体系统由气室、气体(N2和CO2)、压力表和真空泵组成，可配比不同浓度的CO2。

4 实验结果

单波长和双波长两个实验结果的对比。

单波长实验在单光路系统中，充入待测气体和背景气体，对0～10%的CO2进行检测，通过分时差分的方法得到实验结果［6］。其最小检测浓度为1%左右。

表1 单波长差分法实验数据

双波长实验对0～1%的CO2进行检测。通过检测LED43和LED38的输出电压，求出CO2浓度与信号比的对数值的关系，如表2所示。

表2 双波长差分法实验数据

通过数据处理，可得到CO2浓度拟合曲线图，如图5所示。

图5 二氧化碳浓度拟合曲线

通过对比双波长法和单波长法可以看出，双波长实验最低检测浓度为0.05%。双波长法比单波长法在检测灵敏度上提高了一个数量级。

通过对系统的示值误差分析，实验结果与理论符合，具有较好的实用性(示值误差=|实际值－计算值|/量程)。

表3 双波长实验误差分析

5 总结

本文主要研究了基于中红外LED的CO2差分检测技术，通过单波长差分法和双波长差分法的对比实验，得出双波长差分法测量精度为0.05%，比单波长差分法提高了一个数量等级。系统示值误差约为±0.5%，误差相对于单波长实验进一步减小。

［1］ Han Xiangyu，Lu Zhaofang.Green-house effect and greenhouse gases monitoring［J］.Analytical Instrumen-tation，2011，6:72 －74.(in Chinese)韩香玉，卢照方.温室效应和温室气体监测［J］.分析仪器，2011，6:72 －74.

［2］ Xu Liming.Differential optical absorption line measuring harmful gas research［D］.Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China，2010.(in Chinese)徐理明.差分光学吸收在线测量有害气体研究［D］.成都:电子科技大学，2010.

［3］ Wang Xiaodong.The intelligent analyzer of CO2concentration Design based on infrared absorption［D］.Zhengzhou:Zhengzhou University，2010.(in Chinese)王晓东.基于红外吸收型CO2浓度分析仪设计［D］.郑州:郑州大学，2010.

［4］ http://savi.weber.edu/hi_plot/.Hitran Database.

［5］ Li Li，Zhang Yu，Song Zhenyu，et al.Application of infrared spectroscopy in gas sensing［J］.Infrared，2007，1672 －8785.(in Chinese)李黎，张宇，宋振宇，等.红外光谱技术在气体检测中的应用［J］.红外，2007，1672 －8785.

［6］ Chen Zicong，Gao Zhihui，Cao Zhi，et al.Research on CO2gas concentration test system based on mid-infrared LED［J］.Laser＆ Infrared，2012，42(11):1001 － 5078.(in Chinese)陈子聪，高致慧，曹志，等.基于中红外LED的CO2气体浓度检测系统研究［J］.激光与红外，2012，42(11):1001－5078.