基于红外光声光谱的气体检测系统设计

钱 旭， 程明霄， 王雪花， 赵天琦

(1.南京工业大学 自动化与电气工程学院，江苏 南京 210009；2.南京灼徽检测技术有限公司，江苏 南京 210009)

基于红外光声光谱的气体检测系统设计

钱 旭1， 程明霄1， 王雪花1， 赵天琦2

(1.南京工业大学 自动化与电气工程学院，江苏 南京 210009；2.南京灼徽检测技术有限公司，江苏 南京 210009)

随着工业现代化的发展，环境变化日益复杂，而人民的环境健康意识也在不断提高。在这种情况下，传统的气体检测系统已不能满足要求，有待开发一种高灵敏度、高分辨率的新型实时气体检测系统。从气体分子红外光谱理论出发，在对当前各种气体检测方法进行分析比较的基础上，设计了一种基于光声光谱技术的气体检测系统。实验证明：该系统可有效进行CO2气体检测。

气体检测； 高灵敏度； 高分辨率； 光声光谱

0 引 言

气体探测技术在人类活动的各个方面都发挥着极为重要的作用[1]。大气中某些微量气体过量时，会导致温室效应、酸雨、毒雾、臭氧层空洞等现象[2]，严重影响人类赖以生存的环境。近年来，随着人们环境健康意识的提高和环境变化的复杂性，传统上使用的气体探测系统已不能满足要求，有待开发性能更高的新型气体探测系统。按照工作原理的不同，气体检测方法可分为非光学分析法与光学分析法[3]。本文设计了一种基于红外光声光谱(PAS)的气体检测系统，实验结果表明：该系统可有效进行CO2气体的检测。

1 PAS法检测气体的原理

PAS技术是一种理想的无背景噪声信号技术[4]，具有较高灵敏度和良好选择性。与传统光谱分析方法不同，PAS技术是监测物体吸收光能后产生的热能中以声压形式表现出来的那部分能量，即使在高反射弱吸收的情况下，吸收能也可被微音器检测。与其它气体检测方法相比较，PAS技术的主要优点是：长期稳定性好,灵敏度高；不消耗气样，如载气、标气；检测时间短，便于现场检测，适于多种气体成分的检测，系统结构简单。

大部分气体分子的特征谱线处于中红外波段(3～20 μm)[5]。目前，在使用宽谱带黑体辐射源和普通红外吸收技术的红外气体检测中，傅里叶变换红外光谱仪被认为是最好的仪器。但现代的傅里叶变换红外光谱(FTIR)气体分析仪器已发展到接近于理论性能的极限，很难再有显著提高。而PAS技术则在进一步提高灵敏度等性能方面表现出了良好的潜力。

2 红外PAS系统的设计

红外PAS系统主要包括光声系统和检测系统，其整体结构如图1所示。光声系统主要由红外光源及其频率调制电路、滤光片、光声池、微音器组成，光声系统主要作用在于产生气体的光声信号。检测系统由控制电路和信号处理电路构成,信号处理电路包括前置放大和选频放大。整个系统检测气体步骤为：光源发出的红外光经过频率调制电路发出固定频率的光，然后通过滤光片选取所需波长的光，入射到光声池中，光声池中的微音器将光声信号转换为电压信号，但是该电压信号非常微弱，需要先经过前置放大电路将电压信号放大60倍，再通过选频放大电路将频率放大为180 Hz的信号，用户可以通过人机界面选择合适的信号放大倍数，放大后的交流信号经过交流有效值转直流电路，然后由控制电路的AD采集得到数字量，经过计算将体积分数值显示在液晶屏上，同时可以将体积分数值通过RS—485通信电路和4～20 mA电流信号两种方式传输出去。

图1 光声光谱气体检测系统Fig 1 Detecting system of gas based on PAS

2.1 光源调制系统

激发光源是PAS仪器的关键部件之一。光谱输出的谱线波长范围、谱线强度和宽度决定了仪器的基本性能和应用范围。理想的光源应该从UV到IR区域波长连续可调谐，且输出功率高、带宽窄。实际上，这种要求很难满足，多数气体分子振动吸收带均位于近、中红外区，因而,该波段又被称为气体分子的“指纹区”。激发光处于该波段的光源可分为窄带红外激光相干光源和基于红外热辐射的宽谱带非相干光源两类[6]。

红外热辐射光源恰巧弥补了激光光源的不足。该光源具有接近黑体辐射的连续光谱分布，发射光谱范围宽，将其与窄带滤光片结合使用，可实现多种气体的检测。因而，本文选择红外热辐射光源作为系统光源。

2.1.1 红外光源

由于红外光源的频率会影响光声信号的幅度，所以，光源的频率调制很重要，需要很稳定。本文选择的是一个红外光源调制系统，该系统由红外光源和频率调制电路组成，其实物如图2所示。

图2 红外光源调制系统Fig 2 Modulation system of IR light source

红外光源调制系统中的红外光源是CalSensors公司的SPF系列红外高频可调发射器。CAL光源TMSPF系列IR发射器是作为黑体辐射的快速脉冲源设计的。该光源在实现高调制深度和光输出上做过优化设计。发射器的辐射单元是一种特殊的金属薄片构成的超薄CAL传感器，可以从加热的金属薄片的两面沿着光轴直接有效地辐射出去。金属薄片材料的辐射率为88 %，而且可以准确地模拟黑体辐射源的光谱分布。SPF系列发射器的材料最大额定温度为1 000 K,其封装形式为TO—5，发射器唯一的窗口是蓝宝石。SPF系列发射器带有一个整体反射，且采用标准抛物面反射镜实现红外光的准直和均匀的辐射输出。

2.1.2 频率调制电路

红外光源调制系统选用CalSensors公司的高性能产品PIREPLUS。PIREPLUS是带频率调制驱动电路的，其主要特点：(快速脉冲频率，在实现50 %的调制深度时，频率可高达180 Hz；脉冲频率可以通过控制电路中频率控制电压(0～5 V)调节；灯丝每英寸辐照度高达0.04 W/cm2；集成体积小的封装形式；支持自定义的脉冲调制；输出辐射率带宽为88 %；整个系统成本较低。PIREPLUS输出脉冲频率在1～200 Hz范围内可调，整个系统在最大限度地减少了体积的同时增强了信噪比。发射器和控制电路相配合，为所需的工作频率匹配相对应的驱动波形，优化了性能。

2.2 滤光片

气体的特征频谱分布范围较广，需要用窄带滤光片截取出气体各组分的特征谱线。气体特征频谱的选取原则是:尽量避开气体间的交叉干扰，即波长为某一气体特征频谱的光只能够激发该气体，且不能同时激发其他气体；各种气体在其特征频谱处有较强的光谱吸收；受外界因素(如杂质气体)的影响小。为了避免检测CO2气体过程中其他气体的干扰，依据此原则，本文选取的CO2滤光片检测波段为4 260 nm。滤光片的相关参数：中心波长为(4260±42)nm；最大峰值透过率Tpeak≥80 %；最大透射率Tmax<1 %。

2.3 微音器

微音器中，有些灵敏度高达100 mV/μbar。但是，高灵敏度往往要以降低带宽和采用大的体积为代价。国外常用的商品微音器有Knowles Electronics(楼氏电子)BT—1759型、BL—1785(微型，0.3 mV/μbar)、General Radio GR 1961型。国内亦有微音器生产，如CRZ2—79(0.2～2 mV/μbar)和CRZ2—9型等。本文选择的微音器是楼氏的驻极体电容微音器(electret condenser microphone)EK—23024—000， EK—23024—000使用了可保有永久电荷的驻极体物质，因而不需再对电容器供电。但一般驻极体微音器元件内建有电子电路以放大信号[7]，因此仍需以低电压供电(常规电压是1.0～10 V)。EK—23024—000的额定电压为1.3 V，输出频率范围为100～5.5 kHz，输出阻抗范围为2 800～6 800 Ω，典型值为4.4 kΩ，为高阻抗，在1 000 Hz时灵敏度范围为(-53±2)dB，输出为模拟信号。

2.4 光声池的设计

光声池是配有微音器和窗口的密闭池体[8]，光声池的设计是决定光声光谱气体检测系统探测灵敏度的关键因素之一。设计光声池的原则是：采取良好的声屏蔽，减少外界环境噪声；尽可能增强样品的辐照光强或增强池内的声共振，提高信噪比。保持光声池内表面光洁，以减小气体的吸附和粘滞效应。

光声池的结构多种多样,按样品状态可分为两大类，一类是用于气体样品的气体光声池;另一类是用于凝聚态样品的液体光声池和固体光声池。此外，按声波在池内是否产生共振，可分为共振光声池和非共振光声池。光声池池体常用玻璃、黄铜、不锈钢、铝等材料加工而成。

本文设计的光声池如图3所示，在已知光源和微音器的尺寸的情况下，设计光声池，光声池的材料为铝,考虑的因素有：1)气体的进气出气，本次设计通过电磁阀模块用于光声池中气路的通断，以保持光声池中的气压和大气压相同；2)光声池上开了圆槽，以便插上红外光源，使得光源能直射入光声池内;3)将微音器固定在池底，且由外部供电1.3V以正常工作，而且光声信号产生后通过差分信号输出，也通过屏蔽线将信号引出；4)整个光声池的固定，除用螺丝固定外，还用了强力胶密封，避免外部噪声的影响[9]。

图3 光声池Fig 3 Photoacoustic cell

3 实验与结果分析

使用标准体积分数的气体对仪器进行标定，得到标准曲线储存于仪器之中，测定时，仪器将待测CO2气体体积分数产生的电信号同标准体积分数的电信号进行比较，计算得到准确的气体体积分数值。实验前提是光声池的气路工作在调试正常的情况下。系统工作时，光源调制电压为9.8 V，调制频率为180 Hz，光声池中气体压力p=101.325 kPa。

实验过程如下：1)将各器件连接好，并准备好标准气体；2)将光声池的进气和出气口打开，将样品标准气流入，对光声池进行吹洗，使气路保持平衡，保持光声池内气压与大气压相同，为101.325 kPa，关闭出气口和进气口；3)打开电源，通过调制脉冲控制光源发光频率为180 Hz；4)选择中心波长为4 260 nm的滤光片安装于滤光片卡盘上，此即为CO2的红外吸收谱峰，将装有滤光片的圆孔与透镜中心对齐；5)通过人机界面选择合适的放大倍数，测量光声信号的电压值并记录，测20 s，取平均值显示并输出；6)使用不同体积分数的标准气体，再次重复以上步骤。其输入—输出实验结果和测量误差如表1、表2。

表1 气体体积分数和输出电压的对应关系Tab 1 Corresponding relationship between gas volume fraction and output voltage

表2 气体实际体积分数与检测所得的误差Tab 2 Error of actual and measured gas volume fracion

实验结果表明：低体积分数范围测量误差较大，相对较高的体积分数范围(200×10-6～400×10-6)误差较小，这符合测试规律。

4 结 论

本文提出了PAS气体检测系统设计方案，完成了PAS气体传感系统的光路设计，并具体阐述了该设计的具体思路。实验分析表明了其在气体检测中的可行性，在当今大气污染日益严重的大背景下具有一定的实际意义和发展应用前景。

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Design of gas detecting system based on infrared photoacoustic spectrum

QIAN Xu1, CHENG Ming-xiao1, WANG Xue-hua1, ZHAO Tian-qi2

(1.School of Automation & Electrical Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 210009,China; 2.Nanjing Zhuohui Detection Technology Co Ltd,Nanjing 210009,China)

In recent years, with development of modern industry,increasing complexity of environmental change,and people’s awareness of environmental health is improving. In this case,conventional gas detecting system can not meet requirements,pending the development of a high sensitivity,high resolution new type realtime gas detecting system.From gas molecules IR spectrum theory，and on the basis of comparison of current variety of gas detection method,study on a gas detecting system based on photoacoustic spectrum(PAS) technology.Experiment verifies that this system can effectively carry out CO2gas detection.

gas detection； high sensitivity； high resolution； photoacoustic spectrum(PAS)

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0098—03

2014—05—04

TP 23

A

1000—9787(2014)12—0098—03

钱 旭(1990-)，男，江苏仪征人，硕士研究生，主要研究方向为分析仪器设计。