非分光红外的新型SF6传感器设计*

徐　曦， 常建华,2,3， 薛　宇

(1.南京信息工程大学 江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044；3.南京信息工程大学 滨江学院 电子工程系，江苏 南京 210044)



非分光红外的新型SF6传感器设计*

徐曦1， 常建华1,2,3， 薛宇1

(1.南京信息工程大学 江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044；3.南京信息工程大学 滨江学院 电子工程系，江苏 南京 210044)

系统采用单光束双波长的光路结构，结合测量通道和参比通道两路输出，有效增强了传感器的抗干扰能力和检测精度。利用新型电调制红外光源和高精度滤光片一体化的热释电红外探测器，辅以合理的气室结构设计，大大提高了系统的紧凑性与稳定性。在信号处理方面，利用超低功耗的单片机系统进行数据实时处理与显示。实验结果表明：该传感器能够准确检测0～2 500×10-6范围内的SF6气体浓度，分辨率为1×10-6，检测精度为2 %FS。

SF6气体； 非分光红外； 传感器

0　引　言

SF6气体因具有良好的绝缘性能和灭弧性能，在电力系统中得到广泛的应用，如高压开关、断路器、高压变压器等。由于SF6气体的密度是空气的5倍，一旦发生泄漏，极易沉积在电力设备室的底部空间，人员进入易造成缺氧。同时当设备发生故障时，放电产生的高温电弧使SF6气体发生分解反应，生成HF和SO2等化合物，进而腐蚀设备内材料，最终导致设备发生突发性故障。因此，对电力设备SF6气体的检测至关重要[1]。

目前，高压放电电离技术传感器寿命较短，不能长期稳定工作。电化学技术传感器本身参与反应，传感器易老化。随着红外探测技术的发展，基于非分光红外(NDIR)吸收法SF6检测技术在价格、功耗、寿命、精度等方面有着明显的优势，尤其红外吸收法以其极高的气体选择性而具有难以替代的作用。本文基于红外光谱吸收法，设计了一种小型化非分光SF6传感器。该系统利用单光束双波长的光学结构，通过采用新型电调制红外光源和红外探测器，以及超低功耗单片机系统，有效提高了传感器的测量量程、精度、稳定性以及使用寿命，可实现对SF6气体的连续检测分析[2,3]。

1　红外光谱吸收原理

根据红外光谱理论，非对称多原子分子气体有吸收红外辐射能量的性质。当红外光照射气体分子时，气体分子中某种基团的振动频率与红外光中某频率相同时，该频率的光能量被气体分子吸收。不同的分子基团，对应不同的吸收光谱[4]。基于红外吸收原理的SF6传感器，正是利用SF6气体对红外光具有选择性吸收这一特性，实现了对SF6气体的检测。常温下SF6气体红外吸收光谱图，如图1所示，SF6气体在以波数948 cm-1(波长10.55 μm)为中心的红外波段有极强的吸收作用。

图1　SF6气体吸收谱线

基于红外光谱吸收原理的SF6气体传感器系统中，光源发出红外光，透过含有SF6气体的气室时，处于中心波长为10.55 μm波段的红外光被吸收，其吸收关系符合朗伯—比尔定律。朗伯—比尔定律公式表示为

I=I0e-KCL

(1)

式中I为被气体吸收后的透射光强度，I0为入射光强度，C为气体的浓度，L为红外光通过气室的有效光程，K为气体的吸收系数[5，6]。

2　传感器系统设计

本设计采用基于非分光红外技术实现SF6气体浓度检测。非分光红外技术摒弃了传统的分光系统，采用体积小且能集成在传感器上的滤光片实现。系统采用单光束双波长的测量方法，以10.55 μm波长为测量波长，3.95 μm波长为参比波长，这种选用参比波长的方法能够避免光源老化发射光减弱造成的误差，同时也能避免压力、温度以及其它气体等外界的干扰因素的影响[7]。SF6气体浓度传感器主要包括：电调制红外光源、采样气室、双元热释电红外探测器、信号调理模块、A/D转换模块、数据处理模块、光源驱动模块和显示报警模块。其系统结构框图如图2所示。

图2　传感器系统结构框图

2.1光路系统设计

采样气室的结构示意图如图3所示，采样气室内腔为圆柱形，内壁镀反射膜。气室上部设有进气口和出气口，左侧为红外光源，右侧为双元热释电红外探测器，红外光源、探测器与采样气室位于同一光学中心轴上。系统采用脉冲电压驱动的电调制红外光源EMIR200，其发射2～16 μm的宽光谱。其与传统的机械斩波式调制光源相比，提高了系统的稳定性和紧凑性[8]。系统采用双元热释电红外探测器，其有参比和测量两个探测通道，检测SF6气体通道上的测量滤光片中心波长为10.6 μm±60 nm、半带宽为(240±50)nm，参比通道上的参比滤光片中心波长为3.95 μm±40 nm、半带宽为(90±20)nm。参比波长选择以3.95 μm为中心波长，是因为该波长的红外光不被任何气体吸收。

图3　采样气室结构示意图

2.2电路系统设计

传感器的电路系统主要实现信号处理、浓度计算、光源驱动等功能。信号调理模块包括放大、整流和积分滤波电路，探测器直接输出的信号相当微弱，极易受外界干扰，系统采用低噪声的运放LTC1150组成两级放大电路。整流电路是将交流信号变为直流信号，积分滤波电路是为了去除热释电探测器在光源调制换向时产生的尖峰噪声。数据处理模块是以超低功耗的MSP430单片机作为控制核心，处理数据及计算所测浓度，控制显示报警模块，并利用单片机的一个端口以1 Hz频率输出高低电平，通过光源驱动模块对光源进行低频调制[9]。A/D转换模块使用MSP430单片机内部自带的ADC12模块，分辨率为12位。

3　实验结果与讨论

3.1系统标定

利用朗伯—比尔吸收定律的公式计算浓度值虽然简单，但公式的成立有很多的前提条件，所以，本系统采用标准气体标定的方法，建立输出电信号与气体浓度的关系。标定测量实验在标准大气压和室温(24 ℃)下进行，取多组不同浓度的SF6标准气体，通入传感器的采样气室，然后对双通道电压值同时测量并计算比值。测量双通道电压值数据如表1所示，测量数据为大于稳定时间的10次测量数据的平均值。

利用Matlab软件将表1所测得数据进行拟合，由于系统使用单片机硬件平台对数据进行处理，而单片机处理能力与运算速率有限，为避免运行缓慢、效率低下，所以不宜采用过高阶次的函数拟合。本实验拟合了三种低阶次的曲线，如图4所示。

图4　实验拟合曲线图

图4中黑点是所测离散数据点，图(a)中的直线为一次拟合函数曲线，拟合残差是7.4；另一曲线是二次拟合曲线，其残差是0.875；图(b)中是三次拟合曲线，其拟合残差是0.871。由此可以分析出，一次拟合曲线残差过大，本系统不适宜选其为拟合方式。二次拟合相比于三次拟合方式所增大的残差很小，基本可以忽略，且在单片机处理系统中，二次拟合方式比三次拟合减少了很大的运算量。所以,本系统选取二次拟合函数作为拟合方式，二次拟合函数为y=700.3x2-1075.2x+412.7。

3.2传感器性能测试

为检测传感器系统的性能指标是否达到预期要求，本实验对系统进行多种浓度的实验测量，实验在标准大气压、室温(24 ℃)环境下进行，取不同浓度的SF6气体进行测试。实验过程中，等待系统预热后稳定一段时间记录数据，每组数据记录如表2所示。

由表2测量结果分析可知:在量程(0～2 500)×10-6范围之内，SF6气体浓度传感器系统的精度在2 %FS以内，分辨率为1×10-6，且从实验过程中也可以观察出系统响应时间小于2 s，本实验的系统性能测试指标满足设计要求，达到预期效果。

系统的稳定性也是传感器长期使用的一项重要指标，稳定性实验同样在标准大气压、室温(24 ℃)环境下进行，取一定浓度的SF6气体通入传感器的采样气室，连续运行3 h，每隔0.5 h记录一次实时数据。如此进行两种不同浓度的测试，系统稳定性实验测量数据如表3所示。

表2　实际测量数据/10-6

表3　稳定性实验数据

实验数据表明:系统具有很好的稳定性，稳定度小于2.5 %，稳定性满足设计要求，达到预期效果。

4　结　论

本设计采用单光束双波长的检测技术，有效地抑制了零点漂移。在光路上采用新型电调制红外光源和红外探测器，合理地设计气室内部和光路系统的结构，有效地提高了系统的稳定性，简化了系统结构，在电路上采用超低功耗的单片机系统，通过合理地函数拟合建立浓度与信号的关系。实验结果表明：本文设计的SF6浓度传感器能够检测(0～2 500)×10-6范围内的SF6气体浓度，分辨率为1×10-6，检测精度为2 %FS，具有量程宽、精度高、稳定性好、寿命长和小型化等特点，可广泛应用于电力系统中各种SF6气体浓度检测场合。

[1]Gondal M A,Baig M A,Shwehdi M H.Laser sensor for detection of SF6leaks in high power insulated switchgear systems[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2002,9(3):421-427.

[2]吕善翔,李雪梅,王兆山,等.基于非分散红外技术实时检测油烟浓度研究[J].传感器与微系统,2012,31(1):76-78.

[3]Peng J,Ji X M,Shi Y W,et al.A novel NDIR CO2sensor using a mid-IR hollow fiber as a gas cell[C]∥Solid-State and Integrated Circuit Technology,Shanghai:IEEE,2010:1489-1491.

[4]陈允魁.红外吸收光谱法及其应用[M].上海：上海交通大学出版社,1993:18-26.

[5]Xie J,Zhang Y L,Yuan Y F.Research of weak signal processing circuit based on non-dispersive infrared automobile exhaust sens-or[J].Applied Mechanics and Materials,2013,336-338:163-167.

[6]Wang Y F,Nakayama M,Yagi M,et al.The NDIR CO2monitor with smart interface for global networking[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2005,54(4):1634-1639.

[7]Yuan Z R,Wang X Z,Lü Y P,et al.Low concentration of SF6 gas detection method based on NDIR technology[J].Instrument Technique and Sensor,2012,19(1):80-99.

[8]Calaza C,Salleras M,Sabate N,et al.A MEMS-based thermal infrared emitter for an integrated NDIR spectrometer[J].Microsystem Technologies,2012,18(7-8):1147-1154.

[9]Frodl R,Tille T.A high-precision NDIR gas sensor for automotive applications[J].Sensors Journal,IEEE,2006,6(6):1697-1705.

徐曦 (1990-)，男，江苏徐州人，硕士，主要从事光电传感技术研究。

Design of novel SF6sensor based on NDIR*

XU Xi1, CHANG Jian-hua1,2,3, XUE Yu1

(1.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China;2.Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China;3.Department of Electronic Engineering,Binjiang College,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China)

The system adopts single-beam and dual-wavelength optical path structure,combined with outputs of measurement channel and reference channel,which effectively improves anti-interference ability and measurement precision of system.The system uses a new-type electrically modulated IR light source and a high precision built-in filters pyroelectric IR detector,supported by reasonable air chamber structure design,greatly improve compactness and stability of system.In signal processing,ultra-low power consumption MCU system is adopted for real-time data processing and display.Experimental results show the sensor can accurately detect SF6concentration in range of 0～2 500×10-6,with resolution of 1×10-6and measurement precision of 2 %FS.

SF6gas; non-dispersive infrared(NDIR); sensor

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0082—03

2015—11—24

国家自然科学基金资助项目(11374161); 江苏省信息与通信工程优势学科资助项目

TP 212

A

1000—9787(2016)09—0082—03