基于差分吸收检测技术的非色散红外SF6传感器*

常建华，徐 曦，薛 宇，裴 昱，卞晓阳

（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，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，南京210044）

基于差分吸收检测技术的非色散红外SF6传感器*

常建华1，2*，徐 曦1，薛 宇1，裴 昱1，卞晓阳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，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，南京210044）

基于非色散红外吸收原理，以电调制红外光源、采样气室和双元红外探测器组成的红外传感模块为核心，利用差分吸收检测技术设计了一种小型化高性能的SF6气体传感器。利用标准气体进行浓度标定，拟合了SF6气体浓度与电压关系曲线，实现了对SF6气体浓度的准确检测。根据传感器检测误差随环境温度变化的规律，系统研究了温度补偿方法，有效提高了传感器在不同温度下的检测精度。实验结果表明，该传感器系统在环境温度10℃～40℃、气体浓度0～2 500×10-6范围内的检测精度小于±50×10-6，分辨率为1×10-6，系统响应时间小于5 s，具有良好的重复性和稳定性。

传感器；差分吸收；温度补偿；SF6气体

六氟化硫（SF6）气体具有较好的灭弧性能和绝缘性能，在电力系统中得到广泛的应用，成为互感器、高压开关等设备的主要绝缘介质。由于电力设备的质量差异及设备老化等因素，经常会发生SF6气体泄漏的现象，SF6气体发生泄漏，遇到高温电弧发生分解反应生成具有腐蚀性的化合物。SF6气体及其分解产物不仅腐蚀设备材料，影响电力设备安全运行，而且严重危害工作人员的身体健康。所以在电力系统中对泄漏的SF6气体检测至关重要［1］。

非色散红外SF6传感器是利用气体分子对红外光选择性吸收的性质，实现了SF6气体浓度的定量检测，在检测SF6气体的诸多传感器中，因其具有选择性好、功耗低、寿命长、稳定性高等优势，成为电力系统中检测SF6气体的理想传感器［2］。然而，非色散红外SF6传感器在长期使用时易受到光源老化、光路干扰和探测器噪声等因素的影响，导致系统不稳定以及检测准确度降低［3］。而且环境温度的变化也是影响传感器系统检测精度的一个重要因素。在不同环境温度下，热释电探测器的电极间会产生温度感应电流，导致输出的结果不准确；信号调理模块等电路系统在一定程度上也受到温度变化的影响，产生温度漂移，造成检测偏差［4］；此外，环境温度对镀膜气室的信噪比和SF6气体在特征吸收峰处的吸收系数也有较大的影响。为了克服目前SF6气体传感器存在的不足，本文基于非色散红外吸收原理，设计了一种小型化高性能SF6气体传感器系统。该系统采用单光束双波长的差分吸收检测技术，消除了光源和光路的干扰因素。在软件程序设计中使用公式法进行温度补偿，大大提高了传感器在不同环境温度下的检测精度。通过采用新型电调制红外光源和集成滤光片的红外探测器，以及超低功耗的单片机系统，有效地提高了传感器的紧凑性、稳定性和使用寿命等性能，实现了对SF6气体的连续检测分析。

1 差分吸收检测技术

传感器长期使用时，由于光源老化、光路不稳定、探测器噪声以及其它气体等干扰因素造成的气室环境波动都会对检测灵敏度和装置可靠性产生影响。为克服这些干扰因素的影响，本设计在运用非色散红外原理的基础上，采用单光束双波长的差分吸收检测技术实现对SF6气体的精确检测。

根据量子力学理论，气体分子具有吸收光子能量引起自身能级跃迁的性质。由于不同的气体分子具有不同的能级结构，而红外光光子具有的能量与红外光的频率成正比，使得不同气体分子对红外光的吸收具有频率选择性。SF6气体的红外吸收光谱图如图1所示，SF6气体在红外区对波数948 cm-1（波长10.55 μm）为中心的波段有强烈的吸收作用，此吸收波段的红外光衰减最为剧烈。

图1 SF6气体吸收光谱图

红外光与SF6气体相互作用，处于中心波长为10.55 μm波段的红外光被SF6气体吸收，假定在整个物理过程中不考虑散射的情况下，其吸收强度遵循朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律。朗伯-比尔定律公式表示如下：

式中，I0表示入射光强度，I表示出射光强度，C表示气体的浓度；L表示红外光通过气体的有效光程；K表示气体的吸收系数［5］。

单光束双波长差分吸收检测技术是基于朗伯-比尔定律，并借助体积小且集成在探测器上的两个不同的窄带滤光片实现的，两个滤光片分别为中心波长10.55 μm的测量滤光片和中心波长3.95 μm的参比滤光片。红外光经SF6气体吸收后透过两个滤光片，获得波长为10.55 μm和3.95 μm的两路光信号，其中波长10.55 μm的红外光光强减弱，其携带着SF6浓度信息，作为测量信号；波长3.95 μm的红外光不会被任何气体吸收，将其作为参比信号。红外探测器输出的两路电信号分别表示为：

式中，Vgas、Vref分别为探测器测量通道和参比通道的输出电压值；Igas(T,t)、Iref(T,t)分别为测量波长和参比波长的入射光强度，它是温度和时间的函数；Kgas、Kref分别为两波长光信号经滤光片和探测器的传输系数。两路传输系数虽然不可能完全相同，但在相同的使用环境下，其比值是恒定的；两个波长的入射光由同一光源发出，虽然光源输出功率随温度和时间变化，但两波长的光强比值是不变的。由此可知：

式中，A为常数。

根据式（2）～式（4）可得到气体浓度与探测器两路输出电压的关系式如下：

由式（5）可知，单光束双波长差分吸收检测技术能够消除光源和光路的不稳定等干扰因素的影响，提高传感器的检测精度。

2 系统设计

传感器系统结构图如图2所示。传感器主要由光路系统和电路系统组成。其工作过程如下：电调制红外光源发出稳定的红外光，待测气体由采样气泵通过进气口被泵入采样气室，待测气体中的SF6气体分子吸收特定波长的红外光，透过采样气室由红外探测器检测，输出测量电信号和参比电信号，两路电信号经信号调理模块和A/D转换电路转换成数字信号送入微控制器，微控制器处理数据并计算出SF6气体浓度值及显示。同时光源驱动模块接收调制信号，以脉冲电压调制红外光源。

图2 传感器系统结构图

SF6气体传感器光路结构示意图如图3所示。采样气室内部中空，长度为7 cm，采用圆柱形结构，为尽可能减少光强的损失，气室内壁镀有反射膜［6］。光源采用发出2 μm～16 μm宽谱红外光的新型电调制红外光源EMIRS200，其具有发射效率高、使用寿命长、响应时间短等特点。光源带有反射杯，能够聚集大部分红外光反射进入气室。为抑制背景噪声，采用1 Hz方波脉冲对红外光源进行低频调制。探测器采用具有测量通道和参比通道的双元热释电红外探测器，测量滤光片和参比滤光片各自封装在两个通道前端，测量滤光片中心波长为10.6 μm±60 nm、半带宽为240 nm±50 nm，参比滤光片中心波长为3.95 μm±40 nm、半带宽为90 nm±20 nm［7］。

图3 光路结构示意图

传感器电路系统主要实现光源驱动、信号处理和浓度计算等功能［8］。微控制器是电路系统的核心，其采用的是超低功耗的MSP430单片机。利用单片机的I/O口输出高低电平控制光源驱动电路，产生1 Hz频率的方波脉冲对光源进行调制。信号调理模块集成了放大电路、整流电路和积分滤波电路，其作用是将探测器输出的微弱信号调理成单片机能够接收的电压范围并提高信噪比，其中放大电路是采用低噪声运放LTC1150组成的两级放大。A/D转换使用单片机内部自带的ADC12模块，分辨率为12位，单片机控制其将调理后的模拟信号转换为数字信号，完成SF6气体浓度信息采集。单片机接收采集后的数字信号，进行数据处理并根据设定的算法计算气体浓度值。温度传感器探测环境温度，将温度电压信号经A/D转换后送入单片机，在软件程序中通过补偿公式进行温度补偿［9-10］。

3 实验结果与讨论

3.1 系统标定实验

在理论上SF6气体吸收关系遵循朗伯-比尔定律，但是在实际应用时，由于气体的吸收系数K取决于气体的特性，其随着压强、温度和气体浓度的不同而变化，直接利用式（5）计算SF6气体浓度是很困难的。因此本系统采用标准气体标定的方法，拟合出SF6气体浓度与两路输出电压比值的关系曲线［11］。

标定实验在标准大气压强环境下进行，将传感器置于恒温箱中，设置温度为25℃，分别通入10组不同浓度的SF6标准气体，等待输出稳定后记录每组输出的测量电压和参比电压并计算比值。以测量的数据作为系统标定的样本数据，综合考虑单片机的处理能力和检测精度等因素，通过多种拟合模型的对比，最终采用三项式拟合模型C=aR3+bR2+cR+d，其中C为SF6气体浓度，R为测量电压与参比电压的比值，a、b、c和d为拟合系数。在Matlab环境中将样本数据采用遗传算法拟合得到4个拟合系数的值a=-47 920、b= 166 400、c=-171 800、d=55 460，建立SF6气体浓度与输出电压比值的关系曲线，得到拟合曲线图如图4所示。

图4 拟合曲线图

图4中黑色离散数据点为标定实验测量的10组样本数据点，观察可知，SF6气体浓度与两通道电压比值呈负相关性。该拟合曲线拟合度为0.9 986，接近于1，所以采用该拟合模型，系统的测量误差比较小，该拟合模型适合于传感器系统。

3.2 温度补偿实验

在进行SF6气体检测时，环境温度的变化是影响传感器系统检测精度的一个重要因素。为了使传感器系统在不同环境温度下都能达到预期的检测精度，本设计对传感器进行温度补偿实验。

实验在标准大气压强环境下进行，将传感器置于恒温箱中，以氮气作为背景气体，分别取0、500× 10-6、1 000×10-6、1 500×10-6、2 000×10-6、2 500×10-6的6种不同浓度的SF6混合气体通入传感器采样气室。每种浓度的SF6气体通入时，依次设置温度为10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃和40℃，在每个温度测量点上测量时，先等待系统稳定后再记录数据。实验测量结果如图5所示。

图5 未进行温度补偿的浓度测量值

由图5观察可知，环境温度对传感器的检测精度有较大的影响。由于传感器系统是在25℃恒温环境下标定的，所以在未进行温度补偿时，传感器系统在25℃环境温度下的检测精度最高。而随着温度逐渐地偏离25℃，传感器检测误差逐渐增大。为抑制温度漂移以及提高传感器在不同温度下的检测精度，本设计采用公式法对传感器进行温度补偿。采用的公式拟合模型为：

式中，C为温度补偿后的SF6气体浓度测量值；C0为未经温度补偿的SF6气体浓度测量值；a和b为补偿公式的待定系数；ΔT为实际检测温度与标定温度的差值。由于0、500×10-6和1 000×10-6三种低浓度SF6标准气体的实际浓度测量值，随着温度变化的走势大致相近，1 500×10-6、2 000×10-6和2 500×10-6三种高浓度SF6标准气体的实际浓度测量值，随着温度变化的走势也大致相近，所以为了使得温度补偿达到更好的效果，采用分段的形式对检测浓度值进行温度补偿。以半量程1 250×10-6为分界点，选取500×10-6浓度点作为低浓度段温度补偿的基准，选取2 000×10-6浓度点作为高浓度段温度补偿的基准。根据所测量的温度补偿前浓度值和温度差等数据，经回归分析和数据拟合，最终求得温度补偿后的SF6浓度计算公式。

当C0≤1 250×10-6时，检测SF6气体浓度的温度补偿公式为：

当C0＞1 250×10-6时，检测SF6气体浓度的温度补偿公式为：

将温度补偿公式写入单片机数据处理系统，实现对SF6气体浓度测量值的温度补偿。重复温度补偿前的实验过程，得到温度补偿后的传感器检测结果如图6所示。由检测结果可知，温度补偿后的测量值基本不受温度影响，补偿公式的引入有效地抑制了温度漂移，消除了环境温度对传感器系统的影响，提高了传感器系统在不同环境温度下的检测精度［12-13］。

图6 经温度补偿后的浓度测量值

3.3 重复性实验

实验在标准大气压强、室温环境下进行。首先使用纯氮气通入传感器气室，吹洗干净残留的SF6气体，排除干扰因素。然后将浓度为1 200×10-6的SF6标准气体通入气室，等待系统稳定一段时间后，记录SF6气体的浓度测量值。在同一实验环境下，重复上述实验过程8次，记录每次所测的数据如表1所示。

表1 重复性实验数据

根据8次重复测量的数据计算得到测量数据相对标准差为1.047%，表明传感器系统具有较好的重复性，重复性指标满足设计要求。

3.4 稳定性实验

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强、室温环境下进行，首先使用纯氮气通入气室，吹洗干净残留的SF6气体，稳定系统零点。然后取一定浓度的SF6标准气体通入传感器气室，每隔0.5 h记录一次实时数据，传感器连续运行3个小时。分别取800× 10-6和1 600×10-6两种不同浓度的SF6标准气体进行测试，稳定性实验测量数据如表2所示。

表2 稳定性实验数据

根据稳定性实验测量数据计算可知，传感器系统的稳定度小于2%，表明系统具有很好的稳定性，稳定性满足设计要求，达到预期效果。

4 结论

本文设计了一种非色散红外原理SF6气体传感器。采用单光束双波长的差分吸收检测技术，不仅消除了光源老化和光路不稳定等因素影响，提高了传感器系统的抗干扰能力和检测精度，而且避免了双光束双波长的复杂结构。运用温度补偿公式有效地抑制了温度漂移，消除了环境因素对传感器的影响，且无需使用硬件温控模块，减小了系统的体积和功耗。在光学结构上，采用新型电调制红外光源和红外探测器，辅以合理地气室结构设计，大大提高了系统的稳定性和紧凑性。在电路上使用超低功耗的单片机系统，进行数据实时处理与显示。在标定实验中，通过遗传算法拟合得到标定系数，建立SF6气体浓度与输出信号的关系。实验结果表明，在环境温度10℃-40℃、检测量程0～2 500×10-6范围内，SF6气体传感器的检测精度小于±50×10-6，分辨率为1×10-6，系统响应时间小于5 s，重复性和稳定性满足设计要求。传感器具有量程宽、精度高、寿命长、功耗低、小型化和抗干扰能力强等特点，对电力设备中SF6气体泄漏检测具有广泛的应用价值。

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常建华（1976-），男，博士，教授，硕士生导师，主要从事光子学与光器件、光电传感与应用技术研究，jianhuachang@ nuist.edu.cn；

徐 曦（1990-），男，江苏徐州人，硕士研究生，主要从事光电传感技术研究。

薛 宇（1991-），男，江苏徐州人，硕士研究生，主要从事光电传感技术研究。

Non-Dispersive Infrared SF6Sensor Based on the Differential Absorption Detecting Technology*

CHANG Jianhua1，2*，XU Xi1，XUE Yu1，PEI Yu1，BIAN Xiaoyang1
（1.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing210044，China；2.Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing210044，China）

A miniature high performance SF6gas sensor based on non-dispersive infrared（NDIR）absorption theory is designed by using the differential absorption detecting technology.In the system，the core sensing module is composed of an electrically modulated infrared light source，a sample gas chamber and a dual channel infrared detector.Through the calibration with the standard SF6gas，the relation curve between SF6concentration and the output voltage is obtained，which can be used for accurate detection of SF6gas concentration.Since the detection error is changed with the ambient temperature，a temperature compensation method is studied and applied in the system，which effectively improves the detection accuracy.The experimental results show that the detection accuracy of the gas sensor is less than±50×10-6within the ambient temperature range of 10℃to 40℃and the gas concentrations from 0 to 2 500×10-6，as well as with good repeatability and stability.The resolution of the system is 1×10-6and the system response time is less than 5 s.

sensor；differential absorption；temperature compensation；SF6gas

TN219

A

1004-1699（2016）12-1804-06

��7230C

10.3969/j.issn.1004-1699.2016.12.004

项目来源：国家自然科学基金项目（11374161）；江苏高校优势学科Ⅱ期建设工程项目;国家级大学生实践创新训练计划项目（201610300030)

2016-05-17修改日期：2016-07-11