具有开放气室的实时红外气体检测系统

杨清永 王海超 张朋

摘 要：随着光谱成像技术的发展，光谱学方法发展日趋迅速，相比于传统的气体检测方法，光谱法不需要样品制备，具有快速、非侵入、高效和动态等优点，适用于现场快速检测和连续实时在线分析，成为各国研究和应用的热点。介绍了一种具有开放气室的实时红外气体检测系统。系统由Silicon Lab C8051F060单片机控制，选用MEMS红外光源和光电二极管红外探测器，依据相关检波基本原理设计了信号调理电路。

关键词：开放气室;实时;红外气体检测系统

前言

传统气体检测主要是人工采样和预处理采样。传统化学测量方法，包括化学反应方法、电化学法、色谱及质谱相关技术，都属于人工采样的方式。人工取样后，将试样进行分离、富集和掩蔽，通过特定的化学反应或计量关系，只能在实验室对气体进行分析，或进行现场初步定性定量的分析。预处理采样是将预处理的测量气体输送到测量管中，并通过测量安装在管道两端的光学探头（红外或紫外探头）来测量气体的浓度。由于传统气体传感器的接触性原理，使其难以实现远距离精确测量，且大多数传统气体传感器（电化学气体传感器、PID氣体传感器等）只能对目标气体进行单点监测，难以满足大范围实时动态监测。

1 气体光学检测技术分类

现有气体光学检测方法按有无外置光源可以分为主动式检测和被动式检测两种。

主动式气体检测通常使用红外或紫外激光作为外置光源，其检测方式都是基于待测气体对激光光源的辐射吸收来实现的，待测气体与背景之间不需要温差，信噪比高，稳定性好;但是由于配有激光光源等设备，使得其体积重量较大，系统结构复杂。

被动式气体检测不需要光源，系统结构简单，根据待测气体与背景之间的温度差来探测气体，其可检测光谱范围大，远距离探测能力强;但是信噪比较低，且被测气体和背景之间必须存在相对温差。

早期的红外光源一般使用镍铬合金，功耗较大，需要很长的预热时间，而且采用复杂的机械斩波器进行调制。随着材料和工艺技术的发展，出现了各种新型红外光源，可以用脉冲电流或电压方式进行快速调制。系统使用MEMS光源，发射含2～12μm范围的广谱红外光，采用恒定电功率的脉冲电流源来驱动光源。

红外探测器的种类很多，常用的有热电型探测器和量子型探测器。热电型的有热电堆型、热释电型等。量子型的主要有3种：光电导型，如PbSe探测器;光电压型，如InAs探测器;

光电流型，如光电二极管。红外探测器的一个重要指标是探测率D*，它是信噪比的一种度量。量子型探测器的探测率一般是热电型的10倍或更大，而且响应快。热电型探测器受环境温度影响大，响应慢。系统采用红外光电二极管探测器，D*为3.2×109cmHz1/2W-1，20～80°C内的温度稳定性好，响应快。探测器为多层膜结构，表层膜有滤波功能。甲烷的吸收峰在3.3μm，乙醇的吸收峰在3.4μm，所以探测器适合于测量这两种气体。

一般的红外气体检测系统都配有封闭、内壁镀红外反射膜的气室，有进气、出气泵，有的还配有选择性透过膜，这影响了气体自由流动。系统使用了开放式气室，光源和探测器同轴固定，光源和探测器之间的空间完全敞开。

2 红外探测器信号调理设计

2.1相关检波的基本原理和简化实现

输入信号和参考方波相乘，然后低通滤波。光源调制频率为f，探测器输出的信号Vs=Vsin（2πft+α），V反比于气体浓度。VS输入到截止频率f0=1/（2πRC）的低通滤波器。若满足条件f0≤f，相关检波器的稳态输出值为V0=2Vcos（|α-β|）/π。当方波和输入信号同相位时，输出达到极大值。

相关检波器在特定情况下可以简化实现。对于占空比接近50%的周期交流信号，滤除高频噪声后，若它和参考方波没有相位差，那么乘法器输出的信号就是输入信号的绝对值。这种情况下，窄带通滤波器、绝对值整流器和低通滤波器的组合同相关检波器的处理过程完全类似。

2.2信号调理电路的设计和分析

单片机控制光源的调制频率f和占空比β，光电二极管接收到频率为f的电流信号，I-V（电流-电压）转换得到电压信号，进行滤波、整流等环节后输入AD.运放是电路中的关键元件，根据各级的功能需要，选择性能和价格合适的运放，并且使用低温漂的RC元件。在运放反相端和输出端跨接一个电阻，光电二极管的电流I流过跨阻Rf，输出电压 VOUT=I·Rf

所以跨阻值越大信噪比越高。但是随着跨阻值的升高，运放的闭环带宽会下降，在闭环带宽和信噪比之间寻求平衡。加入电容C也会限制运放闭环带宽，但可降低高频噪声。系统使用TI公司的运放OPA350，它适合于电池供电系统。

采用RC和运放构成有源滤波器，成本低，结构灵活。首先用Matlab设计滤波器频域参数，接着用Filter Wiz Pro软件确定最佳滤波器结构和RC初始值，然后PSPICE仿真、优化RC参数，得到最优设计。运放选用TI公司的OPA4227，它适用于绝对值整流电路。低通滤波电路采用多个级连。

此外，将信号调理电路屏蔽避免了环境的电磁辐射噪声。电路中的模拟和数字部分使用不同的稳压芯片，适当的安放去耦电容，合理布局、布线、接地，避免了数字信号对模拟信号的干扰。

3 实验结果及讨论

在室温环境下，固定气室长度为10cm，光源调制频率为16Hz，分别对乙醇气体和甲烷气体进行了测量。设气体体积分数为C时，信号调理电路输出信号（以下简称输出信号）的均值为Mc，标准差Std，相对标准差δ=Std/Mc.相对标准差反映了系统的信噪比。

乙醇的体积分数范围0～9×10-4。乙醇的最低检测体积分数为5×10-5，相对标准差不超过0.35%，在低的体积分数范围内，输出信号和体积分数近似成线性关系。

甲烷的体积分数范围0～1×10-2。甲烷的最低检测体积分数为1×10-4，相对标准差不超过0.38%，在较大的体积分数范围内，输出信号和体积分数近似成指数关系。

在洁净空气中，输出信号的波动主要是光源的波动，洁净空气中的相对标准差为0.23%，说明波动较小。由于光源调制频率达到了16Hz，不仅有效避免低频噪声，还使得系统能够较快的响应气体浓度变化。随着光源调制频率的提高，光源的发光功率减小，16Hz频率较适中。为了测量系统的响应速度，将气室封闭，留有进气口和出气口。使用质量流量控制器和电磁阀产生浓度急剧变化的气体脉冲，通入气室。

4 结束语

介绍了一种具有开放气室的实时红外气体检测系统，可以用于乙醇和甲烷气体的检测。采用开放式气室使得气体可以自由流动，系统响应快、实时性好。选用了电调制的MEMS红外光源，省去了复杂的机械斩波器;而恒定电功率的脉冲电流源使得光源发光功率稳定。选用的探测器有较高信噪比，由于具有滤光薄膜，对于乙醇和甲烷的检测无需再加滤光片。精心设计的信号调理电路替代了相关检波器，简单可靠、成本低。实验表明，系统具有较高的信噪比和灵敏度。

参考文献：

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[2]鹿洪飞，王彪，范兴龙，等.TDLAS氨气检测系统VCSEL激光器驱动电路设计[J].激光杂志，2019，40（01）：26-29.

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