红外光源气体检测系统设计

王海超 张朋 方雁群

摘 要：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。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，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。鉴于上述研究背景与意义，本项目拟采用高灵敏度的红外光源作为系统光源，基于红外吸收光谱技术，设计研发高精度、高稳定性、快速响应、低成本、可集成的小型化气体检测系统。

关键词：红外光源;气体检测系统;设计

前言

近年来，我国安全生产问题和环境问题十分严峻。一方面，煤矿瓦斯爆炸、危险气体泄漏等安全事故频发，给国家造成了重大的经济损失和恶劣的社会影响。另一方面，大气中温室气体浓度的不断升高也带来了一系列的环境问题。因此，先进的气体传感器研发工作十分重要。目前，采用红外吸收原理检测气体是国内外较为先进的方法。相比于其他原理的气体传感器，光学气体传感器具有很多优点。首先，光学气体传感器的灵敏度高、响应速度快，具有非接触性的优点，非常适合在很多危险场合中对气体进行实时精密检测。其次，光学气体传感器具有高选择性的特点，对待测气体进行检测时几乎不会受到其他气体的影响。检测系统在进行多气体检测时，可以通过分时复用等技术手段对混合气体进行快速的组分检测。最后，光学气体传感器的寿命长，并且在使用过程中不需要频繁的校准，便于后期使用及维护。

1 红外气体检测的优点

根与传统的检测方法相比较，基于红外气体光谱吸收原理的气体检测方法具有以下几个方面显著的优点：

1）检测对象范围广：除了具有对称结构的无极性双分子气体以外，大多数多原子分子气体均有红外吸收光谱，都可以用红外吸收原理气体检测方法测量;

2）优秀的气体选择性：每种气体有各自对应的红外吸收波段，也就是每种气体有各自对应的特征吸收峰，适用于多组分混合气体中某单一气体组分的测量。

3）稳定性好、响应速度快：在有些其他的气体检测方法中，由于检测元件的发热和温度升高等因素，导致测量结果有误差。但是红外气体检测原理采用的是光信号，自然也就不会引起检测系统的升温发热，所以红外检测系统具有良好的稳定性。

4）信噪比高、寿命长、灵敏度高：该检测方法带来的干扰噪声小，有用信号非常明显，该系统信噪比高。并且该检测系统具有零点自校准和灵敏度自补偿功能，无需定时校准，红外检测系统所使用的红外光源与探测器等主要元件技术成熟，寿命长达5年以上，所以使用寿命相当的长。只要系统设计合理，微弱变化的气体浓度即可被检测出来，国外高端痕量气体检测仪可达到ppb（parts per billion，十亿分之一）量级的灵敏度。

5）可以在非常多的场合工作，适用环境的能力很强：因为红外吸收检测方法属于物理检测方法的范畴，矿下潮湿、灰尘、昏暗的复杂环境不会影响气体的测量，对应用环境没有任何特别的要求，所以红外气体检测仪表现出很强的抗化学腐蚀和抗氧化的能力，继而红外气体检测方法成为矿下气体检测的技术的研究热点。

6）抗干扰能力强：采用红外吸收原理的检测仪本质上是利用了光学原理，也就是光信号进行测量。

7）测量范围宽、具有很强的抗毒性和抗老化性：利用红外吸收原理的气体检测仪可检测0～100%范围内任何浓度的气体，具有很大的量程。采用红外气体检测原理的检测仪不会因为待测气体浓度太高超过测量范围而造成催化类元件中毒失活，导致检测结果存在很大误差，它能很好的克服这类缺点，所以不易受其他干扰气体的影响而中毒老化。

2 系统设计

系统采用中红外波段的光源，检测系统包括硬件系统和软件系统组成。硬件系统包括光学和电学部分。MEMS红外光源经电调制发出红外光，经气室后光被吸收，探测器完成光电转换，输出的电信号经信号处理电路处理后，经AD采样，输送到主控部分处理，最后实现浓度的显示和声光报警。气室部分集成了MEMS红外光源、双通道的探测器和开放式球面聚光镜气室。供电部分主要将外部输入的220 V交流电通过AC/DC转换模块变成24 V，然后DC/DC模块变为±12 V和±5 V，向电学系统提供工作电源。信号处理部分主要将探测器的输出信号进行差分、放大、滤波、锁相放大（锁相放大删掉），经AD采样后完成模数转换，将数字量送入主控制芯片进行处理。控制系统的核心器件是MCU（Micro Control Unit，微处理单元），本文选择的是LPC2132（跟后面的控制电路和软件设计部分，系统采用应用较为广泛的STM32嵌入式芯片作为系统的主控芯片不一致，改为STM32F103C8T6）。该主处理芯片主要完成对数字信号的处理、显示及声光报警，以及温度测量，按键处理（及通信）等功能。软件系统主要完成光源调制、AD转换、温度采集、按键识别与处理、浓度计算、报警阈值存储、声光报警、LCD显示等功能。

3 设计方案与器件选型

根据气体的吸收特性，应该制作高精度的红外热光源驱动电路，包括直流驱动和脉冲驱动两种方式，使光源满足甲烷检测实验的要求。此外，还应该研制系统整体供电电源电路，用于各个电路模块和系统光源的供电。此外，还需要研制光电探测器电路，将包含气体吸收信号的微弱光信号转化为电信号，并进行去噪和放大处理，用于提取包含甲烷气体浓度的信号。拟选取InGaAs光电二极管作为核心器件，研制光电转换电路。选择嵌入式芯片作为主控制芯片，为实现红外甲烷气体的检测，主控程序实现光源的PWM驱动、温度采集、AD芯片驱动、软件滤波、电压浓度转换、显示、声光报警、按键功能切换、及串口通信功能。在红外甲烷检测系统研制完成后，需要进行足够的实验测试以完善系统功能，主要目的在于测试检测灵敏度和稳定度，最终达到项目设计目标。

4 控制电路和软件设计

系统采用应用较为广泛的STM32嵌入式芯片作为系统的主控芯片。该芯片具有高性价比、低功耗的优点。采用主控芯片对红外甲烷传感器进行控制和通信，将接受（改为测量）到的甲烷浓度信息进行存储，可以通过串口电路将甲烷浓度信息发送到上位机，也可以使用LCD液晶显示屏进行实时显示。受工作环境限制，在一些需要测试甲烷气体的场所存在布线困难的实际问题，因此可以在系统中加入无线通信模块，实现无线通信功能。无线通信功能的另一个好处是可以方便地进行进一步的系統开发和扩展，如采用多节点共同检测等。

软件开发部分分为两个方面，一方面需要进行嵌入式程序开发，包括片载程序的编译、调试和烧写等，另一方面需要开发上位机软件，具有串口通信功能，可以将检测系统发送的数据进行接收、显示和存储，上位机软件可以基于LabVIEW软件进行开发，该软件具有强大的上位机程序设计功能，可以有效地满足系统的设计要求。

5 结论

本文以红外波段的光学器件作为光源，设计了应用于农业设施中气体检测系统。红外气体检测的优点有很多，包括检测范围广、气体选择性好、稳定性高、响应速度快等，本文中的系统不仅具有研究意义，若得到市场推广，也具有一定的商业价值。

参考文献：

[1]王建业，纪新明，吴飞蝶，等.光声光谱法探测微量气体[J].传感技术学报，2006，19（4）：1206-1211.

[2]郑龙江，李鹏，秦瑞峰，等.气体浓度检测光学技术的研究现状和发展趋势[J].激光与光电子学进展，2009（8）：24—32.

（汉威科技集团股份有限公司，河南 郑州 450001）