一种VOC气体检测的光离子化传感器设计

刘若愚，胡 泓

(哈尔滨工业大学深圳研究生院机电工程学院，广东深圳 518055)

0 引言

光离子化传感器(PID)是一种可以用来检测低浓度的挥发性有机化合物(VOC)的传感器，VOC气体对人们的生产生活是有危害的，高浓度的VOC气体具有致命性和爆炸的风险。PID传感器由于具有非破坏性测量的特点，在VOC气体检测中的地位越来越高。

1 PID工作原理

PID工作原理如图1所示。样品气体流入传感器的电离室后接受紫外灯的照射，部分挥发性有机化合物分子吸收紫外光子的能量发生电离，产生电子和离子，电离出的电子和离子在电离室的高压电极所产生的高压电场作用下向两极定向移动，最终在测量电极上产生一个微弱的电流信号，通过对该信号的收集处理可以获得样品气体的VOC浓度。

图1 PID工作原理

2 电离室设计

2.1 电离室结构

PID的电离室结构目前主要有2种，二维结构和轴向结构，如图2所示，2种结构的主要区别在于气流方向和紫外光照射方向的位置关系[1]。

(a)轴向结构 (b)二维结构图2 PID电离室轴向结构和二维结构

轴向结构，即气体流动方向和紫外光照射方向平行，气体垂直于PID灯表面流过，这种结构可以充分利用紫外光，电离室空间较大，电离更容易发生，容易达到平衡状态，但由于气体垂直于紫外灯表面流入，气体直接轰击灯表面，长期使用后会有有机化合物存留在灯表面，使得PID产生越来越大的零漂，需要进行校准或清洗PID灯，这是轴向结构的一个缺陷。二维结构，即气体流动方向垂直于紫外光照射方向，气体从PID灯表面流过，依靠扩散作用进入电离室，这种结构可以将电离室整体尺寸做得很小从而减小PID的整体尺寸；同时由于气体不会冲击PID灯表面，产生零漂的可能性降低。但二维结构由于电离室有效电离空间减小，测量信号值会减小，同时采用扩散作用让气体进入电离室发生电离的方法会导致PID需要较长时间达到平衡状态，从而使得响应时间变长。本文设计的传感器为了获得快速的响应速度和简单小巧的结构，采用轴向结构设计电离室。

2.2 电离室收集效率

根据Boag理论[2]，电离室的收集效率估算式为

(1)

式中：f为电离室收集效率；d为极板间距，mm；m为修正因数；q为空气电离速度；V为极板间电压，V。

因此，为了提高离子的收集效率，可以通过增大极板间的电压和缩短极板间距来实现，但极板间的间距过小可能导致紫外光利用不充分使得测量信号减弱，极板间的电压过大会增加电源模块的设计难度[3]。本文考虑所选紫外灯(PKR 106-6-14)的直径为6 mm，最终设定高压电极的间距为6 mm，测量电极居中放置，与高压电极的间距为3 mm。在测量电极下方放置一个紫外灯监测电极，用来监测紫外灯的工作状态，同时防止紫外光直接照射到测量电极上产生光电效应从而对测量结果产生影响。将测量电极和偏置电极设计为0.1 mm厚L型电极，电极放入电离室后将电极弯折成空间L型，电离室下方具有0.2 mm深的槽用来容纳电极的弯折部分。电路部分与电离室中电极的对接采用弹簧探针，利用弹簧探针的探头接触电极并对电极进行固定。电离室的装配效果图如图3所示，传感器整体剖面图如图4所示。

图3 电离室装配效果

图4 传感器剖面结构

3 电路模块设计

3.1 原始电流信号估算

根据实际使用需求，本文设计的PID将传感器的最小分辨率设为10 ppb，估算在标况下的最小气体浓度的电流信号，取1 mL 10 ppb的异丁烯气体，其中异丁烯气体分子数为2.7×1011。假设气体流速为0.3 L/min，则流经电离室的异丁烯分子数为1.35×1012/s。假设异丁烯电离截面积为10-16cm2，单次电离产生电荷电量1.6×10-19C，PID灯输出光子数为1010个/s，则原始电流约为216 fA。

3.2 信号采集处理

本文设计的传感器要求分辨率达到10 ppb，最小原始电流信号为fA级别，在进行I/V转换及放大电路设计时需要选用偏置电流为fA级别的精密运放，故选用ADA4530-1芯片，其偏置电流为20 fA，同时具有低失调电压、低失调漂移、低电压噪声和电流噪声特性，满足本文的设计需求，传感器的信号采集处理部分原理图如图5所示。

图5 信号采集处理电路

传感器原始电流信号通过I_MEA端流入信号采集处理部分，首先经过一个1 GΩ的电阻将电流信号转换成电压信号，由于原始电流信号非常微弱极容易发生漏电以及受到噪声信号干扰，因此在电流信号输入端添加一个保护环结构。之后通过一个由R100、C100和C101组成的RC滤波将工频噪声信号初步滤除并将原始电压信号送入运算放大器ADA4530-1的输入端，通过R101和R102调节初级放大倍数。ADA4530-1运算放大器的输出端将电压信号送入OPA2735的输入端完成二阶滤波和二级放大。从OPA2735的输出端将模拟电压信号输入A/D转换器ADS1115中完成模数信号的转换，ADS1115采用I2C通信将数字信号传递给单片机MSP430F2410，单片机MSP430F2410通过比较AT25C256中存储的传感器校准信息以及ADS1115采集的信号完成测试样品气体浓度的计算，并将气体浓度信息显示在计算机的软件界面。

3.3 部分电源电路

3.3.1 高压电极的300 V直流电源

传感器供电电压为5 V，本文设计的5 V-300 V直流电源采用XC9103D095MR和TPS40210实现，原理图如图6所示。

(a)5 V-24 V升压电路

(b)24 V-300 V升压电路图6 5 V-300 V直流升压电路

XC9103D095MR芯片在正常工作时FB端输出电压为0.9 V，利用R200、R201、R202进行调压，设定输出电压为

(2)

式中UFB为升压芯片反馈端高压。

通过D201-D204、D206-D208、C207、C208、C210-C212、C214和C219构成的倍压整流模块实现能承受高负载的高电压输出。TPS40210芯片在正常工作时FB端输出电压为0.7 V，利用R212-R218进行调压，设定输出电压为

(3)

3.3.2 紫外灯激励电源

本文选用的紫外灯为PKR 106-6-14，其激励电压为1 200 kV、50 kHz[4]。因此需要一个低压直流转高压交流的升压电路，采用如图7所示的Royer电路实现直流5 V到交流1 200 V、50 kHz的转换。Royer电路是对称的电路，在通电后由于2个晶体管在实际应用时无法同时导通，假设晶体管Q201先导通，流过Q201的集电极电流较大，变压器初级线圈1端电压降低，磁通量增加，通过反馈线圈的反馈作用使得Q201的基极电压继续升高，Q202基极电压降低截止。当变压器初级线圈的磁通量达到饱和状态时，反馈端线圈中的电流消失，Q201基极电压降低，Q201的集电极电流同时减弱，电流的变化引起初级线圈磁通量的反向变化，通过反馈线圈的作用使得Q201的基极电压不断减小最终导致Q201截止，Q202的基极电压不断增加，Q202的集电极电流不断增加，当初级线圈磁通量反向饱和时，重复实现Q201导通Q202截止，从而实现电路的振荡[5]。

图7 Royer电路

计算变压器初级线圈和次级线圈匝数比：

(4)

式中：Uos为变压器次级线圈输出电压；Um为变压器输出电压峰峰值。

(5)

式中：Nps为变压器初级线圈匝数比；Uin为输入电压；Uce为晶体管CE极饱合电压。

计算反馈线圈和初级线圈匝数比：

(6)

式中：Npf为变压器反馈线圈与初级线圈匝数比；Ube为晶体管BE极间电压。

变压器采用EFD15磁芯，电感系数为Al=0.78 μH/T2，预设变压器初级电感量为Lp1=50 μH，计算初级线圈匝数Np、次级线圈匝数Ns、反馈线圈匝数Nf：

(7)

取Np=Np1=Np2=9，其中Np1、Np2分别为变压器1-2脚、2-3脚间匝数。

(8)

(9)

计算晶体管两端最大电压Vceo：

(10)

选用NPN型晶体管BCX55-10，耐压值为60 V，符合设计要求，计算谐振电容：

(11)

(12)

电路起振需要满足以下条件：

(13)

由于紫外灯激励电极分布在紫外灯两侧，处于高阻抗工作状态，因此该电路可以起振。

计算基极电阻：

(14)

取R=22 kΩ。

4 实验验证及结果分析

为了验证本文设计的PID传感器电离室结构、信号采集处理模块以及电源模块的性能优劣，采用由4组流量调节阀和4个流量传感器组成的实验平台对传感器进行实验。其中测试气体气源为10 ppm纯净的异丁烯气体和纯净的空气，通过实验平台的4组流量调节阀预调的流量混合出0 ppm、0.5 ppm、1 ppm及10 ppm的异丁烯气体测试样品，通过控制每一条气路的总开关即可获得不同浓度的异丁烯气体。在对传感器进行测试前先对传感器进行30 min预热，使所有元器件处于相对稳定的工作状态，之后对传感器进行测试。

4.1 线性度和稳定性测试

对传感器持续通入0 ppm、0.5 ppm、1 ppm及10 ppm的异丁烯气体各10 min，通过软件记录传感器测得的数据，每隔1 s记录1次数据，数据如图8所示。从图8可以看出0 ppm异丁烯气体对应的电压值约为60 mV，0.5 ppm异丁烯气体对应电压约为66 mV，1 ppm异丁烯气体对应电压约为72 mV，10 ppm气体对应电压约为180 mV，由此可以看出传感器具有较好的线性度和稳定性，增益约为12 mV/ppm。

图8 稳定性和线性度实验数据曲线

同时对测得数据进行20 s跳动值计算，将结果显示在软件界面，如图9所示。从图9可以看出传感器在正常工作的情况下测量1 ppm异丁烯气体时20 s的最大跳动值为0.025 mV，则产生的误差平均值为0.001 25 mV/s，即测量浓度误差平均值约为0.1 ppb/s，当传感器的灵敏度为10 ppb时，测量精度可以达到1%。

4.2 重复性测试

对传感器反复通入0 ppm、0.5 ppm、1 ppm的异丁烯气体，浓度按照从低到高再从高到低的顺序，每10 min记录1次实验数据同时切换气体浓度，重复3次后得到的数据如图10所示，从图10可以看出该传感器具良好的重复性。

图9 软件界面截图

图10 重复性测试实验数据曲线

通过上述实验数据分析可以验证本文设计的传感器能够测量浓度低至10 ppb的挥发性有机化合物，同时精度可以达到1%，并且具有良好的线性度，稳定性和重复性。

5 结束语

本文设计了光离子化传感器，通过对电离室结构、电路部分的分析与设计以及多次实验验证，证明该传感器可以准确测量低至10 ppb的挥发性有机化合物，具有良好的稳定性和重复性，同时具有结构简单、体积小的优点。由于PID传感器自身具有的非破坏性测量的特点，本文设计的PID传感器在工业检测和环境保护等领域具有广泛的应用前景。