便携式光离子化VOCs气体检测器设计

郑培超，许冠捷，何雨桐，卢建树，王金梅

(重庆邮电大学光电工程学院，重庆 400065)

0 引言

近年来，由于空气污染日益严重，社会各界对挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)的关注度持续增高。VOCs是指在常温环境中沸点为50～260 ℃的有机物质，由苯、甲醛与有机氯化物等组成，主要来源为化学工业废气排放、汽车尾气、室内装修涂料等[1]。由于VOCs具有强挥发性，若长期在VOCs环境中工作，会刺激肺部和咽部，对视觉和听觉神经造成破坏。在大气环境中，VOCs会导致光化学污染，腐蚀建筑材料并且会使植物枯死[2]。因此，人们需要便携式设备来快速检测工作环境中挥发性有机物的浓度，当危险气体的浓度超过阈值时及时发出警报。

常见的VOCs气体检测设备有热导式检测器(thermal conductivity detector，TCD)、氢火焰离子化检测器(flame Ionization detector，FID)和气相色谱仪(gas chromatograph)等[3]。目前，VOCs检测设备体积较大，不易携带，且在检测时需要载气，不易应用于复杂环境中。

光离子化检测器(photo lonization detector，PID)是采用紫外灯作为电离源，灵敏度较高的气体检测设备。PID可检测的物质范围十分广泛，电离能低于检测器中真空紫外灯电离能的气体都可以被电离检测，常见的挥发性有机物如烃类、醇类、醛类等均可被PID检测，但空气中水蒸气、氧气、氮气等气体不会被电离，因此PID在检测时可以排除大多数无机物的干扰[4]。另外，PID还具有体积小、响应时间短、检测限低、对待测气体无破坏的特点，可与质谱、气相色谱等设备联用，应用市场十分广泛。

本文设计了一种便携式光离子化检测器，系统采用3.7 V锂电池供电，设计了电离室结构，紫外灯驱动、USB充电功能、信号采集、电源管理等硬件电路模块，控制器使用STM32F103RCT6用于显示浓度、温湿度、WiFi远程传输和报警控制，组成了完整的PID系统。

1 工作原理

光离子化检测技术主要应用于VOCs的检测，PID工作原理如图1所示，待测气体(VOCs)进入电离室后，经过PID传感器中真空紫外灯照射，若待测气体的电离能小于紫外灯的电离能时，待测气体会发生电离反应，在电离室中外加极板电压的作用下,电离出的带正电和带负电的电子和离子向正极和负极移动，从而产生微弱的电流信号，通过放大电路对微弱电流信号进行I-V转换，可以得到放大后的电压信号。控制单元采集输出信号并将待测气体的浓度实时显示，也可以通过I/O接口将数据传入上位机中。

光离子化电离室对待测气体发生电离主要有直接电离和间接电离2种方式[5]：

直接电离：待测气体与紫外光发生反应直接电离成正离子，放出电子。

AB+hv→AB++e-

(1)

间接电离：待测气体吸收紫外光能量发生电离。

AB+hv→AB*

(2)

AB*→AB++e-

(3)

式中：AB为待测气体；AB*为待测气体分子吸收紫外光能量后的激发态。

式(1)与式(3)是PID的工作原理。

AB*→A+B

(4)

AB*+C→AB+C

(5)

AB++e-→AB

(6)

e-+D→D-

(7)

AB++D-→AB+D

(8)

式中：C与D为待测气体中不能被紫外灯电离的气体分子，如二氧化碳、氧气、氮气、甲烷、乙烷等。

式(4)～式(5)为激发态气体分子到非激发态的过程，式(6)～式(8)为电子的再结合过程，他们都会减小检测电流信号的大小，在电离室的极板间加上高压，那么就会降低电子的再结合的过程。

根据Freedman[6]提出的PID中实际测得的离子流i可以描述为

i=I0FησNL[AB]

(9)

式中：I0为光辐射强度；F为法拉第常数；η为组分的吸收横截面；σ为激发态分子的电离效率；N为阿伏加德罗常数；L为光吸收层厚度；[AB]为被测物质浓度。

2 系统设计

2.1 整体结构

PID的工作流程如图2所示，气泵将待测气体送入电离室中，气体分子会发生电离形成微弱电流信号。经过放大电路放大后的电信号，由微控制器采集处理分析，并将待测气体的浓度显示在OLED显示屏中，当浓度超过阈值时发出报警信号。

系统的硬件电路包括电源管理模块、USB充电电路、紫外灯驱动电路、放大电路、系统控制电路。其中，系统主控芯片采用嵌入式微控制器的集成电路STM32F103RCT6，搭载A/D信号采集、RGB数码显示、4位控制按键和1位复位按键，微型气泵控制组件、报警设备、温湿度采集模块与WiFi通信模块。系统可以将采集的VOCs浓度数据在显示屏中实时显示，或通过移动设备对PID进行远距离监控，实时读取系统中采集的数据。PID整体的硬件框架如图3所示。

2.2 电离室设计

在PID的设计中，电离室的结构决定了PID对VOCs的检测性能。电离室结构图如图4所示，主要由保护罩、氟胶垫片、极板、内嵌筒和密封垫片组成。

电离室设计采用轴向结构[7]，是指待测气体流入电离室的方向与紫外灯入射方向平行，这种结构可以充分利用紫外灯的光程，使待测气体更加充分的电离，更易达到平衡状态以增大电离效率。PID在经过一段时间的使用后，由于待测气体长时间平行入射紫外灯窗口，会使紫外灯表面附着有机化合物从而降低电离效率，并使得检测到的背景电压逐渐增高，这是轴向结构的缺点。定期使用丙酮擦拭紫外灯窗口表面来减小残留物的污染，从而提高PID的准确性。

依据Boag理论[8]，电离室的收集效率可表示为

(10)

式中：ζ=md2q0.5/V；d为电离室电极间距，cm；V为极板电压，V；m为空气温度、气压修正因子；q为单位时间内空气电离密度，esu·cm-3·s-1。

从式(10)可以推断，光离子化电离室的电荷收集效率与极板间距和外加电场电压有关。缩小极板间距和增大外加电场电压都可以提高电离室的灵敏度。根据Boag理论，当电场电压设置为200 V左右时，收集效率趋近于95%，继续增大将会影响检测系统的稳定性，因此，极板电压设置为200 V。

紫外灯选用型号为PKR106-6的真空紫外灯，其电离能为10.6 eV，可以电离大部分有机物，内部填充气体为Kr，玻璃封装直径为6 mm，长度为30 mm，满足小型化的要求，为增强带电粒子的收集效率[9]，采用6 mm极板间距，与紫外灯窗口直径保持一致。由于电离室采用轴向设计，因此电离腔长度设计为10 mm，与紫外灯的光程一致，这样可以充分利用紫外灯的照射区域。极板形状采用波浪型设计，厚度为1 mm，有效增加极板与带电粒子的接触面积，提高检测灵敏度。

2.3 紫外灯驱动电路设计

驱动电路采用电容耦合激发放电的方式驱动紫外灯。电容耦合激发放电即在两极板间固定真空紫外灯，并在极板中通入高压高频交流电，在高频电场中，紫外灯产生等离子体发光，此时两块极板与紫外灯可看作为一个电容，因此被称为电容耦合激发放电。相对于电感耦合激发放电[10]，电容耦合激发方式结构简单，体积小，在便携式设备中更易实现。

紫外灯驱动电路采用Royer推挽自激电路[11],它能够实现将低压直流电转化为高压高频交流电，满足紫外灯正常激励要求，原理图如图5所示。变压器T1的1、2、3端构成第1个初级绕阻(又称集电极绕阻)，其中第2端口为中心抽头，4、5端口与晶体管Q1、Q2的基极相连，组成第2个初级反馈绕组(基级绕阻)，6、7端口组成次级绕阻，次级与初级共地设计，在铜片P1与P2间输出高压高频交流电。驱动电路使用开关晶体管和变压器铁芯的磁通量饱和来进行自激振荡。由于Q1、Q2的性能不可能完全一致，所以Q1、Q2间会产生交替导通，循环往复的现象，从而在变压器T1次级形成振荡，产生高压交流电，电容C3与Q1、Q2的集电极相连，可以控制2个晶体管导通、关闭的频率，进而控制变压器次级的频率，如图6所示，当驱动电源正常工作时，次级绕阻输出使用高压探测器(电压缩小为原来的1/1 000)探测可得该驱动电路输出幅频特性稳定，紫外灯工作正常。

变压器次级的输出引线不能过长。当引线过长时，变压器次级输出的幅频特性不能较好地传递，必须使用短引线进行连接。最终在驱动电路结构中选择将电极铜片直接焊接在PCB板中。

2.4 充电电路设计

由于锂电池体积小，内部电压足，自动泄漏电流较小，长时间不使用时电量不会有较多损失，因此采用锂电池对PID设备供电。设备使用5 A·h容量锂电池，理想状态可持续工作10 h，但由于锂电池转换效率不足80%，实际使用时长为7～8 h。同时，锂电池又具有充电速度较快，内部不含重金属物质，不会污染环境的特点[12]，设计USB充电接口，可以满足PID在不同环境下的充电需求。充电电路原理图如图7所示。

锂电池充电芯片采用BQ24093芯片，它是高度集成的锂离子和锂极化线性充电芯片，具有输入过电压保护和短路保护的特性，BQ24093芯片在正常工作时，IN口连接直流源，旁路电容C1取1 μF进行滤波。R1用来调节快速充电的电流量，取540 Ω时，充电电流最大为1 A。CHG端的场效应管为充电提示，开启时表示正在充电，关闭时表示充电已完成，当锂电池电量充满时，输出引脚电压达到调节电压，电流逐渐下降，CHG引脚将变为高阻抗，并运行电池检测电路，当检测到锂电池时，充电电流终止。

2.5 信号检测电路

电离位不高于紫外灯的待测气体进入电离室中发生电离，产生微弱电流，设计的PID电离室中本底电流约为600 pA，需要经过pA级放大电路转化为能被控制单元采集的电压信号。同时，由于所设计检测器中使用的控制核心为STM32F103RCT6,检测范围为0～3.3 V，因此，选取LOG112精密对数放大器，其动态输入范围为100 pA～3.5 mA，当检测高浓度挥发性有机物时输出电压不高于3.3 V，符合设计要求，在输出端增加RC滤波电路，可以滤除输出电压信号中的噪声干扰，电路原理图如图8所示。

2.6 系统软件设计

本文设计的PID采用STM32F103RCT6为核心控制器，功能代码使用C语言在KeilμVision5程序中编写，具有良好的可读性、复用性和维护性。主要程序包括数码显示、按键输入、蜂鸣器报警、温湿度传感、气泵控制、WiFi通信、SD卡采集和串口输出等功能模块，PID显示界面设计框架如图9所示。

WiFi模块通过机智云平台，可以将PID实时监测的浓度数据、温湿度信息同步传输至手机端，传输距离远，数据同步率快，当待测区域较大时。可以放置多个设备实现区域内组网集中监控，手机端显示如图10所示。

3 实验测试与分析

3.1 系统可重复性测试

为了验证所设计的PID电离室结构与电源模块的性能，在密封气室中使用质量流量计以不同流速通入异丁烯气体与氮气进行混合，配置得到不同浓度的待测气体。在实验环境稳定的情况下，在不同时间段测试6组0～200 ppm异丁烯浓度对应的输出电压值，结果如图11所示。从图11可以看出，此次设计的PID检测器具有良好的可重复性。

对实验所测6组数据取平均值进行拟合得到图12，从图12可以看出，由于检测系统采用对数放大电路，所以气体浓度与采集电压呈对数关系，气体浓度越大，采集电压越高，拟合度R2=0.997 62，检测限可达2.2 ppm，根据《固定污染源 挥发性有机物排放连续自动检测系统光离子化检测器(PID)法技术要求》(DB44/T1947-2016)[13]性能指标规定，检测器的测定下限应小于5 mg/m3，满足标准适用要求。

3.2 系统稳定性测试

将实验测试得到的校准曲线植入主控芯片后，为了测试系统的稳定性，对传感器持续通入30 ppm浓度的异丁烯气体，每隔30 s读取相同实验条件下的显示浓度，如图13所示。从图13可以得出，气体浓度有一些浮动，但浮动不大，稳定性为2.72%，比较平稳。

3.3 系统响应时间测试

响应时间是检测其性能的重要参数之一，响应时间越小，系统的可靠性更高。实验通入100 ppm的异丁烯气体作为待测气体，每隔2 s读取1次数据，以20 s作为1个测试周期，连续测试3个周期，记录从通入待测气体后瞬时升高到稳定值90%时所需的时间如图14所示。图14验证本文所设计的检测器响应时间约为8～10 s。

4 结束语

本文设计了一种便携式PID，体积小、质量轻，使用锂电池供电，实现了PID在室外快速作业的需求，对检测器中的电离室结构与硬件模块进行了详细的分析与介绍。实验证明该PID的性能良好。由于PID本身具有无需化学试剂和载气，可直接检测待测气体，对环境无破坏的特性，因此本文设计的PID适合用于复杂环境综合检测，污染源的评估与跟踪，在环境保护方面具有广泛的应用前景。