反射式紅外甲烷傳感器氣室設(shè)計(jì)*

劉 崗，梁 庭，郇 弢，雷 程，趙曉霞

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051;2.電子測試技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051)

0 引言

在紅外甲烷傳感器中，紅外氣室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常關(guān)系到該傳感器的性能好壞，所以，紅外氣室是紅外傳感器的關(guān)鍵部件之一。在生產(chǎn)和生活環(huán)境中由于意外和緊急情況所產(chǎn)生的甲烷氣體對(duì)正常的生產(chǎn)和生活造成了很大的危害，尤其工業(yè)礦井生產(chǎn)中產(chǎn)生的甲烷氣體，它是造成礦井瓦斯爆炸的重要組成氣體［1］。近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)甲烷氣體的檢測提出了更高的要求。反射式紅外甲烷傳感器因其受環(huán)境因素影響小、靈敏度高、響應(yīng)速度快、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，成為紅外氣體傳感器領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)［2］。

反射式紅外甲烷傳感器是基于光譜吸收原理，紅外光譜吸收法是利用雙原子分子對(duì)紅外光具有特定吸收峰這一特性來實(shí)現(xiàn)的，甲烷氣體分子對(duì)某些特定波長紅外光具有吸收作用，這個(gè)波段就稱為這一氣體的特定紅外吸收峰，它并不與其他氣體吸收峰干擾，這種性質(zhì)是具有紅外活性物質(zhì)本身固有的一種屬性，如同人類的指紋，具有唯一性，不會(huì)因環(huán)境、溫度等條件的改變而改變［3］，通過對(duì)比吸收前后的紅外光強(qiáng)度，根據(jù)朗伯—比爾定律即可得到甲烷氣體的體積分?jǐn)?shù)。

1 反射式紅外甲烷傳感器氣室設(shè)計(jì)

反射式紅外甲烷傳感器氣室由IRL715紅外光源、PYS3228雙通道熱釋電紅外氣體探測器、旋轉(zhuǎn)拋物面氣室中腔、底蓋和插針等部分構(gòu)成。

1.1 氣室中腔的設(shè)計(jì)

紅外探測器的兩通道在接收紅外光后，兩通道會(huì)有微弱的信號(hào)，甲烷氣體分子對(duì)某些特定波長紅外光具有吸收作用，通過對(duì)比吸收前后的紅外光強(qiáng)度，根據(jù)朗伯—比爾定律［4］烷氣體的體積分?jǐn)?shù)

式中 I為出射光強(qiáng);I0為入射光強(qiáng);K為被測氣體的吸收系數(shù);C為被測氣體的體積分?jǐn)?shù);L為輻射通過被測氣體介質(zhì)的光程。由式(1)可知，甲烷體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算和檢測與光程有關(guān)系。為了得到準(zhǔn)確的光程和匯聚光線，將氣室中腔設(shè)計(jì)成曲率為6mm的旋轉(zhuǎn)拋物面，并將紅外光源和探測器放置在拋物面的焦點(diǎn)，這樣，就能得到近似平行光的紅外光束，平行光追跡過程遇到氣室頂蓋后反射到氣室底部的探測器，氣室采用反射式不僅可增加光程，還避免了傳統(tǒng)封閉式氣室需要?dú)獗贸樗蜌舛鴰淼臋z測儀體積和功耗的增加［5］。

理論上氣室越長越好，因?yàn)檫@樣氣室中的氣體在較均勻分布下對(duì)紅外輻射的吸收較充分，并且能提高傳感器的靈敏度。但綜合考慮到傳感器的便攜性、紅外輻射的衰減和紅外光在氣室內(nèi)的折射散射等因素，氣室不能太長，實(shí)際應(yīng)用中，氣室的長度是根據(jù)待測氣體種類、測量范圍和分辨率來決定，在室溫下，氣室直徑一定(25 mm)不同長度的氣室響應(yīng)時(shí)間和靈敏度如表1。

表1 氣室長度和響應(yīng)時(shí)間關(guān)系Tab 1 Relationship between length of gas chamber and response time

由表1可以看出在氣室直徑一定的情況下，氣室的長度在25～35 mm之間，傳感器的響應(yīng)時(shí)間和靈敏度比較合理，本設(shè)計(jì)中選用的氣室的長度為27 mm。對(duì)于氣室的直徑，在能滿足光源、探測器和導(dǎo)線放置的前提下應(yīng)該越小越好，直徑小，則響應(yīng)時(shí)間短，并且會(huì)使平行光束更加密集，進(jìn)而到達(dá)探測器的紅外器的光通量大，得到的氣室輸出更加準(zhǔn)確可靠，本設(shè)計(jì)采用25 mm的直徑。圖1為不同長度的幾種氣室外殼，圖2為確定的氣室結(jié)構(gòu)。

圖1 不同長度的氣室Fig 1 Gas chamber with different length

圖2 氣室結(jié)構(gòu)Fig 2 Structure of gas chamber

1.2 氣室內(nèi)壁鍍膜材料的選擇

旋轉(zhuǎn)拋物面對(duì)光線有很強(qiáng)的匯聚作用，紅外光經(jīng)拋物面后會(huì)形成近似平行光的光束，但仍有部分光會(huì)在氣室內(nèi)發(fā)生反射和折射，為了減少光能的損失和增強(qiáng)反射需要對(duì)氣室內(nèi)進(jìn)行鍍膜。用于紅外的反射膜主要有:金屬膜、玻璃膜、氧化物等幾大類，本設(shè)計(jì)中采用金屬鍍膜，因?yàn)榻饘倌ぞ哂懈叻瓷渎?、制備工藝簡單及成本低等?yōu)點(diǎn)。常見的金屬Ag，Al，Au膜在近紅外區(qū)有很高的反射率［6］射率曲線如圖3。

圖3 Al，Ag，Au 的反射率曲線Fig 3 Reflectivity curves of Al，Ag，Au

Al在紅外區(qū)域都具有幾乎最高的反射率并且便宜，是地球上豐度最高的金屬元素，但Al膜的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，這是由于Al膜表面在大氣中容易生成一層薄的Al2O3膜，這種自然反應(yīng)生成的鍍膜會(huì)影響氣室內(nèi)部的平滑度和粗糙度;Ag膜在可見光區(qū)和紅外區(qū)都有很高的反射率，但Ag膜附著力較差，機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性不好，在可見光譜區(qū)Ag膜暴露大氣后，其反射率損失嚴(yán)重;Au在紅外區(qū)有幾乎和Ag有相近的高反射率，而其化學(xué)穩(wěn)定性要比Ag好得多，不易受氧化，在大氣中也不易受污染，所以，本設(shè)計(jì)選擇Au進(jìn)行鍍膜。

1.3 氣室結(jié)構(gòu)性能仿真

用光學(xué)仿真軟件ZEMAX模擬紅外光傳播路徑和在探測器上形成的光強(qiáng)分布，如圖4。

圖4 氣室仿真圖Fig 4 Simulation figure of gas chamber

由圖4可以看出:紅外光經(jīng)過旋轉(zhuǎn)拋物面反射后會(huì)得到近似平行的紅外光，從而驗(yàn)證光源的放置和拋物面的確定是成功的。同時(shí)，還可以看出紅外光經(jīng)過反射后在探測器兩通道上形成的光強(qiáng)分部近似是對(duì)稱和相等的，這對(duì)后面進(jìn)行體積分?jǐn)?shù)計(jì)算至關(guān)重要;紅外探測器的兩路通道在接收紅外光后，兩路通道都有電壓信號(hào)輸出，對(duì)于檢測通道是與被測氣體體積分?jǐn)?shù)直接有關(guān)的，而對(duì)比通道則是與被測氣體無直接關(guān)系的，但它反映了外界環(huán)境條件等因素，假設(shè)兩路通道的比例因子分別為K1，K2，而對(duì)于一個(gè)確定的系統(tǒng)通道的比例因子都已確定［7］，由式(1)可推算出檢測通道輸出如式(2)，對(duì)比通道輸出如式(3)

在實(shí)驗(yàn)過程中，光強(qiáng)很難準(zhǔn)確地測量，為了消除光強(qiáng)因子的影響，需要探測器上的光強(qiáng)分布近似相等，對(duì)以上兩式求比值消除了光強(qiáng)因子，可以求得體積分?jǐn)?shù)

通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、軟件和電路的方法來補(bǔ)償及單片機(jī)運(yùn)算，則可得到甲烷氣體的體積分?jǐn)?shù)。圖5為最終氣室實(shí)物圖。

2 實(shí)驗(yàn)過程

反射式紅外甲烷傳感器氣室的測試實(shí)驗(yàn)分為以下幾個(gè)步驟:反射氣室的標(biāo)定、氣室最終的測試。實(shí)驗(yàn)采用北京金迅公司的RCS2000—A計(jì)算機(jī)配氣系統(tǒng)。

2.1 反射氣室的標(biāo)定

標(biāo)定過程采用純度為99.9%N2作為實(shí)驗(yàn)的載氣，配氣系統(tǒng)將配好的甲烷和氮?dú)廨斔偷脚錃庀?，一定時(shí)間后氣體會(huì)自動(dòng)擴(kuò)散整個(gè)配比箱并平衡箱內(nèi)，這時(shí)就可以觀測大型分析儀所測的氣體體積分?jǐn)?shù)參數(shù)F a，以20 min作為一個(gè)平衡點(diǎn)(若此時(shí)傳感器的顯示還不穩(wěn)定，則可適當(dāng)?shù)匮娱L平衡時(shí)間)，依次按照0.25%，0.5%，0.75%，1%，…，2.5%來調(diào)整配氣系統(tǒng)的配氣體積分?jǐn)?shù)，通過多次觀測不同體積分?jǐn)?shù)下不同的輸出值，圖5為標(biāo)定實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)圖。

圖5 反射氣室標(biāo)定測試曲線Fig 5 Calibration and test curve of reflective gas chamber

由標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出:該實(shí)驗(yàn)具有一定的一致性趨勢(shì)，滿足一定的曲線關(guān)系，線性度很好，并且具有很好的重復(fù)性。

2.2 氣室最終測試

對(duì)標(biāo)定得到的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，將得到的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)表格的形式下載到單片機(jī)中，然后將氣室和電路板再次放入配氣室中。表2是實(shí)驗(yàn)過程中裝配新氣室傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 標(biāo)測與實(shí)測值比較Tab 2 Comparison between standard and tested value

由表2和圖5可知:新氣室的誤差范圍為±0.04%，新型氣室誤差范圍更小，顯示結(jié)果更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文結(jié)合國內(nèi)外較為先進(jìn)的紅外吸收原理和雙通道對(duì)比檢測原理，設(shè)計(jì)了反射式紅外甲烷傳感器氣室，該氣室結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定高效、檢測量程寬，尤其是該氣室結(jié)構(gòu)有更寬的紅外檢測應(yīng)用范圍。只需更換探測器上的濾光片即可實(shí)現(xiàn)對(duì)探測器吸收特征波長的改變，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)對(duì)其他氣體的檢測。

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