紅外多氣體傳感器設(shè)計(jì)*

唐力程， 譚秋林， 毛海央， 歐　文， 雷　程， 熊繼軍

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.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；3.中國科學(xué)院 微電子研究所 智能感知研發(fā)中心，北京 100029)

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紅外多氣體傳感器設(shè)計(jì)*

唐力程1,2,3， 譚秋林1,2， 毛海央3， 歐文3， 雷程1,2,3， 熊繼軍1,2

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.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；3.中國科學(xué)院 微電子研究所 智能感知研發(fā)中心，北京 100029)

摘要:針對甲烷、二氧化碳和一氧化碳三種氣體的同時(shí)檢測，設(shè)計(jì)出一種紅外多氣體傳感器。該傳感器將探測器和紅外光源集成在光學(xué)氣室內(nèi)。在對氣室進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定氣室高度為25 mm，隨后通過計(jì)算和軟件仿真分析確定氣室的半徑為10 mm。設(shè)計(jì)完成外圍電路并對傳感器進(jìn)行測試，結(jié)果顯示：對甲烷、一氧化碳和二氧化碳的檢測范圍可達(dá)到(0～40 000)×10-6。

關(guān)鍵詞:多氣體檢測； 紅外傳感器； 光學(xué)氣室； 光學(xué)氣室建模和仿真； 電路設(shè)計(jì)

0引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，多氣體檢測技術(shù)在煤礦氣體檢測、大氣環(huán)境檢測、火災(zāi)檢測等過程中愈發(fā)重要[1]。非色散紅外，(non-dispersive infrared,NDIR)檢測方法，由于其壽命長、響應(yīng)時(shí)間短及準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注[2]。

現(xiàn)有的紅外氣體傳感器大多只能檢測單一種類的氣體[3]，部分研究也專注于研發(fā)可用于檢測兩種氣體的傳感器，但是，針對兩種以上多氣體檢測的紅外氣體傳感器的研究鮮有報(bào)道。在國內(nèi)，淮南師范學(xué)院的伍龍報(bào)道了一種基于NDIR技術(shù)的多組分氣體測量系統(tǒng)，用于煤礦的井下檢測，其裝置吸收池的基長為50 cm[4]。在國外， Fonollosa J等人報(bào)道了一種多氣體檢測系統(tǒng)，該傳感器將2×2熱電堆探測器集成到檢測系統(tǒng)中[5]。但是，以上報(bào)道中檢測系統(tǒng)的氣室尺寸都比較大，造成整個(gè)檢測系統(tǒng)或傳感器不利于隨身攜帶和進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時(shí)檢測。

本文提出一種反射式多氣體檢測傳感器，測試結(jié)果顯示：該傳感器可用于檢測甲烷、二氧化碳和一氧化碳三種氣體。

1理論分析

根據(jù)紅外檢測的基本原理和據(jù)朗伯—比爾定律可推導(dǎo)出吸光度的計(jì)算公式

(1)

其中，C為待測氣體的濃度；K為氣體對于紅外光的吸收系數(shù)；L為紅外光在待測氣體內(nèi)通過的總光程；I為待測氣體吸收紅外光能量之后的光強(qiáng)，I0為紅外光進(jìn)入氣室前的光強(qiáng)。

測試多種氣體時(shí)，需要考慮不同氣體之間的干擾作用，因此，將所有測試氣體線性度的線性和作為該被測信號的吸光度[6]，計(jì)算如下

(2)

Cj=Aj/KjL,

(3)

2光學(xué)氣室設(shè)計(jì)

傳感器設(shè)計(jì)中選擇IR—7153EN作為紅外光源，輻射波長的范圍包括3～5 μm，滿足三種氣體測試要求。光學(xué)氣室采用反射式結(jié)構(gòu)，采用雙橢球面內(nèi)壁設(shè)計(jì)，頂平面安放帶小孔的通氣網(wǎng)板，熱釋電紅外探測器設(shè)置在兩個(gè)橢球的焦點(diǎn)處，光源設(shè)置在兩個(gè)橢球面的交界處O＇，多氣體紅外傳感器光學(xué)氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1　多氣體傳感器光學(xué)氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig 1　Design diagram of optical gas chamber structure for multi-gas sensor

采用該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于可有效增長光程：從紅外光源發(fā)散出去的光，經(jīng)過氣室內(nèi)壁的頂平面和側(cè)壁兩次反射，最終達(dá)到探測器的表面。同時(shí)，為減少光損失，提高氣室側(cè)壁反射率，氣室內(nèi)壁采用鍍金處理。在設(shè)計(jì)本光學(xué)氣室時(shí)，考慮到紅外光源和探測器的尺寸，同時(shí),考慮到增加光程長度和減小傳感器體積之間的權(quán)衡，選用氣室的設(shè)計(jì)高度為25 mm。當(dāng)光學(xué)氣室的長度固定時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間與氣室直徑的關(guān)系如表1所示[7]。可見，當(dāng)氣室長度固定，氣室的寬度范圍在15～20 mm之間時(shí)，紅外氣體傳感器能得到較快的響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，考慮到集成紅外探測器與光源的實(shí)際尺寸，將氣室寬度的范圍確定在15～20 mm。

表1　光學(xué)氣室直徑與紅外傳感器響應(yīng)時(shí)間關(guān)系

經(jīng)過光學(xué)仿真軟件對氣室結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真，最終發(fā)現(xiàn)，氣室寬度為20 mm時(shí)，經(jīng)過反射到達(dá)探測器表面的光線具有較良好的分布，如圖2(a)顯示了寬度為20 mm時(shí)的3D模型圖，圖2(b)顯示了到達(dá)探測器表面的光強(qiáng)仿真圖。最終選用的微型光學(xué)氣室實(shí)物尺寸為10 mm(半徑)×25 mm(高度)。

圖2　光學(xué)氣室軟件建模與仿真圖Fig 2　Software modeling and simulation of optical gas chamber

3外圍電路設(shè)計(jì)

紅外多氣體傳感器主要由集成探測器和光源的氣室、微處理單元、濾波放大電路、紅外光源模塊(光源驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)流電路)、電源模塊和其他外圍電路組成，如圖3所示。其中，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了紅外光源模塊和微弱檢測信號濾波和放大電路。

圖3　紅外多氣體傳感器外圍電路設(shè)計(jì)框圖Fig 3　Block diagram of peripheral circuits design for infrared multi-gas sensor

4測試結(jié)果

圖4展示了多氣體傳感器的穩(wěn)定測試結(jié)果，具有實(shí)用性。

圖4　穩(wěn)定性測試信號圖Fig 4　Signal diagram of stability test

紅外多氣體傳感器放入供氣裝置中，并通入甲烷、二氧化碳和一氧化碳?xì)怏w，最終測試得到的相對吸收率Fa與氣體濃度的響應(yīng)關(guān)系如圖5所示，從圖中可見，該傳感器在(0～40 000)×10-6的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對甲烷、一氧化碳和二氧化碳的檢測。

圖5　待測氣體的相對吸收率Fa與氣體濃度的響應(yīng)關(guān)系圖Fig 5　Response relationship between relative absorptivities of test gas and gas concentrations

5結(jié)束語

本文針對多氣體檢測，創(chuàng)新地提出一種易于攜帶，便于現(xiàn)場實(shí)時(shí)檢測的紅外多氣體傳感器。在傳感器的設(shè)計(jì)上，將4只熱釋電探測器和紅外光源集成在光學(xué)氣室內(nèi)。在光學(xué)氣室的制備過程中，先確定了氣室的高度25 mm，之后通過分析和仿真確定氣室寬度為20 mm。結(jié)合外圍電路，對傳感器進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示：該紅外多氣體傳感器可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)氣體甲烷、二氧化碳和一氧化碳的檢測功能，其檢測的范圍是(0～40 000)×10-6。

參考文獻(xiàn):

[1]Hodgkinson J,Tatam R P.Optical gas sensing:A review[J].Meas Sci Technol,2012,24:1-3.

[2]劉崗,梁庭,郇弢,等.反射式紅外甲烷傳感器氣室設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(2):96-98.

[3]王莉， 陳小平.基于紅外傳感器的CO2測量裝置[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(11):115-117.

[4]伍龍，邢麗坤.基于非分散紅外技術(shù)的煤礦井下有害氣體定量探測方法研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2014,10(3):155-159.

[5]Fonollosa J,Halford B,Fonseca L,et al.Ethylene optical spectrometer for apple ripening monitoring in controlled atmosphere store-houses[J].Sensors and Actuators B:Chem,2009,136(2):546-554.

[6]杜鵬,譚秋林,薛晨陽，等.吸收光譜型氣體紅外傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2008(6):1-2.

[7]任曉力.便攜式紅外甲烷報(bào)警儀的設(shè)計(jì)[D].太原：中北大學(xué),2010.

Design of infrared multi-gas sensor*

TANG Li-cheng1,2,3, TAN Qiu-lin1,2, MAO Hai-yang3, OU Wen3, LEI Cheng1,2,3, XIONG Ji-jun1,2

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051,China;3.Smart Sensing R&D Center,Institute of Microelectronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China)

Abstract:A non-dispersive infrared (NDIR) sensor for methane,carbon dioxide and carbon monoxide,which integrates infrared light source and detectors in optical gas chamber.In design of gas chamber,the height of gas chamber is determined as 25 mm,then,through calculation and software simulation analysis,the radius of gas chamber is determined as 10 mm.The sensor is tested after peripheral circuits have been designed,as demonstrated in the experiments,range of detection on methane,carbon monoxide and carbon dioxide can reach(0～40 000)×10-6.

Key words:multi-gas detection; infrared sensor; optical chamber; modelling and simulation of optical chamber; circuits design

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0065—02

收稿日期：2015—12—08

*基金項(xiàng)目：國際自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61335008,51205373)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20131098)；河南省科技開發(fā)合作項(xiàng)目(132106000073)

中圖分類號:TN 923

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)02—0065—02

作者簡介:

唐力程(1991-)，男，四川達(dá)州人，碩士，主要從事MEMS紅外傳感器的研究。

譚秋林，通訊作者，E—mail:tanqiulin@nuc.edu.cn。