紅外光源氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計

王海超 張朋 方雁群

摘 要：氣體探測技術(shù)在人類活動的各個方面都發(fā)揮著極為重要的作用。大氣中某些微量氣體過量時，會導(dǎo)致溫室效應(yīng)、酸雨、毒霧、臭氧層空洞等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響人類賴以生存的環(huán)境。近年來，隨著人們環(huán)境健康意識的提高和環(huán)境變化的復(fù)雜性，傳統(tǒng)上使用的氣體探測系統(tǒng)已不能滿足要求，有待開發(fā)性能更高的新型氣體探測系統(tǒng)。按照工作原理的不同，氣體檢測方法可分為非光學(xué)分析法與光學(xué)分析法。鑒于上述研究背景與意義，本項目擬采用高靈敏度的紅外光源作為系統(tǒng)光源，基于紅外吸收光譜技術(shù)，設(shè)計研發(fā)高精度、高穩(wěn)定性、快速響應(yīng)、低成本、可集成的小型化氣體檢測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：紅外光源;氣體檢測系統(tǒng);設(shè)計

前言

近年來，我國安全生產(chǎn)問題和環(huán)境問題十分嚴(yán)峻。一方面，煤礦瓦斯爆炸、危險氣體泄漏等安全事故頻發(fā)，給國家造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會影響。另一方面，大氣中溫室氣體濃度的不斷升高也帶來了一系列的環(huán)境問題。因此，先進(jìn)的氣體傳感器研發(fā)工作十分重要。目前，采用紅外吸收原理檢測氣體是國內(nèi)外較為先進(jìn)的方法。相比于其他原理的氣體傳感器，光學(xué)氣體傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，光學(xué)氣體傳感器的靈敏度高、響應(yīng)速度快，具有非接觸性的優(yōu)點(diǎn)，非常適合在很多危險場合中對氣體進(jìn)行實(shí)時精密檢測。其次，光學(xué)氣體傳感器具有高選擇性的特點(diǎn)，對待測氣體進(jìn)行檢測時幾乎不會受到其他氣體的影響。檢測系統(tǒng)在進(jìn)行多氣體檢測時，可以通過分時復(fù)用等技術(shù)手段對混合氣體進(jìn)行快速的組分檢測。最后，光學(xué)氣體傳感器的壽命長，并且在使用過程中不需要頻繁的校準(zhǔn)，便于后期使用及維護(hù)。

1 紅外氣體檢測的優(yōu)點(diǎn)

根與傳統(tǒng)的檢測方法相比較，基于紅外氣體光譜吸收原理的氣體檢測方法具有以下幾個方面顯著的優(yōu)點(diǎn)：

1）檢測對象范圍廣：除了具有對稱結(jié)構(gòu)的無極性雙分子氣體以外，大多數(shù)多原子分子氣體均有紅外吸收光譜，都可以用紅外吸收原理氣體檢測方法測量;

2）優(yōu)秀的氣體選擇性：每種氣體有各自對應(yīng)的紅外吸收波段，也就是每種氣體有各自對應(yīng)的特征吸收峰，適用于多組分混合氣體中某單一氣體組分的測量。

3）穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快：在有些其他的氣體檢測方法中，由于檢測元件的發(fā)熱和溫度升高等因素，導(dǎo)致測量結(jié)果有誤差。但是紅外氣體檢測原理采用的是光信號，自然也就不會引起檢測系統(tǒng)的升溫發(fā)熱，所以紅外檢測系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

4）信噪比高、壽命長、靈敏度高：該檢測方法帶來的干擾噪聲小，有用信號非常明顯，該系統(tǒng)信噪比高。并且該檢測系統(tǒng)具有零點(diǎn)自校準(zhǔn)和靈敏度自補(bǔ)償功能，無需定時校準(zhǔn)，紅外檢測系統(tǒng)所使用的紅外光源與探測器等主要元件技術(shù)成熟，壽命長達(dá)5年以上，所以使用壽命相當(dāng)?shù)拈L。只要系統(tǒng)設(shè)計合理，微弱變化的氣體濃度即可被檢測出來，國外高端痕量氣體檢測儀可達(dá)到ppb（parts per billion，十億分之一）量級的靈敏度。

5）可以在非常多的場合工作，適用環(huán)境的能力很強(qiáng)：因?yàn)榧t外吸收檢測方法屬于物理檢測方法的范疇，礦下潮濕、灰塵、昏暗的復(fù)雜環(huán)境不會影響氣體的測量，對應(yīng)用環(huán)境沒有任何特別的要求，所以紅外氣體檢測儀表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗化學(xué)腐蝕和抗氧化的能力，繼而紅外氣體檢測方法成為礦下氣體檢測的技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

6）抗干擾能力強(qiáng)：采用紅外吸收原理的檢測儀本質(zhì)上是利用了光學(xué)原理，也就是光信號進(jìn)行測量。

7）測量范圍寬、具有很強(qiáng)的抗毒性和抗老化性：利用紅外吸收原理的氣體檢測儀可檢測0～100%范圍內(nèi)任何濃度的氣體，具有很大的量程。采用紅外氣體檢測原理的檢測儀不會因?yàn)榇郎y氣體濃度太高超過測量范圍而造成催化類元件中毒失活，導(dǎo)致檢測結(jié)果存在很大誤差，它能很好的克服這類缺點(diǎn)，所以不易受其他干擾氣體的影響而中毒老化。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用中紅外波段的光源，檢測系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)包括光學(xué)和電學(xué)部分。MEMS紅外光源經(jīng)電調(diào)制發(fā)出紅外光，經(jīng)氣室后光被吸收，探測器完成光電轉(zhuǎn)換，輸出的電信號經(jīng)信號處理電路處理后，經(jīng)AD采樣，輸送到主控部分處理，最后實(shí)現(xiàn)濃度的顯示和聲光報警。氣室部分集成了MEMS紅外光源、雙通道的探測器和開放式球面聚光鏡氣室。供電部分主要將外部輸入的220 V交流電通過AC/DC轉(zhuǎn)換模塊變成24 V，然后DC/DC模塊變?yōu)椤?2 V和±5 V，向電學(xué)系統(tǒng)提供工作電源。信號處理部分主要將探測器的輸出信號進(jìn)行差分、放大、濾波、鎖相放大（鎖相放大刪掉），經(jīng)AD采樣后完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量送入主控制芯片進(jìn)行處理。控制系統(tǒng)的核心器件是MCU（Micro Control Unit，微處理單元），本文選擇的是LPC2132（跟后面的控制電路和軟件設(shè)計部分，系統(tǒng)采用應(yīng)用較為廣泛的STM32嵌入式芯片作為系統(tǒng)的主控芯片不一致，改為STM32F103C8T6）。該主處理芯片主要完成對數(shù)字信號的處理、顯示及聲光報警，以及溫度測量，按鍵處理（及通信）等功能。軟件系統(tǒng)主要完成光源調(diào)制、AD轉(zhuǎn)換、溫度采集、按鍵識別與處理、濃度計算、報警閾值存儲、聲光報警、LCD顯示等功能。

3 設(shè)計方案與器件選型

根據(jù)氣體的吸收特性，應(yīng)該制作高精度的紅外熱光源驅(qū)動電路，包括直流驅(qū)動和脈沖驅(qū)動兩種方式，使光源滿足甲烷檢測實(shí)驗(yàn)的要求。此外，還應(yīng)該研制系統(tǒng)整體供電電源電路，用于各個電路模塊和系統(tǒng)光源的供電。此外，還需要研制光電探測器電路，將包含氣體吸收信號的微弱光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并進(jìn)行去噪和放大處理，用于提取包含甲烷氣體濃度的信號。擬選取InGaAs光電二極管作為核心器件，研制光電轉(zhuǎn)換電路。選擇嵌入式芯片作為主控制芯片，為實(shí)現(xiàn)紅外甲烷氣體的檢測，主控程序?qū)崿F(xiàn)光源的PWM驅(qū)動、溫度采集、AD芯片驅(qū)動、軟件濾波、電壓濃度轉(zhuǎn)換、顯示、聲光報警、按鍵功能切換、及串口通信功能。在紅外甲烷檢測系統(tǒng)研制完成后，需要進(jìn)行足夠的實(shí)驗(yàn)測試以完善系統(tǒng)功能，主要目的在于測試檢測靈敏度和穩(wěn)定度，最終達(dá)到項目設(shè)計目標(biāo)。

4 控制電路和軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用應(yīng)用較為廣泛的STM32嵌入式芯片作為系統(tǒng)的主控芯片。該芯片具有高性價比、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。采用主控芯片對紅外甲烷傳感器進(jìn)行控制和通信，將接受（改為測量）到的甲烷濃度信息進(jìn)行存儲，可以通過串口電路將甲烷濃度信息發(fā)送到上位機(jī)，也可以使用LCD液晶顯示屏進(jìn)行實(shí)時顯示。受工作環(huán)境限制，在一些需要測試甲烷氣體的場所存在布線困難的實(shí)際問題，因此可以在系統(tǒng)中加入無線通信模塊，實(shí)現(xiàn)無線通信功能。無線通信功能的另一個好處是可以方便地進(jìn)行進(jìn)一步的系統(tǒng)開發(fā)和擴(kuò)展，如采用多節(jié)點(diǎn)共同檢測等。

軟件開發(fā)部分分為兩個方面，一方面需要進(jìn)行嵌入式程序開發(fā)，包括片載程序的編譯、調(diào)試和燒寫等，另一方面需要開發(fā)上位機(jī)軟件，具有串口通信功能，可以將檢測系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、顯示和存儲，上位機(jī)軟件可以基于LabVIEW軟件進(jìn)行開發(fā)，該軟件具有強(qiáng)大的上位機(jī)程序設(shè)計功能，可以有效地滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

5 結(jié)論

本文以紅外波段的光學(xué)器件作為光源，設(shè)計了應(yīng)用于農(nóng)業(yè)設(shè)施中氣體檢測系統(tǒng)。紅外氣體檢測的優(yōu)點(diǎn)有很多，包括檢測范圍廣、氣體選擇性好、穩(wěn)定性高、響應(yīng)速度快等，本文中的系統(tǒng)不僅具有研究意義，若得到市場推廣，也具有一定的商業(yè)價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]王建業(yè)，紀(jì)新明，吳飛蝶，等.光聲光譜法探測微量氣體[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2006，19（4）：1206-1211.

[2]鄭龍江，李鵬，秦瑞峰，等.氣體濃度檢測光學(xué)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2009（8）：24—32.

（漢威科技集團(tuán)股份有限公司，河南 鄭州 450001）