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基于NDIR技术的红外光学传感三气体检测系统[1]
Qiulin Tan a,b,*, Licheng Tang a,b, Mingliang Yang a,b, Chenyang Xue b, Wendong Zhang a,
Jun Liu a, Jijun Xiong a,b,*
a仪器科学与动态测试教育部重点实验室，中北大学，太原，山西 030051，中国
b电子测试技术重点实验室，中北大学，太原，山西 030051，中国
摘 要 本文提出了一种基于非分散红外（NDIR）技术的具有环境参数补偿方法的三气体检测系统。它可用于检测多种气体（甲烷，二氧化碳和一氧化碳）。在该系统中，红外光源和四个单通道热释电传感器成功地集成在微型光学气室中。涂有Au膜的气室内壁设计为抛物面。红外光在到达检测器之前被反射两次，从而增加了光程。此外，本文还提出了一种消除环境变化（环境温度，湿度和气压）影响的补偿方法，该方法能够提高气体检测的准确性。实验结果表明：对于CH4，CO和CO2气体，该气体传感器的浓度检测范围分别为0-50,000ppm，0-44,500ppm和0-48,000ppm，其精度均为plusmn;0.05％。
关键词：三气体探测；补偿方法；NDIR；光学传感
1引 言
随着气体检测技术的发展，多气体探测在各种应用中越来越受到重视，如煤矿气体监测系统，火灾探测系统，工业流程和空气质量监测[1-5]。迄今为止，一些基于光声光谱仪和催化反应制成的多气体探测集成装置已经被提出[6-8]。然而，基于光声光谱仪制作的装置会受光声单元的尺寸的限制，比如在文献[6]中，光声单元的长度就达到17cm。而与红外传感器相比，其他集成装置在催化反应中使用寿命较短。
随着红外传感器的快速发展，基于法布里-珀罗干涉仪原理的多通道红外气体传感器可用于检测光谱范围为3-5mu;m的气体。然而，该仪器只在0〜500ppm的气体浓度[9]中是可行的，而在某些需要较高浓度检测的场合几乎不可能使用，比如煤矿瓦斯的检测。
基于NDIR的传感器由于响应时间快，精度高，使用寿命长等优点，它引起了人们的高度关注[10-12]。目前大多数的光学气体传感器可以检测一种气体[13-16]。在不考虑环境参数对检测器的影响，有的人提出了一些双气体检测装置[17-19]。来自Perkin Elmer的TPS 4339等产品集成了4个热电堆传感器，用于三种气体定量的检测。这些产品可以应用于NDIR系统，使系统更加小巧，但需要大量的工作设计来匹配光学气室。J.Fonollosa及其同事报道了滤波器和透镜在热电红外检测器上的集成困难，构建了用于检测乙烯的多气体NIDR系统[20-22]。用组微加工热电堆元件集成的红外探测器成功应用于该系统，从而扩大了多种气体检测的应用范围，但整个系统中小型化元件的大小仍然需要优化。
在本文中，我们展示了一种基于NDIR的小巧型的三气体检测系统，其中有四个单通道热释电传感器成功集成在微型光学气室中。此外，我们设计了具有两个交叉的椭圆面的新型气室，获得了相对较长的光路，其尺寸为10mm（半径）10mm（高）。同时，我们利用环境参数补偿方法成功应用于检测器，提高了三气体检测系统的适用性。实验结果表明， CH4可以检测的气体浓度范围为0-50,000ppm，CO为0-44,500ppm，CO2为0-48,000ppm。该结论可为气体检测的发展提供动力。
2理 论
2.1基本原理
当红外辐射通过不对称的双原子和多原子分子气体时，分子吸收光能[23]。吸收关系遵循如下的朗伯比尔定律[18]：
(1)
C表示气体浓度; K为气体的吸收系数; L是元件的长度;I0和I分别表示吸收目标气体前后的光强度。
为了精确测量气体浓度，我们选择了一个非常窄的红外光谱区域。其他波长在到达检测器表面之前被滤波片滤出[24]。图1描述了红外三气体传感器的示意图。这个传感器由四个单通道检测器组成，每个检测器都有不同的滤波片。三气体传感器中包含灵敏元件，FET晶体管和电阻。
图1红外三气体传感器示意图
2.2气体检测算法
三气体传感器的输出信号包括参考信号和响应信号。来自响应信道的信号被定义为响应信号(UAct.)，来自参考信道的信号被定义为参考信号(URef.)，（I/I0）是响应信道的光强与参考信道的光强的比率。
UAct.，URef.和(I/I0)之间的关系如下所示：
(2)
通过（1）,（2）和文献[23]，气体浓度C可表示为：
(3)
alpha;是朗伯比尔定律中KL的平均值，beta;代表频谱相关常数。S是由非吸收波长引起的信号贡献。Z是在没有目标气体的情况下时的UAct.与URef.的比例。
当我们知道响应信号(UAct.)和参考信号(URef.)，便可以计算出气体的浓度C。
2.3环境参数补偿方法
在大多数应用中，光学气体传感器在变化的环境下运行，因此需要对环境参数进行补偿。 环境参数包括温度，湿度和气压。
2.3.1环境温度补偿方法
热释电探测器的输出信号受温度变化的影响很大。因此，提出了温度的补偿参数lambda;。公式（3）修改为：
(4)
其中T表示测试的环境温度; T0是参数Z被确定时的温度;
为了得到lambda;，我们通过改变外部环境的温度，在一定浓度的目标气体中测试传感器。设置一组环境温度采样点，目标气体的红外光吸收率(I/I0)，即()便可相应地获得。.因此，可以根据环境温度和I / I 0值之间的对应关系曲线获得lambda;。
2.3.2环境湿度和气压补偿方法
水蒸气与大气中的天气条件差异很大，由于H2O的红外吸收带，对湿度的补偿是必不可少的。因此，引入了湿度补偿参数phi;。
气压的变化导致分子运动的变化，从而影响红外光透射率。因此需要进行气压补偿，并引入气压的补偿参数beta;。结合公式（4）与温度补偿相似的方法，考虑湿度补偿和气压补偿的气体浓度目标函数如下：
(5)
其中RH和P分别代表环境湿度和环境的气压。当参数Z被确定时，RH0和P0是此时的湿度和气压; 使用类似于温度补偿的方式，可以得到phi;和beta;的值。
根据最终目标函数（5），只要我们知道参考通道的信号输出和来自响应通道的信号，可以准确地得到气体浓度。
3传感器设计
3.1光学气室的光源和镀金
甲烷，二氧化碳，一氧化碳和参考通道的特征吸收峰分别为3.39mu;m，4.26mu;m，4.6mu;m和3.95mu;m。因此，该工作选择3-5mu;m的中红外区域来测量气体浓度。为了确保中红外区域的足够的能量分配，选择IR-7153 EN红外光源。
光学腔的抛物面可以获得高度的会聚。红外光在被抛物面反射之后是近似平行的光束，但部分光会分散在气体室中。为了减少光的损失和增强光的反射，需要一个镀金的气室内壁。常见的金属膜材料，如Ag，Al，Au，在红外区域附近都具有高反射率。Ag，Al和Au的反射率曲线如图2所示。Au和Ag在红外区域具有相似的反射率，但由于Au比Ag有更好的化学稳定性，因此在该设计中选择Au作为涂层材料。气室内壁粗糙度不小于0.5mm。
图2 Ag，Al和Au的反射率曲线
3.2光学气室
光学气室由顶面，底面和弯曲的壁构成。整个内壁被电镀以提高反射性能。表面顶部的孔是用于与外部交换气体。腔室中包含四个检测器，红外光源，电路板和金属网。气体室中的四个检测器以呈90度角分布，红外光源设计在圆心处。检测器和红外光源在气室中的分布如图3所示。光从光源射出并照射到顶面，然后在被椭球面反射之后聚集到检测器的敏感部件上。当光照射到空间中的其他部分时，其中一部分可以到达检测器元件。敏感探测器所吸收的光线主要来自于顶面和椭球面的反射。在这部分入射光照射到探测器之前，它被反射了两次，因此其光路增加。如图4所示，特定的光路为从光源到顶面，从顶面到椭圆面和椭圆面到敏感探测器。
图3检测器和红外光源的分布
图4 气室中的光路
在设计过程中，红外光源位于椭圆的交叉点（O）。椭圆的焦点（O）和交叉点（O）的关系由下式给出：
(6)
光学气室的模拟模型如图5所示。在模拟中，Au膜表面反射率约为96％，从而导致收集的总光强降低了17％。反射两次后光路为26mm。到达检测器的总辐射功率值分别为97.905 mw，96.853 mw，95.887 mw，96.928 mw，它们能够使选定的检测器产生输出信号，如图6所示。图6中显示了四个检测器的仿真辐照度的分布。
图5 光学气室模块
图6 红外线到达检测器表面的模拟结果
如图7所示，检测器，光源，电路板和金属网可实现小型化气室的集成。小体积的气室设计确保了吸收光的光路，而且与外部环境交换气体相对简单。较小气室的设计可以实现传感器的小型化和集成化，便于插入预处理电路。
图7 气室一体化设计（a）金属外壳;（b）金属网;（c）充满气体的气室;（d）多孔板;（e）具有光源的集成检测器和（f）三气体传感器的最终成品。
4实 验
在实验中，我们研究了三种气体，波长分别为333080mm，426045mm，466090mm和395045mm的滤波片分别用于测量甲烷，二氧化碳，一氧化碳和参考信号。
在三气体传感器与外围电路组合后，我们得到三气体检测试验装置的原型，如图8（a）所示。成品输出的稳定性测试结果如图8（b）所示，该结果显示装置具有好的稳定性。
图8（a）测试原型和（b）IR气体传感器输出的稳定性测试结果
我们将配置有混合气室的气体供应装置与检测终端产品组合，形成了一个测试系统。图9显示了三气体检测系统的原理框图。
图9 三气体检测系统示意图
实验中得到三种气体（CH4，CO2，CO）的测量数据。CH4，CO2和CO的关系如图10所示。多次实验表明，该方法已经达到了高精度（0.05体积％），并可用于测量的气体浓度范围为CH4为0–50,000 ppm，CO为0-44,500ppm，CO2为0-48,000ppm。
图10三种类型的气体传感器的响应关系
为了提高传感器的精度，我们将环境参数补偿理论转换为MCU程序。该程序适用于测试系统。图11（a）表示补偿前的参考通道信号与CO2气体浓度的关系。从图中可知，气体的测量误差呈线性关系。图11（b）表示补偿后的参考通道信号与CO2气体浓度的关系。 如图所示，参考通道的数据相对稳定。在一定程度上消除参考通道的外部影响。结果验证了补偿方法的正确性和可行性。
图11 参考信号与二氧化碳气体浓度（a）补偿前和（b）补偿后
5 结 论
在本文中，我们设计并实现了一种采用红外吸收光谱的方法检测甲烷、二氧化碳和一氧化碳的新型光学三气体检测系统。三气体传感器包含四个单
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