n-红外瓦斯传感器微弱信号处理电路设计

2010年 第6期

仪表技术与传感器

Instrum ent T echn i que and Sensor 2010 N o 6

基金项目:科技部国际科技合作重点项目 矿井瓦斯浓度、温度监测与安

全预警传感网络研究 (2006DFB72510)

收稿日期:2009-09-15 收修改稿日期:2010-03-15

红外瓦斯传感器微弱信号处理电路设计

刘东旭1

,王志斌1,2

,张记龙

1,2

,李 晓1,2,田二明

1,2

(1.中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051)

摘要:为提高红外瓦斯传感器的检测灵敏度和系统信噪比,基于微弱信号检测原理,采用单光路双波长的实验方案,设计了以差动放大电路为核心的微弱信号数据处理电路,提高了系统的检测灵敏度,电路结构简单、实用、可靠。在实验室条件下,对该系统进行了瓦斯浓度的性能测试,并对实验数据进行了数据拟合处理,给出了瓦斯浓度与电压的关系式。试验结果表明,该电路能够有效地提取瓦斯浓度变化量信息,满足系统要求的0 5%检测灵敏度。关键词:红外瓦斯传感器;微弱信号检测;差动放大电路;数据处理

中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2010)06-0069-03

D esign of Fai nt Signal Processi ng C ircuit Based on InfraredM ethane Sensor

L I U D ong xu 1,WANG Zh i b i n 1,2,ZHANG Ji l ong 1,2,L I X iao 1,2,T I AN Er m i ng 1,2

(1.Engineering Technol ogy Research Cen ter of Shanxi Prov i nce for O p to E lectron ic In for m ati on and Instru m ent ,North Un i versity of Ch ina ,Ta i yuan 030051,Ch ina ;2.K ey Laboratory of In strum en tation Sc ience &D yna m ic M easure m en t ,M i n istry of Edu cation ,North Un iversity of Ch i na ,Taiyuan 030051,Ch ina)

Abstract :In orde r to i m prove si gna l noise ra ti o and sensiti v ity o f i nfrared me t hane gas sensor ,t he fa i nt si gnal process i ng cir cu itw ith d ifferen ti a l a mp lifier as t he core was designed based on de tecti on pr i nc i ple of fa i nt s i gna.l W ith the experi m ental sche m e o f si ng l e bea m path and doub le w ave length ,detecti on sens iti v ity w as enhanced .The c i rcu it has the fea t ures o f si m p lic i ty ,utilit y and credibility .P erfor m ance test w as m ade under laboratory conditi ons ,exper i m enta l data was data fitting and relati on bet w een m ethane concentration and vo ltage was g i ven .T he resu lt o f expe ri m en t i ndicates t hat the c ircu it can get t he va riab l e quantity ofm ethane con centrati on i nfo r ma ti on effec tive l y ,m eeti ng 0.5%sensiti v ity o f the syste m requ irement .

K ey word s :i n frared m ethane gas senso r ;fa i nt si gnal detecti on ;d ifferentia l amp lifier ;data process i ng 0 引言

瓦斯是易燃、易爆气体,在大气中的爆炸下限为5 3%,上限是15 0%

[1]

。随着开采规模不断扩大,瓦斯事故,特别是重、

特大瓦斯事故在煤矿事故中的比例也越来越高。

瓦斯实时测量对瓦斯浓度监控和煤矿安全生产有重要意义。现有的瓦斯检测手段主要有载体催化式、电化学式、光干涉式和光谱吸收型等几种[2-3],其中基于红外光谱吸收原理的瓦斯传感器已日趋成熟,具有灵敏度高、寿命长、安全防暴、不存在中毒现象等特点。

文中利用红外光谱吸收原理,设计了一种探测范围为0-5%、探测灵敏度达到0 5%的瓦斯传感器微弱信号处理电路。基于瓦斯气体在3 33 m 处存在较强的吸收线,采用廉价的I RL 715为红外光源,T PS2534热电堆为探测元件,设计了差动式瓦斯气体微弱信号检测电路。由于探测器输出电信号只有十几个 V,并且淹没于背景噪声,研究了微弱信号检测技术,采取有效的噪声抑制措施,确保检测电路能够有效地提取信号,满足探测灵敏度要求。

1 气体红外检测原理

当红外辐射通过被测气体时,气体分子吸收光能量,不同气体对红外光有着不同的吸收光谱,气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度有关。利用这一原理可以测量某种气体的浓度[7]。气体分子对红外光的选择性吸收遵循朗伯-比尔(L a m bert-Beer)定律[4],假定气体分子在波长 处存在吸收峰,则有

I ( )=I 0( )e - ( )c l

(1)

式中:I ( )为透射光强;I 0( )为入射光强; ( )为波长在 处的吸收系数;c 为待测气体浓度;l 为光和气体作用长度即吸收长度。

每种气体都有其特定的吸收峰,而对吸收峰以外波长的光吸收极少[5]。为此,采用双波长测量方法,引入了不被探测气体吸收的光作为参考光。设I m ( !)和I m0( !)为参考光 !的出射光强和入射光强,则有

I m ( !)=I m0( !)

(2)

把式(1)和式(2)相除并取对数,可以得到

l n

I m ( !)I ( )= ( )cl +ln I m 0

( !)

I 0( )

(3)从式(3)上可以看出,测量系统从理论上完全消除了光路的干扰因素,并且还消除光源输出光功率不稳定的影响。