用于火灾探测的非色散红外吸收气体传感器

第19卷　第3期2006年6月

传感技术学报

CHIN ES E JOURNAL OF S ENSORS AND ACTUA TORS

Vol.19　No.3J un.2006

The Application of the Portable Infrared Absorption Sensor in Fire Detection

J I X i n 2mi ng ,W U Fe 2die ,W A N G J i an 2ye ,L I U Quan ,H UA N G Yi 2pi n g

(S tate Key L aboratory of A S I C &S ystem Fu dan Universit y ,S hanghai 200433,China )

Abstract :Inf rared (IR )absorption is one of t he mo st reliable and accurate mesaurement techniques for gas sensing.We p resent a non 2dispersive inf rared (NDIR )system developed for absorption 2based gas sensing.The system can p rovide a ralatively accurate met hod for t he mesaurement of gas concentration.Several ga 2ses ,including CO ,CO 2,N H 3and SO 2,have been measured wit h t his instrument.The result s of t he measurement p rove t hat t he system has acceptable sensitivity and stability wit h a detection limit of several decades pp m.

K ey w ords :NDIR ;inf rared absorption ;inf rared sensor EEACC :7230C

用于火灾探测的非色散红外吸收气体传感器

纪新明,吴飞蝶,王建业,刘　全,黄宜平

(复旦大学微电子系,上海200433)

收稿日期:2005207211

作者简介:纪新明(19762),男,博士研究生,现主要从事光学和M EMS 传感器方面的研究,xmji @f ;

黄宜平,男,教授,博士生导师,yphuang @f

摘　要:基于朗伯-比尔吸收定律建立了便携式非色散红外气体传感体系,并成功的应用于火灾现场生成气体的实时检测。

该体系利用直接电调制的红外辐射源、窄带薄膜干涉滤光片和高灵敏度的T GS 热释电红外探测器,很大程度地降低了系统的成本和体积,提高了探测灵敏度。通过对CO 、CO 2、N H 3和SO 2四种火灾现场燃烧生成气体在不同浓度状态下的测量,证明系统对所测气体可以达到了几十个微量级的探测极限,响应时间均小于20s ,具有较好的稳定性,能够满足一定的测量要求。

关键词:非色散红外;红外吸收;红外传感器

中图分类号:O434.12 文献标识码:A 文章编号:100421699(2006)0320602204 传统的火灾探测器如感温探测器、感烟探测器、感火焰探测器,其探测原理多是基于火灾中的温度变化或者利用火灾烟雾、火焰的电学、光学等物理特性来进火灾识别,这种识别模式很难可靠地发现早期火灾,往往引起误报警。而通过检测燃烧过程中化学生成物可以在很大程度上改善探测性能,实现早期火灾探测,尽量减少火警的误报,而且目前传感技术的发展也足以保证以较低的成本,简单便携的装置实现火灾燃烧中生成气体的准确测量。

在火灾发生现场,燃烧生成的气体主要有:CO 、CO 2、NO x 、CH 4、SO 2、N H 3等[1]。实现对这些火灾现场燃烧生成气体的定性及定量分析,目前已经发

展起多种气体分析传感器[2],主要有:催化燃烧传感器、电化学法传感器、半导体气体探测器、红外吸收

气体传感器等。采用化学式或是半导体式等点式传感技术制成的传感器探测范围小,探头容易中毒老化,且气体选择性较差。红外传感器是目前最精确的气体探测技术之一。它具有良好的气体选择性和极低的误报警,能连续测试分析气体并有高的灵敏度和良好的稳定性,这些优势使红外探测技术在火灾探测中正逐步引起广泛重视,也使其成为目前气体探测领域研究的热点之一[325]。

本文利用红外吸收原理建立了红外气体传感系统,并利用此系统分别测量了CO 2,CO ,N H 3和

SO 2四种火灾现场燃烧释放气体,其测量精度分别

达到了10×10-6、25×10-6、50×10-6、50×10-6,完全符合国家标准G B/T 1888322002《室内空气质量标准》所规定含量要求,相比于国内外同类型的传感器的测量精度亦毫不逊色。而且系统体积小,便于携带,样品选择性好。如果能进一步提高此便携式红外多气体测量体系的稳定性和灵敏度,相信会在一定程度上解决现有的许多气体测量需求。

1　红外吸收的探测原理

绝大部分气体在2～14μm 的波长范围内都有其特有的红外吸收谱线,如图1所示,其特征吸收波长是具有红外活性物质本身固有的一种属性,如同人类的指纹,具有唯一性,不会因物质的环境、温度等条件的改变而改变。表1[6]列出了几种常见火灾现场气体在中红外区的特征吸收波长。

表1　几种气体的特征吸收波长

G as A /μm

B

G as A /μm

B

CO 2

4.287.44.26

95.52.69

1.6N 2O

7.788.24.53 5.74.5050.0SO 27.3430.88.68 3.5NO 2 6.1861.13.44 2.9CO

4.67

9.8

CH 4

3.31

10.8

A 表示吸收带的中心波长。

B 代表谱带强度(Band Intensi 2

ty ),单位是10-18cm -1(molecule.cm -2)

图1　几种常见气体的特征吸收波长

气体对红外线的选择性吸收遵循朗伯-比尔定律:I =I 0e -kcl ,其中I 0为红外线通过介质前的辐射强度,I 为经过介质吸收后的辐射强度,k 为分析组分对辐射波段的红外吸收系数,c 为待分析组分的气体浓度,l 为光路长度(亦称吸收路径)。由上式可知,光线被吸收的辐射强度是与气体浓度、路径长度和气体吸收系数相关的函数,气体浓度越大,吸收路径越长,损失的辐射强度越大。红外吸收气体传感器一般包括红外激发光源、样品腔、红外探测器、

进出样系统、滤光片和检测电路几部分。图2给出了红外吸收气体传感器典型的工作过程。当待测气体进入样品腔后,在与之相对应的特征吸收谱线范围内与经调制的红外光线发生相互作用,红外辐射光线被吸收。吸收的量是与气体浓度、光路长度和红外吸收常数相关的函数。由于气体的吸收,能够到达装置末端的光线将比初始减弱。剩余的光经滤光片被红外探测器吸收,转化为电信号,经分析系统得到电压与浓度的关系,进而实现危险气体的预报警。

图2

　红外吸收气体传感器工作过程的示意图

2　实验与结果分析

实验中,所选用的红外辐射源为我们研制的可

直接脉冲调制的小型灯泡,采用直径为50μm 的铬镍合金作为灯丝,供电电压为直流5V ,调制频率为10Hz 。样品腔为自行设计的双腔式气体样品室,即红外光源所产生的调制红外线通过两个气室,一个是充以流动样品的测量室,一个是充以无吸收性质的背景气体N 2的参比室。两个吸收腔体由15cm 长,直径0.5cm 的抛光铝管。工作时,当测量室内被测气体的浓度发生变化时,吸收的红外线光量发生相应变化,而参比的光量不发生变化。从两室出来的光量由红外探测器接收,经由电路处理转化为相应的电压差,再进入PC 机处理,得到浓度与电压的关系。选用的红外探测器为T GS 晶体制成的热释电探测器,窗口材料为ZnSe ,滤光片为窄带滤光片,波数范围为±5。图3给出了系统的简易图。

图3　红外吸收气体传感器系统框图

应用所设计的红外吸收气体传感器,在标准状况下(300K ,一个标准大气压下),以N 2气作为载气,分别测量了CO ,CO 2,N H 3和SO 2四种气体。为了便于弱信号处理,提高系统的探测灵敏度,测量中,选取了四种气体在中红外区的最强吸收带,根据

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