基于红外差分的甲烷传感器

I 0 (1 ) I 0 (2 ) ，则气体浓度公式简化为
1 I (2 ) C ln [ (1 ) (2 )]L I (1 )
从上式可以看出双波长差分法不仅消除了光源 输出功率不稳定的影响，还消除了光路上散射 和干扰气体吸收带来的误差。
三 甲烷传感器设计方案
采用双波长差分法测甲烷浓度时，２个 探测器的性能不可能完全一致，所以探测器 的不稳定也会带来误差。因此，本文采用单 光源单光路单探测器结构，对双波长差分甲 烷气体传感器进行改进。 传感器结构如图2所示。
气室 传感器气室采用 半开放式气室，结构 如图４所示，内壁有 ２个反射面，光经２ 个反射面不断反射以 图4 气室结构 增加光程，从而达到 增加有效传感长度的目的。气室两头采用防 尘网结构，这样不仅可以加快气体扩散提高 响应速度，而且可以有效防止尘粒和外界光 的干扰。通过调节入射光角度可以动态调节 光程。
旋转滤光盘 旋转滤光盘结构如图３所示，滤光片F1、 F2分别对应中心波长λ1 （1.653μm）和λ2 （1.653μm），S1、S2是２个不透光的反射镜。
4 1 S1 S2 F1 2 F2 3
图3 旋转滤光盘
单片机控制步进电机带动旋转滤光盘转 动，转动一个周期有４个停止位置：在位置 １时，波长为λ1的测量光通过；位置２时， 没有光通过，为防止光源过热光被反射镜反 射到与入射光垂直的方向；位置３时，波长 为λ2的参考光通过；位置４时，没有光通。
I1 I 2 K exp (1 ) (2 )CL I3 I 4
这就是输出电压信号与气体浓度的关系。
由于所用仪器和实验操作环境不同，会导 致吸收系数有一定变化，大小不能确定。因此， 为了结果正准确，实际测量时并不是根据上述 关系式来计算得到浓度，而是在一定环境下采 用一系列不同浓度的标准气体来标定得到气体 浓度。 标定开始，先用洁净空气吹洗气室，调整 滤光片使２个波长的光强相等，再将不同浓度 的标准气体通入气室，得到一组输出电压值。 用MATLAB软件将测量结果进行三项式拟合。
式中：D为探测器零漂，Ｂ(t)为背景光干扰。
由于相邻２次停止位置时间相差极近，此 时的背景光干扰可以认为相等。这样，相邻２ 次信号相减就消除了背景光和探测器零漂的影 响。通过测量 ( I1 I 2 ) 就可以计算出气体
(I3 I 4 )
浓度。利用改进的旋转滤光盘进行差分处理， 除了光源不稳定，和光路干扰等因素，探测器 零漂背景光干扰也都被消除掉，提高了检测结 果的准确度。
图1为双波长差分法检测原理图。
光源 待测气室 耦 合 器 滤光片1 滤光片2 光电转换 光电转换 信 号 处 理
图1 双波长差分法原理框图
两束不同波长的光通过被测气体，输出光 强分别为
I (1 ) I 0 (1 ) exp[ (1 )CL (1 )] I (2 ) I 0 (2 ) exp[ (2 )CL (2 )]
基于红外差分的甲烷传感器
秦自杰 12721211
主要内容
一 红外吸收检测原理
二 双波长差分检测法
三 甲烷传感器设计方案
四 浓度标定与实验
五 总结
一 红外吸收检测原理
当红外光经过某种物质时，部分能量被该 物质分子吸收而转换成分子的振动和转动能量。 对于不同物质，分子结构不同，具有不同 的特征吸收谱线，据此可以进行物质的定性分 析。 对于同一物质，浓度不同，其吸收曲线形 状相同，只是同一波长下吸光度随着浓度的增 大而增大，据此可以进行物质的定量分析。
工作原理
旋转滤光盘转动一个周期有４个停止位置， 探测器在一个周期内接收到的４个信号为
I1 I (1 ) I 0 (1 ) exp[ (1 )CL (1 )] D B(t )
I 2 D B(t ) I3 I (2 ) I 0 (2 ) exp[ (2 )CL (2 )] D B(t ) I 4 D B(t )
四 浓度标定与实验
单片机接收到电压信号，经过计算得到测量信 号与参考信号比为
I 0 (1 ) K (1 ) I1 I 2 K exp (1 ) (2 )CL I3 I 4 I 0 (2 ) K (2 )
为了方便测量，实验时，先调整滤光片消光比 使的通过２个滤光片的光强相等，则输出信号 简化为
朗伯比尔定律： 当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散 射的吸光物质时，其吸光度Ａ与吸光物质的浓 度Ｃ及吸收层厚度Ｌ成正比。
I 0 A ln CL I
I ( ) I 0 ( )e
CL
I 式中： 0 ( ) 为入射光的强度； I ( ) 为透 摄光强度； 为吸收系数，与光的波长有关。 朗伯比尔定律反映了物质对光的吸收关系，是 红外吸收法测量气体浓度的理论依据。
拟合到的输出电压与浓度关系式为
C 0.0639K 1.083K 7.778K 19.813
3 2
经实验测定：在（0～6）%浓度范围内，最 大测量误差为0.05%，最大相对误差小于1% 有着较好的准确度。
五 总结
传感器采用单光源单光路单探测器结构， 消除了光源功率波动的影响，以及光路损耗和 探测器的不稳定带来的误差。传感气室可根据 需要，方便地调整系统灵敏度。标定时，用数 学软件进行多项式拟合，在精度要求范围内简 化了计算。实验结果的最大测量误差为0.05% 最大相对误差小于1%。在浓度标定时，以一定 间隔标定多个温度点值，测量时根据温度范围 选择测量式，会减少温度变化的影响，使测量 结果更准确。
V2 2V3
传感器光源的选择 甲烷的结合带V2+2V3和泛频带2V3分别位于 1.3μm和1.6μm附近。根据HITRAN数据库，结合 带和泛频带的波长分别为1.331μm和1.653 μm ，谱线强度分别为1.62×10-22 cm-1/ molecule· cm-2和1.31×10-21 cm-1/ molecule · -2。所以 cm 1.653μm处的谱线强度是1.331μm处的将近10倍。 而且1.653μm附近无其他气体的吸收干扰， 1.331μm处有一个水的吸收谱线的干扰。综合考 虑选择中心波长为1.653μm的LED作为传感器光 源。
二 双波长差分检测法
由朗伯比尔定律可得：
I 0 ( ) C ln ( ) L I ( ) 1
由此式可得甲烷气体浓度。但是，测量时 光源的不稳定，光电器件的零温漂等因素都会 给测量结果带来误差，直接影响传感器的测量 准确度。所以，排除这些干扰成为提高检测精 度的核心。
这里，我通过差分法减少各种干扰带来的 误差。
LED
旋 转 滤 光 盘
气 室
探 测 器
放 大 处 理 电 路
单直之后由滤光盘进行 滤光，进入气室被气体分子吸收后，再由探测 器转为电信号经放大处理电路送入单片机。单 片机输出信号控制步进电机带动滤光盘转动。 由于光电探测器都有一定惰性，因此，数据采 样同步信号相对以上周期信号有一定延迟。
结束！
谢谢！
差分吸收法把光源发出的光束分成２路信 息：一路是带有被测气体吸收后的信息（称为 测量信息）；另一路是带有未经被测气体吸收 的信息（称为参考信息）。
由于２路信息拥有一些共同的不稳定因素 和干扰因素，通过测量信息与参考信息相比即 可消除２路信息共有的不利因素。
光波通过气体时，考虑到光路散射、干扰 气体吸收等光路干扰因素，朗伯－比尔定律可 表示为
I ( ) I 0 ( ) exp[ ( )CL ( )]
式中 ( ) 代表光路干扰效应，是一个随机变量 为了消除 ( ) 项，通过选用2个波长，分别对 应某种气体的吸收峰波长（工作波长）和弱吸 收波长（参考波长）。若两个波长相距极近且 同时或相差很短时间内通过待测气体，则 ( ) 项对二者的影响可认为相等，这样通过差 分即可很好地消除 ( ) 的干扰。
式中 1 为工作波长； 2 为参考波长。
两式相比，可得待测气体浓度：
I 0 (1 ) 1 I (1 ) C ln 2 1 ln [ (1 ) (2 )]L I 0 (2 ) I (2 )
由于 1 2 ，适当调节光学系统使