甲烷传感器

上海大学2012～2013学年冬季学期研究生课程考试

文献阅读报告

课程名称：《光通信技术》课程编号：071000909

题目: 研究生姓名: 学号: 论文评语:

成绩: 任课教师: 付敬奇

评阅日期:

红外差分甲烷传感器

秦自杰

（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）

摘要：要提高红外吸收甲烷传感器的检测精度，必须要提高误差的补偿。差分吸收技术是进行误差补偿，减少各种干扰的有效途径。基于红外差分检测原理，设计一种新型双波长差分甲烷传感器。通过一个旋转滤光盘控制滤波和光的通过，使参考光和测量光分时通过光路，该单光源单光路单探测器结构，既消除了光源功率波动、光路损耗带来的误差，又消除了探测器的不稳定带来的误差，提高了检测精度。实验结果表明，在0～6%浓度范围内，该传感器最大相对误差小于1%。

关键词：甲烷；气体传感器；红外光谱吸收；差分

Methane gas sensor based on infrared different detection

QIN Zi-jie

(School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Abstract：To improve the detecting precision of methane gas sensor based on infrared absorption, the key method is to compensate the errors. Differential absorption techniques are effective to compensate the errors and reduce different kinds of interferences. On the basis of infrared differential detection, a new dual-wavelength difference methane sensor was designed. A rotating filter was used to control the filtering and the passing routine of light, which made the detecting light and reference light pass through the optical path at different time. The sensor eliminates the errors caused by the source power fluctuations, the light-path loss and the detector instability. The experiment results show that the sensor has high measurement precision：in the concentration range of 0～6%, the maximum relative error is less than 1%.

Keywords：methane; gas sensor; infrared spectrum absorption; differential

0 引言

甲烷易燃易爆，是矿井瓦斯的主要成分，是威胁煤矿安全生产的第一因素。因此，研究一种检测方法，实时准确地检测甲烷浓度对煤矿安全生产有重要意义。目前，甲烷浓度的检测方法主要有载体催化法、热传导法、光干涉法和光谱吸收法。红外光谱吸收法是由光谱分析技术发展的一种新方法，是利用不同气体对红外光有不同的特征吸收峰来实现的。利用这种原理制成的瓦斯传感器不仅可以克服传统催化元件反应速度慢、寿命短和调校周期短的缺陷［2］，还具有选择性好、灵敏度高等优点。用光谱吸收法检测甲烷浓度时，采用差分吸收技术和波长调制技术来减少各种干扰，以提高检测精度［1］。本文以通用的LED作为光源，利用旋转滤光盘控制滤光，设计了采用单光源单光路单探测器结构的双波长差分甲烷传感器。

1 红外吸收检测原理

当红外光经过某种物质时，部分能量会被该物质分子吸收而转换成分子的振动和转动能

量。不同的物质因分子结构不同会具有各自的特征吸收谱线，据此可以进行物质的定性分析。

对于同一物质，浓度不同，其吸收曲线形状不变，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。

朗伯比尔定律反映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：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

［16］

：

()C L

0()()I I e α

λλλ-= （1）

()

()

()0ln

I A C L I

λα

λλ== （2）

式中： 0()I λ为入射光的强度；()I λ为透射光的强度；()αλ为吸收系数，与光的波长

有关。

2 双波长差分检测法

由朗伯比尔定律可得：

0()1

ln

()()

I C L

I λαλλ=

（3）

从式（3）可知，如果()L αλ已知，那么通过检测 0()()

I I λλ就可以得到甲烷气体

的浓C 。但是，测量时光源的不稳定，光电器件的零温飘等，这些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。因此，提出一种检测方法来去除这些干扰带来的误差是提高红外瓦斯传感器检测精度的核心。差分吸收法就是通过差分来减少各种干扰带来的误差。

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

0()()exp[()()]I I C L λλαλβλ=-+ （4） 式中()βλ代表光路干扰效应，是一个随机变量。为了消除()βλ项，通过选用2个波长，分别对应某种待测气体的吸收峰波长（工作波长）和弱吸收波长（参考波长）。若2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()βλ项对二者的影响可认为相等，这样通过差分处理即可很好地消除()βλ的干扰。图1为双波长差分吸收法检测原理图。

图1 双波长差分原理框图

Fig.1 Principle diagram of double-wacelength difference detection

两束不同波长的光通过被测气体，输出光强分别为

101

11()()e x p [

()

()]I I C L λλ

αλβ

λ=

-+ （5）

20222()()exp[()()]

I I C L λλαλβλ=-+ （6）

式中：1λ为工作波长；2λ为参考波长。两式相比，可得待测气体的浓度：

()

()0112112022()()

1

ln

ln [()()]()()

I I C L I I λλβλβ

λαλαλλλ⎧⎫=

--⎡-⎤⎨⎬⎣⎦-⎩⎭

（7）