红外瓦斯气体检测传感器的研究

红外甲烷气体检测传感器的研究

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摘要:采用了基于郎伯-比尔定律的“非色散红外检测技术”（NDIR），设计出利用红外敏感元件，配以高精度前置放大电路、可拆卸式镀膜气室的红外甲烷气体检测传感器设备。基于此技术的气体检测传感器具有检测精度高，反应速度快，检测范围宽，性能稳定不受外界气体干扰，无有害气体中毒，寿命长等优点。

关键词:红外敏感元件，传感器，气体检测

1、引言

近年来,瓦斯气体的爆炸事故，对人民的生命安全及国家财产产生了巨大损害，国内用于检测这些易爆气体的传感器的发展相对较落后，目前使用的载体催化原理的传感器件有易受其它气体的影响、检测范围窄、稳定性差、响应时间较长的问题，从客观上制约了对易爆气体的快速监测和监测数据的可靠性，同时对监测监控系统的维护工作量也较大。

在“非色散红外检测”（NDIR）技术发明后，由于其具有快速、准确、稳定性好的特点，国外的红外气体检测技术在工业、安全领域得到了飞速的应用和发展。

2、传感器检测原理

各种极性分子的气体如SO2、CO2、H2O、CH4气等，对红外光都具有吸收作用，而双原子分子气体如H2、O2、N2等则没有吸收作用。气体对红外光的吸收作用遵循郎伯-比尔定律[1],即：

I=I0（1—e-klc）

其中，I0表示红外光的初始能量，I表示红外光被气体吸收后的能量；k指与气体有关的常数；l表示红外光通过气体层的厚度，即光程，c表示被测气体的浓度[2]。

定律表明，吸收作用的大小与气体的化学性质、光程及气体浓度直接有关。不同的气体分子有不同的红外光吸收特征波长，例如在2～14.5μm范围内，SO2的吸收峰在4.0μm 及7.35μm，CO2的吸收峰在2.78μm、4.28μm、14.3μm,CO能够吸收4.5-5μm波长的红外光线，而CH4能吸收2.3μm、3.4μm、7.6μm红外线等；气体分子对红外光有选择性地吸收和郎伯-比尔定律是红外气体分析的理论基础，若传感器的工作波长是预先确定,检测的对象是一种或几种预先确定的物质,则可以作连续的定量分析[3-5]。

3、传感器系统功能及设计

设计的传感器主要由开关电源、稳压电路、红外敏感元件、红外信号处理部分；传感器单片机智能控制系统部分及外围电路三大部份组成。其工作原理框图如图1所示。

图1红外甲烷传感器整机工作原理框图

传感器的核心部件红外敏感元件光路采用单光源双波长检测，一路检测被目标气体吸收红外光，另一路检测不可能被目标气体吸收的红外光作参照。进入参比元件的红外光的波长不能被气室中的气体所吸收，所以参比元件出来的电信号是不会随气室中待测气体浓度变化而变化的。而检测元件接收的波长为待测气体所能吸收的红外波长，所以检测元件出来的电信号是随待测气体浓度变化而变化。通过检测这两路信号比值的变化率，就可得到气体的浓度值，用这种比较方法可以保证检测的稳定性和准确性。

另外由于检测元件检测到是接收的能量，输出信号的大小及变化是要受外界温度影响的，所以在检测元件旁边必须有温度补偿元件。每一个传感头内部都自带一片可以储存自身参数的串行存储器，供红外信号微处理器在处理检测数据时使用，其参数也可通过红外信号微处理器进行修改。这种实时温度补偿技术，使得仪器可以适应不同的温度环境变化，保证检测值的准确及稳定。

图2和图3分别是设计的红外检测原理敏感元件的结构示意图和实物图。

图2敏感元件的结构示意图

图3 敏感元件实物图

在红外甲烷敏感元件的研制中，我们选定甲烷红外吸收波长是3.3微米，波长选取非常关键，它关系到红外甲烷敏感元件在检测甲烷时的准确性和可靠性，吸收波长若选取不当，会造成背景气体对检测甲烷的影响。

试制试验过程中，我们对两个红外探测器输出的交流信号采用多点定点采样及多级数字滤波，以确保信号采样的稳定性和准确性，通过反复的试验和计算工作，确定了红外信号采样时序与红外光源控制信号频率的配合关系，建立了采样得到的三个信号值即检测信号值（act）、参比信号（ref），及温度补偿元件检测值（temp）之间的数学模型，并用软件实现了A/D位数的扩展，从而提高了对红外信号采样的分辨率。

传感器主控制芯片采用的是与MCS-51系列兼容的89C51单片微型计算机，89C51本身有4K的ROM，所以大大简化CUP的外围电路。传感器的数字显示、报警、调校、频率信号

的输出均主控制芯片由完成。传感器主控制芯片及部分外围电路如图所示。

图12主控制芯片及部分外围电路

在系统中，,四位LED数码管、三极管N1、N2、N3、N4,电阻R1～R5、74HC373锁存器组成了LED显示电路,显示数据由89C51的P0口送到74HC373八D锁存器,驱动数码管的段码显示,数码管位控由89C51的P3.4,P3.5,P3.0,P3.1口控制,轮流选通数码管。

传感器的间歇声光报警信号,由单片机的软件产生,从89C51的P1.1输出,频率为1HZ。传感器的频率输出信号亦是由软件产生,从80C31的P1.0输出,考虑到系统分站需要的是电流频率信号,而89C51输出的是电压频率,故采用了一个三极管N4作V-I变换。

由于传感器具有调校数据等人机通讯的要求,考虑传感器在井下调校的方便,尽量减少按键数,因而采用按位输入的方法,这样只需设置P1,P2,P3键(其中P1为功能状态选择键接P0.5口，P2为增加键接P0.6口，P3为减少键接P0.7口)，即可完成调校零点、灵敏度、报警点及自检等功能，与此相对应LED1为功能状态码显示器。

4、结论

采用非散射红外技术（NDIR）监测矿井下甲烷浓度，对照国外同类产品及国内传统的载体催化原理甲烷传感器，我们设计出的产品具有以下几个特点：

（1）稳定性好：由于红外敏感元件采用了单光路、双波长检测、添加了温度实时补偿模块、信号采集时多点定点采样以及多级数字滤波、防尘、防水、气体采样口等技术途径，保证了传感器检测时的稳定和可靠性[6]。

（2）反应速度快：现场测试中，与扩散式的载体催化原理的传感器相比较，其反应速度的优势非常明显。

（3）检测范围宽：红外甲烷检测传感器的连续检测范围为0～10%浓度，显示精度为0.01%浓度。突破了传统载体催化原理传感器只能测0～4%浓度的限制，能更好地满足矿井下对甲烷监测的需要。

（4）选择性好：不受其它背景气体的影响，没有高浓度甲烷冲击等现象。

（5）功耗低：本传感器设计功耗18V/50mA，直流供电，功耗不到一瓦。

[参考文献]：

[1]陈永甫主编.红外探测与控制电路[M].人民邮电出版社,2004

[2]王衍生,尹经梅.浅谈炮掘工作面甲烷监测传感器的设置与实践[J].矿业安全与环

保.2004(S1)

[3]周奇勋,王勉华,乐春峡.便携式智能型低浓度甲烷检测仪研究[J].仪器仪表学报.2003(S1)

[4]刘永平.红外技术在煤矿井下测温和测气中的应用[J].红外技术.2000(04)