红外多气体传感器设计

等人报道 了一种多气体 检测系统 ，该传感器将 ２ ｘ２热电堆 探测器集成到检测 系统 中 。但是 ，以上 报道 中检测 系统 的气室尺寸都 比较 大 ，造 成整 个检测 系统 或传感 器不利 于 随 身 携 带 和 进 行 现 场 实 时检 测 。
本文提 出一种 反射 式多气 体检测 传感器 ，测试 结果 显 示 ：该传感器可用 于检测 甲烷 、二氧化碳 和一 氧化碳 三种气 体 。 １ 理 论 分析
现有的红外气 体传感 器 大多 只能 检测 单一 种 类 的气 体 ，部分研究也 专注于研发 可用 于检 测两种 气体 的传感 器 ，但是 ，针对两种以上多气 体检 测的红外气体 传感 器的研 究鲜有报道 。在 国内，淮 南师范学 院 的伍 龙报道 了一种 基 于 ＮＤＩＲ技术的多组分 气体 测量 系统 ，用于煤 矿 的井下 检 测 ，其装置 吸收 池 的基 长为 ５０ ｃＩｎ 。在 国外 ，Ｆｏｎｏｌｌｏｓａ Ｊ
（１．中北大学 电子测试技术重点实验 室。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；
３．中国科学院 微电子研究所 智能感知研发 中心 。北京 １０００２９）
摘 要 ：针对 甲烷 、二氧化碳 和一氧化碳三种气体 的同时检测 ，设计出一种红外多气体传感器 。该传感 器 将探测器和红外光源集成在光学气室 内。在对气室进行设计时 ，首 先确 定气 室高度 为 ２５ｍｍ，随后通 过计 算和软件仿真分析确定气室的半 径为 １０ ｍｉｌｌ。设 计完 成外 围 电路 并对 传感 器进行 测试 ，结 果显 示 ：对 甲 烷 、一氧化碳和二氧化碳 的检测范 围可达到 （０－４００００）×１０一。 关键词 ：多气体检测 ；红外传感器 ；光学气室 ；光学气室 建模 和仿 真 ；电路设计 中 图分 类 号 ：ＴＮ９２３ 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１０００－９７８７（２０１６）０２－ ００６５－ ０２
ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｒａｎｇｅ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｎ ｍｅｔｈａｎｅ，ｃａｒｂｏｎ ｍｏｎｏｘｉｄｅ ａ ｎｄ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ Ｃａ ｎ ｒｅａｃｈ（０～４００００）ｘｌ０ ．
Ｋ ｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｍｕｈｉ—ｇａｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ；ｏｐｔｉｃａｌ ｃｈａｍ ｂｅｒ；ｍ ｏｄｅｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｈａｍｂｅｒ； ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｄｅｓｉｇｎ
根 据 红 外 检 测 的 基 本 原 理 和 据 朗 伯 一比 尔 定 律 可 推 导 出吸光度 的计算公式
Ａ ：ｌ ：ＫＣＬ
ห้องสมุดไป่ตู้』
（１）
收 稿 日期 ：２０１５—１２ －０８ 基金项目：国际 自然科学基 金资助 项 目（６１３３５００８，５１２０５３７３）；江苏 省 自然 科学基 金资 助项 目（ＢＫ２０１３１０９８）；河南 省科技 开发 合作项 目
０ 引 言 随着我国经济的快速发 展 ，多气体检测 技术 在煤矿 气
体检测 、大 气 环境 检 测 、火 灾 检测 等 过 程 中愈 发 重 要 。 非色散红外 ，（ｎｏｎ—ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ，ＮＤＩＲ）检测方法 ，由于 其寿命 长、响 应 时 问 短及 准确 性 高 的优 点 ，受 到 广 泛 关 注 。
ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｇａｓ ｃｈａｍｂｅｒ．Ｉｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｇａｓ ｃｈａｍ ｂｅｒ，ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｇａｓ ｃｈａｍｂｅｒ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ａｓ ２５ ｍｍ ，ｔｈｅｎ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ ｒａｄｉｕｓ ｏｆ ｇａｓ ｃｈａｎｆ ｌ３ｅｒ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ａｓ ｌＯ ｍｌｎ．Ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｔｅｓｔｅｄ ａｆｔｅｒ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．ａｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｉｎ
２０１６年 第 ３５卷 第 ２期
传感器与微系统 （Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）
６５
ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００－９７８７（２０１６）０２－００６５－－０２
红 外 多气 体 传 感 器 设 计
唐 力程 ，谭秋 林 ，毛 海央。，欧 文。，雷 程 ，熊继 军
Ｄｅｓｉｇｎ ０ｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｍ ｕｌｔｉ－ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ
ＴＡＮＧ Ｌｉ．ｃｈｅｎｇ ’。＇。 ＴＡＮ Ｑｉｕ．１ｉｎ ＇ ，ＭＡＣ Ｈａｉ．Ｙａｎｇ。，ＯＵ Ｗｅｎ。，ＬＥＩ Ｃｈｅｎｇ ’。，。，ＸＩＯＮＧ Ｊｉ．ｉｎｎ ， ， （１．Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｓｔ ａｎｄ Ｍ ｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｓｔｒｕｍ ｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍ ｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ．Ｍ ｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ． Ｎ ｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１，Ｃｈｉｎａ；
３．Ｓｍａｒｔ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｒ＆Ｄ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｏｎ—ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ （ＮＤＩＲ） ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ ｍｅｔｈａｎｅ，ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ａｎｄ ｃａｒｂｏｎ ｍｏｎｏｘｉｄｅ，ｗｈｉｃｈ