基于紅外光譜的煤礦新型瓦斯傳感器的設計

楊柳（安徽四創(chuàng)電子股份有限公司安防電子事業(yè)部，安徽 合肥 230031）

近年來在國內(nèi)煤礦企業(yè)的生產(chǎn)過程中，仍有較多的危險事故發(fā)生，而瓦斯爆炸造成的傷亡人數(shù)在重大事故的傷亡比例占了50%以上，成為煤礦安全生產(chǎn)的重大障礙之一。所以研制出一種性能穩(wěn)定、使用壽命高，并且真正實用的新一代光學瓦斯傳感器與報警系統(tǒng)，可以有效地克服傳統(tǒng)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的局限性，運用于礦井內(nèi)瓦斯氣體濃度的實時監(jiān)測，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，提高監(jiān)測的可控性和準確性，對于工礦的安全運行、人員的生命健康和環(huán)境保護都有著重要的意義。

1 紅外傳感器簡介

紅外輻射與電磁波都是以波的形式在空氣中直線傳播，當在大氣中傳播時，大氣層對紅外線的不同波長有不同的吸收帶，而紅外傳感器就是利用這一特性完成設計的。紅外傳感器是一種吸收型、非色散的氣體分析儀，當紅外光源發(fā)出的連續(xù)光譜全部透射到氣室中時，被測氣體則可以通過利用特征吸收波長及其積分特性進行定量和定性的分析[1]。

目前國內(nèi)外大都運用紅外技術的分析儀對氣體含量進行精確測量。這是因為紅外技術具有以下幾個優(yōu)點：（1）檢測選擇性好。每種氣體都具有唯一的與自身相應的紅外特征吸收率。每種氣體只吸收和自身對應的紅外特征吸收率相同的光譜，它們之間是相互獨立，互不影響的。（2）不易被有害氣體影響產(chǎn)生中毒和老化。載體催化類儀器在使用過程中當被測氣體的濃度值過高并超過測量范圍時，容易導致儀器的載體催化元件中毒而失效，從而使測量結(jié)果產(chǎn)生嚴重的偏差。而紅外吸收型氣體傳感器則不存在這方面的問題。（3）穩(wěn)定性好，響應速度快。紅外吸收原理的氣體傳感器開機后，在相對較短的時間內(nèi)就可以正常工作。當被測氣體的濃度一旦發(fā)生變化，檢測系統(tǒng)也能在較短的時間內(nèi)及時地做出反應。并且紅外傳感系統(tǒng)是采用光信號原理，并不會引起自身檢測系統(tǒng)的發(fā)熱，不易因溫度的變化而被影響。（4）防爆性能好。紅外吸收檢測系統(tǒng)的檢測信號采用的是光信號，所需的電壓低，不同于以往采用的電信號，在礦井等有混合氣體存在的場合內(nèi)，不易造成燃燒或爆炸。（5）信噪比高，測量精確。基于紅外吸收的原理，系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾信號小，信噪比高，有用信號明顯。且系統(tǒng)還同時具備靈敏度和零點自動補償?shù)墓δ?，因此會不定時地進行校準[2]。

2 紅外吸收型氣體傳感器的結(jié)構(gòu)和原理

本文選用的是英國E2V公司生產(chǎn)的IR22GJ型紅外瓦斯傳感器，它采用白熾小燈泡作為紅外光源，熱釋電探測器作為紅外探測器；采樣氣室由鋁合金制成，為圓柱體；為了在有限的空間中增加光程，氣室的結(jié)構(gòu)會使紅外光源發(fā)射出的光在氣室的內(nèi)壁多次反射后到達探測器。此紅外傳感器采用兩個探測器的雙路信號通道，一路為測量信號通道，一路為參考信號通道，這樣可以減少系統(tǒng)的干擾和光源的背景干擾。測量信號通道探測器包括被測氣體可以吸收光譜的濾波器，而參考信號通道探測器則包括被測氣體不吸收光譜的濾波器。如圖1所示。

圖1 紅外氣體探頭結(jié)構(gòu)原理圖

熱釋電型紅外傳感器是一種PZT晶體結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換器件，當溫度發(fā)生變化時其表面的電荷極化也隨著發(fā)生改變。探測器的輸出信號會隨著紅外輻射的突變出現(xiàn)明顯的變化，如圖2所示。反應時間是指從峰值到穩(wěn)定的基準值的時間，如果紅外輻射持續(xù)不變，傳感器釋放的電荷就會越來越少，內(nèi)部極化也會慢慢達到平衡，探測器信號也會逐漸回到基準值。

圖2 探測信號隨紅外輻射有規(guī)律地變化

熱釋電型紅外傳感器只有在紅外輻射不斷變化的情況下，它的內(nèi)部溫度也會不斷變化，從而才會有交變的輸出信號，如果紅外輻射一直處于穩(wěn)定的狀態(tài)，輸出的信號則為恒定值。所以在使用熱釋電型紅外傳感器時，需要使紅外輻射不斷變化，才能輸出有效的探測器信號，因此需要對紅外光源按頻率進行相應的調(diào)制以滿足此需求[3]。

3 紅外光譜瓦斯?jié)舛葯z測傳感器的設計

紅外瓦斯傳感器的總體由五部分組成，分別是：方波驅(qū)動電路、敏感元件傳感器、放大濾波電路、整流橋電路、單片機。其中核心部分是敏感元件傳感器和單片機部分，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 紅外瓦斯傳感器組成圖

當被測氣體被紅外輻射穿過時，氣體分子按照朗伯—比爾定律吸收其中的光能，若入射光譜的范圍包含了氣體的吸收譜線，則當氣體中有光輻射通過時，在相應的譜線處會有光強的衰減發(fā)生。

基于不同物質(zhì)對紅外輻射的選擇吸收性不同的原理，紅外傳感器首先通過調(diào)制模塊按一定頻率輸出正弦脈沖信號來調(diào)制紅外輻射光源，其發(fā)出的具有調(diào)制信息的紅外輻射將作為探測光，當含有不同波長濾光片的光電探測器接受了經(jīng)過待測氣體區(qū)域后的探測光之后將其進行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換并處理后的電信號通過單片機進行A/D轉(zhuǎn)換并進行解調(diào)與采集，數(shù)據(jù)通過單片機進行計算，同時單片機也處理測量時的溫度信號，進行線性插值、數(shù)字濾波以及溫度補償?shù)鹊南嚓P處理，最終計算出被測氣體的濃度值[4]。

敏感元件的光路模型圖如圖4所示。通電后，鎢絲發(fā)出的紅外光在氣室中傳輸，測量光（實線）和參比光（虛線）在氣室內(nèi)經(jīng)過多路折疊，最后照到測量端探測器和參考端探測器上。經(jīng)過測量光濾光片的紅外光通過甲烷氣體到達測量端探測器后會有較為明顯的吸收現(xiàn)象，經(jīng)過參比光濾光片的紅外光到達參考端探測器后基本上沒有變化。

圖4 紅外吸收瓦斯傳感器光路模型

紅外光源選用鎢質(zhì)細短的白熾燈絲。給兩個探測器都提供4 Hz的脈動光源輸入，可以對比出有吸收和沒有吸收的不同情況，從而排除受到外部光線的干涉，并將兩個探測器上產(chǎn)生的直流偏移濾去。在熱釋電型探測器上發(fā)生的熱量變化會轉(zhuǎn)化為電壓信號從引腳輸出，由于測量光與參考光是在同一個環(huán)境下產(chǎn)生的，所以被測氣體的濃度值可以通過取得兩者的電位差進行比較而得到。

單片機部分在系統(tǒng)中的功能主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換和氣體濃度計算，本文選用的單片機為CC2430芯片。

對CC2430的ADC模塊控制主要是對ADCCFG寄存器進行配置，對要采集的通道進行選擇。隨后對ADCON2序列采集模式寄存器進行初始化，選擇序列采集的結(jié)束通道號，對ADCON3額外單次采集控制寄存器進行初始化，選擇額外采集的通道號。模數(shù)轉(zhuǎn)換的程序流程圖如圖5所示。

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序流程圖

氣體濃度計算可通過朗伯-比爾（Lamber-beer）定律得出，其內(nèi)容是，當有一束能量為I0的單色光入射時，通過波長為L的氣體介質(zhì)吸收后，不考慮散射的情況，其透射光強表示為：

透射光強 I（λ）與氣體濃度 C、氣體吸收系數(shù) μ（λ）和路徑長度L都具有相應的函數(shù)關系[5]。被測氣體的屬性、傳感器的特點等都決定了氣體的吸收系數(shù)，一般通過實驗來求得。當待測氣體的濃度越大時，氣體的吸收系數(shù)就會越大，從而氣體穿過的有效路徑就越長，氣體吸收越充分，能量衰減程度就越嚴重。

4 系統(tǒng)的實驗及測試

氣體檢測平臺如圖6所示。

圖6 氣體檢測實驗平臺

為了觀察紅外瓦斯傳感器IR22GJ的輸出信號在經(jīng)過模數(shù)處理后的信號，在自建的實驗平臺下，做了相應的示值對比實驗，主要是為了驗證LCD液晶顯示的甲烷濃度值與實際濃度值的相對誤差關系。

將傳感器IR22GJ放置于特制的塑料密閉盒中，讓濃度為2.5%的甲烷氣體通入塑料盒，放置5 min后，記錄直接讀取到的甲烷氣體濃度值。再分別對塑料盒中通入濃度為3.5%和5%的甲烷氣體，進行以上相同的實驗步驟，得到一組實驗結(jié)果，將真實值與實驗值進行比對，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 真實值與測量值的比較

根據(jù)表1的結(jié)果，按照下式計算出示值的相對誤差η為：

式中，Cy表示系統(tǒng)顯示值；Cx表示實際氣體濃度；M表示測試范圍。實驗中M=5%，由表1的實驗數(shù)據(jù)可計算出值，系統(tǒng)示值的相對誤差大約為2.6%。

本文給出了紅外吸收型甲烷濃度檢測系統(tǒng)的硬件及軟件實現(xiàn)方案。設計了合理的傳感器調(diào)制電路以及放大濾波電路，將紅外輻射轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出，完成了數(shù)據(jù)計算、存儲、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及實時顯示等功能；利用C語言及匯編語言編程，實現(xiàn)單片機各模塊功能。搭建了氣體測量環(huán)境平臺，完成了紅外吸收型瓦斯?jié)舛葯z測系統(tǒng)的實驗及測試。驗證了LCD液晶顯示的甲烷濃度值與實際濃度值的相對誤差關系。但由于實驗條件有限，實驗結(jié)果誤差較大，需要進一步改善實驗環(huán)境和優(yōu)化系統(tǒng)，盡量減少外界影響帶來的誤差。

[1]羅勇，毛曉波，黃俊杰.紅外檢測瓦斯傳感器的設計與研究[J].儀表技術與傳感器，2007（8）：4-5.

[2]NAWROCKI W.Measurement systems and sensors[M].Artech House Publishers，2005：321-333.

[3]林玉池，曾周末.現(xiàn)代傳感技術與系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：1-5.

[4]周杏鵬，仇國富，王壽榮.現(xiàn)代檢測技術[M].北京：高等教育出版社，2004：5-8.

[5]周杏鵬.傳感器與檢測技術[M].北京：清華大學出版社，2010：166-232.