基于中紅外LED的CO2差分檢測技術(shù)

鐘德輝，高致慧，陳子聰，楊 勇，林偉豪，曹 志

(深圳大學電子科學與技術(shù)學院，廣東深圳518060)

1 引言

眾所周知，CO2是大氣的重要組成部分之一，與我們的生產(chǎn)和生活密不可分。隨著科學技術(shù)的進步和社會的廣泛發(fā)展，CO2氣體對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活及自然環(huán)境的影響越來越大。農(nóng)業(yè)上適時調(diào)節(jié)CO2氣體的濃度可以使光合作用時間延長，從而使作物產(chǎn)量提高;工業(yè)上煤礦中毒和CO2沉積窒息事件成為各大煤礦亟待解決的問題;環(huán)境上CO2是溫室效應，全球氣候變暖等問題的罪魁禍首［1］。因此，研究二氧化碳檢測系統(tǒng)具有十分重要的意義。

檢測CO2的方法多種多樣，近年來發(fā)展廣泛的方法是紅外光譜吸收法，以此原理制作的氣體檢測儀具有精度高，選擇性好，性能穩(wěn)定等特點。差分吸收檢測技術(shù)是紅外檢測方法其中一種重要的方法。其基本原理是通過待測信號和參考信號兩路信號強度的差別來確定待測氣體的濃度。差分吸收法可以通過單波長法和雙波長法兩種方法來實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用雙波長法［2］。

2 原理

2.1 紅外光譜吸收原理

當紅外光通過待測氣體時，不同的氣體對特定波長的紅外光具有不同的吸收作用，通過檢測紅外光的強度的變化來檢測氣體的濃度。待測氣體對紅外光的吸收服從朗伯－比爾定律，其表達式如下:

式中，I0為入射光強;I為出射光強;C為待測氣體濃度;L為光程;Kλ為吸收系數(shù)。由(1)式可推出:

對于一個完整的系統(tǒng)，Kλ和L是固定的，只需要測出I0和I的差別就可以推算出待測氣體濃度C的大小。

2.2 雙波長差分吸收法

兩種不同波長的紅外光通過充滿被測氣體的氣室，波長λ1為待測氣體的強吸收波長，波長λ2為待測氣體的弱吸收波長，由于光路的多種干擾因素影響，朗伯－比爾定律可以修正為:

其中，α( λ)為系統(tǒng)干擾參數(shù)。

僅從式(3)確定氣體濃度C是困難的，因為α( λ)是一個隨機變量。為了消除 α( λ)項，選用雙波長法。

兩波長分別為λ1和λ2的紅外光通過氣室時，可得:

兩波長λ1和λ2盡可能靠近且?guī)缀跬瑫r通過待測氣體時，可以近似認為 α( λ1)=α ( λ2)，由式(4)、式(5)可推出:

適當調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)，使I0( λ1)=I0( λ2)，則式(6)簡化為:

從式(7)可看出，相對于式(2)，通過增加參考波長，將式(2)朗伯－比爾定律中單波長入射和出射光強的比值，轉(zhuǎn)化為兩波長的出射光強比值。說明差分吸收法在理論上消除了光路缺陷帶來的誤差，提高了系統(tǒng)的靈敏度［3］。

2.3 相關(guān)檢測技術(shù)

系統(tǒng)運用相關(guān)檢測技術(shù)，通過對待測信號和參考信號的互相關(guān)運算，解調(diào)出所需要的微弱信號，抑制和消除噪聲。

待測信號中的有用信號與參考信號互相關(guān)，通過乘法運算和積分平均后，得到有效數(shù)值。反之，待測信號中的噪聲與參考信號不相關(guān)，最終輸出為0。系統(tǒng)中把光源調(diào)制成周期信號，并予以參考信號，通過這一檢測方法，能有效提高系統(tǒng)的信噪比。

實驗中相關(guān)檢測是通過鎖相放大器來實現(xiàn)。

圖1 相關(guān)檢測原理

3 實驗部分

根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫，CO2在近紅外和中紅外區(qū)域都有吸收帶［4］。其中近紅外1.57 μm附近的合頻帶，剛好落在光纖通信的一個窗口處，可以采用光纖傳感的方法來實現(xiàn)。中紅外4.26 μm附近的吸收譜線要比近紅外區(qū)的譜線強度大約4～5個數(shù)量級。根據(jù)朗伯比爾定律，相應的最小可探測靈敏度可提高4～5個數(shù)量級［5］。本系統(tǒng)采用中紅外波長的光源來檢測CO2的濃度。圖2為CO2在中紅外4.26 μm附近的吸收線強。

圖2 二氧化碳在1000～6000 nm的吸收線強

中紅外光源常見的有寬帶熱紅外光源、中紅外量子級聯(lián)激光器、中紅外LED。熱紅外光源可發(fā)出從可見波段到中紅外波段的光，有良好的選擇性，但是發(fā)熱量大，能量利用率低，響應慢;中紅外量子級聯(lián)激光器，光束集中能量大探測靈敏度高，但價格昂貴。中紅外LED光源光譜能量集中，穩(wěn)定性好，價格低廉，而隨著技術(shù)不斷進步和工藝不斷提高，中紅外LED已逐漸應用于氣體檢測。本系統(tǒng)采用中紅外LED作為光源。

系統(tǒng)框圖如圖3所示。探測光源選用的是對CO2有強吸收波長的 LED43，中心波長約為4.26 μm，如圖4所示。參考光源選用的是對CO2吸收極弱的LED38，中心波長約為3.75 μm。LED通過驅(qū)動電路的電流控制和振蕩電路控制，將光源調(diào)制成16 kHz的調(diào)制光信號，同時為鎖相放大器提供相同頻率的參考光信號。

圖3 雙波長雙光路CO2差分檢測系統(tǒng)框圖

圖4 4.26 μm中紅外LED吸收光譜

氣體系統(tǒng)由氣室、氣體(N2和CO2)、壓力表和真空泵組成，可配比不同濃度的CO2。

4 實驗結(jié)果

單波長和雙波長兩個實驗結(jié)果的對比。

單波長實驗在單光路系統(tǒng)中，充入待測氣體和背景氣體，對0～10%的CO2進行檢測，通過分時差分的方法得到實驗結(jié)果［6］。其最小檢測濃度為1%左右。

表1 單波長差分法實驗數(shù)據(jù)

雙波長實驗對0～1%的CO2進行檢測。通過檢測LED43和LED38的輸出電壓，求出CO2濃度與信號比的對數(shù)值的關(guān)系，如表2所示。

表2 雙波長差分法實驗數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)處理，可得到CO2濃度擬合曲線圖，如圖5所示。

圖5 二氧化碳濃度擬合曲線

通過對比雙波長法和單波長法可以看出，雙波長實驗最低檢測濃度為0.05%。雙波長法比單波長法在檢測靈敏度上提高了一個數(shù)量級。

通過對系統(tǒng)的示值誤差分析，實驗結(jié)果與理論符合，具有較好的實用性(示值誤差=|實際值－計算值|/量程)。

表3 雙波長實驗誤差分析

5 總結(jié)

本文主要研究了基于中紅外LED的CO2差分檢測技術(shù)，通過單波長差分法和雙波長差分法的對比實驗，得出雙波長差分法測量精度為0.05%，比單波長差分法提高了一個數(shù)量等級。系統(tǒng)示值誤差約為±0.5%，誤差相對于單波長實驗進一步減小。

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［2］ Xu Liming.Differential optical absorption line measuring harmful gas research［D］.Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China，2010.(in Chinese)徐理明.差分光學吸收在線測量有害氣體研究［D］.成都:電子科技大學，2010.

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［4］ http://savi.weber.edu/hi_plot/.Hitran Database.

［5］ Li Li，Zhang Yu，Song Zhenyu，et al.Application of infrared spectroscopy in gas sensing［J］.Infrared，2007，1672 －8785.(in Chinese)李黎，張宇，宋振宇，等.紅外光譜技術(shù)在氣體檢測中的應用［J］.紅外，2007，1672 －8785.

［6］ Chen Zicong，Gao Zhihui，Cao Zhi，et al.Research on CO2gas concentration test system based on mid-infrared LED［J］.Laser＆ Infrared，2012，42(11):1001 － 5078.(in Chinese)陳子聰，高致慧，曹志，等.基于中紅外LED的CO2氣體濃度檢測系統(tǒng)研究［J］.激光與紅外，2012，42(11):1001－5078.