紅外碳硫傳感器信噪比改善方法研究

章若冰，魏麗君

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲　412001)

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紅外碳硫傳感器信噪比改善方法研究

章若冰，魏麗君

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲412001)

摘要：應(yīng)用于鋼鐵、礦物等檢測的紅外碳硫儀的研制在國內(nèi)的研究還存在諸多問題，由于其在紅外檢測中位于一個(gè)非常敏感的區(qū)域，國內(nèi)高精度紅外碳硫傳感器的研究迫切需要邁上新臺階;其檢出限和檢測精度要達(dá)到國際先進(jìn)水平還存在傳感器的氣室工藝不夠、探測器與光源的資源限制、信號的調(diào)制方式落后等問題;當(dāng)然也存在信號的前期濾波、信號后期處理方面的原因;文章針對當(dāng)前紅外碳硫傳感器的研究現(xiàn)狀，對改善信噪比的方法進(jìn)行探究和分析，并提出了相應(yīng)的解決措施和具體思路。

關(guān)鍵詞：紅外碳硫傳感器；氣體分析儀；調(diào)制噪聲；信噪比

0引言

應(yīng)用于鋼鐵、礦物等檢測的紅外碳硫儀目前可粗略地以國產(chǎn)和進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行區(qū)分，國產(chǎn)設(shè)備主要應(yīng)用于燃料、礦物原料、輔料等檢測，較有代表性的生產(chǎn)廠家有上海德凱公司；進(jìn)口設(shè)備主要應(yīng)用于鋼鐵半成品、成品檢測，以CS200、CS600等產(chǎn)品為典范?？傮w來說，進(jìn)口設(shè)備比國產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)高。

紅外碳硫儀的研制在國內(nèi)的研究還存在諸多問題，由于其在紅外檢測中位于一個(gè)非常敏感的區(qū)域，國內(nèi)高精度紅外碳硫傳感器的研究迫切需要邁上新臺階。其檢出限和檢測精度要達(dá)到國際先進(jìn)水平還存在傳感器的氣室工藝不夠、探測器與光源的資源限制、信號的調(diào)制方式落后等問題。當(dāng)然也存在信號的前期濾波、信號后期處理方面的原因[1-3]。本文針對當(dāng)前紅外碳硫傳感器的研究現(xiàn)狀，對改善信噪比的方法進(jìn)行探究和分析，并提出了相應(yīng)的解決措施和具體思路。

1技術(shù)指標(biāo)分析

以當(dāng)前我國紅外定硫儀上使用的低硫傳感器為例進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)分析，一般低硫傳感器的標(biāo)定下限為10 ppm(采用標(biāo)氣標(biāo)定)，16位AD值變化量為39，信號噪聲在16位AD值20左右，應(yīng)用到紅外定硫儀系統(tǒng)后，分析范圍下限為0.06%，即10 ppm為低硫傳感器的檢出限。而紅外碳硫傳感器要求的檢出限為0.01 ppm，分析范圍下限為0.6 ppm。

2紅外碳硫傳感器研究的主要問題

2.1鍍金氣室

鍍金氣室的質(zhì)量對輸出信號幅度產(chǎn)生了巨大的影響，反應(yīng)在技術(shù)指標(biāo)上，主要是鍍金氣室的反射率、熱穩(wěn)定性等，合適的鍍金氣室將對紅外傳感器信噪比優(yōu)化起到?jīng)Q定性的作用[3-4]。

2.2探測器和紅外光源的資源限制

在探測器和紅外光源的器件選擇上，國產(chǎn)器件目前不能考慮，進(jìn)口器件由于在一個(gè)敏感的科學(xué)領(lǐng)域，硫的紅外吸收峰與人體紅外線的波長范圍正好重疊，器件沒有太多的選擇，如果采用美國JUDSON的砷化硫、砷化硒等光電探測器，需自配濾光片、聚光塔、甚至需要考慮采用電熱制冷的光電器件和激光光源等，設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)成本將大幅增加，電路部分的設(shè)計(jì)也存在比較大困難。而且還存在不確定性。

2.3信號調(diào)制頻率及穩(wěn)定性

目前的紅外傳感器大都采用電壓源，光源點(diǎn)調(diào)制方式，調(diào)制頻率一般比較低(10 Hz)，光源發(fā)光體為特殊材料，但外在表現(xiàn)就是一個(gè)電阻，典型值一般為50 Ω，阻值會隨溫度變化，因此存在兩個(gè)問題：

1)低的調(diào)制頻率(10 Hz)給精密整流的后級電路設(shè)計(jì)帶來了較大困難，一般情況下電路可采用24 dB/oct巴特沃茨濾波器，雖然響應(yīng)速度快，但由于容性器件的不穩(wěn)定性[5]，在低頻整流過程中帶來不確定的直流損耗，在輸出信號上產(chǎn)生隨機(jī)噪聲。

2)光源阻值變化的不確定性導(dǎo)致發(fā)射光強(qiáng)不穩(wěn)定，直接影響探測器輸出信號的穩(wěn)定性，目前的紅外傳感器存在較大改善空間[6-7]。是提高信噪比的關(guān)鍵之一。

2.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性

紅外碳硫傳感器作為紅外碳硫儀的一個(gè)子系統(tǒng)，雖然是系統(tǒng)的核心部件，但也是影響系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵因素之一，在高靈敏度的傳感器應(yīng)用系統(tǒng)中，氣路設(shè)計(jì)的科學(xué)性[6、8、9]，實(shí)驗(yàn)流程的合理性、環(huán)境條件的一致性等都會對系統(tǒng)最終的技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)生不可忽視、甚至是決定性的影響。

3紅外碳硫傳感器信噪比改善方法探究

紅外碳硫傳感器信噪比的改善主要針對上面所提到的主要問題，針對問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1鍍金氣室的改進(jìn)設(shè)計(jì)

前面已經(jīng)提到，鍍金氣室的質(zhì)量直接影響紅外傳感器的信號輸出幅度，假設(shè)鍍金氣室不產(chǎn)生熱噪聲(實(shí)際上不可能)，信號輸出的噪聲不變，信號輸出幅度下降導(dǎo)致信噪比下降，因此，必須設(shè)計(jì)采用高精度的內(nèi)壁拋光管，嚴(yán)格控制鍍金工藝及鍍金純度(注：內(nèi)壁光潔度影響探測器端光入射角的一致性，滿反射產(chǎn)生隨機(jī)熱噪聲，鍍金純度影響反射率)。

3.2光源調(diào)制的改進(jìn)設(shè)計(jì)

紅外光源調(diào)試的優(yōu)化可以從以下幾個(gè)方面著手：

1)提高紅外光源供電的穩(wěn)定性：目前的紅外傳感器光源供電電路設(shè)計(jì)中，光源調(diào)制一般采用恒壓，低阻值MOS管通斷控制的方式實(shí)現(xiàn)，弊端在于光源內(nèi)部初始值發(fā)生變化時(shí)，輸出功率隨之變化，從而使探測器輸出信號幅度產(chǎn)生波動，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，可以考慮采用恒功率輸出調(diào)制方式，設(shè)計(jì)超高精度恒功率輸出電源電路，確保紅外光源供電的穩(wěn)定性。

2)提高調(diào)制頻率：目前的紅外傳感器一般采用較低的調(diào)制頻率(10 Hz)，提高調(diào)制頻率有利于提高信噪比調(diào)理的直流穩(wěn)定性，因?yàn)?0 Hz接近于一般運(yùn)放器件的轉(zhuǎn)角頻率，不利于1/f噪聲的抑制，當(dāng)然提高調(diào)制頻率過程也應(yīng)該考慮光源輸出光譜特性，調(diào)制頻率太高會影響光源的輸出功率。

3)采用機(jī)械調(diào)制方式：機(jī)械調(diào)制方式的光源供電電路設(shè)計(jì)成恒功率輸出電源，利用電機(jī)帶動切光片進(jìn)行調(diào)制，機(jī)械調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)在于可以大幅提高調(diào)制頻率而不受光源限制，光源輸出功率可以設(shè)計(jì)得更高，信號輸出幅度得到提高，缺點(diǎn)是對電機(jī)穩(wěn)定性能要求高，震動敏感、熱噪聲大，如果采用大功率電源，還需要考慮合理的光源散熱方式，以免引入其他影響信噪比的元素。

3.3信號調(diào)理電路的改進(jìn)設(shè)計(jì)

目前紅外傳感器信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)一般采用理想二極管精密整流電路和24 dB/oct巴特沃茨濾波器組成，存在以下問題：二極管漏電流會產(chǎn)生噪聲信號；由于交流信號頻率低，濾波器中心頻率設(shè)計(jì)得很低，大容性器件產(chǎn)生一定的直流損耗，該部分電路優(yōu)化可分兩步進(jìn)行：

2)優(yōu)化整流電路：由于光源調(diào)制到探測信號輸出存在相位差，因此在考慮解調(diào)電路是，必須考慮相位跟蹤的問題，在信號噪聲不是很大的情況下，采用比較器做過零點(diǎn)檢測即可，但要注意零點(diǎn)去抖動的問題，得到相位信號后，可采用差動同步檢波或者極性轉(zhuǎn)換式同步檢波電路，都具有很高的直流穩(wěn)定性。

3.4信號處理的改進(jìn)設(shè)計(jì)

信號處理主要包括A/D轉(zhuǎn)換和信號采集處理，目前大部分的紅外傳感器傳感器設(shè)計(jì)過程中，為了確定系統(tǒng)對傳感器噪聲的影響，一般會選擇不做任何處理即上傳，返回真實(shí)的傳感信號，這樣設(shè)計(jì)可在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或系統(tǒng)整體布局過程中存在一定優(yōu)勢，但就信號處理而言，可分兩步進(jìn)行優(yōu)化：

1)增加數(shù)字濾波：鑒于當(dāng)前傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及布局在信號輸出過程中的影響程度，一般傳感器輸出信號不作任何濾波處理，在碳硫傳感器設(shè)計(jì)中，可先在測定結(jié)構(gòu)及布局對傳感器信號影響程度的基礎(chǔ)上，考慮采用高速A/D做簡單的16次以下的均值濾波，能有效抑制白噪聲對有效信號的影響，提高信號輸出的穩(wěn)定性，這是提高信噪比的最簡單有效的途徑。

2)改進(jìn)A/D電路設(shè)計(jì)：目前的紅外傳感器設(shè)計(jì)過程中，考慮到成本問題，一般都采用較高精度4通道A/D芯片，當(dāng)采樣頻率提高后，有效位數(shù)會隨之下降，因此設(shè)計(jì)碳硫傳感器可以考慮采用單通道高精度A/D芯片，可有效保證在采樣頻率提高的情況下，有效位不變，通過可以采用CPLD實(shí)現(xiàn)串行接口讀取A/D芯片，確保采樣速率。

3.5結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在前面的分析中提到，紅外傳感器設(shè)計(jì)過程，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對傳感器性能影響是不可忽視的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化主要可從以下幾個(gè)方面入手：

1)氣室長度的調(diào)整： 紅外碳硫傳感器比較現(xiàn)有的紅外傳感器量程小很多，因此氣室長度必須進(jìn)行調(diào)整，但儀器設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)尺寸決定了太長的氣室沒有實(shí)際意義，因此具體調(diào)整長度不能按公式進(jìn)行計(jì)算，在設(shè)計(jì)過程中，可以采用逐步逼近的方式，尋找最佳長度。

另外，借助專門的辦公軟件，醫(yī)院的5家分院跟本部的檢查預(yù)約通道基本打通。宣姝姝指出，天臺分院目前沒有部分大型儀器設(shè)備，如3.0MRI，如果患者要求到本部來做大型檢查，醫(yī)生在辦公軟件上發(fā)起檢查申請，預(yù)約中心處理好以后將信息反饋給他們。然后，這些轉(zhuǎn)診患者按照預(yù)約時(shí)間到醫(yī)院，現(xiàn)場交費(fèi)就可以進(jìn)行檢查，讓基層患者享受便捷就醫(yī)的實(shí)惠。

2)探測器感光屏蔽罩優(yōu)化：目前探測器感光屏蔽罩一般采用銅質(zhì)材料，反射面進(jìn)行比較粗糙的拋光處理，優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，可采用鍍金處理。在高精密的測量中，還應(yīng)該考慮聚光塔的設(shè)計(jì)，探測器的感光部分在封裝后的濾光片正中央位置(2*2 mm2)，因此可以采用漏斗型聚光塔的設(shè)計(jì)方式，但應(yīng)仔細(xì)計(jì)算最佳入射角度，設(shè)計(jì)合理的聚光塔能有效提高感光強(qiáng)度，提升信噪比，還有一種更好的方法，探測器用裸片，濾光片貼在聚光塔入射口，但制作工藝非常復(fù)雜，成本也會大大增加，考慮到產(chǎn)品的市場生命力，一般不建議采用。

3)光源散熱罩優(yōu)化：如果采用較大功率的光源實(shí)現(xiàn)機(jī)械調(diào)制方式，光源的散熱問題會成為焦點(diǎn)問題之一，必須設(shè)計(jì)與光源外殼緊密接觸的良好散熱方式，設(shè)置良好的散熱罩。

3.6恒溫系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

紅外探測器本身就是熱敏器件，因此紅外傳感器的環(huán)境要求是比較嚴(yán)格的，特別是當(dāng)敏感度要求提高后，恒溫環(huán)境的熱噪聲會直接影響輸出信號的信噪比，對氣室較長的傳感器，氣室兩端存在溫度差，始終處于熱交換狀態(tài)，在產(chǎn)生隨機(jī)熱噪聲的同時(shí)，還會產(chǎn)生較大的超低頻熱噪聲，這在信號調(diào)理環(huán)節(jié)是沒有太多辦法處理的，特別是紅外碳硫儀這種實(shí)時(shí)系統(tǒng)，要求信號響應(yīng)速度快，因此也不能做太多的軟件處理，因此，必須抑制環(huán)境熱噪聲的影響，在目前的研究水平上，可做如下的優(yōu)化：

1)增加屏蔽：目前的研究水平下，紅外傳感器恒溫箱一般采用擋板隔離，環(huán)形熱風(fēng)循環(huán)，熱風(fēng)直接對傳感器進(jìn)行吹掃，控溫系統(tǒng)的采溫點(diǎn)置于傳感器側(cè)熱風(fēng)口，或者僅僅在采溫點(diǎn)增加了回環(huán)，控溫精度可達(dá)0.1 ℃以內(nèi)，但熱風(fēng)溫度必然是始終變化的，因此，考慮在傳感器上增加一個(gè)海綿罩，打亂熱風(fēng)的流向，同時(shí)避免熱風(fēng)對傳感器的定向直接吹掃，有利于抑制熱噪聲，如果考慮電磁屏蔽，也可以采用全封閉金屬屏蔽罩進(jìn)行測試。

2)改善恒溫環(huán)境的均溫性：這是一個(gè)復(fù)雜而抽象的問題，在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)不同的需求，可能設(shè)計(jì)的方案會各有偏差，不可能給非常明確的一致的方案，大量工作需要在測試、改造過程中進(jìn)行，但有一點(diǎn)，拉開加熱片和傳感器之間的距離，盡量避免加熱片對傳感器的直接輻射，肯定能對傳感器性能有所改善。

3.7裝配條件

如果考慮水汽、干擾氣體等對測量的影響，探測器和紅外光源的裝配應(yīng)該在干燥的惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行。

4設(shè)計(jì)創(chuàng)新探究

以下均為基于理論的探討，目前為止，沒有類似的熱釋電探測器應(yīng)用實(shí)例，如果能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，將在NDIR領(lǐng)域打破傳統(tǒng)的禁錮，開辟新的設(shè)計(jì)思路。

4.1設(shè)計(jì)瓶頸

1)調(diào)制噪聲的困擾：眾所周知，當(dāng)紅外光源需要進(jìn)行調(diào)制時(shí)，不管是電調(diào)制還是機(jī)械調(diào)制，由于光源和探測器的不穩(wěn)定性，都會帶來不同程度的調(diào)制噪聲，如果調(diào)制頻率遠(yuǎn)高于數(shù)據(jù)刷新率，消除噪聲有多種方法，并且比較容易得到有效抑制，但是，如果調(diào)制頻率接近甚至低于數(shù)據(jù)刷新率的時(shí)刻，深度濾波必將影響信號的真實(shí)性和實(shí)時(shí)性。

2)熱釋電探測器的特性：(1)當(dāng)入射光強(qiáng)穩(wěn)定時(shí)，輸出信號值為0(Ip=P*As*⊿Tp/dt)；

(2)當(dāng)接收光強(qiáng)發(fā)生改變時(shí)，輸出信號隨之改變，輸出信號的幅度與光強(qiáng)變化率有關(guān)，與光強(qiáng)強(qiáng)度無關(guān)。

(3)當(dāng)接收光強(qiáng)穩(wěn)定在一個(gè)新的水平后，輸出信號再次返回零點(diǎn)。

4.2設(shè)計(jì)構(gòu)思

1)采用不調(diào)制的光源，只要保證了光源和光源供電的穩(wěn)定性，信號輸出將得到一個(gè)理想零點(diǎn)，避免了調(diào)制噪聲的困擾，同時(shí)因?yàn)闆]有調(diào)制，光源可以適當(dāng)加大功率，而不受到探測器輸出飽和的限制。

2)對探測器輸出信號交流耦合后，進(jìn)行相對較高頻率的調(diào)制放大(如1 kHz)，然后解調(diào)，避免期間的直流干擾，大幅提高檢測靈敏度。

3)當(dāng)被測氣體通過氣室時(shí)，由于氣體成分發(fā)生改變，探測器的入射光強(qiáng)發(fā)生變化，探測器輸出信號幅度隨之改變，將采集的信號導(dǎo)入到合適的數(shù)學(xué)模型，換算出相應(yīng)的氣體濃度。從而達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

4.3設(shè)計(jì)的問題與難點(diǎn)

1)該設(shè)計(jì)思路在熱電堆探測器上是很好實(shí)現(xiàn)的，但目前了解到的熱電堆探測器最佳探測的靈敏度在20~50 PPm,在鋼鐵、礦物等檢測的紅外碳硫儀上不能滿足系統(tǒng)要求。

2)探測器輸出信號的幅度與光強(qiáng)變化率有關(guān)，與光強(qiáng)強(qiáng)度無關(guān)，因此在積分方式下，物質(zhì)燃燒特性是否會產(chǎn)生不可預(yù)測的影響有待進(jìn)一步研究。

3)氣體成分發(fā)生改變，探測器的入射光強(qiáng)發(fā)生變化，探測器輸出信號幅度隨之改變，將采集的信號導(dǎo)入到合適的數(shù)學(xué)模型，此數(shù)學(xué)模型建模復(fù)雜，同時(shí)也是最關(guān)鍵的問題之一，同時(shí)還存在不確定性。

5技術(shù)指標(biāo)的驗(yàn)證

紅外碳硫傳感器應(yīng)用于碳硫儀和當(dāng)前的紅外定硫儀工作過程和標(biāo)定方式基本類似，因此紅外碳硫傳感器原理上也可以采用標(biāo)氣進(jìn)行檢測和一次標(biāo)定，但從現(xiàn)在的標(biāo)氣供應(yīng)廠商了解到，10 ppm以下的標(biāo)氣，不確定度在10%左右，1 ppm以下的標(biāo)氣廠家不承諾提供，原因是國產(chǎn)氣瓶的吸附性和滲透性不理想，進(jìn)口氣瓶價(jià)格昂貴，而且使用時(shí)管路等各種因素的影響，10 ppm以下的標(biāo)氣基本上只能用于定型測試，如果要進(jìn)行定量測試，氣路要進(jìn)行非常嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和測試，同時(shí)需要定期維護(hù)，因此需要特定的測試條件來進(jìn)行檢測。

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SNR Improvement of Infrared Carbon and Sulfur Sensor Method

Zhang Ruobing，Wei Lijun

(Hunan Railway Professional Technology College, Zhuzhou412001,China)

Abstract:In domestic research of infrared carbon and sulfur analyzer are still many problems, because it is located in a very sensitive area in the infrared detector, the researchers domestic high-precision infrared carbon and sulfur sensor is an urgent need to a new level. The detection limit and detection accuracy to reach the international advanced level there is not enough of the sensor chamber technology, resource constraints detector and light source modulation signal behind other issues. Pre-filtered reason, the signal post-processing of the signals, of course, also exist. In this paper, current research status of infrared carbon and sulfur sensors, improving the signal to noise ratio method to explore and analyzed, and the corresponding solutions and concrete ideas.

Keywords:infrared carbon and sulfur sensor;gas analyzer;modulation noise;noise ratio

文章編號：1671-4598(2016)02-0314-03

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.087

中圖分類號：TP334.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：章若冰(1984-)，女, 湖南株洲人，本科，講師，主要從事應(yīng)用電子技術(shù)、電子信息方向的研究。通訊作者：魏麗君(1983-)男，湖南婁底人，碩士，講師，主要從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，智能儀器與儀表方向的研究。

收稿日期：2015-09-03；修回日期：2015-10-01。