非分光紅外的甲烷傳感器設(shè)計

陳紅巖， 郭晶晶, 劉文貞, 鮑 立

(中國計量學院 機電工程學院，浙江 杭州 310018)

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設(shè)計與制造

非分光紅外的甲烷傳感器設(shè)計

陳紅巖， 郭晶晶, 劉文貞, 鮑 立

(中國計量學院 機電工程學院，浙江 杭州 310018)

介紹了國內(nèi)常用的甲烷傳感器及其優(yōu)缺點，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種基于非分光紅外法(NDIR)原理的甲烷氣體傳感器。針對紅外探測器輸出的特性設(shè)計了微弱信號放大電路，使用AD8552對紅外熱探測器輸出的微弱信號進行放大，AD7190對濾波放大后的信號進行采樣轉(zhuǎn)換，采用軟硬件相結(jié)合的方法來減少噪聲干擾的影響。通過對不同濃度范圍的標準甲烷氣體進行實驗測量，擬合得到探測器輸出的電壓差值之比和氣體濃度之間的關(guān)系。根據(jù)得到的曲線和數(shù)據(jù)分析選擇分段插值的濃度計算方法，實現(xiàn)了對甲烷氣體進行實時測量的功能。給出該傳感器在甲烷體積分數(shù)為0 %～5.05 %的測量結(jié)果。

非分光紅外； 甲烷； 傳感器； 分段插值

0 引 言

近年來人們對煤碳、天然氣(它們的主要成分均是甲烷)等的需求不斷增加，但瓦斯爆炸事故、天然氣管道泄露等事故頻繁發(fā)生，嚴重影響了安全生產(chǎn)和人民的生命財產(chǎn)安全[1,2]，因此,開發(fā)高效率、高準確性的甲烷檢測裝置有著十分重要的意義。2005年，芬蘭Turku大學光學光譜實驗室的Uotila J等人設(shè)計了痕量氣體分析儀，在紅外波段實現(xiàn)了10×10-9的瓦斯探測靈敏度[3]；山西大學張雷等人采用單光束雙波長技術(shù)，在實驗室條件下研制了紅外傳感器；2013年，劉崗等人設(shè)計研發(fā)了礦用防爆型的甲烷傳感器，該設(shè)備的檢測范圍可以達到10 %，分辨率可達1/10 0004[4]。

國內(nèi)大多數(shù)普遍采用的是熱催化元件對甲烷進行檢測，它具有靈敏度高、價格低廉的優(yōu)點，但其檢測精度低、檢測范圍窄，對高濃度甲烷的測量會得到錯誤的結(jié)果[5]。

本文設(shè)計的非分光紅外(NDIR)甲烷傳感器利用紅外技術(shù)對甲烷氣體進行檢測可以有效地解決上述缺陷。它具有測量范圍寬、選擇性好、使用壽命長 、測量精度高等優(yōu)點[6]。

1 紅外氣體檢測原理

當某物質(zhì)受到紅外光照射時，紅外光中的一部分光能量會被該物質(zhì)的分子吸收，轉(zhuǎn)換為其他的能量，如分子的振動，分子的振動頻率與分子的特性有關(guān)，紅外輻射的波長只在特定的頻率處被吸收，利用該特點，可以測出物質(zhì)對紅外輻射的吸收。

在中紅外光(2.5～25 μm)的紅外吸收光譜范圍內(nèi)，當紅外輻射通過被測氣體時,其分子吸收光能量,不同氣體對紅外光有著不同的吸收光譜, 某種氣體的特征光譜吸收強度與該氣體的濃度相關(guān),非對稱雙原子和多原子分子氣體 (如CH4,CO,H2,SO2,NO和CO2等)在紅外波段均有特征吸收峰。氣體對紅外輻射的吸收遵循朗伯—比爾定律[7～9]

I(λ)=I0(λ)e-k(λ)LC

(1)

式中I0(λ)為入射光的強度；I(λ)為出射光的強度；L為氣室的長度；C為被測氣體的濃度；k(λ)為吸收系數(shù)，是波長λ的函數(shù)。

紅外光源發(fā)出的紅外輻射首先經(jīng)過窗口片濾除一部分不需要的波長，然后通過氣體通道，紅外光能量被氣體吸收后，再經(jīng)過一個窗口片進行濾波，再經(jīng)過安裝在探測器前面的中心波長為3.31 μm的測量濾光片和中心波長為3.91 μm的參考濾光片對紅外光源進行選擇性透過，最后照射到紅外探測器上，紅外探測器將氣體吸收后的光能量轉(zhuǎn)換成電信號輸出，輸出的電信號十分微弱，約為μV級[10]，經(jīng)過信號調(diào)理電路后，得到穩(wěn)定的電壓信號。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，首先由單片機產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號來控制光源驅(qū)動電路中紅外光源的亮滅，當紅外光穿過含有氣體的氣室后，紅外能量被氣體吸收后減少，探測器將接收到的衰減后的光信號轉(zhuǎn)換成電信號(該信號十分微弱)，經(jīng)過放大濾波電路處理，再進行A/D轉(zhuǎn)換(ADC)，由單片機進行運算、處理。

圖1 硬件電路框圖Fig 1 Block diagram of hardware circuit

2.1 單片機的選擇

選用STM32F103C8T6單片機。STM32F103系列單片機的時鐘頻率達到72 MHz，功耗為36 mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，且擁有超高的性價比和低功耗；可在2.0～3.6 V低電壓條件下工作，本系統(tǒng)工作在3.3 V的電壓條件下。STM32F103C8T6擁有龐大的內(nèi)存、豐富的片內(nèi)資源和外設(shè)接口滿足了本系統(tǒng)對MCU的需求。

2.2 放大器設(shè)計

熱探測器輸出的原始信號十分微弱，約為μV級，且易受到外界的干擾，為了提高測量的精度，得到比較準確的結(jié)果，因此,需要對輸出的微弱信號進行濾波放大，以達到A/D采樣轉(zhuǎn)換的要求[11]，信號放大電路如圖2所示，由于參考信號和測量信號的信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)是相同的，因此，圖2中只給出了參考信號的調(diào)理電路。

圖2 信號放大電路Fig 2 Signal amplifying circuit

第一級的放大電路的增益為A1(R1+R2)/R1=1+R2/R1；第二級的放大電路的增益為A2=(R4+R5)/R4=1+R5/R4，則整個電路的放大倍數(shù)A=A1×A2。

放大器選用AD8552,它具有低噪聲、零漂移、高精密度、軌到軌輸入和輸出全擺能力等優(yōu)點。它采用最優(yōu)化設(shè)計，具有自動偏置調(diào)整功能，會對低頻噪聲加以抑制，因此，它可以用于低頻甚至直流信號的放大，而不會帶來大的低頻噪聲，非常適合不允許存在誤差源的應(yīng)用。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)過放大濾波電路后得到的信號，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片進行采樣，才能進入單片機進行處理、計算和補償?shù)?，在?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換的速度和精度決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度和精度。本系統(tǒng)選用AD7190，AD7190是美國ADI公司于2009年最新推出的新一代高速、低成本、高分辨率、兩路差分輸入或四路偽差分輸入的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。它內(nèi)置一個低噪聲，可以直接輸入小信號，它的一個突出的優(yōu)勢是高速采樣模式下有絕對優(yōu)勢的有效分辨率。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件主要完成系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)處理和串口通信等功能。采用模塊化的設(shè)計方法，主程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖Fig 3 Program flow chart

由于測試環(huán)境的電磁干擾，傳感器和放大器自身的影響，往往包含多種成分的噪聲信號，使得系統(tǒng)無法獲得準確的測量信號，除了采取一定的硬件防干擾措施還需要采取一定的軟件措施，對不需要的噪聲信號進行干擾，增加系統(tǒng)的信噪比。在CH4氣體檢測系統(tǒng)中采用了防脈沖干擾平均值濾波和滑動平均濾波兩者結(jié)合的方法進行數(shù)字處理[12,13]，既防脈沖干擾又對周期性干擾有良好的抑制作用，提高信噪比。

4 實驗結(jié)果與分析

在實驗開始之前，首先要對傳感器進行零點校準，在本次設(shè)計中，采用純氮氣來進行零點的校準。每次通入氣體進行標定后，用真空泵將傳感器內(nèi)的氣體抽出，然后通入氮氣重新進行零點標定后，再進行下一組氣體的標定。

本文傳感器系統(tǒng)設(shè)計的輸出是測量通道與參考通道的電壓之差與參考通道的電壓之比，實驗采用了11組標準CH4氣體，氣體的濃度分別為0 %，0.22 %，0.49 %，1.52 %，2.02 %，2.41 %，3.90 %，4.23 %，4.53 %，4.77 %，5.05 %。

用Origin軟件對CH4濃度與電壓差值比的關(guān)系進行曲線擬合，如圖4所示。隨著CH4氣體濃度的增大，電壓差值比也在逐漸增大。

圖4 0 %～5.05 %的CH4濃度與電壓差值比的關(guān)系Fig 4 Relationship between methane concentration and voltage difference ratio of 0 %～ 5.05 %

隨著CH4濃度的變化，CH4通道與參考通道電壓之差與參考通道的比值按一階指數(shù)形式遞增，按一階指數(shù)形式擬合得到的曲線表達式為

y=A1exp(-x/t1)+y0

(2)

式中y0= -1.883 85，誤差為±0.019 8；A1=-0.363 46,誤差為±0.017 94；t1=2.735 04，誤差為±0.345 31。

線性相關(guān)程度R2=0.993 22(取值為0～1)，當R2越接近于1時，說明兩個變量之間的相關(guān)性越強，擬合效果越好。

為了通過比較來選擇更為準確的測量方法，選取甲烷氣體0 %～2.41 %，2.41 %～5.05 %二段進行線性插值，得到圖5和圖6的標定曲線。

圖5 0 %～2.41 %的CH4濃度與電壓差值比的關(guān)系Fig 5 Relationship between methane concentration and voltage difference ratio of 0 %～2.41 %

同樣按一階指數(shù)形式進行擬合，得到的曲線表達式為

y=A1exp(-x/t1)+y0

(3)

式中y0=-2.017 38，誤差為±0.014 2；A1=-0.241 45,誤差為±0.012 64；t1=1.156 48，誤差為±0.174 59;R2=0.995 65。

圖6 2.41 %～5.05 %的CH4濃度與電壓差值比的關(guān)系Fig 6 Relationship between methane concentration andvoltage difference ratio of 2.41 %～5.05 %

在這一濃度范圍，同樣按一階指數(shù)形式對曲線進行擬合得到

y=A1exp(-x/t1)+y0

(4)

式中y0=-1.733 43，誤差為±0.088 22;A1=-0.457 9,誤差為±0.067 71；t1=6.155 1，誤差為±2.141 25;R2=0.997 91。

通過上述對傳感器系統(tǒng)的標定，得到了兩種適合傳感器濃度的計算方法及公式，為了驗證哪種方法的計算更為準確，分別用1.09 %，3.12 %，3.53 %的標準氣體進行檢測，如表1和表2所示。

表1 整體擬合的方法/%

表2 分段插值法/%

由圖4、圖5和圖6可以看出，采用線性插值進行分段曲線擬合，得到的線性相關(guān)系數(shù)略大一點，說明線性相關(guān)性更強一點。而由表2 和表3 則可以清楚看出，采用線性插值方法進行氣體檢測，得到的誤差明顯減小，即在同樣的實驗條件下，采用該方法可以使系統(tǒng)的精確度有一定的提高。因此,對氣體濃度的計算采用分段插值法。

5 結(jié)束語

針對目前常用的甲烷傳感器存在的檢測范圍窄、壽命短等不足，介紹了基于NDIR原理的甲烷傳感器的軟硬件設(shè)計，實驗表明:該傳感器的測量精度高，相對誤差不超過2 %、運行可靠，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 郭 瑞,常 勇.紅外甲烷傳感器非線性動態(tài)補償?shù)难芯縖J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(8):31-31.

[2] 劉中奇，王汝琳.基于紅外原理的氣體檢測[J].煤炭科學技術(shù)，2005(1)：65-66.

[3] Uotila J,Koskinen V,Kauppinen J.Selective differential photoacoustic mehtod for trace gag analysis[J].Vibrational Spectroscopy,2005(38):3-9.

[4] 劉 崗.礦用紅外瓦斯傳感器的設(shè)計[D].太原：中北大學，2013：1-25.

[5] 譚秋林.紅外光學氣體傳感器及檢測系統(tǒng)[M].北京：機械電子出版社，2013:1-2.

[6] 呂玉祥,董肖節(jié),郭 峰.基于紅外差分檢測的甲烷氣體傳感器[J].應(yīng)用光學,2012(4):748-748.

[7] 張瑋瑋.非分光紅外線甲烷氣體檢測儀的設(shè)計與實現(xiàn)[D].太原：太原理工大學,2008:23-25.

[8] Li Xiaowei,Sang Zhifeng,Zhuang Ruke,et al.A NDIR-based portable CO2detector[J].Shandong Science,2009,22(3):50-52.

[9] 梁 剛,馬游春,薛晨陽.紅外CH4檢測儀的設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2008,27(6):97-99．

[10] 劉 俊，張斌珍.微弱信號檢測技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005:51-52.

[11] 劉東旭,王志斌,張記龍.紅外瓦斯傳感器微弱信號處理電路設(shè)計[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2010(6):69-70.

[12] 原 亮.基于NDIR技術(shù)的礦用瓦斯?jié)舛葯z測報警裝置[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2014:39.

[13] 石建中.近紅外光纖甲烷氣體檢測系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2010:52.

陳紅巖( 1965-) ， 男， 浙江杭州人， 博士后，教授，研究生導師，主要從事汽車電子、 發(fā)動機排放與控制等領(lǐng)域研究工作。

郭晶晶，通訊作者，E—mail:1462100265@qq.com。

Design of methane sensor based on NDIR

CHEN Hong-yan， GUO Jing-jing, LIU Wen-zhen, BAO Li

(College of Mechanical and Electrical Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

Commonly used domestic methane sensor and its advantages and disadvantages it is introduced.On this basis,design a methane sensor based on principle of non-dispersive infrared(NDIR).The sensor designs weak signal amplification circuit aiming at characteristics of infrared detector output.The output signal of infrared detector is amplified by AD8552;the signal of filtered and amplified is sampled conversion by AD7190，in order to reduce the influence of noise,a combination of hardware and software is used,in addition,through experimental measurements of standard methane gas at range of different concentration,fit and obtain relationship between gas concentration and ratio of voltage difference of detector output,according to the obtained curve and data analysis,selects concentration calculation method of piecewise interpolation.and then realize the methane real-time measurement.Finally,measurement results of methane at 0 %～5.05 % are given.

non-dispersive infrared(NDIR); methane ; sensor; piecewise interpolation

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0075—04

2016—01—22

TP 212.2

A

1000—9787(2016)12—0075—04