摘 要:文章描繪并分析了一氧化碳分子的紅外吸收光譜,推導(dǎo)了一氧化碳分子的吸收線型,估算了分子吸收系數(shù),給出了氣室設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度。通過光譜分析發(fā)現(xiàn),一氧化碳基頻吸收比倍頻吸收強(qiáng)約兩個(gè)數(shù)量級(jí),因此基頻對(duì)應(yīng)的4.60 μm吸收譜帶更適合于高靈敏度的一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)。文中設(shè)計(jì)了一種基于LED光源的紅外一氧化碳檢測(cè)儀,結(jié)果表明,利用單LED光源、雙探測(cè)器及反射式氣室結(jié)構(gòu)能夠有效抑制環(huán)境變化、LED功率波動(dòng)及探測(cè)器漂移等產(chǎn)生的噪聲的干擾,進(jìn)而具有較低的探測(cè)靈敏度,探測(cè)限為100×10-6。

　　關(guān)鍵詞:紅外吸收;一氧化碳;氣體傳感器;吸收光譜

　　由于工業(yè)監(jiān)控和環(huán)境檢測(cè)的需要,研制一氧化碳傳感系統(tǒng), 日益受到人們的關(guān)注。研究、開發(fā)新型的氣體傳感器,使其能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)CO氣體濃度,對(duì)于保障安全生產(chǎn)、提高人們的生活質(zhì)量具有重要的研究意義和廣發(fā)的應(yīng)用前景。

　　氣體傳感器是一種將氣體的成份、濃度等信息轉(zhuǎn)換成可以被人員、儀器儀表、計(jì)算機(jī)等利用的信息的裝置。氣體傳感器可以分為:半導(dǎo)體氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、紅外線氣體傳感器等。其中,利用光譜吸收原理的紅外線氣體傳感器由于具有選擇性好、抗干擾性強(qiáng)、響應(yīng)速度快、本質(zhì)安全等特點(diǎn)而廣泛的應(yīng)用于電力、石油化工等行業(yè),并且已成為許多惡劣環(huán)境,如煤礦下氣體檢測(cè)的方案。

　　采用發(fā)光二極管(LED,Light Emitting Diode)為光源的紅外氣體傳感器,由于其光源具有調(diào)制頻率高的優(yōu)點(diǎn),因此在靈敏度和響應(yīng)時(shí)間上具有一定優(yōu)勢(shì)。在已報(bào)導(dǎo)的LED光譜吸收法氣體檢測(cè)系統(tǒng)中,直接吸收檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但易受光強(qiáng)變化和探測(cè)器零點(diǎn)漂移等因素的影響,并且探測(cè)靈敏度低。近年來基于諧波檢測(cè)法的檢測(cè)系統(tǒng)利用鎖相放大器分析二次諧波信號(hào)獲得了較高的探測(cè)靈敏度[9-10]。但是這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜造價(jià)昂貴,不利于儀器的小型化和推廣應(yīng)用。差分吸收測(cè)量技術(shù)能夠有效消除光源和探測(cè)器以及各種外部因素帶來的干擾,經(jīng)證實(shí)是一種有效可行的高靈敏的氣體檢測(cè)技術(shù)。

　　本文對(duì)一氧化碳的紅外光譜進(jìn)行了分析,通過理論計(jì)算得到了氣室長(zhǎng)度。利用LED光源,采用單氣室雙探測(cè)器的光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種紅外氣體傳感器。通過調(diào)諧LED驅(qū)動(dòng)電流使LED的中心發(fā)射波長(zhǎng)穩(wěn)定在一氧化碳的基頻吸收峰4.60μm處。紅外光通過氣室后分別由信號(hào)探測(cè)器和參考探測(cè)器分別檢測(cè),之后送入差分信號(hào)處理電路,通過分析兩個(gè)探測(cè)器信號(hào)的變化量反演出待測(cè)CO氣體濃度。

　　1 紅外LED光源吸收型的理論描述

　　1.1 CO的紅外吸收光譜

　　一氧化碳是個(gè)非對(duì)稱雙原子分子,具有紅外活性,只有一個(gè)基本振動(dòng):ν =2172cm -1,對(duì)應(yīng)于4.60μm波長(zhǎng),吸收譜線如圖1所示。近紅外區(qū),2.33nm處的吸收譜線為倍頻吸收帶,如圖2所示。

　　由圖可知,一氧化碳在4.60μm處的吸收強(qiáng)度是2.33μm的100多倍。雖然現(xiàn)有的近紅外一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)儀器在價(jià)格上具有優(yōu)勢(shì),但是其測(cè)量靈敏度卻因吸收弱而無法提高,因此,研究利用中紅外氣體檢測(cè)技術(shù)是提高氣體探測(cè)靈敏度的有效方法。

      1.2 CO的吸收線型

　　如果光強(qiáng)為Io的紅外光通過濃度為C，長(zhǎng)度為L(zhǎng)的吸收氣室，假設(shè)待測(cè)氣體對(duì)光的吸收很弱，不會(huì)改變光源的光強(qiáng)分布，那么通過氣室后的輸出光強(qiáng)為：

　　其中，β是瑞利散射和米氏散射系數(shù)，Y是氣體濃度波動(dòng)造成的誤差，aeff是有效吸收系數(shù)，表示如下：

　　這里的No是室溫下的大氣分子濃度, μ(v)是氣體分子的吸收截面,表示的是光源的光強(qiáng)分布和待測(cè)氣體吸收分布的重疊積分。

　　H i t r a n d a t a b a 給出了一氧化碳紅外吸收數(shù)據(jù)和吸收譜線的位置。估算出4 . 6 0μ m 為中心, 帶寬為1 8 0 n m 的總的吸收強(qiáng)度為

      假定光強(qiáng)分布為理想均勻分布,此時(shí)

      那么,我們就可以估算出有效吸收系數(shù)了。經(jīng)過估算之后,我們?nèi)馐椅臻L(zhǎng)度為4.6cm。

　　2 實(shí)驗(yàn)裝置

　　圖3 是基于差分吸收光譜技術(shù)( D A S , D i o d eLaser Absorption Spectrum)CO氣體檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)主要包括LED光源,LED的控制電路,光學(xué)系統(tǒng),探測(cè)器,差分信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和顯示單元。

　　單片機(jī)控制產(chǎn)生的矩形波電路驅(qū)動(dòng)LED光源,產(chǎn)生的紅外光經(jīng)氣室到達(dá)探測(cè)器。氣室與探測(cè)器之間有干涉濾光片,只允許特定波段的紅外輻射通過,允許通過波段的中心波長(zhǎng)就是選取待測(cè)組分特征吸收帶的中心波長(zhǎng)。濾光片的中心波長(zhǎng)分別為4.65和5.05μm,半高寬均為90nm。4.65μm對(duì)應(yīng)了CO的紅外吸收峰,當(dāng)紅外光通過氣室時(shí),由于CO氣體的吸收而變?nèi)?因此反映含有氣體濃度信息量。而5.05μm與紅外吸收無關(guān),反應(yīng)了LED光源光強(qiáng)的變化。探測(cè)器1和2的電信號(hào)根據(jù)(1)式對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大和選頻濾波,檢波,計(jì)算兩路信號(hào)的比值,A/D采樣后的數(shù)值通過單片機(jī)查表顯示出濃度。

　　由于LED發(fā)散角的影響,設(shè)計(jì)不銹鋼氣室選用了4.60cm長(zhǎng),內(nèi)徑為1cm的圓柱形結(jié)構(gòu)。光在拋光的鋁制管壁的多次反射提供一個(gè)導(dǎo)光結(jié)構(gòu)引導(dǎo)光從光源到探測(cè)器,可以極大地增加探測(cè)器的接收光強(qiáng),同時(shí)增大了吸收路徑的長(zhǎng)度。氣室結(jié)構(gòu)的示意圖如圖4所示。信號(hào)探測(cè)器和參考探測(cè)器的中心波長(zhǎng)分別為4.60μm和5.05μm,半高寬均為90nm。

　　3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

　　在室溫條件、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下對(duì)不同濃度的一氧化碳?xì)怏w進(jìn)行測(cè)量,檢測(cè)儀對(duì)于100×10-6、200×10-6、300×10-6、400×10-6、600×10-6、800×10-6、1000×10-6、1200×10-6和1400×10-6、1600×10-6、1800×10-6、2000×10-6、2500×10-6、3000×10-6濃度的一氧化碳?xì)怏w的輸出電壓分別為0.10V、0.20V、0.30V、0.39V、0.59V、0.77V、0.96V、1.14V、1.31V、1.43V、1.53V、1.60V、1.70V和1.76V,得到的輸出信號(hào)與氣體濃度的變化關(guān)系曲線如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)一氧化碳?xì)怏w在100×10-6～1000×10-6范圍時(shí),輸出信號(hào)和氣體濃度近似呈線性關(guān)系。這是因?yàn)楫?dāng)氣體濃度較小時(shí),氣體分子對(duì)于光的吸收較弱,將(1)式做泰勒展開,光強(qiáng)變化與濃度之間可近似為線性關(guān)系。隨著甲烷濃度的增加,輸出信號(hào)也逐漸變大,越來越呈e指數(shù)關(guān)系,與(1)式的指數(shù)關(guān)系相一致?？梢?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論推導(dǎo)是一致的。測(cè)量發(fā)現(xiàn),檢測(cè)儀的噪聲信號(hào)約為24mV,系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度可以達(dá)到100×10-6。

　　儀器分別檢測(cè)100×10-6、500×10-6、1000×10-6和3000×10-6濃度甲烷氣體時(shí)的響應(yīng)時(shí)間約為13s。

　　4 總結(jié)

　　本文以4.60μm LED為光源,采用單氣室、雙探測(cè)器的光路結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一臺(tái)紅外一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)儀。通過控制LED的驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)激光器的發(fā)射波長(zhǎng),使其穩(wěn)定在一氧化碳的吸收光譜位置。根據(jù)雙光路得到的信號(hào)光與參考光的強(qiáng)度變化通過Beer-Lambert定律反演得出一氧化碳?xì)怏w濃度。

　　由于設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀的探測(cè)靈敏度可達(dá)100×10-6,且響應(yīng)時(shí)間短,因此能夠滿足化工、煤礦開采、冶金等眾多行業(yè)的檢測(cè)要求。同時(shí)LED光源和探測(cè)器的體積較小,且成本較低,因此能夠開發(fā)成為低成本、小型化的檢測(cè)儀器,從而具有廣闊的應(yīng)用前景。