中心議題：
* 紅外LED光源吸收型的理論描述
* 實驗裝置
* 實驗及結果
解決方案：
* 采用發光二極管(LED,Light Emitting Diode)為光源的紅外氣體傳感器
摘 要:文章描繪并分析了一氧化碳分子的紅外吸收光譜,推導了一氧化碳分子的吸收線型,估算了分子吸收系數,給出了氣室設計的最佳長度。通過光譜分析發現,一 氧化碳基頻吸收比倍頻吸收強約兩個數量級,因此基頻對應的4.60 μm吸收譜帶更適合于高靈敏度的一氧化碳氣體檢測。文中設計了一種基于LED光源的紅外一氧化碳檢測儀,結果表明,利用單LED光源、雙探測器及反射式氣 室結構能夠有效抑制環境變化、LED功率波動及探測器漂移等產生的噪聲的干擾,進而具有較低的探測靈敏度,探測限為100×10-6。
由于工業監控和環境檢測的需要,研制一氧化碳傳感系統, 日益受到人們的關注。研究、開發新型的氣體傳感器,使其能夠實時、準確的監測CO氣體濃度,對于保障安全生產、提高人們的生活質量具有重要的研究意義和廣發的應用前景。
氣 體傳感器是一種將氣體的成份、濃度等信息轉換成可以被人員、儀器儀表、計算機等利用的信息的裝置。氣體傳感器可以分為:半導體氣體傳感器、電化學氣體傳感 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、響應速度快、本質安全等特點而 廣泛的應用于電力、石油化工等行業,并且已成為許多惡劣環境,如煤礦下氣體檢測的首選方案。
采用發光二極管(LED,Light Emitting Diode)為光源的紅外氣體傳感器,由于其光源具有調制頻率高的優點,因此在靈敏度和響應時間上具有一定優勢。在已報導的LED光譜吸收法氣體檢測系統 中,直接吸收檢測系統結構簡單,但易受光強變化和探測器零點漂移等因素的影響,并且探測靈敏度低。近年來基于諧波檢測法的檢測系統利用鎖相放大器分析二次 諧波信號獲得了較高的探測靈敏度[9-10]。但是這類系統結構復雜造價昂貴,不利于儀器的小型化和推廣應用。差分吸收測量技術能夠有效消除光源和探測器 以及各種外部因素帶來的干擾,經證實是一種有效可行的高靈敏的氣體檢測技術。
本文對一氧化碳的紅外光譜進行了分析,通過理論計算得到了最 佳氣室長度。利用LED光源,采用單氣室雙探測器的光路結構設計了一種紅外氣體傳感器。通過調諧LED驅動電流使LED的中心發射波長穩定在一氧化碳的基 頻吸收峰4.60μm處。紅外光通過氣室后分別由信號探測器和參考探測器分別檢測,之后送入差分信號處理電路,通過分析兩個探測器信號的變化量反演出待測 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
一氧化碳是個非對稱雙原子分子,具有紅外活性,只有一個基本振動:ν =2172cm -1,對應于4.60μm波長,吸收譜線如圖1所示。近紅外區,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處的吸收強度是2.33μm的100多倍。雖然現有的近紅外一氧化碳氣體檢測儀器在價格上具有優勢,但是其測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技術是提高氣體探測靈敏度的有效方法。
1.2 CO的吸收線型
如果光強為Io的紅外光通過濃度為C，長度為L的吸收氣室，假設待測氣體對光的吸收很弱，不會改變光源的光強分布，那么通過氣室后的輸出光強為：
其中，β是瑞利散射和米氏散射系數，Y是氣體濃度波動造成的誤差，aeff是有效吸收系數，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分布和待測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據和吸收譜線的位置。估算出4 . 6 0μ m 為中心, 帶寬為1 8 0 n m 的總的吸收強度為
假定光強分布為理想均勻分布,此時
那么,我們就可以估算出有效吸收系數了。經過估算之后,我們取氣室吸收長度為4.6cm。
2 實驗裝置
圖3 是基于差分吸收光譜技術( D A S , D i o d eLaser AbsorptiON Spectrum)CO氣體檢測儀的結構示意圖。系統主要包括LED光源,LED的控制電路,光學系統,探測器,差分信號處理電路、數據采集系統和顯示單元。
單 片機控制產生的矩形波電路驅動LED光源,產生的紅外光經氣室到達探測器。氣室與探測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 中心波長就是選取待測組分特征吸收帶的中心波長。濾光片的中心波長分別為4.65和5.05μm,半高寬均為90nm。4.65μm對應了CO的紅外吸收 峰,當紅外光通過氣室時,由于CO氣體的吸收而變弱,因此反映含有氣體濃度信息量。而5.05μm與紅外吸收無關,反應了LED光源光強的變化。探測器1 和2的電信號根據(1)式對輸出的信號進行預放大和選頻濾波,檢波,計算兩路信號的比值,A/D采樣后的數值通過單片機查表顯示出濃度。
由 于LED發散角的影響,設計不銹鋼氣室選用了4.60cm長,內徑為1cm的圓柱形結構。光在拋光的鋁制管壁的多次反射提供一個導光結構引導光從光源到探 測器,可以極大地增加探測器的接收光強,同時增大了吸收路徑的長度。氣室結構的示意圖如圖4所示。信號探測器和參考探測器的中心波長分別為4.60μm和 5.05μm,半高寬均為90nm。
3 實驗及結果
在 室溫條件、標準大氣壓下對不同濃度的一氧化碳氣體進行測量,檢測儀對于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濃度的一氧化碳氣體的輸出電壓分別為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,得到的輸出信號與氣體濃度 的變化關系曲線如圖5所示。可以發現一氧化碳氣體在100×10-6～1000×10-6范圍時,輸出信號和氣體濃度近似呈線性關系。這是因為當氣體濃度 較小時,氣體分子對于光的吸收較弱,將(1)式做泰勒展開,光強變化與濃度之間可近似為線性關系。隨著甲烷濃度的增加,輸出信號也逐漸變大,越來越呈e指 數關系,與(1)式的指數關系相一致。可見,實驗結果與理論推導是一致的。測量發現,檢測儀的噪聲信號約為24mV,系統的最小探測靈敏度可以達到 100×10-6。
儀器分別檢測100×10-6、500×10-6、1000×10-6和3000×10-6濃度甲烷氣體時的響應時間約為13s。
4 總結
本 文以4.60μm LED為光源,采用單氣室、雙探測器的光路結構,設計了一臺紅外一氧化碳氣體檢測儀。通過控制LED的驅動電流調節激光器的發射波長,使其穩定在一氧化碳 的吸收光譜位置。根據雙光路得到的信號光與參考光的強度變化通過Beer-Lambert定律反演得出一氧化碳氣體濃度。
由于設計的檢測儀的最小探測靈敏度最小可達100×10-6,且響應時間短,因此能夠滿足化工、煤礦開采、冶金等眾多行業的檢測要求。同時LED光源和探測器的體積較小,且成本較低,因此能夠開發成為低成本、小型化的檢測儀器,從而具有廣闊的應用前景。
