非色散性智能紅外瓦斯傳感器的研究

1、非色散性智能紅外瓦斯傳感器的研究毛曉波, 陳鐵軍, 羅 勇 時(shí)間:2008年07月24日 字 體: 大 中 小關(guān)鍵詞:? 摘 要:關(guān)鍵詞:? 紅外；? 氣體傳感器；? 瓦斯?jié)舛龋? 熱電探測器；? 光學(xué)輻射?1，運(yùn)行壽命短，維護(hù)成本高，每隔幾天就必須對其準(zhǔn)確度進(jìn)行重新標(biāo)定，按規(guī)定半年就要予以更換，而且催化式傳感器易產(chǎn)生催化劑中毒現(xiàn)象。此外，還存在易受惡劣環(huán)境影響、功耗大、精確度不高等諸多問題。因此，研制新型的瓦斯檢測儀具有重要的應(yīng)用價(jià)值。? 本文介紹的紅外瓦斯傳感器利用甲烷氣體對傳感器中紅外光譜的吸收性能來測定瓦斯?jié)舛?，不易受現(xiàn)場惡劣環(huán)境的影響。采用了雙通道采樣技術(shù)，可以自我抑制零點(diǎn)漂移。具有

2、標(biāo)定周期長、抗干擾能力強(qiáng)、高精度、高可靠性和使用壽命長等特點(diǎn)。下面詳細(xì)介紹紅外氣體檢測原理和紅外瓦斯傳感器系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。1 紅外吸收氣體檢測原理? 本設(shè)計(jì)采用的IR1xxx系列微型紅外氣體傳感器是采用非色散性紅外（NDIR）技術(shù)來檢測氣體的。這種非毒化的傳感器技術(shù)依賴于目標(biāo)氣體特有的明確的吸收光譜。使用一個(gè)合適的紅外光源，根據(jù)不同的氣體在不同的濃度下對紅外光譜的吸收率不同來檢測目標(biāo)氣體的存在和濃度。檢測的氣體類型包括二氧化碳（IR11BD）、碳?xì)浠衔铮↖R12BD、IR13BD）和乙炔（IR14BD）等4。? 微型紅外傳感頭由一個(gè)光源、一個(gè)采樣氣室和一對熱電探測器組成。向四周擴(kuò)散的氣

3、體通過傳感器頂端的顆粒過濾膜進(jìn)入傳感器的光學(xué)房間，即采樣氣室。依靠表面的光線能量的變化，由內(nèi)部的兩個(gè)熱電探測器輸出信號。一個(gè)熱電探測器稱為活躍通道探測器，另一個(gè)稱為參考通道探測器。它們產(chǎn)生的信號依賴于氣體吸收紅外光譜后入射輻射的變化，當(dāng)光源由暗到亮并保持恒定時(shí)，探測器產(chǎn)生的信號如圖1所示。? 由圖1可見，在光線強(qiáng)度出現(xiàn)突變時(shí)（燈由滅到亮），探測器信號產(chǎn)生明顯的變化，125ms（典型值）達(dá)到峰值；此后若輻射光強(qiáng)維持恒定，則探測器輸出逐漸下降至初始值（直流分量）并維持不變。同樣，如果輻射光突然消失（燈由亮到滅），探測器輸出將產(chǎn)生與圖1相似但方向相反的曲線。這樣，如果給燈施加脈沖電壓，提供一個(gè)連續(xù)的

4、脈動光源，探測器將會產(chǎn)生連續(xù)的交變信號。由于光源關(guān)斷和開通后，探測器信號達(dá)到峰值的時(shí)間約125ms，所以，最合適的脈沖驅(qū)動電壓是頻率為4Hz、占空比為50%的方波，此時(shí)，探測器的輸出近似為4Hz的正弦波。如圖2所示。? 為使燈絲不完全冷卻，脈沖驅(qū)動電源應(yīng)能提供給燈絲一定大小的涌入電流。設(shè)置關(guān)斷電壓在0V以上，維持一個(gè)小電流流過燈絲，能夠減少涌入電流。如果驅(qū)動電源不能提供涌入電流，則電壓波形的上升沿將變緩，相應(yīng)的探測器輸出信號將會產(chǎn)生畸變。另外，當(dāng)燈絲加高電平點(diǎn)亮?xí)r燈絲需要一個(gè)臨界啟動電壓和一定的延遲時(shí)間，脈沖的低電平大于0V，可降低啟動電壓、減少延遲時(shí)間，使燈絲能在開關(guān)狀態(tài)間快速地切換。但要注

5、意，脈沖驅(qū)動電壓的高電平不能大于5V，電壓過高，會燒壞燈絲。? 滿足上述要求的燈絲電源驅(qū)動電路如圖3所示。? 三端穩(wěn)壓塊LM317輸出6V左右的直流電壓VD，其大小可通過R2進(jìn)行調(diào)整。由單片機(jī)產(chǎn)生4Hz的方波脈沖控制三極管T。當(dāng)脈沖為高電平時(shí)，三極管T導(dǎo)通，有較大的電流流過R1和燈絲，燈絲電阻上獲得較大的壓降，燈被點(diǎn)亮；當(dāng)脈沖為低電平時(shí)，三極管T截止，由于燈絲回路中增加了R2，電流減小，燈絲電阻上獲得較小的壓降，燈被熄滅。實(shí)際電路中還應(yīng)在輸入輸出端增加濾波電容、考慮電源的功耗等因素。燈絲上施加5V電壓時(shí)所需的典型電流值為60mA。此外，為防止燈絲驅(qū)動回路中電流脈沖信號通過地線產(chǎn)生干擾，燈絲驅(qū)動

6、電路應(yīng)與探測器信號電路隔離。? 這樣，提供給兩個(gè)熱電探測器一個(gè)4Hz的脈動光源，以便對比有光和無光的情況，從而修正外部光線的干涉，并去掉兩個(gè)熱電探測器上的直流偏移。光源采用細(xì)短鎢白熾燈絲，具有較長的壽命和較低的熱惰性，能夠?qū)艚z電源的變化做出快速反應(yīng)。2 熱電探測器信號與氣體濃度的關(guān)系分析? ?紅外傳感頭通過一個(gè)氣體擴(kuò)散柵欄獲得樣氣，因此不受氣流的影響。采用防火設(shè)計(jì)，不銹鋼的結(jié)構(gòu)使其能短期地暴露在大部分的弱酸、堿溶劑中?；钴S通道熱電探測器包括一個(gè)待檢氣體吸收光譜的濾光器，而參考通道探測器包括一個(gè)待檢氣體不吸收光譜的濾光器。這種方法使得活躍探測器能夠監(jiān)測目標(biāo)氣體的主要吸收波段，而參考探測器提供了

7、溫度和光強(qiáng)改變等環(huán)境因素的影響。? 如前所述，為使傳感頭工作，光源必須是脈動的以便活躍探測器和參考探測器檢測到的入射輻射的變化?；钴S探測器輸出信號受光強(qiáng)、溫度和對通過活躍探測器濾光器的目標(biāo)氣體輻射吸收的影響。光強(qiáng)和溫度也同樣影響參考探測器，但目標(biāo)氣體的輻射吸收不影響參考探測器。從探測器出來的信號和光源的脈動是同步的，因此隨著驅(qū)動光源方波的變化，探測器輸出波形的最大值和最小值構(gòu)成了有用的檢測信號，其差值與光源入射輻射的強(qiáng)度有關(guān)?；钴S探測器給出了由目標(biāo)氣體濃度所影響的入射輻射量，相應(yīng)地，參考探測器給出了不受目標(biāo)氣體濃度影響的入射輻射量，兩個(gè)探測器輸出信號與目標(biāo)氣體濃度的關(guān)系如式(1)5：? 其中，

8、 I是與活躍探測器成比例的信號；? I0是與參考探測器成比例的信號；? 是依賴于目標(biāo)氣體的常數(shù)；? l是光源到探測器的光學(xué)距離；? C是目標(biāo)氣體濃度；? n為常數(shù)，其值依賴于目標(biāo)氣體及光學(xué)距離的大小。? 當(dāng)n=1時(shí)，式(1)即為比爾-朗伯(Beer-Lambert)定律。? 活躍探測器信號與參考探測器信號的比值被用來確定氣體的濃度。該比值直接與I/I0其中，Z（Zero）是參考?xì)怏w(如氮?dú)?中的I/I02PROM中作為零點(diǎn)值，僅當(dāng)再次校準(zhǔn)時(shí)才需要改變。? 吸收系數(shù)與氣體濃度之間的關(guān)系如下：? ? 其中s(span)是滿濃度目標(biāo)氣體(如5% Vol氮?dú)饣?%Vol CO2)中的I/I0值，稱為滿

9、刻度校準(zhǔn)值，存儲在E2PROM中，僅當(dāng)再次校準(zhǔn)時(shí)才需要改變。當(dāng)然，進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)還應(yīng)考慮溫度的影響，采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施5。? a和n為常數(shù)，與傳感頭類型（IR11BD、IR12BD、IR13BD和IR14BD）、目標(biāo)氣體種類（二氧化碳、碳?xì)浠衔锖鸵胰玻┖蜐M刻度濃度值有關(guān)。? 由式(3)、(4)可以推出被測氣體濃度表達(dá)式：? ? 對于IR12BD型傳感頭，甲烷（CH4, 5%Vol）氣體，a=0.2896，n=0.941。? 理論上可以按式(5)計(jì)算出被測甲烷氣體的濃度，但在實(shí)際應(yīng)用中存在兩個(gè)問題：一是如何準(zhǔn)確方便地獲取Act/Ref的值；二是瓦斯傳感器對實(shí)時(shí)性要求很高，用單片機(jī)匯編程序完成式(5

10、)的計(jì)算很不現(xiàn)實(shí)。因此，本系統(tǒng)采用的方法是，先獲得Act/Ref的值，計(jì)算出吸收系數(shù)，再利用e2V技術(shù)公司4提供的氣體濃度與吸收系數(shù)的關(guān)系曲線求得氣體濃度。? 公式(2)的實(shí)用形式如下：? ? 其中,Fa為吸收系數(shù)；S1和S2分別是活躍探測器和參考探測器輸出信號的峰-峰值；R的定義如下：? ? 這里分別是S1和S2在氣體濃度為0時(shí)的數(shù)值。? Act/Ref的值采用信號的峰-峰值之比是因?yàn)樵谧畲笾岛妥钚≈堤?，信號的變化率最小，所得結(jié)果不會出現(xiàn)大的誤差，最為可靠。? IR12BD型紅外傳感頭對甲烷氣體的吸收系數(shù)與氣體濃度的關(guān)系曲線如圖4所示4。? 由公式(6)和(7)可知，為計(jì)算甲烷濃度，如何在脈

11、動光源作用下準(zhǔn)確采集到兩個(gè)探測器輸出的峰-峰值至關(guān)重要。采用單片機(jī)定時(shí)中斷方式獲取這兩個(gè)峰值時(shí)要注意，必須在光源狀態(tài)改變之前采集到，否則，探測器輸出信號會在光源狀態(tài)改變之后迅速變化，導(dǎo)致較大的誤差。時(shí)序關(guān)系如圖5所示。此外，還應(yīng)注意前置放大電路中電容帶來的相移對信號波形的影響等因素。? 根據(jù)圖4計(jì)算甲烷氣體濃度值時(shí)，本系統(tǒng)采用查表和直線擬合相結(jié)合的復(fù)合算法求得甲烷氣體濃度，節(jié)省了內(nèi)存空間，保證了測量精度。3 紅外瓦斯傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)? 采用美國ATEML公司近年推出的ATmega16L作為主控芯片。ATmega16L是內(nèi)含16KB Flash的低功耗、低價(jià)格的8位單

12、片機(jī)，它內(nèi)部集成了豐富的硬件資源，如上電復(fù)位電路、看門狗電路、E2PROM等，簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)的RISC精簡指令集，運(yùn)行速度是普通單片機(jī)的幾十倍67。? 根據(jù)煤礦井下電氣設(shè)備的本安防爆性要求8，系統(tǒng)采用紅外遙控方式進(jìn)行參數(shù)設(shè)定與調(diào)整等操作2-31，此處不再贅述。3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)? 紅外傳感器控制程序采用單片機(jī)匯編語言編寫，分為上電自檢、系統(tǒng)初始化、遙控接收、參數(shù)設(shè)置、A/D采樣、數(shù)據(jù)處理、濃度計(jì)算、數(shù)據(jù)顯示、聲光報(bào)警、脈沖發(fā)生及與上位機(jī)通訊等多個(gè)模塊。系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。? 考慮到井下的復(fù)雜情況,傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮了本安特性和實(shí)用性6。紅外傳感器包含有靜電敏感部分，使

13、用時(shí)須采取抗靜電防備措施。傳感器以數(shù)字芯片為核心，提高了檢測精度，減小了儀表體積。? 本文提出的基于非色散性紅外檢測技術(shù)的瓦斯檢測裝置，經(jīng)科技查新表明具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：? (1)非色散性紅外瓦斯傳感器設(shè)計(jì)方案? 裝置采用非色散性紅外氣體檢測原理，基于同步采樣技術(shù)，由高性能紅外傳感器IR12BD、ATmega16L單片機(jī)和高速多通道14位A/D轉(zhuǎn)換器MAX126為核心器件構(gòu)成。采用紅外遙控面板提供安全的用戶接口。裝置具有自校準(zhǔn)、故障自檢測及自動報(bào)警和斷電的功能。? (2)準(zhǔn)確獲取甲烷氣體濃度的方法與算法? 對紅外傳感頭輸出的雙通道信號S1和S2同時(shí)采樣，確?；顒油ǖ篮蛥⒖纪ǖ罃?shù)據(jù)的一致性。對多次采集的S1和S2峰-峰值，采用平均濾波、多級滑動窗口濾波等軟件算法，去除噪聲干擾，根據(jù)甲烷氣體吸收系數(shù)與濃度值之間的關(guān)系曲線，采用查表和直線擬合相結(jié)合的復(fù)合算法求得甲烷氣體濃度，保證了測量精度。? 經(jīng)實(shí)際測量及在多家煤礦使用表明，該傳感器測量范圍為010CH4，分辨率0.01%CH4，能夠顯示正負(fù)值。具有較高的測量精度：在01誤差率為0.1；在12誤差率為0.