基于紅外光譜吸收原理的新型非分光光學(xué)式氣室設(shè)計(jì)

基于紅外光譜吸收原理的新型非分光光學(xué)式氣室設(shè)計(jì)

0反射式氣室傳感器ch4紅外甲烷傳感器是利用紅外光譜吸收原理監(jiān)測(cè)ch4體積分?jǐn)?shù)的設(shè)備。它在礦山廣泛使用，有效遏制了氧化事件的發(fā)生，提高了礦山的安全生產(chǎn)水平。紅外氣室作為紅外甲烷傳感器的核心部件,直接影響到測(cè)量精度和其他性能,在很大程度上決定了傳感器的優(yōu)劣。目前市場上流行的氣室大多為反射式紅外氣室,這種氣室用2倍氣室中腔長度估算光程,使測(cè)得的CH4體積分?jǐn)?shù)誤差較大。筆者采用半導(dǎo)體硅MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem,微機(jī)電系統(tǒng))紅外片狀光源設(shè)計(jì)了一種新型直射式氣室,其光程就是氣室中腔的長度,測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。1ch4對(duì)紅外光的吸收作用直射式氣室紅外甲烷傳感器的工作原理如圖1所示。直射式氣室紅外甲烷傳感器工作時(shí),含CH4體積分?jǐn)?shù)信息的電信號(hào)的產(chǎn)生、輸出全部是在氣室內(nèi)完成的。一束紅外光通過待測(cè)的CH4時(shí),CH4只對(duì)紅外光中的某段紅外光能有吸收作用。CH4吸收的最強(qiáng)紅外光的波長稱作CH4的特征波長。大部分非對(duì)稱雙原子和多原子分子在紅外區(qū)都有自己的特征波長,當(dāng)紅外光通過待測(cè)氣體時(shí),其吸收關(guān)系服從朗伯-比爾(Lambert-Beer)吸收定律。出射光強(qiáng)計(jì)算公式為式中:I0為入射光強(qiáng);K為被測(cè)氣體的吸收系數(shù);C為被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù);L為紅外光通過被測(cè)氣體的光程。2直隸氣室設(shè)計(jì)2.1探測(cè)器組成直射式氣室由紅外光源罩、半導(dǎo)體硅紅外片狀光源、氣室中腔、雙通道紅外探測(cè)器組成,如圖2所示。該氣室利用MEMS工藝將光源發(fā)射、紅外光傳播、紅外光吸收、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理等工作區(qū)域中除電路測(cè)控外的部分全部集成在一起,因此,其優(yōu)劣很大程度上決定了整個(gè)甲烷傳感器性能的好壞。2.2選擇紅外光源和光源保護(hù)裝置2.2.1基于半導(dǎo)體材料的紅外光源的優(yōu)勢(shì)紅外光源選擇Intex17-0900硅半導(dǎo)體片狀光源。該光源是1.7mm×1.7mm硅膜MEMS工藝的熱輻射紅外光源,其紅外光輸出譜線為中紅外區(qū)的1~20μm窄帶,調(diào)制頻率范圍為0~140Hz。相對(duì)白熾燈紅外光源,這種新型的基于半導(dǎo)體材料的紅外光源的主要優(yōu)勢(shì)是具有高轉(zhuǎn)換效率和高紅外光光通量。目前市場上流行的白熾光源光譜都是從可見光區(qū)到中紅外區(qū),而氣室需要的是CH4特征波長(3.3μm)前后窄帶的紅外光,若采用白熾光源,大部分光能都無法被吸收而浪費(fèi)掉。白熾燈的發(fā)光部分是一段燈絲,而該半導(dǎo)體光源的發(fā)光部位是邊長為1.7mm的正方形區(qū)域,因此,其光通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的燈絲,輻射紅外光的均勻程度也高于普通燈絲的紅外光,從而氣室內(nèi)CH4對(duì)紅外光的吸收就更加充分、均勻。因?yàn)榧t外光有熱效應(yīng),能加熱氣室內(nèi)部的氣體,所以高光通量的Intex17光源能促使氣室內(nèi)氣體和外界氣體更迅速地進(jìn)行交換,進(jìn)而很好地降低氣室的反應(yīng)時(shí)間。Intex17光源在不同燈體溫度下的光譜能量分布如圖3所示。2.2.2ch4體積分?jǐn)?shù)仿真光源罩設(shè)計(jì)成曲率為9mm的旋轉(zhuǎn)拋物面,將紅外光源放置在曲面的焦點(diǎn)處,以保證投射到拋物面的光線會(huì)沿著近似平行的路徑傳播,得到一束近似平行光。平行光優(yōu)勢(shì):(1)平行光可以很大限度地減少紅外光在氣室中輻射時(shí)的能量損失,大部分光能不會(huì)因?yàn)樵跉馐覂?nèi)折射、反射而浪費(fèi)。(2)光束近似平行光,則氣室中腔的長度近似為光程,與反射式氣室相比,沒有過多的反射光程,估算誤差更小,進(jìn)而算得的CH4體積分?jǐn)?shù)會(huì)更加精確。圖4為用光學(xué)仿真軟件Zemax模擬的紅外光傳播路徑和在探測(cè)器位置上形成的光強(qiáng)分布?？梢?光強(qiáng)經(jīng)過反射罩、氣室中腔到達(dá)探測(cè)器位置時(shí)的光強(qiáng)分布均勻、對(duì)稱。2.3氣室的規(guī)模確定2.3.1氣室直徑的選擇理論上,氣室直徑越小則氣室的響應(yīng)時(shí)間就越短,所以氣室直徑應(yīng)在滿足光源、探測(cè)器封裝尺寸的前提下做到最小。片紅外光源的直徑為10mm,探測(cè)器的直徑為9.2mm,所以氣室內(nèi)徑確定為10mm。2.3.2滿足靈敏度要求的原則由Lambert-Beer定律可知,氣室越長,CH4吸收紅外光越充分,則氣室的檢測(cè)精度、靈敏度越高。綜合考慮氣室集成化、便攜性以及紅外光在氣室內(nèi)部折射和反射造成的光耗等因素,氣室長度不宜太長。氣室長度的確定主要取決于被檢測(cè)氣體的種類和檢測(cè)靈敏度要求,應(yīng)該在滿足靈敏度要求的前提下做到最短。本文中的氣室要求能檢測(cè)出體積分?jǐn)?shù)為100cm3/m3的CH4,即φ(CH4)=0.03%。在室溫下、氣室內(nèi)徑為10mm時(shí),采用不同氣室長度的紅外甲烷傳感器檢測(cè)φ(CH4)=0.01%的CH4的結(jié)果見表1。在氣室內(nèi)徑確定的情況下,氣室長度過短則靈敏度達(dá)不到預(yù)期要求,檢測(cè)不出CH4體積分?jǐn)?shù);而氣室長度越大則響應(yīng)時(shí)間越長。由表1可看出,當(dāng)氣室長度取80~110mm時(shí)能達(dá)到靈敏度和響應(yīng)時(shí)間的均衡,因此,設(shè)計(jì)氣室長度為95mm。氣室采用可拆卸結(jié)構(gòu),即光源部分、探測(cè)器部分通過螺絲和氣室中腔裝配到一起,要用不同長度的氣室時(shí)只需換上適當(dāng)長度的氣室中腔即可。該結(jié)構(gòu)節(jié)省了實(shí)驗(yàn)材料,且采用同一光源和探測(cè)器可大大減小實(shí)驗(yàn)誤差。2.4紅外探測(cè)器的測(cè)量原理選擇鈮酸鋰(LithiumNiobate,LN)晶體作為探測(cè)器的光敏單元。LN晶體是一種多功能材料,具有良好的熱釋電性,硬度低,易研磨,物理化學(xué)性能穩(wěn)定,所以其作為光敏感材料在光電探測(cè)中的應(yīng)用一直倍受關(guān)注。紅外探測(cè)器的光敏單元由薄板電容器組成,而薄板電容器由LN晶體化合物組成,當(dāng)光敏單元吸收紅外光源輻射的熱量時(shí)便會(huì)反向承載產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)。為了消除光源輻射光能不穩(wěn)定以及外界溫度對(duì)探測(cè)器性能產(chǎn)生的影響,采用雙通道雙補(bǔ)償原理設(shè)計(jì)紅外探測(cè)器,以提高測(cè)量精度。雙通道分別為對(duì)比通道和檢測(cè)通道。因?yàn)镃H4在紅外光3.3μm波長具有特征吸收峰值特性,故檢測(cè)通道裝有3.3μm的濾光片;對(duì)比通道則選用穩(wěn)定的沒有氣體吸收的4.0μm波長濾光片濾光,以實(shí)現(xiàn)參考和補(bǔ)償功能。由公式(1)推導(dǎo)可得紅外探測(cè)器檢測(cè)通道的輸出電壓信號(hào)為CH4對(duì)于4μm的紅外光吸收程度不深,同理可知,紅外探測(cè)器對(duì)比通道的輸出電壓信號(hào)為式中:K1、K2為2個(gè)通道的比例因子,可通過將氣室放在高純氮?dú)庵袦y(cè)量得到;L為氣室的長度,對(duì)于一個(gè)確定氣室來說,K和L都是確定的;C為待測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù);I1、I2為紅外光到達(dá)2個(gè)通道時(shí)的光強(qiáng)。因?yàn)樵趯?shí)際檢測(cè)過程中光強(qiáng)因子容易受外界影響而難以準(zhǔn)確測(cè)量,所以應(yīng)消除光強(qiáng)因子的影響。由2.2.2節(jié)中的Zemax仿真可知,紅外光在探測(cè)器位置的光強(qiáng)分布是均勻、對(duì)稱的,所以有I1=I2,對(duì)式(2)、式(3)求比值即可消除光強(qiáng)因子的影響:式(4)是一個(gè)求取氣體體積分?jǐn)?shù)的簡單計(jì)算式,其計(jì)算結(jié)果經(jīng)單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換后即可輸出到數(shù)顯模塊顯示。2.5紅外光區(qū)因?yàn)槊旱V井下環(huán)境特殊,雖然氣室做了防塵和防潮處理,但氣室內(nèi)仍然會(huì)有粉塵和水汽進(jìn)入,對(duì)光源和探測(cè)性能產(chǎn)生不利影響,所以要對(duì)光源和探測(cè)器進(jìn)行保護(hù)。視窗主要用來保護(hù)光源、探測(cè)器,防止水汽和粉塵對(duì)器件造成損害。視窗材料要有較好的機(jī)械性能且對(duì)紅外光有高透性。目前常用的紅外透射材料主要有GaF2、MgF2、BaF2等幾種氟化物。4種氟化物在紅外光區(qū)的性能見表2。從透過率及透過光譜來說,4種氟化物都能滿足視窗設(shè)計(jì)要求。但BaF2主要應(yīng)用于低溫制冷成像系統(tǒng)中,并且其所在的環(huán)境一定要保持干燥,井下的潮濕環(huán)境會(huì)降低其透過性;LiF主要應(yīng)用于航天和激光光學(xué)系統(tǒng),其水溶性高,容易潮解和變形,在惡劣的井下環(huán)境中使用會(huì)嚴(yán)重地降低其性能;GaF2和MgF2性能相近,其硬度高,抗機(jī)械沖擊和熱沖擊能力強(qiáng),且可透過的紅外波段相近,滿足視窗設(shè)計(jì)要求。綜合考慮價(jià)格因素和材料來源,選擇GaF2作為視窗材料。圖5為GaF2紅外光譜透過曲線,圖6為直射式氣室實(shí)物圖。3ch4體積分?jǐn)?shù)在傳感器標(biāo)定過程中,采用99.9%的高純N2作為CH4的載氣。計(jì)算CH4體積分?jǐn)?shù)可采用以下方法:將氣室放入配氣箱,開啟配氣系統(tǒng),將配比好的混合氣體送入配氣箱中;待混合氣充分均勻并充滿配氣箱后,得到探測(cè)器2個(gè)通道的輸出電壓值,設(shè)檢測(cè)通道值為D,對(duì)比通道值為C,用D、C及式(4)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算即可得到CH4的體積分?jǐn)?shù)。但這種方法會(huì)大大地占用微處理器的資源,耗費(fèi)微處理器時(shí)間,影響傳感器的整體性能。本文采用程序查表的方法計(jì)算CH4的體積分?jǐn)?shù):事先把標(biāo)定好的數(shù)組拷貝到單片機(jī)中,當(dāng)D、C值滿足某種關(guān)系時(shí),CH4體積分?jǐn)?shù)就對(duì)應(yīng)數(shù)組中的某個(gè)值,通過查表顯示該體積分?jǐn)?shù)值。采用的關(guān)系式為式中:R為CH4體積分?jǐn)?shù)的等效值;Nd、Nc分別為探測(cè)器在純N2下測(cè)得的2個(gè)通道的輸出電壓值。選擇一組R值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和線性擬合,結(jié)果如圖7所示。通過多次試驗(yàn)證實(shí)該曲線有很好的重復(fù)性,并且線性度良好。對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)的CH4進(jìn)行測(cè)試,對(duì)比其體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)值和實(shí)測(cè)值,表3為0~2.5%CH4體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)的測(cè)試結(jié)果。可見,最大測(cè)量誤差僅為±0.05%。4ch4傳感材料的選擇吸收采用半導(dǎo)體硅MEMS紅外片狀光源設(shè)計(jì)了一種新