楊柳（安徽四創(chuàng)電子股份有限公司安防電子事業(yè)部，安徽 合肥 230031）

近年來在國(guó)內(nèi)煤礦企業(yè)的生產(chǎn)過程中，仍有較多的危險(xiǎn)事故發(fā)生，而瓦斯爆炸造成的傷亡人數(shù)在重大事故的傷亡比例占了50%以上，成為煤礦安全生產(chǎn)的重大障礙之一。所以研制出一種性能穩(wěn)定、使用壽命高，并且真正實(shí)用的新一代光學(xué)瓦斯傳感器與報(bào)警系統(tǒng)，可以有效地克服傳統(tǒng)瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的局限性，運(yùn)用于礦井內(nèi)瓦斯氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高監(jiān)測(cè)的可控性和準(zhǔn)確性，對(duì)于工礦的安全運(yùn)行、人員的生命健康和環(huán)境保護(hù)都有著重要的意義。

1 紅外傳感器簡(jiǎn)介

紅外輻射與電磁波都是以波的形式在空氣中直線傳播，當(dāng)在大氣中傳播時(shí)，大氣層對(duì)紅外線的不同波長(zhǎng)有不同的吸收帶，而紅外傳感器就是利用這一特性完成設(shè)計(jì)的。紅外傳感器是一種吸收型、非色散的氣體分析儀，當(dāng)紅外光源發(fā)出的連續(xù)光譜全部透射到氣室中時(shí)，被測(cè)氣體則可以通過利用特征吸收波長(zhǎng)及其積分特性進(jìn)行定量和定性的分析[1]。

目前國(guó)內(nèi)外大都運(yùn)用紅外技術(shù)的分析儀對(duì)氣體含量進(jìn)行精確測(cè)量。這是因?yàn)榧t外技術(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）檢測(cè)選擇性好。每種氣體都具有唯一的與自身相應(yīng)的紅外特征吸收率。每種氣體只吸收和自身對(duì)應(yīng)的紅外特征吸收率相同的光譜，它們之間是相互獨(dú)立，互不影響的。（2）不易被有害氣體影響產(chǎn)生中毒和老化。載體催化類儀器在使用過程中當(dāng)被測(cè)氣體的濃度值過高并超過測(cè)量范圍時(shí)，容易導(dǎo)致儀器的載體催化元件中毒而失效，從而使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重的偏差。而紅外吸收型氣體傳感器則不存在這方面的問題。（3）穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快。紅外吸收原理的氣體傳感器開機(jī)后，在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)就可以正常工作。當(dāng)被測(cè)氣體的濃度一旦發(fā)生變化，檢測(cè)系統(tǒng)也能在較短的時(shí)間內(nèi)及時(shí)地做出反應(yīng)。并且紅外傳感系統(tǒng)是采用光信號(hào)原理，并不會(huì)引起自身檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)熱，不易因溫度的變化而被影響。（4）防爆性能好。紅外吸收檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)采用的是光信號(hào)，所需的電壓低，不同于以往采用的電信號(hào)，在礦井等有混合氣體存在的場(chǎng)合內(nèi)，不易造成燃燒或爆炸。（5）信噪比高，測(cè)量精確?；诩t外吸收的原理，系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾信號(hào)小，信噪比高，有用信號(hào)明顯。且系統(tǒng)還同時(shí)具備靈敏度和零點(diǎn)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓δ?，因此?huì)不定時(shí)地進(jìn)行校準(zhǔn)[2]。

2 紅外吸收型氣體傳感器的結(jié)構(gòu)和原理

本文選用的是英國(guó)E2V公司生產(chǎn)的IR22GJ型紅外瓦斯傳感器，它采用白熾小燈泡作為紅外光源，熱釋電探測(cè)器作為紅外探測(cè)器；采樣氣室由鋁合金制成，為圓柱體；為了在有限的空間中增加光程，氣室的結(jié)構(gòu)會(huì)使紅外光源發(fā)射出的光在氣室的內(nèi)壁多次反射后到達(dá)探測(cè)器。此紅外傳感器采用兩個(gè)探測(cè)器的雙路信號(hào)通道，一路為測(cè)量信號(hào)通道，一路為參考信號(hào)通道，這樣可以減少系統(tǒng)的干擾和光源的背景干擾。測(cè)量信號(hào)通道探測(cè)器包括被測(cè)氣體可以吸收光譜的濾波器，而參考信號(hào)通道探測(cè)器則包括被測(cè)氣體不吸收光譜的濾波器。如圖1所示。

圖1 紅外氣體探頭結(jié)構(gòu)原理圖

熱釋電型紅外傳感器是一種PZT晶體結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換器件，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)其表面的電荷極化也隨著發(fā)生改變。探測(cè)器的輸出信號(hào)會(huì)隨著紅外輻射的突變出現(xiàn)明顯的變化，如圖2所示。反應(yīng)時(shí)間是指從峰值到穩(wěn)定的基準(zhǔn)值的時(shí)間，如果紅外輻射持續(xù)不變，傳感器釋放的電荷就會(huì)越來越少，內(nèi)部極化也會(huì)慢慢達(dá)到平衡，探測(cè)器信號(hào)也會(huì)逐漸回到基準(zhǔn)值。

圖2 探測(cè)信號(hào)隨紅外輻射有規(guī)律地變化

熱釋電型紅外傳感器只有在紅外輻射不斷變化的情況下，它的內(nèi)部溫度也會(huì)不斷變化，從而才會(huì)有交變的輸出信號(hào)，如果紅外輻射一直處于穩(wěn)定的狀態(tài)，輸出的信號(hào)則為恒定值。所以在使用熱釋電型紅外傳感器時(shí)，需要使紅外輻射不斷變化，才能輸出有效的探測(cè)器信號(hào)，因此需要對(duì)紅外光源按頻率進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)制以滿足此需求[3]。

3 紅外光譜瓦斯?jié)舛葯z測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)

紅外瓦斯傳感器的總體由五部分組成，分別是：方波驅(qū)動(dòng)電路、敏感元件傳感器、放大濾波電路、整流橋電路、單片機(jī)。其中核心部分是敏感元件傳感器和單片機(jī)部分，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 紅外瓦斯傳感器組成圖

當(dāng)被測(cè)氣體被紅外輻射穿過時(shí)，氣體分子按照朗伯—比爾定律吸收其中的光能，若入射光譜的范圍包含了氣體的吸收譜線，則當(dāng)氣體中有光輻射通過時(shí)，在相應(yīng)的譜線處會(huì)有光強(qiáng)的衰減發(fā)生。

基于不同物質(zhì)對(duì)紅外輻射的選擇吸收性不同的原理，紅外傳感器首先通過調(diào)制模塊按一定頻率輸出正弦脈沖信號(hào)來調(diào)制紅外輻射光源，其發(fā)出的具有調(diào)制信息的紅外輻射將作為探測(cè)光，當(dāng)含有不同波長(zhǎng)濾光片的光電探測(cè)器接受了經(jīng)過待測(cè)氣體區(qū)域后的探測(cè)光之后將其進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換并處理后的電信號(hào)通過單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并進(jìn)行解調(diào)與采集，數(shù)據(jù)通過單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)單片機(jī)也處理測(cè)量時(shí)的溫度信號(hào)，進(jìn)行線性插值、數(shù)字濾波以及溫度補(bǔ)償?shù)鹊南嚓P(guān)處理，最終計(jì)算出被測(cè)氣體的濃度值[4]。

敏感元件的光路模型圖如圖4所示。通電后，鎢絲發(fā)出的紅外光在氣室中傳輸，測(cè)量光（實(shí)線）和參比光（虛線）在氣室內(nèi)經(jīng)過多路折疊，最后照到測(cè)量端探測(cè)器和參考端探測(cè)器上。經(jīng)過測(cè)量光濾光片的紅外光通過甲烷氣體到達(dá)測(cè)量端探測(cè)器后會(huì)有較為明顯的吸收現(xiàn)象，經(jīng)過參比光濾光片的紅外光到達(dá)參考端探測(cè)器后基本上沒有變化。

圖4 紅外吸收瓦斯傳感器光路模型

紅外光源選用鎢質(zhì)細(xì)短的白熾燈絲。給兩個(gè)探測(cè)器都提供4 Hz的脈動(dòng)光源輸入，可以對(duì)比出有吸收和沒有吸收的不同情況，從而排除受到外部光線的干涉，并將兩個(gè)探測(cè)器上產(chǎn)生的直流偏移濾去。在熱釋電型探測(cè)器上發(fā)生的熱量變化會(huì)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)從引腳輸出，由于測(cè)量光與參考光是在同一個(gè)環(huán)境下產(chǎn)生的，所以被測(cè)氣體的濃度值可以通過取得兩者的電位差進(jìn)行比較而得到。

單片機(jī)部分在系統(tǒng)中的功能主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換和氣體濃度計(jì)算，本文選用的單片機(jī)為CC2430芯片。

對(duì)CC2430的ADC模塊控制主要是對(duì)ADCCFG寄存器進(jìn)行配置，對(duì)要采集的通道進(jìn)行選擇。隨后對(duì)ADCON2序列采集模式寄存器進(jìn)行初始化，選擇序列采集的結(jié)束通道號(hào)，對(duì)ADCON3額外單次采集控制寄存器進(jìn)行初始化，選擇額外采集的通道號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換的程序流程圖如圖5所示。

圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序流程圖

氣體濃度計(jì)算可通過朗伯-比爾（Lamber-beer）定律得出，其內(nèi)容是，當(dāng)有一束能量為I0的單色光入射時(shí)，通過波長(zhǎng)為L(zhǎng)的氣體介質(zhì)吸收后，不考慮散射的情況，其透射光強(qiáng)表示為：

透射光強(qiáng) I（λ）與氣體濃度 C、氣體吸收系數(shù) μ（λ）和路徑長(zhǎng)度L都具有相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系[5]。被測(cè)氣體的屬性、傳感器的特點(diǎn)等都決定了氣體的吸收系數(shù)，一般通過實(shí)驗(yàn)來求得。當(dāng)待測(cè)氣體的濃度越大時(shí)，氣體的吸收系數(shù)就會(huì)越大，從而氣體穿過的有效路徑就越長(zhǎng)，氣體吸收越充分，能量衰減程度就越嚴(yán)重。

4 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)及測(cè)試

氣體檢測(cè)平臺(tái)如圖6所示。

圖6 氣體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了觀察紅外瓦斯傳感器IR22GJ的輸出信號(hào)在經(jīng)過模數(shù)處理后的信號(hào)，在自建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下，做了相應(yīng)的示值對(duì)比實(shí)驗(yàn)，主要是為了驗(yàn)證LCD液晶顯示的甲烷濃度值與實(shí)際濃度值的相對(duì)誤差關(guān)系。

將傳感器IR22GJ放置于特制的塑料密閉盒中，讓濃度為2.5%的甲烷氣體通入塑料盒，放置5 min后，記錄直接讀取到的甲烷氣體濃度值。再分別對(duì)塑料盒中通入濃度為3.5%和5%的甲烷氣體，進(jìn)行以上相同的實(shí)驗(yàn)步驟，得到一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將真實(shí)值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比對(duì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 真實(shí)值與測(cè)量值的比較

根據(jù)表1的結(jié)果，按照下式計(jì)算出示值的相對(duì)誤差η為：

式中，Cy表示系統(tǒng)顯示值；Cx表示實(shí)際氣體濃度；M表示測(cè)試范圍。實(shí)驗(yàn)中M=5%，由表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可計(jì)算出值，系統(tǒng)示值的相對(duì)誤差大約為2.6%。

本文給出了紅外吸收型甲烷濃度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件及軟件實(shí)現(xiàn)方案。設(shè)計(jì)了合理的傳感器調(diào)制電路以及放大濾波電路，將紅外輻射轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出，完成了數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及實(shí)時(shí)顯示等功能；利用C語(yǔ)言及匯編語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)各模塊功能。搭建了氣體測(cè)量環(huán)境平臺(tái)，完成了紅外吸收型瓦斯?jié)舛葯z測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)及測(cè)試。驗(yàn)證了LCD液晶顯示的甲烷濃度值與實(shí)際濃度值的相對(duì)誤差關(guān)系。但由于實(shí)驗(yàn)條件有限，實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大，需要進(jìn)一步改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境和優(yōu)化系統(tǒng)，盡量減少外界影響帶來的誤差。

[1]羅勇，毛曉波，黃俊杰.紅外檢測(cè)瓦斯傳感器的設(shè)計(jì)與研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007（8）：4-5.

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[3]林玉池，曾周末.現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：1-5.

[4]周杏鵬，仇國(guó)富，王壽榮.現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2004：5-8.

[5]周杏鵬.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010：166-232.