鐘德輝，高致慧，陳子聰，楊 勇，林偉豪，曹 志

(深圳大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東深圳518060)

1 引言

眾所周知，CO2是大氣的重要組成部分之一，與我們的生產(chǎn)和生活密不可分。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的廣泛發(fā)展，CO2氣體對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活及自然環(huán)境的影響越來越大。農(nóng)業(yè)上適時(shí)調(diào)節(jié)CO2氣體的濃度可以使光合作用時(shí)間延長(zhǎng)，從而使作物產(chǎn)量提高;工業(yè)上煤礦中毒和CO2沉積窒息事件成為各大煤礦亟待解決的問題;環(huán)境上CO2是溫室效應(yīng)，全球氣候變暖等問題的罪魁禍?zhǔn)祝?］。因此，研究二氧化碳檢測(cè)系統(tǒng)具有十分重要的意義。

檢測(cè)CO2的方法多種多樣，近年來發(fā)展廣泛的方法是紅外光譜吸收法，以此原理制作的氣體檢測(cè)儀具有精度高，選擇性好，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。差分吸收檢測(cè)技術(shù)是紅外檢測(cè)方法其中一種重要的方法。其基本原理是通過待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)兩路信號(hào)強(qiáng)度的差別來確定待測(cè)氣體的濃度。差分吸收法可以通過單波長(zhǎng)法和雙波長(zhǎng)法兩種方法來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用雙波長(zhǎng)法［2］。

2 原理

2.1 紅外光譜吸收原理

當(dāng)紅外光通過待測(cè)氣體時(shí)，不同的氣體對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光具有不同的吸收作用，通過檢測(cè)紅外光的強(qiáng)度的變化來檢測(cè)氣體的濃度。待測(cè)氣體對(duì)紅外光的吸收服從朗伯－比爾定律，其表達(dá)式如下:

式中，I0為入射光強(qiáng);I為出射光強(qiáng);C為待測(cè)氣體濃度;L為光程;Kλ為吸收系數(shù)。由(1)式可推出:

對(duì)于一個(gè)完整的系統(tǒng)，Kλ和L是固定的，只需要測(cè)出I0和I的差別就可以推算出待測(cè)氣體濃度C的大小。

2.2 雙波長(zhǎng)差分吸收法

兩種不同波長(zhǎng)的紅外光通過充滿被測(cè)氣體的氣室，波長(zhǎng)λ1為待測(cè)氣體的強(qiáng)吸收波長(zhǎng)，波長(zhǎng)λ2為待測(cè)氣體的弱吸收波長(zhǎng)，由于光路的多種干擾因素影響，朗伯－比爾定律可以修正為:

其中，α( λ)為系統(tǒng)干擾參數(shù)。

僅從式(3)確定氣體濃度C是困難的，因?yàn)棣? λ)是一個(gè)隨機(jī)變量。為了消除 α( λ)項(xiàng)，選用雙波長(zhǎng)法。

兩波長(zhǎng)分別為λ1和λ2的紅外光通過氣室時(shí)，可得:

兩波長(zhǎng)λ1和λ2盡可能靠近且?guī)缀跬瑫r(shí)通過待測(cè)氣體時(shí)，可以近似認(rèn)為 α( λ1)=α ( λ2)，由式(4)、式(5)可推出:

適當(dāng)調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)，使I0( λ1)=I0( λ2)，則式(6)簡(jiǎn)化為:

從式(7)可看出，相對(duì)于式(2)，通過增加參考波長(zhǎng)，將式(2)朗伯－比爾定律中單波長(zhǎng)入射和出射光強(qiáng)的比值，轉(zhuǎn)化為兩波長(zhǎng)的出射光強(qiáng)比值。說明差分吸收法在理論上消除了光路缺陷帶來的誤差，提高了系統(tǒng)的靈敏度［3］。

2.3 相關(guān)檢測(cè)技術(shù)

系統(tǒng)運(yùn)用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)，通過對(duì)待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的互相關(guān)運(yùn)算，解調(diào)出所需要的微弱信號(hào)，抑制和消除噪聲。

待測(cè)信號(hào)中的有用信號(hào)與參考信號(hào)互相關(guān)，通過乘法運(yùn)算和積分平均后，得到有效數(shù)值。反之，待測(cè)信號(hào)中的噪聲與參考信號(hào)不相關(guān)，最終輸出為0。系統(tǒng)中把光源調(diào)制成周期信號(hào)，并予以參考信號(hào)，通過這一檢測(cè)方法，能有效提高系統(tǒng)的信噪比。

實(shí)驗(yàn)中相關(guān)檢測(cè)是通過鎖相放大器來實(shí)現(xiàn)。

圖1 相關(guān)檢測(cè)原理

3 實(shí)驗(yàn)部分

根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)，CO2在近紅外和中紅外區(qū)域都有吸收帶［4］。其中近紅外1.57 μm附近的合頻帶，剛好落在光纖通信的一個(gè)窗口處，可以采用光纖傳感的方法來實(shí)現(xiàn)。中紅外4.26 μm附近的吸收譜線要比近紅外區(qū)的譜線強(qiáng)度大約4～5個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)朗伯比爾定律，相應(yīng)的最小可探測(cè)靈敏度可提高4～5個(gè)數(shù)量級(jí)［5］。本系統(tǒng)采用中紅外波長(zhǎng)的光源來檢測(cè)CO2的濃度。圖2為CO2在中紅外4.26 μm附近的吸收線強(qiáng)。

圖2 二氧化碳在1000～6000 nm的吸收線強(qiáng)

中紅外光源常見的有寬帶熱紅外光源、中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器、中紅外LED。熱紅外光源可發(fā)出從可見波段到中紅外波段的光，有良好的選擇性，但是發(fā)熱量大，能量利用率低，響應(yīng)慢;中紅外量子級(jí)聯(lián)激光器，光束集中能量大探測(cè)靈敏度高，但價(jià)格昂貴。中紅外LED光源光譜能量集中，穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉，而隨著技術(shù)不斷進(jìn)步和工藝不斷提高，中紅外LED已逐漸應(yīng)用于氣體檢測(cè)。本系統(tǒng)采用中紅外LED作為光源。

系統(tǒng)框圖如圖3所示。探測(cè)光源選用的是對(duì)CO2有強(qiáng)吸收波長(zhǎng)的 LED43，中心波長(zhǎng)約為4.26 μm，如圖4所示。參考光源選用的是對(duì)CO2吸收極弱的LED38，中心波長(zhǎng)約為3.75 μm。LED通過驅(qū)動(dòng)電路的電流控制和振蕩電路控制，將光源調(diào)制成16 kHz的調(diào)制光信號(hào)，同時(shí)為鎖相放大器提供相同頻率的參考光信號(hào)。

圖3 雙波長(zhǎng)雙光路CO2差分檢測(cè)系統(tǒng)框圖

圖4 4.26 μm中紅外LED吸收光譜

氣體系統(tǒng)由氣室、氣體(N2和CO2)、壓力表和真空泵組成，可配比不同濃度的CO2。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

單波長(zhǎng)和雙波長(zhǎng)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。

單波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)在單光路系統(tǒng)中，充入待測(cè)氣體和背景氣體，對(duì)0～10%的CO2進(jìn)行檢測(cè)，通過分時(shí)差分的方法得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果［6］。其最小檢測(cè)濃度為1%左右。

表1 單波長(zhǎng)差分法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

雙波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)0～1%的CO2進(jìn)行檢測(cè)。通過檢測(cè)LED43和LED38的輸出電壓，求出CO2濃度與信號(hào)比的對(duì)數(shù)值的關(guān)系，如表2所示。

表2 雙波長(zhǎng)差分法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)處理，可得到CO2濃度擬合曲線圖，如圖5所示。

圖5 二氧化碳濃度擬合曲線

通過對(duì)比雙波長(zhǎng)法和單波長(zhǎng)法可以看出，雙波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)最低檢測(cè)濃度為0.05%。雙波長(zhǎng)法比單波長(zhǎng)法在檢測(cè)靈敏度上提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

通過對(duì)系統(tǒng)的示值誤差分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論符合，具有較好的實(shí)用性(示值誤差=|實(shí)際值－計(jì)算值|/量程)。

表3 雙波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)誤差分析

5 總結(jié)

本文主要研究了基于中紅外LED的CO2差分檢測(cè)技術(shù)，通過單波長(zhǎng)差分法和雙波長(zhǎng)差分法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出雙波長(zhǎng)差分法測(cè)量精度為0.05%，比單波長(zhǎng)差分法提高了一個(gè)數(shù)量等級(jí)。系統(tǒng)示值誤差約為±0.5%，誤差相對(duì)于單波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步減小。

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［4］ http://savi.weber.edu/hi_plot/.Hitran Database.

［5］ Li Li，Zhang Yu，Song Zhenyu，et al.Application of infrared spectroscopy in gas sensing［J］.Infrared，2007，1672 －8785.(in Chinese)李黎，張宇，宋振宇，等.紅外光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.紅外，2007，1672 －8785.

［6］ Chen Zicong，Gao Zhihui，Cao Zhi，et al.Research on CO2gas concentration test system based on mid-infrared LED［J］.Laser＆ Infrared，2012，42(11):1001 － 5078.(in Chinese)陳子聰，高致慧，曹志，等.基于中紅外LED的CO2氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)研究［J］.激光與紅外，2012，42(11):1001－5078.