【摘 要】作為毒性和腐蝕性都較強(qiáng)的硫化氫氣體一旦發(fā)生泄漏，就會(huì)給周圍的環(huán)境和生物造成巨大的危害，因此利用硫化氫氣體傳感器對(duì)硫化氫氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是非常有必要的。利用氣體具有吸收光譜特性而研制的光譜吸收式硫化氫傳感器克服了電化學(xué)傳感器的易與其他氣體雜質(zhì)混合而導(dǎo)致精確度下降的弊端。本文正是基于這點(diǎn)介紹了光譜吸收式硫化氫傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】光譜吸收式 硫化氫 氣體傳感器

硫化氫（H2S）氣體主要來(lái)自生產(chǎn)過(guò)程或日常生活中產(chǎn)生的廢氣，是一種毒性和腐蝕性都很強(qiáng)的氣體，輕者刺激人的神經(jīng)，導(dǎo)致細(xì)胞窒息，重者可令人昏迷甚至死亡。因此在硫化氫存在的環(huán)境中，例如熱帶亞熱帶潮濕環(huán)境、遠(yuǎn)洋作業(yè)、石油天然氣鉆井作業(yè)等硫化氫氣體經(jīng)常出現(xiàn)的場(chǎng)合必須安裝H2S氣體檢測(cè)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以檢測(cè)硫化氫氣體的濃度，預(yù)防危險(xiǎn)的發(fā)生。

傳統(tǒng)的硫化氫傳感器多采用硫化氫電化學(xué)傳感器，雖然電化學(xué)傳感器價(jià)格比較便宜，但這種傳感器容易與其他雜質(zhì)氣體相混合，導(dǎo)致傳感器不靈敏而降低了檢測(cè)的精確度。而依據(jù)光譜特性用來(lái)檢測(cè)H2S氣體濃度的光譜吸收式傳感器很好的克服了以上兩者的缺點(diǎn)。本文根據(jù)H2S氣體對(duì)光譜吸收的特征介紹了光譜吸收式H2S氣體傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

一、光譜吸收式硫化氫傳感器的工作原理

所有氣體都有其特定的吸收光譜，當(dāng)發(fā)射光譜和氣體固有的吸收光譜一致時(shí)，共振吸收就會(huì)產(chǎn)生， 并且氣體對(duì)光譜吸收的程度與氣體的體積有直接關(guān)系，因此只要通過(guò)測(cè)量光譜的吸收程度就可以推測(cè)出H2S氣體體積多少。

根據(jù)Beer.Lambert定律：氣體吸收光譜前后的變化會(huì)遵循以下定律：

I= I 0 e x p [-α（V）CL]

上述公式里面，I表示出射光的強(qiáng)度；I 0表示入射光的強(qiáng)度；α（V）表示硫化氫氣體的吸收系數(shù)，也就是硫化氫氣體在特定頻率V處的吸收線型； L表示吸收路徑的長(zhǎng)度；C表示硫化氫氣體的濃度。

從上面我們能夠看出：如果已經(jīng)知道了硫化氫氣體的吸收系數(shù)α（V），再測(cè)量出通過(guò)硫化氫氣體的光譜強(qiáng)度的變化和吸收的光路徑的長(zhǎng)度L，我們就能夠計(jì)算出H2S氣體的濃度。但實(shí)際上，由于氣體吸收的系數(shù)并不是一成不變的，而是依據(jù)溫度和壓強(qiáng)的變化而變化的，因此，只有當(dāng)氣體的吸收光譜和光源的發(fā)射光譜產(chǎn)生重疊時(shí)才能產(chǎn)生對(duì)氣體進(jìn)行選擇性的吸收，而根據(jù)公式發(fā)生線性變化。

二、基于光譜吸收硫化氫氣體傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了消除光源和光電器件的熱零點(diǎn)漂移和對(duì)精度零漂移的不穩(wěn)定性影響，本文利用H2S氣體對(duì)光譜吸收的特性和雙差分吸收檢測(cè)法（即前后兩次分別射入兩種不同波長(zhǎng)λ1和λ2的單色光，經(jīng)過(guò)光路系統(tǒng)和光電檢測(cè)后，最終得到系統(tǒng)輸出值，從而依據(jù)光譜吸收的原理計(jì)算出待測(cè)氣體的濃度。具體來(lái)說(shuō)，如果氣體的吸收系數(shù)α（V）1和α（V）2可以測(cè)量，那么就能根據(jù)不同波長(zhǎng)λ1和λ2的輸出光的強(qiáng)度變化值來(lái)計(jì)算出氣體濃度C）設(shè)計(jì)了新型H2S氣體傳感器。

（一）光源的選擇

本文選用LED發(fā)光二極管作為光源進(jìn)行差分吸收分析，從LED光通過(guò)微機(jī)控制頻率分束器后，分束器內(nèi)兩個(gè)相同的光分別進(jìn)入氣室和參考?xì)馐?，因?yàn)榱蚧瘹錃怏w能夠吸收光譜，因此從兩室光強(qiáng)變化，光轉(zhuǎn)換成電的光電二極管信號(hào)的變化。而在這個(gè)過(guò)程中，如何可以在有限長(zhǎng)度的氣室內(nèi)獲取更大的光吸收值，流速，如何降低氣體溫度，雜質(zhì)（如灰塵）的測(cè)量誤差是本研究的技術(shù)困難。為了減少氣速對(duì)吸收的影響，緩沖層的吸收室內(nèi)外設(shè)計(jì)；為了使氣體流動(dòng)的均勻性，防止氣室與外界的氣體交換得不充分，在外氣孔設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)；為了減少對(duì)測(cè)量的影響的環(huán)境溫度，在空氣室的外壁上安裝溫度控制裝置。

（二）光譜吸收式H2S氣體傳感器的結(jié)構(gòu)

光譜吸收式H2S氣體傳感器是利用發(fā)射光譜和H2S氣體固有的吸收光譜一致時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振吸收的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。本文中選用的是紅外線光譜吸收式的H2S氣體傳感器，如果H2S氣體吸收光譜線在入射光的譜線范圍內(nèi)，紅外線穿過(guò)要檢測(cè)的氣體之后，就會(huì)在相對(duì)應(yīng)的譜線地方產(chǎn)生能量的減退，沒(méi)有被吸收的輻射就會(huì)被紅外探測(cè)器檢測(cè)到，從而通過(guò)檢測(cè)該線譜之處存儲(chǔ)的能力的衰減就能知道所檢測(cè)氣體的濃度。

由此我們可以得出，調(diào)制電路模塊產(chǎn)生一個(gè)正弦信號(hào)，由紅外光源發(fā)出的調(diào)制光信號(hào)，并通過(guò)波長(zhǎng)濾波器獲得的檢測(cè)光，被檢測(cè)合適后與空氣室通過(guò)的檢測(cè)光與沒(méi)有通過(guò)的探測(cè)光做雙差，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換獲得的4個(gè)光學(xué)信號(hào)，則通過(guò)微控制器的數(shù)據(jù)采集，數(shù)字濾波，由溫度補(bǔ)償之后，從而得出硫化氫氣體發(fā)濃度值。

（三）光譜吸收式H2S傳感氣室的設(shè)計(jì)

雙差分檢測(cè)系統(tǒng)基于光譜吸收原理的設(shè)計(jì)，需要選擇一個(gè)高精確度和靈敏度的光感氣體傳感室，而通風(fēng)室的長(zhǎng)度是氣室設(shè)計(jì)的重要因素，換句話說(shuō)就是光和氣體的有效距離。所以，本文設(shè)計(jì)的氣室長(zhǎng)度設(shè)計(jì)上了衰蕩腔（即通過(guò)與試驗(yàn)物質(zhì)反復(fù)碰撞，以增加裝置的動(dòng)作的有效長(zhǎng)度的一個(gè)裝置）吸收室。根據(jù)Lambert定律，使光多次通過(guò)氣體吸收就會(huì)有效增加相互作用長(zhǎng)度，提高檢測(cè)靈敏度。

三、結(jié)束語(yǔ)

在進(jìn)行光譜吸收式H2S氣體濃度傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮傳感氣室的設(shè)計(jì)外，前置放大器、前級(jí)電路輸出飽和問(wèn)題等也是需要考慮和解決的問(wèn)題。本文中增加的衰蕩腔吸收式室提升了H2S氣體的靈敏度，同時(shí)，由于依據(jù)雙差分檢測(cè)和光譜吸收原理，設(shè)計(jì)的光電檢測(cè)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)科研很好的提取微弱的瓦斯氣體光信號(hào)，具有較高的精度。

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