劉 帥，蔣 韜，文小紅，賴 建

1.四川省川煤科技有限公司，四川 成都 610500

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1 紅外氣體檢測(cè)元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

非色散紅外甲烷檢測(cè)元件主要是由氣室、紅外光源、紅外探測(cè)器（含有兩個(gè)通道：測(cè)量通道和參考通道）、窄帶濾光片、氣室、信號(hào)放大、控制電路以及光源驅(qū)動(dòng)電路組成。非色散紅外甲烷檢測(cè)理論是基于朗伯比爾定律提出的。朗伯比爾定律是分光光度法的基本定律，主要描述物質(zhì)對(duì)某一波長(zhǎng)光吸收的強(qiáng)弱與吸光物質(zhì)的濃度及其液層厚度間的關(guān)系，其適用于待測(cè)物為氣體或者溶液等均勻物質(zhì)的情況。根據(jù)朗伯比爾定律，當(dāng)待測(cè)氣體進(jìn)入氣體吸收腔時(shí)，測(cè)量通道附近的紅外光強(qiáng)度就會(huì)呈指數(shù)下降。公式表述如下：

式中：I為光通過介質(zhì)吸收后的出射光強(qiáng)；I0為入射光強(qiáng)（在濃度為零的氣體中即干燥空氣中的出射光強(qiáng)）；K為固定系數(shù)，取決于氣體的吸收譜線、濾光片的頻帶寬度；L為光源和探測(cè)器之間的光程；C為待測(cè)氣體的濃度。由式（1）可以確定氣體濃度C。對(duì)于測(cè)量通道輸出可以做一個(gè)對(duì)應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換，即

式中：V為在被測(cè)氣體中的探測(cè)器輸出電壓；V0為在干燥空氣中的探測(cè)器輸出電壓。

式（2）就是所謂的吸收率，記為FA。結(jié)合式（1）和式（2）得到下式：

由式（3）可知，要想保證光吸收的效果，必須構(gòu)建出表面十分平整光滑，達(dá)到近似鏡面反射的環(huán)境，從而提高輸出信號(hào)幅度的要求。又根據(jù)氣室紅外甲烷檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)（如圖1所示），進(jìn)行了紅外甲烷檢測(cè)元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖2所示）。

圖1 紅外甲烷檢測(cè)系統(tǒng)

圖2 紅外甲烷檢測(cè)元件組成結(jié)構(gòu)

2 紅外氣體檢測(cè)元件氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用氣體能夠吸收紅外輻射的特性，需要設(shè)計(jì)一個(gè)腔體，即氣室。紅外光從外界射入氣室內(nèi)部，進(jìn)一步輻射到探測(cè)器上。如果不考慮任何實(shí)際情況，紅外光在通過氣室的過程中不應(yīng)出現(xiàn)任何衰減，氣室內(nèi)壁表面近似鏡面。采用圓柱形塑料氣室可以減少對(duì)溫度變化的敏感性，這樣就降低了溫度變化對(duì)紅外探測(cè)器輸出的影響。氣室的CAD結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 氣室CAD結(jié)構(gòu)

在氣室彎管上的小圓孔為進(jìn)光孔，紅外光通過進(jìn)光孔進(jìn)入氣室內(nèi)的彎管，與紅外探測(cè)器進(jìn)行反應(yīng)。氣室的下半部分的兩個(gè)大圓孔分別用來安裝探測(cè)器和紅外光源。氣室的上下兩部分通過螺絲來固定。該氣室內(nèi)部采用鍍膜工藝用金對(duì)氣室進(jìn)行蒸鍍，因此氣室表面近似鏡面，非常光滑，光線在氣室內(nèi)部的傳輸近似全反射。

3 紅外氣體檢測(cè)元件工藝要求

紅外元件的設(shè)計(jì)考慮到體積小、防銹、防水、防塵、防爆等因素，外殼采用304不銹鋼材質(zhì)，整體用環(huán)氧樹脂灌封，具有耐腐蝕、防潮的作用。紅外元件的電路部分和氣室部分應(yīng)采用內(nèi)部隔離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

工藝要求如下：

（1）在灌封前1h，先調(diào)和環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂及其凝固劑的調(diào)和比例為5∶1，并充分調(diào)勻。

（2）產(chǎn)品外殼防護(hù)等級(jí)應(yīng)符合IP54。

（3）鋼網(wǎng)與外殼之間采用焊接方式，滿圈焊接固定。

（4）防爆性能符合《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備通用要求》（GB 3836.1—2010）、《爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》（GB 3836.2—2010）和《爆炸性環(huán)境 第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》（GB 3836.4—2010）的相關(guān)規(guī)定。

（5）性能應(yīng)符合《煤礦用非色散紅外甲烷傳感器》（AQ 6211—2008）的相關(guān)要求。

4 研究結(jié)論

檢測(cè)元件中氣室是紅外光傳輸、氣體擴(kuò)散的場(chǎng)所，對(duì)響應(yīng)時(shí)間、測(cè)量精度、抗?jié)穸雀蓴_、抗粉塵干擾有重要影響。光源產(chǎn)生的光譜在氣室內(nèi)形成反射、折射，光路傳輸路徑及光路長(zhǎng)度主要由氣室的光路結(jié)構(gòu)決定，文章將紅外氣體檢測(cè)元件光路采用修正的阿基米德螺旋線型紅外光傳輸通道，用光學(xué)仿真軟件對(duì)紅外光反射測(cè)試、傳輸路徑和光強(qiáng)分布進(jìn)行理論計(jì)算，得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，氣室采用精密模具和注塑法制作，保證了氣室加工的精密度及一致性。

此外，氣室采用有機(jī)高分子材料制作，耐酸耐堿、溫度穩(wěn)定性好、抗沖擊力強(qiáng)，但表面不夠光滑，因此氣室表面需做鍍金處理。鍍層表面要求達(dá)到鏡面效果，以減小光譜能量的損耗，提高檢測(cè)靈敏度。

5 結(jié)束語

雖然紅外氣體檢測(cè)元件的性能、指標(biāo)已滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，但是目前受技術(shù)限制，氣室內(nèi)部氣體擴(kuò)散與光路光通量的增強(qiáng)改進(jìn)仍有一定的難度。另外，溫濕度對(duì)紅外光譜的影響目前只能通過補(bǔ)償算法進(jìn)行修正，無法通過技術(shù)根除影響，這也是未來紅外氣體檢測(cè)元件研究需解決的問題。