双光源四探测器的新型多光路光学系统设计

双光源四探测器的新型多光路光学系统设计

1传感器原理及设计不同的气体对红外光有不同的吸收光谱。一般来说，气体光谱的吸收强度与气体的浓度有关。气体浓度的原理是：。此类传感器灵敏度高、选择性好,目前国内外用于精确测量和标定气体浓度的传感器基本上都是采用红外技术。窄带红外发光二极管的发射强度可以用电学方法进行调制。通过在研制过程中调整发光二极管的成分,可以把二极管的发射波段调节到被测气体的吸收波段处。这样,红外发光二极管就可以代替普通红外气体传感器中的热源、窄带滤光片和调制装置,从而形成一种固体的、低功耗的、结构紧凑的仪器。2光学系统设计的主要问题采用红外发光二极管为光源的气体传感器,在光学系统的设计中需要考虑如下五种干扰对测量的影响。(1)境温度范围内波长的变化发光二极管的发射强度和峰值发射波长是随温度变化的,在适中的环境温度范围内,波长的位移并不大(<3nm/℃),但发射强度的变化却很明显。此外,在红外气体传感器中常用的硫化铅或硒化铅探测器本身同温度有很大的相关性,这种相关性一般>1%/℃。(2)极管特性波动红外气体传感器必须补偿在长期连续工作中由于发光二极管输出功率波动和探测器响应度变化而引起的信号波动。由于器件加热,所以发光二极管的输出基本上与电流成正比,并且随电流脉冲的宽度和重复速率而变化。(3)气体吸收特性带m红外发光二极管光谱半宽度(FWHM)是在0.13μm(峰值波长为2.0μm)至0.64μm(峰值波长在为4.4μm)范围内,这样的带宽已超过许多气体的吸收特征带宽。作为结果,透过气体的辐射强度是强烈吸收波长处与微弱吸收波长处的辐射强度之和。所产生的信号因此被冲淡了,并且偏离了Lambert-Beer定律。(4)影响光学器件的磨损和磨损传感器长期工作在空气环境中,尽管可以采用适当的防尘措施,但是还会有一部分细微粉尘进入气室,并且会沉积在窗口上影响透射比。另外定期清洗气室,也会造成光学器件的磨损,影响气室的透光能力。所以在光学系统的设计中,必须考虑由灰尘和光学元件的磨损而引起的气室透射率的变化对测量的影响。(5)测量误差的影响采用两个或两个以上探测器的系统依赖于所选用探测器各种特性的良好匹配。探测器的失配会导致信号的漂移,带来测量误差。例如,同一批生产的PbSe探测器的温度系数差异就可能大于5%。所以在选用时,必须进行测试和配对。在光学系统的设计中也可以采取适当的措施,消除探测器失配给测量带来的影响。3多光路红外气体传感器系统在进行时因条件下未达到2.由上面的分析可知,在采用红外发光二极管的光学系统设计中,需要考虑器件温度、光源输出功率波动、探测器响应度变化、探测器失配、灰尘和光具玷污这几方面对测量精度的影响。针对这几个问题,传统的设计是从不同的方面尽可能地寻求解决的办法,其中典型的有以下四种方案:方案一:该方案是将气室的温度控制在恒定温度下。这样,一方面可以避免气体红外吸收率随温度的变化;另一方面,使得红外发光器件和接收器件不受温度的影响。另外,在监测潮湿的气体时,把气室加热到露点以上是一种适当的措施。方案二:该方案通过监测气室、发光二极管和探测器的温度来校正因温度而引起的信号变化。温度的校正可以按查表或多项式的形式得到定标,并且储存在只读存储器内。上述两种方案都是为了补偿温度的影响而采用的措施。方案三:该方案增加一探测器直接对着发光二极管,称为参比探测器。将来自参比探测器的信号和测量探测器的信号进行比较,就可以实现对光源输出功率波动和探测器响应度变化的补偿。作为更紧凑的仪器,参比探测器和发光二极管可以封装在一起,大小可以做到同一个晶体管那样大。由于采用了两个探测器,所以此方案存在探测器失配的问题。同时因参比探测器在光源端,故由灰尘或光学元件磨损而引起的气室透射率的变化均未得到解决。方案四:为了弥补方案3的不足及二极管光谱特性的不完全匹配,该方案利用干涉滤光片的良好的单色特性,将两片窄带干涉滤光片分别置于参比探测器和测量探测器前,其中一片的波长位于被测气体及混合气体中,主要干扰组分不吸收的波段,称为参比滤光片,形成参比光路;另一片的波长位于被测气体特征吸收光谱段,称为测量滤光片,形成测量光路。参比光路和分析光路是在同一环境下工作的,取两者的电位差进行比较,就避免了因环境变化和光源发光功率及探测器响应度变化引起的漂移。但是该单光源双探测器设计方案依然存在探测器失配的问题。可以看出这几种方案都或多或少地实现了对这几种外部干扰的补偿,但也存在一些不足。本文设计了一种由双光源四探测器组成的多光路红外气体传感器光学系统结构,结构简图如图1所示。设λ1为被测气体的特征波长,称为测量波长;λ2为被测气体及混合气体中主要干扰组分不吸收的波长,称为参比波长。在探测器1和探测器3之前均放置波长为λ1的滤光片,使得照射到这两个探测器上的红外辐射仅为λ1的辐射;在探测器2和探测器4之前均放置λ2的滤光片,使得照射到这两个探测器上的红外辐射仅为λ2的辐射。两个发光二极管交替地以脉冲方式发射,这使得每个探测器都交替产生两个信号,共八个信号。这八个信号取决于发光二极管的辐射强度I、探测器的响应度R、被测气体的透射比τa以及气室的透射比τ0。设发光二极管1和发光二极管2的辐射强度分别为I1和I2,探测器1、探测器2、探测器3和探测器4的响应度分别为R1,R2,R3,R4。当驱动发光二极管1发出脉冲光时,探测器1和探测器2接收到的是直接来自发光二极管1的辐射,探测器3和探测器4接收到的是穿过气室的红外辐射。由于被测气体对λ2的红外辐射不吸收,所以探测器4的输出仅与腔室的透射比有关。被测气体对λ1的红外辐射有较强的吸收,所以探测器3的输出不仅与气室的透射比有关,还与吸收气体的透射比有关。探测器1、探测器2、探测器3和探测器4输出的电压分别为V1=I1(λ1)⋅R1V2=I1(λ2)⋅R2V3=I1(λ1)⋅R3⋅τa⋅τ0V4=I1(λ2)⋅R4⋅τ0⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪(1)V1=Ι1(λ1)⋅R1V2=Ι1(λ2)⋅R2V3=Ι1(λ1)⋅R3⋅τa⋅τ0V4=Ι1(λ2)⋅R4⋅τ0}(1)当驱动发光二极管2发出脉冲光时,探测器3和探测器4接收到的是直接来自发光二极管2的辐射,探测器1和探测器2接收到的是穿过气室的红外辐射。与上述原理相同,探测器1、探测器2、探测器3和探测器4输出的电压分别为V5=I2(λ1)⋅R1⋅τa⋅τ0V6=I2(λ2)⋅R2⋅τ0V7=I2(λ1)⋅R3V8=I2(λ2)⋅R4⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪(2)V5=Ι2(λ1)⋅R1⋅τa⋅τ0V6=Ι2(λ2)⋅R2⋅τ0V7=Ι2(λ1)⋅R3V8=Ι2(λ2)⋅R4}(2)结合关系式S=V2×V3×V5×V8V1×V4×V6×V7=τ2a(3)S=V2×V3×V5×V8V1×V4×V6×V7=τa2(3)由此产生出一个与探测器响应度和发光二极管辐射强度无关并且与τ2aa2成正比的信号。τa与气室长度和被测气体浓度存在如下关系τa=e−kcl(4)τa=e-kcl(4)式中,k为吸收气体的吸收截面;c为被测气体浓度;l为气室长度。则τ2aa2可表示成τ2a=e−2kcl(5)τa2=e-2kcl(5)这样由式(3)得到的结果使S值与二倍的气室长度有关。在实际设计中,在确定所需最优气室长度后,可将气室长度减半。本文所设计的多光路光学系统方案不仅补偿了由于温度变化所带来的影响,而且也补偿了由于发光二极管输出功率的变化、探测器响应度的变化产生的信号波动、探测器的失配、由灰尘或光学元件的磨损而引起的气室透射比的变化带来的影响,实现了光源和探测器光谱特性与被测气体特征吸收带的匹配。同时,在保证灵敏度的前提下,实际气室长度可以是其它方案的一半。该方案无疑是当前对外部干扰补偿的最好的一种设计方案。但这是以结构的复杂性为代价的。随着红外发光二极管和探测器及滤光片制作工艺的不断提高,现在已经可以将多元探测器和滤光片集成在一起。所以本文所设计的光学系统是现实可行的,也是红外气体传感器发展方向之一。在实际红外气体传感器的设计中,可以将上述光学系统设计成反射式,气室设计成敞开式。同时为了消除镜面凝雾对测量的影响,可以将敞开气室及光学镜头加热到高于环境温度3~5℃,这样,不仅能促使敞开采样气室的气体流动,而且可以防止镜头上的水气或凝雾,从而防止灰尘对气室的污染,使光路及气室可靠地工作。4单光栅双探测器系统长期工作稳定性和温度稳定性是传感器的两个重要性能。针对本文所设计的光学系统,以甲烷为被测气体,测量波长λ1为3.3μm,测量波长λ2为3.9μm,分别进行长期工作稳定性和温度稳定性的实验。实验中由图1中的光源1、探测器3和探测器4组成单光源双探测器系统1,由光源2、探测器1和探测器2组成单光源双探测器系统2,这两个系统的结构与方案4的结构相同。实验中四个探测器的输出电压符号和表达式同式(1)和式(2)。由双光源四探测器系统得到的甲烷浓度用c表示,单光源双探测器系统1得到的甲烷浓度用c1表示,单光源双探测器系统2测得的甲烷浓度用c2表示。S的换算关系见式(4)。S1和S2分别为单光源双探测器系统1和单光源双探测器系统2计算被测气体浓度的关系式S1=V3V4=R3R4⋅τaS2=V1V2=R1R2⋅τaS1=V3V4=R3R4⋅τaS2=V1V2=R1R2⋅τa4.1光学系统长期工作稳定性实验数据分析系统连续工作16天,每天测量22次,其中任一天的数据及相应的浓度曲线示于图2。由光学系统长期工作稳定性实验数据及曲线可以看出,新型多光路光学系统的长期工作稳定性较方案4单光源双探测器系统大为改善,前者16天连续工作的测量误差小于0.05%CH4,而后者的最大测量误差可达0.2%CH4,但大部分小于0.1%CH4。4.2量值变化曲线在273~303K的温度范围内进行了温度稳定性实验。将273~303K对应的甲烷浓度测量值变化曲线绘于图3。由光学系统温度稳定性实验曲线可以看出,新型多光路光学系统的温度稳定性也很好,在30K的温度变化范围内,检测1%CH4,温度给测量带来的误差影响小于0.05%CH4,而方案4单光源双探测器系统的最大测