（微电子学与固体电子学专业论文）光离子化气体传感器优化设计.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 j 矿 论文作者签名：专狃盈兰堕日期：趔笸： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名： 一导师签名： e 1 1 t t l - 2 丝盟：亟：! e li t t l ：趋兰2 ：五：! 中北大学学位论文 1 绪论 国内外光离子化气体传感器研究现状 随着技术的快速进步，美国的华瑞( 弛e ) 、英思科( i n d s c i ) 、热电( t h e r m o ) 、 梅思安( m s a ) 、o i 、s r i 、p h o t o v a c 、h n u 、p e 等公司、英国的离子科学( i o ns c i e n c e ) 公司均推出自己特色的p i l l 系列产品。1 9 9 3 年r a e 推出世界上第一台个人用便携式光离子 化检测仪i j i c r o r a e ，2 0 0 4 年r a e 推出世界上第一台结合r v o c 、可燃性气体、氧气、硫化 氧和氧化碳传感器于一体密闭空自j 进入气体检测仪e n t r y r a e ，此外，i o ns c i e n c e 公 司还生产出虽低浓度可达l p p b 的高辅度p i d ，其生产的f i r s t c h e c k6 0 0 0 e x 是世界上第 一台具有p p b 级p i d 椅测嚣的多组分气体检测仪。2 0 0 1 年1 月俄罗斯莫斯科探测分析仪器 制造局的专家也研制出光电气体分析仪，能快速准确地测定气体成分及浓度。近年来， 加拿大的约克( b w ) 公司和h 本的一些株式会社也积极进：罕p i d 技术。最具典犁的微型 传感器代表为美国b a s el i n e 公司离子化检测器如图1 1 ，英国i o ns c i e n c e 公司离子化 检测器如图1 2 。 幽ll 荚呵b a s e 一1 i n e 公司离千化检测器删12 英国i o ns c i e n c e 公司离子化检测器 国内关于紫外光离子化技术的研究起步比较晚，但中国科学家在p i d 方面的进展也 很迅速，中国科学院生态环境研究中心于1 9 8 7 年6 f l 就开展了光离子化气体分析仪的研 制工作经过两年的努力，研制出了我国第一台光离子化气体分析仪1 1 0 型光离子 化气体分析仪和p i l l2 0 0 型光离子化有害气体检测仪“1 。复旦大学电光源研究所和复日大 中北大学学位论文 学科学仪器厂也于1 9 8 8 年8 月研制出便携式光电离有害气体检测仪”。中北大学微米纳米 研究中心于0 6 年1 2 月就开展了紫外光离子化检测技术的研究工作。通过近两年的努力， 我中心研制出便携式微型光离子化传感器。北京东西分析仪器有限公司研制开发成功g c 一4 4 0 0 型便携式光离子化气相色谱仪如图i 3 所示，成为国内第家产业化生产便携式 光离子化气相色谱仪的生产厂商9 1 。该产品具有我国自主知识产权和特色。 口 幽13g c - , t 4 0 0 型便携式光离子化气相色谱仪 综上所述，国内已经在紫外光离子化检测器的研制和应用方面取得了一些可喜的研 究进展，但由于起步较晚，与国外产品还存在较大差距。由于传感器的研制和生产水平 不足导致产品的主要性能指标，如绝缘性、稳定性、温度性能和智能化程度等，和国 外产品有一定的差距，尤其是高性能的传感器还处于研制开发、试生产阶段，有3 0 4 0 的传感器还依赖于进口。目前国内销售的光离子检测仪9 0 来自国外，且国外的光离子 检测器件不单独在国内销售。光离子化传感器的主要部件基本依赖进口。 2 课题研究的目的、意义及经费来源 紫外光光离子化检测器具有精度高( p p b 级) ，响应快，可以连续测试等优点- 可广 泛应用于检测芳香烃类、酮类和醛类、胺以及胺类化合物。氯代烃类、不饱和烃类、氮 气砷化氢、磷化氢、氮氧化物。该检测器件不但可应用于气体检测仪，而且可作为安全 网络监测系统的检测单元，同时可嵌入气相色谱仪直接测定大气中痕量烃类化合物”。 它可以为工作人员提供实时的信息反馈，这种反馈可以使检测人员确认他们处于没 有暴露于危险化学品之中的安全状态，从而可以更好的保护检测人员。光离子化气体传 感器可广泛应用于航空和航天领域、战场生化检测、环境监测、安全检查、化学化工、 汽车、船舶、铁路运输等领域。尤其是在航天燃料泄漏检测，战场生化检测、灾区事故 2 中北大学学位论文 泄漏检测、易燃易爆有机气体检测方面发挥着重要作用晦1 。 随着人们生活水平的改善、科技进步及安全意识的提高，光离子化传感器也广泛应 用于环境空气质量监测。据统计，引起中毒的化学毒物大约有4 0 多种，苯、硫化氢、 一氧化碳一起的中毒事故在化学毒物中居前三位，另外，正己烷、三氯甲烷、三氯乙烯、 硝酸基苯等新的中毒现象也在不断出现。同时这类化学物质也有着极强的致癌作用【6 1 ，【7 1 。 本课题研究目的针对化学气体在汽车、船舶、铁路、航天等运输过程的特殊情况， 我们提供一种能够准确测量气体泄露源和泄露浓度的高精度气体探测器，同时能够适应 被测气体浓度高，以及在高温、高冲击等恶劣条件下具有防爆、防尘、防振功能的探测 器，从而提高气体储运过程的安全性，同时方便预警，并为事故遇险人员提供生命保障。 本课题的研究意义是研制出高精度，快反应，实时性便携式气体传感器，不但在肼 气检测领域具有重要的意义，并且可以为战场化学武器检测领域和环境监测领域提供强 有力的分析手段，推动这些领域的发展。本课题的研究意义还在于提高气体运输中易挥 发、有毒性、易爆等化工原料泄露及环境污染事故的监测能力，虽然国家的化学气体储 运安全技术保障体系已经基本形成，但储运过程中气体泄露事故仍然时有发生，一旦事 故发生将对人类造成极大危害m 。阳1 。 该课题经费主要来源于：1 ) 国家8 6 3 计划先进制造技术领域重点项目“面向安全监 测与跟踪的网络化微系统( 2 0 0 6 a a 0 4 0 6 0 0 ) 中的“危化品气体检测m e m s 传感器研发及 其产业化技术”课题中的“肼类泄露检测传感器 子课题。2 ) 安科院课题“基于肼气传 感器的火箭发射安全网络监测系统设计与开发”。 i 3 光离子化传感器概述 1 3 1 光离子化传感器基本原理 光离子气体传感器( p h o t oi o n i z a t i o nd e t e c t o r ，简称p i d ) 是一种具有极高灵敏 度，用途广泛的检测器，可以检测从极低浓度的l o p p b 到较高浓度的1 0 0 0 0 p p m ( 1 ) 的 挥发性有机化合物( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，简称v o c ) 和其它有毒气体。与传 统检测方法相比，它具有便携式，精度高( p p m 级) ，响应快，可以连续测试等优点。 本课题的理论依据是基于有机气体的光离子化效应原理。其原理图如图1 4 所示。 3 中北大学学位论文 光离子化检测器使用具有特定电离能( 如1 0 6 e v ) 的紫外灯( u v ) 产生紫外光，当有机 气体分子通过在电离室内对气体分子进行轰击，把气体中含有的有机物分子电离击碎成 带正电的离子和带负电的电子，在极化极板的电场作用下，离子和电子向极板撞击，从 而形成可被检测到的微弱离子电流。 偏置电 图1 4p i d 气体传感器的原理不意图 电离能是决定光离子化传感器的重要因素，只有在样品池光程足够短，样品浓度足 够低的情况下，被测物质浓度才与光离子化电流成线性关系。同时光离子化电流与真空 紫外光强度够，即单位时间内进入样品池中光子的数目，成线性关系。 光离子化电流计算有以下几个模型1 0 】 【1 1 】，【1 2 】，【1 3 】： 1 ) 光离子化检测器离子化池中两电极之间的电流用下式计算： f ：_ 。v p v l c c 一a b ( 1 1 ) 刁，+ k 胚2 c 】 式中：【a b 】能离子化的物质浓度，t o o l l ；【c 】- 空气浓度，m o l l ；昂一离子化池 面积，c m 2 ；船光辐射强度，m o l s ；l - l o s c h m i d t 常数( 2 6 9 x1 0 1 9 克分子c m 3 ) ；， 光程长，c m ；巧常态下空气摩尔体积，l m o l ；珊、局、k 2 - 反应速度常数。式( 1 1 ) 表明在k l 、k 2 、 c 、【a b 】不变情况下，离子流i 与u v 灯辐射强度成正比。可见增加 4 中北大学学位论文 u v 灯发光强度可以提高灵敏度，降低检出限。 2 ) 在光离子化电离室中，光子的吸收遵循b e r r l a m b c r t 定律： j ：一艿。心c ，而p - 2 7 3 l(1)oe2j = “ 1 r ( 1 ) 式中：厶一输入的光通强度；- 输出的光通强度；m - l o s c h m i d t 常数( 2 6 9 x1 0 旧 克分子c m 3 ) ；c - 待电离物质浓度；z 光程长度；p 电离室内压力；t 电离室温度； 万吸收总面积。 3 ) 在标准压力和低浓度条件下，光离子化信号由下式决定1 4 】： i = 矗以c y 4 ( 1 3 ) 式中矗- 光通密度：以- l o s c h m i d t 常数( 2 6 9 x1 0 船克分子m 3 ) ；c - 待电离物质的浓度； y 电离室体积；磊有效电离截面。 由以上各式可以清楚地看出，光离子化传感器信号与待测物质浓度成正比。所以， 围绕上述的结论，针对电离室的设计应该力求满足检测指标和灵敏度的要求。因此以高 灵敏度、低检测限为目的光离子化检测器，应当具有较短的样品池、尽可能明亮的真空 紫外光源和较高的灯电源激励功率【1 5 1 【1 们。 1 3 2 光离子传感器基本结构 检测器系统结构如图1 5 所示，主要部件包括检测器( 紫外灯，电离室，电极等) ， 紫外灯驱动电路，信号检测电路，标准输出接e l ，上位机接口。 前期的研究内容主要集中在研究光离子化检测器的系统构成，光离子化系统的关键 技术是紫外光源的设计和敏感头的设计。紫外光对扩散入电离室内的气体分子进行轰 击，把气体中含有的有机物分子电离击碎成带正电的离子和带负电的电子，在极化极板 的电场作用下，离子和电子向极板撞击，从而形成可被检测到的微弱离子电流1 7 j ，i l 引。 5 中北大学学位论文 33 前期取得成果及不足 图1 5 系统结构框图 我微米纳米研究中心从0 7 年底开始展开光离子化传感器研究工作，在一年的时自j 里取得可喜成果，掌握了光离子化传感器若干关键技术，组装了第一批样机，井通过权 威部门认证，经过测试，测试结果令人满意。 图1 6 、1 7 所示为光离子化传感器电离室和组装样机图1 8 所示为测试结果， 实验审条件下稳定分别5 0 p p m 量程4 0 0 p p m ，响应时间1 0 s 。 国 碴确 幽16 传感器电离室 陶17 组装样机 6 。严 中北大学学位论文 名 丑 簿 浓度( p p m ) 图1 8 测试结果 决定传感器性能的技术指标很多，要求一个传感器具有全面良好的性能指标，不仅 给设计、制造造成困难，而且在实用上也没有必要。因此，应根据实际的需要与可能， 在确保主要指标实现的基础上，放宽对次要指标的要求，以求得高的性能价格比。在设 计、制造传感器时合理选择其结构、材料和参数是保证具有良好性能价格比的前提。 由于传感器方面相关知识积累较少，再加上投入不足，在前期的工作中仍然存在不 足之处，主要有以下几个方面的问题： 1 ) 零点漂移现象严重不小于5 f s ，主要原因是电极采用不锈钢片制作，当紫外 光照射在电极板上，因紫外光1 0 6 e v 大于金属外层所需要的能量5 6 e v ，所以会电离电 极片表层电子，在高压电场作用下会被收集到检测电极产生零点漂移；前置检测电路存 在阻抗不匹配，噪声较大问题；电源散热也是传感器漂移的一大原因。 2 ) 分辨率较低5 0 p p m ，一个合理的电离室结构、前置检测电路是解决传感器分辨 率低的主要原因，同时采用过采样提高采样频率，提高检测精度。 3 ) 传感器可靠性差，受温度、工作环境影响较大。需加强敏感头封装、安装、隔 爆、抗干扰设计。 4 ) 线性度差5 ，采用线性算法优化传感器线性度。 5 ) 高功耗，前期样机功耗1 7 w ，仅d c d c 5 1 5 0 v 偏置模块功耗1 w 、效率低、 散热严重，需对电源系统进行优化降低样机功耗。 7 中北大学学位论文 1 4 本课题研究的主要内容 本文针对现有传感器的不足之处进行优化，详细讲述优化设计思路，并给出测试结 果。本论文内容安排如下： 1 ) 光离子化传感器结构及硬件改进设计。 2 ) 光离子化传感器相关算法。 3 ) 光离子化传感器抗干扰设计。 4 ) 隔爆、防尘措施。 5 ) 可靠性测试，完成传感器组装、进行测试，给出测试结果。 8 中北大学学位论文 2 1 概述 2 光离子化气体传感器结构及硬件电路设计优化 传感器的输出( 可以是电压信号也可以是电流信号) 随着被测量( 比如温度、湿度、 浓度等) 变化的特性曲线，是传感器特性的最直接的体现，也是测量系统的依据。传感 器的性能最终体现为其输出与气体浓度相关的线性信号。在完成敏感单元的设计后，已 经可以将气体浓度信号转化为微弱的电信号。 本章围绕传感器的结构优化和硬件电路优化展开，优化基本理论依据及前期样机中 传感器结构和硬件电路存在的问题如下： ( 一) 传感器结构 1 、暗电流3 1 ，“7 1 当没有气体进入电离室时，紫外灯也会把空气中的一小部分气体电离，从而在极板 上产生微弱的电流。极板为不锈钢片，金属的电离能一般低于6 e v ，因此紫外灯将会电离 金属表面的自由电子，另外极板有效面积较大背景电流较大，高速气流对零点影响很大。 需要添加防护极板和减少收集电极透气孔密度来减少暗电流对零点漂移的影响。 2 、电离室材料 前期样机中采用尼龙为电离室材料，尼龙在紫外光照射下化学性质不稳定、易老化、 抗氧化性较差，电离室中的氧气在紫光照射下会光解形成臭氧，臭氧具有强氧化性，传 感器长时间工作会使尼龙材料的电离室体积发生变化、并伴随有挥发性有机物产生。 聚四氟乙烯是比较理想的替代材料，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、 高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化，不粘附任何物质，能耐强氧化剂的腐蚀， 3 、可靠性 传感器的可靠性是传感器稳定运行的保证，在测试过程中发现前期样机密封性、机 械抗干扰性能较差、加强传感器电离室与传感器电离室底座的可靠性有待加强。封装后 光离子化传感器紫外灯驱动电极易损坏紫外灯外壁，并且组装困难，同时需要提高驱动 电极的绝缘性能。 9 中北大学学位论文 4 、空气中的水汽、湿度 绝大部分电子产品都要求在干燥条件下作业和存放。因为绝大多数器件都会受到潮 气的影响，而潮气会导致金属氧化、虚焊、封装开裂等产品故障，而光离子化传感器被 检测气体湿度过大，潮湿的分子会吸收紫外光，就像大雾天气使车灯能见度降低。传感 器具备好的除潮功能也是传感器性能提高的关键所在。国家光离子化传感器标准规范光 离子化传感器所工作环境相对湿度小于8 5 。需采取相应措施较少湿度对传感器的影响。 ( 二) 硬件电路 1 、电磁场干扰 当放大电路周围存在杂散电磁场时，其输入电路或某些主要元件就会感应出干扰电 压。对于一个放大倍数比较高的放大电路来说，只要第一级引进一点微弱的干扰，在放 大电路的输出端就会有一个较大的干扰电压。 在本系统中电磁场干扰有两方面原因： 1 ) 、所述的激发紫外灯需要6 0 0 - 1 0 0 0 v ，i o o k h z 的高频高压电，此放大部分变压 器1 0 0 0 v 磁场干扰严重，变压器没有加屏蔽。 2 ) 、d c - d c 5 - 2 0 0 v 开关电源产生的电场对系统造成很大干扰。 2 、前置运算放大器 在直接耦合的放大器中会产生零点漂移，零点漂移是指在没有目标气体时，整个工 作时间内传感器输出响应的变化。产生零漂的原因很多，任何元器件参数的变化( 包括 电源电压的波动) ，都会引起输出电压的漂移。在阻容耦合的放大电路中，各级的零漂 电压被隔直元件阻隔，不会被逐级放大，因此影响不大。但在直接耦合的放大器中，各 级的零漂电压被后级电路逐级放大，以至影响到整个电路的正常工作。为此，减小零点 漂移的关键是改善放大器第一级的性能。 系统采用的前置放大器a d 6 2 0 引起的干扰主要有以下几方面： 1 ) 前置放大部分分压i o m 电阻温漂严重，热噪声很大，传感器信号输出不稳；整 个前置检测电路部分所用电阻精度低、温度系数较高。 2 ) 阻抗不匹配，光离子化传感器输出阻抗较大1 0 1 2 欧姆，而仪表运放a d 6 2 0 输入阻 抗1 0 1 0 ，前置检测电路极不稳定。 3 、温度影响 1 0 中北大学学位论文 温度的变化可以引起输出电压的漂移，这是因为元件的导电性对温度非常敏感，若 温度有大幅度的变化，系统很容易产生温漂。国家标准光离子化传感器工作温度o 一4 0 ，温度过高或者过低对传感器光源影响较大，很难取得比较满意的测量效果。 系统中d c d c 5 2 0 0 v 开关电源效率低散热严重，对系统的影响很大，本系统壳体为 防爆壳体，密封性能好导致散热差，壳体内部温度随着工作室时间增加温度急剧升高。 经测试得到壳体封闭3 个小时内零点从1 8 3 v 降到1 4 2 v 。壳体打开散热，零点3 个小 时内从1 8 3 v 1 8 0 v 。由此看出温度对零点漂移的严重性。 解决以上的问题根本所在是通过改进结构设计、优化相关工艺提高传感器分辨率、 可靠性及稳定性；优化硬件电路设计：改进前置检测电路实现对微弱电流的提取、放大， 优化电源模块、减少因电源地线噪声带来的干扰，降低系统功耗。 高性能性能光离子化传感器关键是要有合理的电离室结构。传感器结构优化主要集 中在电离室、封装。硬件电路的成败关键很多时候都取决于电源模块，本课题中电源模 块比较复杂，主要包括高压直流驱动模块5 2 0 0 v ，无极灯驱动模块为无极紫外灯提供 6 0 0 一1 0 0 0 v ，i o o k h z 驱动信号，单片机供电模块，前置检测双电源正负5 v 模块。 2 2 结构优化 2 2 1 传感器电离室优化 传感器存在的漂移现象以及灵敏度过低的原因主要集中在电离室、硬件电路、算法。 本节主要简述电离室及结构的改进。 光离子化气体传感器的发展过程也是其电离室的发展过程。电离室的设计不仅影响 传感器体积的大小，同时关系到检测系统的效率，响应时间等一系列关键参数。设计一 个合理的易于加工的电离室对传感器的性能有重要意义。 图2 1 为早期的光离子化检测器的电离室示意图，p i d 光源和离子化池并不分开，而 是在同一空间进行的。众所周知，气体放电产生的高效共振辐射出现在低压下，而被分 析物质离子化检测的最大灵敏度则在一个大气压左右，其结果无论是紫外光源和离子化 池都不能在最佳状态工作。这就是六十年代末p i d 被f i d 取代的主要原因。 1 1 中北大学学位论文 图21 甲期的光离子化检测器a 一玻璃壳，b _ 放电电板( 阴) ，c 一放电电极( 阳) ，d 一阳极。e _ 阴极 传统的电离室结构复杂，不利于传感器微型化，且功耗较高如图22 。本课题方案 采用光源与电离室分开，待测气体平行紫外光入射，有以下优点：1 ) 快速的恢复：由于 样品气体的流动路线垂自于灯的照射方向，灯室的顶部被0 型环密封着，样品气体沿着 灯表而流过。这样就防止了样品气体在灯表面的积累，p i d 快速恢复。快速的恢复意味 着p i d 能快速的刚零。这样快速的恢复就可以在多个样品之间达到快速的多次测样效果。 f l = 0 时也可以使泄漏燕汽在小范围内被快速的探测到；2 ) 降低湿度的影响：层流的泄漏气 体布紫外线照射下通过灯顶部的传感器接收到是火化的信号，可以有效降低湿度的影 响：3 ) 方便维护：层流p i d 传感器使被测样品垂直于灯光的出射方向流动自接通过灯的 镜头就可进行检测，不象其它p i d 样品直接接与镜头接触。由于污染物几乎完全从灯的 表面通过了这样就减少了镜头上污垢和溶解蒸汽的积累“。 图22 一维流通式示意l 芏i 综合测试结果和国外检测器电离室结构主要从以下几个方面对检测器进行优化： 1 ) 前期的工作中采用硬质尼龙做电离室，在紫外光照射下尼龙并不稳定，易老化 1 2 中北大学学位论文 分解，破坏尼龙本身的c 一曲，检测器长时问工作，囡电离室老化带来的零点漂移比较 严重。改用化学性质稳定、耐高温、抗压力较好的聚四氟乙烯，可尽可能减少误差，在 提高电离效果的同时使电离室更加美观。 2 ) 因电极采用不锈钢片制作，当紫外光照射在电极板上，因紫外光l o 6 e v 大于金 届外层所需要的能量56 e v ，所以会电离电极片表层电子，在高压电场作用下会被收集 到检测电极产生零点漂移。在前期的宴验测试中零点漂移严重，为减少紫外光直射电极 片带来的零点漂移，在电极片和紫外灯之间添加i j v 防护板如图2 3 ，板材同样选用聚四 氟乙烯。防护板的纵向通孔应与无极灯对准，保证光线足够的光入射电离室。 为减少零点漂移，应尽量保证电极片通光孔足够密集，减少被紫外线照射面积，从 而减少零点漂移。与此同时耍保证电极片足够薄、光滑。 图23 电离室防护板 3 ) 在光强一定的情况下，电离室体积直接影响到传感器的量程，灵敏度，体积过 大量程变大灵敏度降低；反之电离室体积变小量程变小，灵敏度提高。但电离室长度 需小于紫外光有效射程1 0 哪，直径小于紫外灯光学窗口。最终把上下电极之间距离减少 到5 珊。 4 ) 组装前要把电离室的所有零部件在有机溶液中搅拌或者超声清洗。因在密封的 气室中在紫外线照射时，能使空气中的氧气光解，形成由三个氧原子结合而成的臭氧， 臭氧具有强氧化性，能清除光学窗口的沉淀物。 5 ) 电离室中各气片要足够光滑平整。从而使组装后保证电离室气密性。另外组装 后要在电离室外测均匀涂抹密封胶体，防止因气体泄漏带来的误差。 1 3 中北大学学位论文 圈24 封装完好电离室图25 电离室再气片结构 通过以上几点的改进设计，使电离室气密性、稳定性得到极大提高。通过测试发现 改进后的电离室减小了零点漂移，分辨率得到极大提高，量程n j ：迭至i | 5 0 0 p p m 。 2 22 传盛器装配结构优化 检测器的装配优化主要是从气密性、电离室与底座的连接、传感器可靠性、紫外灯 封装着手。 1 ) 但长时间工作中，紫外灯窗口仍然会受到轻微的污染，需要经常清洗，无极紫 外灯保持光强稳定，前期的设计中，电离室和检测器其它部件的连接固定仅通过导线， 不便于拆分进行紫外灯清洗、保洁，受到振动或者长时间倒置电离室容易与检测器底座 分离，同时会产生气体泄漏。 采用插针替换原来的导线，底座嵌有插孔通过插拔插针来进行分解组装底座顶 部开有凹槽，电离室可全部紧密嵌入并通过插针连接。提高传感器可靠性本身的同时， 也解决了因紫外灯光学窗口与电离室接触不够紧密产生漏气井给灯带来污染问题。具体 改进设计如图2 5 。 图26 底座与电离室 1 4 l 中北大学学位论文 2 ) 本课题采用无极紫外光源，同传统有源光源比，具有功耗低、干扰小，可靠性 好，辐射强度均匀等优点。但无极紫外灯需要频率1 0 0 k h z ，a c 6 0 0 1 0 0 0 v 驱动电压才 能激发灯内稀有气体辉光放电，无极灯需要外加驱动电极，光源采用氟化镁制作易破 碎，且要对光源做绝缘处理，防止漏电带来的安全问题，因此驱动的光源的封装成为 本课题大难点。 驱动电极采用铜纸做成t 形，通过导线与电路板无极灯驱动模块连接，激发电极紧 挨无极灯壁。并对电极做绝缘化处理，采用耐高压、耐磨的绝缘黄金纸包括、密封。紫 外灯封装具体如图2 7 图2 7 无极紫外灯封装示意图， 4 ) 电离室前端安装微孔通气滤膜，孔径5u 米。具备除尘、去潮气功能，可极大提 高传感器可靠性。 2 3 硬件电路优化 2 3 1 前置检测电路优化 为了设计针对本传感器的信号检测电路，首先需确定敏感头输出信号的信号特征， 在气体流是稳定的情况下，存在一定速率的气体分子通过电极板，在相对较长的响应时 间内，电极板会产生稳定的支流微弱直流电流，其应同气体浓度成比例，是本传感器要 检测的微弱信号。 通过下面的方法可以大致估算在一定气体浓度下，光离子电流的强度脚。 1 5 中北大学学位论文 以i p p m 的甲苯为例，在大气压强下，1 毫升l p p m 苯蒸汽中，含苯蒸汽分子数为： 6 0 _ 2 3 了x1 0 2 3 r x 1 0 - 岳：2 7 10 1 3 分子 2 2 4 x1 0 采样泵抽速估计为0 3 升分，故单位时间内流经电离室的苯分子数为 堡型掣：1 3 5 1 0 分子 6 0 一 设苯蒸汽分子的光电离截面为1 0 叫6 平方厘米数量级，离子约为一次电离( 带电荷 1 6 , 1 0 q 9 库仑) ，已知真空紫外灯输出为1 0 1 1 光子秒，则可求得离子流： 1 0 1 1 1 3 5 x 1 0 1 4x 1 0 x 1 0 1 6 1 6 x 1 0 1 9 = 2 1 6 x 1 0 1 0 a 可知电离室的输出信号约在l o 。1 0 a 量级，若想有效检出，必须采用高灵敏度低噪声 微电流前置放大器。前置放大电路应考虑噪声及稳定性，以确保噪声小、漂移小，同时 要满足增益、带宽要求、阻抗匹配。 o p a l 2 8 是美国b u r r - b r o w n 公司生产的超低偏置电流( 7 5 f a ) 单片运算放大 器。由于输入级采用介质隔离的场效应管组成，并挨近了输入晶体管的几何图形，使这 中单片集成运放的低偏置电流、高阻抗特性己达到甚至超过了过去专门设计的由混合集 成电路组成的用于电荷放大的“静电计放大器 模块。 o p a l 2 8 由于其独特的性能，因而非常适用于传统采用真空静电计管所组成的静电 计放大器方面的应用，如静电计、质谱仪、色谱仪、电荷放大器、离子测量、光电检测、 高射线仪器等。由于具有极高的源阻抗，或是需要对极低电流进行测量和放大，因而特 别要求放大器的高阻抗、低噪声和超低偏置电流特性，从下面给出的技术指标可以看出 它能满足本设计的特殊要求【1 9 l 。 顶视图 柑底和外光 一v c e 1 6 v c c 输出 零 中北大学学位论文 图2 8o p a l 2 8 封装不意图 o p a l 2 8 在具体使用时须注意以下事项【2 0 】，【2 1 】【2 2 l ，【2 3 l ： 1 、由于采用了激光调阻工艺，所以它的失调电压及漂移都不大，因而对大多数应 用来讲一般不需要调零。高精度应用场合可按图2 8 进行调零，调零电位器在1 0 l 1 m q 内选用，推荐使用1 0 0 k q 。调零后的电路漂移也将有所改善，大约每调正l o o r t v 失调 电压，其漂移将减少0 3 v c 。 2 、常规的f e t 管输入运算放大器因采用的是p n 结隔离工艺，故在输入端必须加 以保护，以防止输入f e t 管栅极到衬底间的隔离p n 结被正偏时所形成的大电流将器件 烧坏。而对o p a l 2 8 ，因采用介质隔离工艺制造，因而输入端不需要专门的保护。 3 、由于o p a l 2 8 一般用于高阻抗应用场合，因而需要采取屏蔽措施以尽可能减少 输入线上的交流干扰。图2 9 所示为保护输入端的印制板屏蔽环设置和布线方法。屏蔽 环将完全环绕运放的输入端和高阻抗的输入端，并被接到低阻抗的一个输入端，再经管 脚8 与器件的管壳及衬底短接在一起，使放大器本身完全被屏蔽保护电位所包围，以尽 可能减少噪声干扰。保护环应布设在印制板的正、反两面。 4 、接到放大器输入端的电缆因摩擦而产生的静电，也是一个麻烦的噪声源，建议 使用低噪声电缆。但最佳办法是用尽可能短而硬的导线直接将信号源焊接在放大器的输 入端。 17 中北大学学位论文 反相输入 - 9 9 底枧图 = 图2 9 输入端屏蔽环布线示意图 由于电离室里输出的是平均电流，是幅值信息，所以采用电荷灵敏形式的放大电路， 其典型电路如图2 1 0 所示。 r s 图2 1 0 典型i v 转换电路 由图2 1 0 的线路形式可知，要达到1p a 级测量水平，例如要达到l m v l p a 灵敏度， 则所需反馈电阻为1 0 9 q 数量级。如此高值电阻不仅会加大输入偏置电流、失调电流及 其漂移的影响，产生运算误差，而且还会影响到增益的精度和稳定性。此外，还会因为 高值电阻上分布电容的影响增加使电路的响应速度下降。 提高响应速度的方法是引入反馈，t 型反馈网络可使较小的反馈电阻获得较高的灵 敏度。改进后电路如图2 1 l 所示。对于理想运放，该放大电路的被测电流i 与输出电压 v o 的关系式为： 1 8 中北大学学位论文 ；? j _ “：一? ；1r 一一一 i一 图2 1 1t 型i v 转换电路 ( 2 1 ) 取r s = 1 0 m q ，r l = 1 0 0 t ) ，r 2 1 0 1 d ) 。本系统用小电阻r s ，r 1 与i 也组成t 型网络以 提高增益的稳定性和精度，减小噪声，r i * r 2 幽 脚 丑 解 2 0 0 p p m 5 0 0 p p m 待测气体浓度m v 图3 3 折线拟合法 把一条测量特性曲线用几段直线拟合，每段直线由下列方程描述： y = 甜+ 6 ( 3 3 ) 式中a 和b 是系数，每条直线有两个点是已知的，如图中直线段( 毛1 ，咒。) 和( ， 只) ，因此通过解下列方程： 乃一l = a i x i l + 6 ( 3 4 ) 乃= q 薯+ 6 f ( 3 5 ) 可得出直线段的f 的系数口，岛： q = 盐盥 ( 3 6 ) g i 一毛一i 岛= 型巡 ( 3 7 ) x t 一而一1 把各段的勿，q 存入r o m 中，然后根据测量值的大小，判断z 属于哪一段，然后从 存储器中取出直线对应的系数岛，q ，根据方程式( 3 3 ) 计算出实际的被测值y 。例 如设坼矿、x p p 分别为某被测参数在某折线段的a d 转换结果和对应得出的真实测量显 2 9 中北大学学位论文 示值；、i 哦分别是该段a d 转换结果的初始值和终值；x m ；。和分别是该段的 被测值的初始值和终值，所给出的线性化处理程序框图见图3 4 。 图3 4 分段直线线性化处理程序框图 3 0 中北大学学位论文 3 3 过采样技术及数字滤波 3 3 1 过采样提高传感器分辨率 测控技术发展到现在，微弱信号检测技术已经相对成熟，基本上采用以下两种方法 来实现：一种是先将信号放大滤波，再用低或中分辨率的a d c 进行采样，转化为数字信 号后，再做信号处理；另一种是使用高分辨率a d c ，对微弱信号直接采样，再进行数字 信号处理。两种方法各有千秋，也都有自己的缺点。前一种方法，a d c 要求不高，特别 是现在大部分微处理器都集成有低或中分辨率的a d c ，大大节省了开支，但是增加了繁 琐的模拟电路。后一种方法省去了模拟电路，但是对a d c 性能要求高，虽然- a a d c 发展很快，已经可以做到2 4 位分辨率，价格也相对低廉，但是它是用速度和芯片面积 换取的高精度，导致采样率做不高，特别是用于多通道采样时，由于建立时间长，采样 率还会显著降低，因此，它一般用于低频信号的单通道测量，满足大多数的应用场合。 而本文提出的方案，可以绕过上述两种方法的缺点，利用两者的优点实现微弱信号的高 精度测量。 1 、基本原理3 盯t 蚓 由奈奎斯特定理知：采样频率f s 允许重建位于采样频率一半以内的有用信号，如果 采样频率为4 0 k h z ，则频率低于2 0 k h z 的信号可以被可靠地重建和分析。与输入信号一 起，会有噪声信号混叠在有用的测量频带内( 小于f s 2 的频率成分) ： r ( f ) - e _ ( 2 正) v 2 ( 3 8 ) e r m 是平均噪声功率，z 是采样频率，e ( 厂) 是带内e s d 。 方程式( 3 8 ) 说明信号频带内的噪声能量谱密度e s d 随采样频率的增加而降低。 矿 v = 善( 3 9 ) 2 “ 方程式( 3 9 ) 为相邻a d c 码之间的距离或l s b 。为了说明过采样对噪声的影响，先 定义量化噪声为：两个相邻a d c 码之问的距离对应的电压值。因为a d c 会舍入到最近的 量化水平或a d c 码，所以n 是a d c 码的位数，v r e f 是参考电压，量化误差小于v 2 。假 设噪声近似为白噪声，代表噪声的随机变量在a d c 码之间分布的平均值为0 ，则方差为 3l 中北大学学位论文 平均噪声功率，计算如下： 。啦静= 罟 如果用过采样率o s r 来表示采样频率与奈奎斯特频率2 _ n 关系，其中z 是采样频 率，厶是输入信号的最高频率则 o s r = 击 ( 3 1 1 ) 2 厶 而带内噪声功率是o s r 的函数，如果噪声为白噪声，则低通滤波器( 对样本求均值) 输出带内噪声功率为： 小肛c r ) 2 归文等 - 恚 上式说明，我们可以通过提高o s r 来减少带内噪声功率。e h 于过采样和求均值并不 影响信号功率，即信号功率没有减少，而带内噪声功率却降低，显然信号的信噪比s n r 就得到了提高，也就是等效于a d c 的分辨率得到了提高。 噪声功率是o s r 和分辨率的函数。可以从方程式( 3 1 0 ) 、( 3 1 1 ) 和( 3 1 2 ) 得到 下面这个反映噪声功率与过采样率和分辨率关系的表达式( 3 1 3 ) ，其中o s r 是过采样 率，n 是a d c 的位数，是参考电压。 咖爿涵侈2 ( 3 - 3 ) 反过来给定一个固定的噪声功率，可以计算所需要的位数，解方程( 3 1 3 ) 求n ，得 到用给定的参考电压、带内噪声功率及过采样率计算有效位数。方程式如下： = 丢l 0 9 2 ( o s r ) 一1 1 0 9 2 0 2 ) 一三1 0 9 2 ( 2 + 丢l 0 9 2 ( ) ( 3 1 4 ) 从方程( 3 1 4 ) 可以注意到：采样频率每增加1 倍，带内噪声将减少3 d b ，而测量分 辨率将增加1 2 。 简单的说在这种采样的数字信号中，由于量化比特数没有改变，故总的量化噪声功 率也不变，但这时量化噪声的频谱分布发生了变化，即将原来均匀分布在o - f s 2 频带 3 2 中北大学学位论文 内的量化噪声分散到了o - o s r * f s 2 的频带上，o s r 为过采样率。下图表示的是过采样时 的量化噪声功率谱。 量 化 噪 声 频 谱 密 度 # 2 图3 5 量化噪声频谱密度 若o s r 远大于1 ，则o s r * f s 2 就远大于被采样信号的最高频率f m ，这使得量化噪 声大部分分布在被采样信号频带之外的高频区域，而分布在被采样信号频带之内的量化 噪声就会相应的减少，于是，通过低通滤波器滤掉f m 以上的噪声分量，就可以提高系 统的信噪比。这时，过采样系统的最大量化信噪比为公式： ( 熹) 地扎7 6 删g 署 ( 3 1 5 ) h 式中f m 为被采集信号的最高频率，o s r f s 为过采样频率，n 为量化比特数。从上式 可以看出，在过采样时，采样频率每提高一倍，则系统的信噪比提高3 d b ，相当于量化 比特数增加了0 5 个比特。由此也可看出提高过采样频率可提高a d 转换器的精度。 l 、具体实现3 7 1 删 在实际应用中将一个信号的带宽限制到小于f s 2 ，然后以某个过采样率o s r 对该 信号采样，再对采样值求平均值得到结果输出数据。每增加一位分辨率或每减小6 d b 的 噪声，需要以4 倍的采样频率f s 进行过采样。 f o s = 4 * f s ( 3 1 6 ) w 是希望增加的分辨率位数，f s 是初始采样频率，l o s 是过采样频率。设计时数据 采集部分选用了s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司的高集成度的混合集成芯片c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机， 该单片机采用高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p 一5 1 内核( 可达2 5 m i p s ) 集成真正 3 3 中北大学学位论文 1 2 位、l o o k s p s 的a d c ，带p g f i 和8 通道模拟多路开关。 本系统使用1 2 位的a d c ，分辨率0 6 m v ，为了将测量分辨率增加到1 6 位，按下式 计算过采样频率：f o s = 4 4 * 3 0 ( h z ) 约为7 6 8 k h z ，分辨率可达到0 0 4 m v 。因此，如果以 f o s = 7 6 8 k h z 的采样频率对光离子化传感器进行过采样，在所要求的采样周期内收集到 足够的样本，对这些样本求均值便可得到1 6 位的输出数据。为此，先将2 5 6 个连续样 本累加在一起，然后将总和除以2 5 6 ，最后得到的值作为样本。因c 8 0 5 1 f 0 4 0 为8 位机， 处理速度相对较慢，做除法运算时采用把2 5 6 个样本和右移两位，减少运算占用c p u 资 源。过采样算法基本流程如图3 6 图3 6 过采样算法流程图 得到较好结果，是以牺牲c p u 的运行时间和占用内存资源为代价的，同时较低a d c 3 4 中北大学学位论文 转换芯片也必须具有较高的转换速度，其转换速度必须满足过采样率o s r 的要求。否则， 上述效果是得不到的。由此可以看出：对于给定的采样速率，应在分辨率和吞吐率之间 权衡。 3 3 2 数字滤波刎巾1 3 防干扰的硬件滤波是至关重要的，但是存在着一定的局限性，当干扰信号的频率很 低时( 例如低于i h z 以下的甚低频干扰信号) ，或者当干扰信号与被测有用信号属于同一 频带时，硬件滤波将无能为力。而数字滤波技术能有效地消除许多类型的干扰。在实际 调试过程中，发现对于稳定的模拟信号进行a d 变换时，其结果往往在一定的范围内产 生波动。例如在测试的数据中就有这样组数据”y w l 3 0y w l 2 5 y w l 2 9 y w l 2 9 y w l 2 8 y w l 2 9 y w l 2 9 丫w 1 3 0y w l 3 0y w l 2 7 ”，其中“y w l 2 5 就可能是跳码。为此可采用中值滤波来对a d 转换结果进行滤波。 常用的数字滤波有中值法、算术平均法、限幅法、消抖滤波法、中值一平均法等滤 波方法。以上滤波方法各有优缺点，结合本系统信号特征选用中值一平均滤波法，这种方 法融合了两种滤波法的优点，能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，可消除由于脉冲 干扰引起的采样值偏差，对温度、液位变化缓慢的被测量参数有良好的滤波效果。 这种方法相当于“中值滤波法+ 算术平均滤波法 ，其实现方法为： ( 1 ) 连续采样n 个数据，去掉一个最大值和最小值； ( 2 ) 然后计算n - 2 个数据的算术平均值，作为本次采样值。 基本算法如下 f o r ( i = o ；i 7 ；i + + ) s u m o + = a i ； f o r ( i = 0 ；i a 【i + 1 】) a m a x = a i ； e l s e a m a x = a 【i + l 】； i f ( a 【i 】 a 【i + l 】) a m i n = a i ； e l s e 3 5 中北大学学位论文 a m i n = a i + l 】；) s u m o = s u m o - a m a x a m i n ； s o = - ( i n o ( s u m