基于红外线吸收的迷你多气体检测器的设计

基于红外线吸收的迷你多气体检测器的设计谭秋林a,b,*，张东文a,b，陈扬学a，季军红a,b，马友春a，文芬b（a中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051b国家电子测试技术重点实验室，山西太原030051）2007年2月11日接收2007年9月修订；2007年10月接受；2007年12月11日上传摘要：本文阐述了一种新型的非色散红外线（IR）气体检测系统，传统设备通常包括几个主要部件：宽带源（通常是白织灯的灯丝），旋转斩波快门，窄带滤波器，样本管和探测器。但是我们主要使用微型多通道探测器，电子调制方式和小型气体电池结构。为了解决煤矿瓦斯事故和使用天然气带来的家庭安全问题，开发出这个新型的集成化、小型化非移动红外探测系统。它基于某些气体在特定的（而且往往是唯一的）波长辐射内吸收红外线的原则，主要分析了在开发这个系统时采用红外探测光学原理，多气体检测器的想法是在单气体检测器的指引下产生的。通过对电池结构设计的研究，集成化和小型化电池已经制定。以单片机为核心处理器，设计了气体检测系统的功能框图，并带有硬件和软件系统分析和制定。对控制器区域网络（CAN）总线和无线数据传输模式的数据传输方式进行了解释。该系统已达到低功耗、体积小、测量范围宽的技术要求，能够实现多气体检测2007.Elsevier.Ltd.保留所有权关键字：红外的；多气体检测器；集成化和小型化1.介绍在山西太原，这个空气中含有大量有毒空气污染物的地方，由于经济和采矿过快增长导致排放量增加是不可避免的。在中国人口稠密的工业发达地区，空气污染是一个严重的问题，特别是在山西，有害气体对人类的伤害引起越来越多的关注。为此，研究人员设计了一些有效的方案1-4来解决这个问题。当前的经济现实是，两组气体传感器技术在两个迥异存在的标记段竞争：负担得起的（不可靠）化学反应传感器消费市场和可靠的工业、实验室、医疗器械市场的红外光谱传感器。红外传感器可分为两大类：热传感器和光子传感器。从历史上看，热传感器是在红外电磁频谱范围操作的第一类传感器。自1930年以来，红外技术的发展一直是窄隙半导体探测器占据主导地位。设备都有出色的信号噪声性能和非常快的响应。然而，要实现这一目标，红外线（IR）光电探测器需要低温冷却。相比之下，热传感器通常是在室温下运作，随温度变化很小。所以，红外热传感器被广泛应用于各种检测领域，包括非色散红外气体分析和监测。然而，目前的红外气体检测设备，尤其是多气体检测设备，体积庞大，价格昂贵且需要频繁调整5-7。因此它是难以满足人们日常生活中气体监测的要求，需要迅速解决。为此，开发一个新型便携和免维护的空气污染监测设备来提高人们的环境监测能力应运而生。红外探测方式，虽然公认高度可靠、应广泛并且使用寿命长红外探测方式，虽然高度可靠，已承认了广泛和良好的长寿，由于过了很长一段时间的限制不能实现设备小型化，例如，它不能在应用推广。随着微机电系统（MEMS）技术，特别是光学MEMS技术的发展，红外光学气体检测系统的小型化是可能的8-10。本文介绍了一种新型红外气体检测系统。作者提出，如HC，二氧化硫，一氧化碳，NXO等有害气体的检测，可实现的想法，通过使用微型器件和微技术开发多气体检测传感器。在民用领域的研究可用于生产。通过加强这种传感器的保护，如防潮，防水，防爆等，研究生产也可以用来探测地雷下的气体。因此，该传感器具有良好的应用和产业化前景。2.基本原则对称双原子和多原子分子气体，例如甲烷，水，氨，二氧化碳，乙炔，二氧化硫，一氧化氮和二氧化氮，在红外波段有特征吸收峰。通过这个属性，我们选择适当的过滤器，用热释电红外传感器（PIR）可以检测气体浓度信号。作为指导，以甲烷检测为例就优先考虑单一气体检测的情况。当红外辐射通过气体时，其分子吸收光能，吸收的关系如下Lambert-Beer定律1，3，11，即： 其中，和分别表示通过要测量的气体前、后的红外单色平行光的光照强度; K为气体吸收系数，C为气体浓度，L为细胞的长度。对于非平行光，我们考虑其并行ponderance，红外光的并行不影响系统的灵敏度。光的强度可以影响系统的灵敏度且也难以衡量，但我们使用了双通道的检测方法和计算两个通道的输出信号比解决光的强度因子，避免直接测量光的强度。图1为一个双通道探测器的输出信号示意图如图1所示，探测器有两个输出信号通道。一个称为感应待测气体的活动的通道（Act.），其输出信号是光的强度和待测气体浓度的比例，另一种是参考通道（Ref.），其输出信号不涉及到要测量的气体，和光的强度成正比。这两个信号都和光的强度成正比。根据图1的两个关系，它们之间存在一个共同的参数，即两个信号的输出都与光的强度有关，另外活动通道气体浓度相关。一个确定的系统，吸收系数K和细胞的长度L是明确的。因此，我们可以假设两个通道的规模因素分别为K1和K2，这样我们有：活动通道的输出信号： 参考通道的输出信号：。 在实际经验中，很难准确测量光的强度。为了消除光照强度的影响，我们可以解决上述两个公式的比例来消除光的强度因子和系统的影响，以提高精度。因此，我们有下面的公式：exp(KCL). 所以， 一个确定的系统，K和L是不变的。所以-1/KL记作Q，我们可以假设可以通过校准，软件和电路来补偿，记作m，随环境温度与环境变化。可视为相当于X因子，通过电路和一个单片机（SCM）的运作来解决。因此，我们有 在明确的环境中，气体的浓度可以写成：， 其中x表示输出信号，相当于浓度，是两个通道的输出信号比的对数，Y是细胞中的分子数; k和b是该系统的规模参数。这是通过数学处理的最后的浓度公式，这种方法中浓度可通过上述方法测量。在实际应用中，探测器配备内置过滤器，对于特殊气体，在强碱性吸收频段是透明的。与机械的方法相比，我们可以用很短的光路，保持令人满意的方案，使传感器结构紧凑。活动通道的输出信号的峰 - 峰值将随气体分子吸收的光能减少。参考通道使用不同的过滤器，这种变化不敏感。通过求解两个通道的输出信号的峰 - 峰值价值的比例，我们可以测量目标气体中的输出信号的变化，并删除环境和物质的影响导致的变化，这已经通过实验证明了。因此，作为数学处理，可视为等效浓度系数的规模化的吸收系数可以由以下公式定义 S1和S2分别表示活动通道和参考通道的输出峰-峰值， 和定义为在100的氮的环境下的S1和S2。我们可以通过查找程序表得到浓度值。通过捕捉周期（见图6）得到的系数Fa可用于确定实时浓度。事实上，通过Fa，我们可以间接校准气体的浓度和两个通道的峰 - 峰值的关系，或确定相应的校准浓度数据表。查表可通过单片机程序完成。该检测系统已被证明通过以上的分析和实践后具有非常准确和良好的效果，小型化也可更容易实现。根据上面的分析，检测多种气体时，没有遗留，但要整合相应的活动通道（参见图2（b）。每个通道符合上述原则，并共享一个共同的参考通道。这样，我们可以在测量多种气体得到令人满意的结果。图2（b）是测量多种气体的示意图，图2中，传感器和光学滤波器密封成TO-5金属外壳，其外观尺寸是f 8.154.6 .3.校准和补偿对于在一个封闭气室的校准过程中，通过使用气体分析仪，我们得到了封闭气室中的气体浓度值;同时，在同一个密闭气室和相同的气体浓度下，我们的传感器获得了U1和U2两个输出值，因此，我们能够获得一个相应的浓度值Fa。因此，我们可以得到Fa和气体浓度之间的关系。对于某一个固定的系统，（2.5）式中Eq的参数K2和K1仅仅与环境温度有关。人们已经发现，当周围环境温度变化时，我们设计的系统需要做5的补偿。在相同的气体浓度下，每当周围的环境温度变化5时，系统的测量值比实际值少0.014。因此，我们认为可通过环境温度测量来做补偿。所以我们得出以下关系式：其中Tcal表示传感器校准时的环境温度; T为传感器测量气体时的环境温度，C*表示与两个通道比例相关的浓度; C表示实际浓度。 图2 微型红外气体探测器：（a）单气体探测器;（b）三气体检测仪（外型尺寸：8.154.6平方毫米）4、新系统的设计4.1检测器的光学结构与这种检测系统的性能有关的细胞结构的设计是非常重要的。目前，大型的机械调制红外分析仪耗电多、音量大，不适合便携使用，但适合在实验室中使用。这种设计的目的是使整个系统小型化，并降低功耗。因此，不能用机械调制的方法，应采用电调制，使之达到一个小的体积和更低的功耗。图3是一个单独的细胞结构。随着集成技术和薄膜技术（和先进的MEMS技术，这些技术主要表明红外探测感应元件和探测器的设计，这将另文报道）的发展，探测器、光源、过滤网等都可以集成到一个小型气室结构中，这样可以使红外传感器系统小型化，使传感器的使用更方便，并能减少由单独的类型12-15气室结构带来的可能出现的错误。在此基础上，我们已设计出了具有图4所示特点的系统结构。图3镏金的分离式的气室结构（外型尺寸：56（L）16（宽）12（高）立方毫米）示意图图4.(a)外型尺寸的概念设计草图：2228平方毫米 （b）光束反射路线。4.2检测系统根据上述原则，要求设计一个合理的检测设备，首先对其输出信号进行处理和放大，然后通过微处理单元（MCU）来进行A / D转换、信号处理以及判断。一个合理的气室（见图4），其中将红外发光二极管（LED）和红外探测器集成在一起，用于集中能量，并且在内表面电镀了具有良好的光反射的金属物质。红外LED是通过单片机的定时器控制脉冲电流供应（见图5）调制。由于不稳定的后台因素，可能会减少或消除光源调制。而以这种方式获得的输出信号中，包含了直流电（DC）偏置电压的多阶响应。因此，我们应该采取措施阻止直流偏置电压以及过滤等，以获取有关浓度的有用信号。考虑到温度的影响16,17，该系统在细胞结构中附加了一个温度传感器（见图5）。其补偿方式如以上第三段所述。因此，降低系统的影响，就能获得更好的结果和更高的精度图5 检测系统的块状设计SCM C8051F040的单片机内置12位的A / D转换器和集成的CAN总线，用于微处理器。SCM是在硅谷实验室公司生产的，是全集成混合信号片上系统（SOC），它拥有的命令内核与MCS-51完全兼容。通过处理和判断捕捉到的多个信号，我们可以得到相应的气体浓度值。初始值由程序设置；声音或光报警的开始通过单片机来判断。实时浓度值可以通过数码管显示；它还支持CAN总线的数据传输模式，并且还支持直接与个人电脑通讯的模式。5、软件设计C8051F040被用做SCM的微处理单元或者用于编程的MCU.C，这种语言加强了可读性和可移植性，可方便地编写程序。实践证明，红外吸收系数与气体浓度变化有关，同时涉及到细胞的结构设计、电磁干扰以及捕捉信号的方式等。红外灯需要由微处理器调制。图6是程序设计流程图。首先要抓获环境温度。并需要监测温度传感器的输出，以确保红外传感器不受空气湍流和环境温度大幅度变化的困扰。要捕获每个通道的输出信号的初始值，这是输出信号的峰-峰值的低水位标记，即前红外灯的光检测器的输出信号值。初始值（A）和红外LED光源和光感之间的关系如图7所示。初始的稳定值由程序估计，一些可能出现的初始值存储在使用规范的气体分析仪校后的传感器微处理器中。只有当初始值是稳定值时，红外LED灯才会被点亮。红外LED照明持续时间为100毫秒，是为了等待红外LED变得稳定。当红外LED变得稳定时，每个通道的输出信号的最终值（B）就被捕获，这是高水位的峰-峰值输出信号值标记，即探测器红外LED的点亮后的最大输出信号值。一个合理的浓度也由程序估计；一些可能出现的值存储在使用规范的气体分析仪校准后的传感器微处理器中。图6. 主程序流程图图7探测器的输出信号和红外线LED无光或光线之间的关系6.数据传输模式6.1 CAN总线模式CAN总线是一种现场总线，被广泛应用于汽车、车间、电梯等。CAN2.0B控制器是集成在C8051F040上面的。因此，当我们相连接到CAN网络时，只需另外追加一个收发器，比如说TJA1050的【18】。TJA1050是一个高速收发器，它通过串行输出线TXD和串行数据输入线RXD连接到CAN协议控制器，CAN协议控制器通过总线终端CANH和CANL与CAN总线相连，CAN和CANL有着独特的接收和传输能力。通过控制针S可以选择两种工作模式：一种是通过TJA1050的接地或浮针S的高速模式，另一种是通过与高水平的连接针S TJA1050的沉默模式。CAN分布模式总线传输网如图8所示。图8.CAN分布模式总线传输网6.2无线模式在设计中使用的射频（RF）芯片是Chipcon公司公司制造的CC1000。基于CC1000的的无线收发如图9所示。该芯片具有发送和接收两个功能，开发人员可以编程控制它的发送和接收。CC1000的具有很多优良特性，比如良好的抗干扰功能，通信速度高，体积小，低功率消耗，性能稳定，高性能价格比等【19,20】。由于考虑到一些问题，如成本问题，我们使用射频识别技术（RFID）的工作频率是433兆赫的设计值。通过实验和测试证实，这个系统可以满足矿山系统的功能要求，如传输距离和数据的可靠性等方面。该系统与CAN总线总线和无线数据传输模式如图10所示。图9 基于CC1000的的无线收发器图10 基于CAN总线和无线传输网示意图7实验和结论在我们的日常生活中，甲烷和二氧化碳是常见的，并且在实际检测中也经常见到。红外气体检测系统可广泛应用于矿山，环保，加工控制，森林防火，家庭使用天然气，控制系统以及在农业，科研，医疗，卫生等方面;在实验中，我们已经研究过两种气体。波长为3.3毫米的过滤板用于;4.26毫米波长的用于二氧化碳过滤，并与3.93毫米的波长为参考通道。通过多次实验，我们当前得出了表1和表2的数据。在软件OriginPro7.5的帮助下，通过拟合实验中测量得到的多气体即甲烷和二氧化碳数据，我们得出如图11的关系曲线。实验进行了多次表明，这种方法显然已经达到了高精确度（70.05）。多气体监测仪的设计图如图12所示，其规格也如图12中所示。一种新型的光学结构的便携式多气体红外报警探测器已设计和实现。由于没有削波器、无机械调制器，因此，可以节省能源，并带来结构紧凑。没有移动部件，使其具有高度可靠性和良好的寿命。表1二氧化碳实验数据（CO2）的范围：（0-2）正常值0.00.230.490.650.901.231.431.671.92测量值0.040.240.470.660.891.231.401.671.86表2甲烷实验数据（CH4）的范围：（0-5）正常值0.00.450.901.351.802.262.713.164.064.51测量值0.00.420.951.311.762.182.563.023.404.37 a：甲烷浓度关系曲线 b：二氧化碳浓度关系曲线图11 校准曲线关系图图12 红外多气体检测仪红外多气体检测仪产品规格如下:准确度：0.05;测量范围:0-5（CH4）,0-2（CO2）;响应时间：20秒，（自主扩散，无气泵）;环境温度条件：零下10到40;使用寿命：2年;功率：2.54W尺寸：60mm（长）44 mm（宽）28 mm（高）;重量：0.28千克。由于在这项研究中有效地设计了一个参考通道滤波器，使红外便携式多气体报警探测器具有良好的灵敏度和准确响应度，尽管没有报警探测器内的气泵在里面，它依然有一个基于红外吸收应用的光明未来。致谢：我们感谢国家项目“863”基金委员会和哈尔滨工业大学科技研究所的大力支持。该项目由中国国家高科技技术研究发展所（2006AA04061）山西省创新集团和山西省突出研究员大力支持。基于哈尔滨技术研究所和中国北方工业大学研究所的辛勤研究，在消防安全和传感器天然气管泄露方面取得了成功的范例。我们也感谢北京的俊芳机构。参考文献：1 Lo pez F, de Frutos J. 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