基于红外光学原理的瓦斯预警检测系统的设计

基于红外光学原理的瓦斯预警检测系统的设计

早期安全检测工艺的应用近年来，由于经常发生的屋顶事故，造成了巨大的破坏和经济损失，引起了政府和管理部门的重视，吸引了国内外许多科技工作者的注意，并投入了大量资金。我在这方面做了很多研究。甲烷是矿井和工业领域中有害气体的主要成分,对其周围环境中甲烷气体的浓度进行早期安全检测是非常必要的。在以前都是采用气敏原理和热催化原理对其浓度进行检测,其检测精度不高,易老化且易发生致命的错误。为此我们寻找一种新的方法来解决这个问题。利用红外光学原理是近年来许多科技工作者所关注的热点,因为这种方法能够改善以前的那些气敏原理和热催化原理的一些弊端,克服矿井下那种恶劣环境的影响,通过改善和适当选取探测器以及加上有效的信号处理方法,从而使这种方法达到了满意的效果,也大大提高了探测的精度和准确性。1.气体密度测量系统红外光学检测法,这种思想来源于“温室效应”,我们能感觉到热是因为红外的辐射能被象CO2这样的双原子分子所吸收。事实上大多数双原子分子都能吸收红外光,象Nox、CO以及全部的HC等。红外光能够激活气体分子处于高能状态,来自红外光的热能被转移给气体,使气体变热。通常,一束红外光的强度在通过一个气体容器时将会减少,而光强度损失是一定体积内活动气体分子数量的函数,它将用来表示气体浓度的函数。而气体与红外光的相互作用只在红外光的特定波长发生,与这一事实结合,可以设计一种强有力的工具用来测量特定气体的密度,即使在有别的气体存在的情况下也可以实现该功能。热电堆型探测器TPS2534系列正是基于这种原理设计的,具有参考通道和测量通道的双路探测器,是利用甲烷对红外光在3.3um波长处具有特定吸收峰这一特性设计的,而参考通道具有参考和补偿作用。探测器将输出1mv左右的信号,通过正弦波调制红外LED,利用锁定放大检测法检测出与浓度相对应的有用信号,大大提高了测量灵敏度,改善了稳定性,提高了信噪比。2.红外传感器的光强难以消除光强因子的影响设一束波长为λ,光强为I0的单色平行光射向甲烷和空气混合的被测气室时,气室中的样品在λ处具有吸收线和吸收带,光被吸收和散射一部分。式中,K为吸收系数;C为气体浓度;L为气室的长度。由图1可以清楚地看到,光探测器的两路通道在接收红外光后,两路信号的变化情况。对于参考通道输出信号;ref:U2∝I;由上可以看出,两路信号都正比例光强,当气室里甲烷浓度发生改变,气体分子吸收热量将引起光强的变化,从而使两路信号的输出发生改变。而从两关系式分析,都有一个共同的参数I,也就是说两路信号输出都与当前光强有关,且气体通道还与当前的甲烷浓度有关,而对于一个确定的系统,K为吸收系数,L为气室的长度,K、L都是确定的。从而可以假设两路通道的比例因子分别为K1、K2,可以得到以下两关系式:在实际的实验过程中,光强我们很难准确的测量,为了消除光强因子的影响,我们对以上两式求比值,从而消了光强因子,用求比值的方法也消除了系统的一些影响,提高了准确性,由此得到如下关系式:从这个式中我们可以求得浓度:对于一个确定的系统,K、L为常数,所以-1/KL可以假定为一个常数S常,而K1\K2两比例因子只与当前的环境状态有关,可以设这个值㏑K2-InK1为随环境变化的参数m,可以通过标定以及软件和电路的方法来补偿;InU1-InU2可以通过电路和单片机运算直接求得,可以等效为一个因子X。从而可以简化为:C=S常X+S常m,如果对于一个确定的环境,甲烷的浓度可以写成一个直线的关系方程式这就是通过计算和处理最后得到的一个与浓度相关的一个简单的数学关系式,式中的x为与浓度等效的输出信号,是两通道的比值的对数值,y为气室内的分子数,k、b为系统比例参数。结合红外探测原理,利用先进的微型集成技术:红外探测部分,集发光与探测为一体,发光管选用高强度、高稳定度的红外LED;探测器选用具有高灵敏度、高稳定性热释电红外传感器TPS2534,其间用MESMS工艺集成了光电转化电路、信号放大电路和窄带滤波器。信号处理部分,用一脉冲信号对红外光进行调制,同时控制采样时间,在接收到传感系统的信号后,进行信号处理,激活红外光学传感系统进行精确监控,如果判定外界甲烷浓度达到预警浓度时,发出驱动指定来进行预警,预警提示采用声、光等方式,这样能使报警装置在复杂的环境下都得到应用,并且通过单片机控制数码管直观地显示当前气体浓度。3.相敏检波器的设计设X(t)是伴有噪声的周期信号,即:X(t)=S(t)+N(t)=Asin(ωt+φ)+N(t)式中,S(t)为有用信号,其幅值为A,角频率为ω,初相角为φ;N(t)为随机噪声。参考正弦信号为Y(t)=Bsin[ω(t+τ)],其中τ是时间位移。则两者的相关函数为:由于参考信号Y(t)与随机噪声N(t)互不相关,所以Rny(τ)=0,于是就有Rxy(τ)=AB/2·cos(ωt+φ),从而得出Rxy(τ)正比于有用信号的幅值。由以上分析可知,利用参考信号与有用信号具有相关性,而参考信号与噪声相互独立、互不相关的性质,可以使之通过互相关运算削弱噪声的影响。相敏检波器是锁相放大器的心脏,对周期信号进行互相关运算的电路框图如图3所示。设Us=Essin(2πf1t+φ1);则Uo=UsUr=EsEr/2·cos[2π(f1-f2)t+(φ1-φ2)]-EsEr/2·cos[π(f1+f2)t+(φ1+φ2)],表明,相敏检波器的输出包括两部分,前者为输入信号与参考信号的差频分量,后者为和频分量。当被测的有用信号与参考信号同步时,即f1=f2时,差频为零,这时差频分量变成相敏直流电压分量,而和频分量成为倍频。其物理意义表示信号经过相敏检波以后,信号频谱相对频率轴作了相对位移,即由原来以f1为中心的频谱迁移至以直流(f=f1-f2=0)和倍频(f=f1+f2=2f1)为中心的两个频谱。低通滤波滤除倍频分量,从而使输出为Uo′=EsEr/2·cos[2π(f1-f2)t+(φ1-φ2)],在实际的电路中,常常采用对称方波作为参考信号,使相敏检波器处于开关状态,称为开关型相敏检波器。为简化,令Er=1,将方波参考信号展开为傅立叶级数:式中,n为谐波次数;f2为参考方波的频率。当被测的有用信号为Us=Es·sin(2πf1t+φ1)时,则相敏检波器的输出为:检测出的信号含有输入信号的和频与差频信号,经低通滤波滤掉高频成分,从而得到与其浓度相对应的有效信号。若f1=f2,则式中存在直流分量为2Esπcos(φ1-φ2)=2Esπcosθ,其中θ=φ1-φ2为输入信号Es与参考信号Er的相位差。所以在实际的设计中,只要参考信号与被测信号同频、同相,则被检测出的信号既为与被测信号相关的直流分量2Esπ,从而实现了有用信号的检测。4.ad30的调节微光学甲烷传感检测系统的框图如下图所示,通过振荡器调制脉冲电流源,控制LED发光。在气室内,光检测器检测到与浓度相对应的信号,为几个微伏左右的信号,被强背景的噪声淹没。由探测器输出的两路信号需要经过进一步处理,通过选用低噪声、高精度的运放适当放大,再经一个带通滤波器,然后再进入一个经同一振荡器控制的锁定放大器,锁定放大器采用高度集成的平衡调制解调芯片AD630,这样不仅简化了设计,而且有效地抑制了噪声和干扰。关于AD630的原理图和外围电路分别如图5和图6所示,经检测到的信号分别进行对数放大,如图7所示。从而扩大了信号的幅度范围,达到了满意的测量效果。5.试样的微型化实验中,甲烷选用3.3um波长,参比光选用4.0um波长,研制出了双波长双补偿原理的红外甲烷传感器,该传感器体积小于50*40*30mm,实现了样机的微型化。选用了北京均方理化研究所生产的红外甲烷浓度分析仪,这种分析仪,能够快速且较准确的检测甲烷的浓度,可以用来做初步标定实验。该分析仪有一个较大的光学气室,内部配有小风扇,有利于注入的甲烷气体快速扩散,均布整个气室。实验时,用不同浓度的甲烷气体分别注入气室中,测得经锁定放大后,低通滤波、对数放大后的输出信号,绘出相对浓度与输出信号的变化曲线,如图8所示。6.提高仪器的抑制作用理论与实验表明,该红外光学甲烷