基于红外光谱吸收原理的新型非分光光学式气室设计

基于红外光谱吸收原理的新型非分光光学式气室设计

0反射式气室传感器ch4红外甲烷传感器是利用红外光谱吸收原理监测ch4体积分数的设备。它在矿山广泛使用，有效遏制了氧化事件的发生，提高了矿山的安全生产水平。红外气室作为红外甲烷传感器的核心部件,直接影响到测量精度和其他性能,在很大程度上决定了传感器的优劣。目前市场上流行的气室大多为反射式红外气室,这种气室用2倍气室中腔长度估算光程,使测得的CH4体积分数误差较大。笔者采用半导体硅MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem,微机电系统)红外片状光源设计了一种新型直射式气室,其光程就是气室中腔的长度,测量结果更加准确。1ch4对红外光的吸收作用直射式气室红外甲烷传感器的工作原理如图1所示。直射式气室红外甲烷传感器工作时,含CH4体积分数信息的电信号的产生、输出全部是在气室内完成的。一束红外光通过待测的CH4时,CH4只对红外光中的某段红外光能有吸收作用。CH4吸收的最强红外光的波长称作CH4的特征波长。大部分非对称双原子和多原子分子在红外区都有自己的特征波长,当红外光通过待测气体时,其吸收关系服从朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律。出射光强计算公式为式中:I0为入射光强;K为被测气体的吸收系数;C为被测气体的体积分数;L为红外光通过被测气体的光程。2直隶气室设计2.1探测器组成直射式气室由红外光源罩、半导体硅红外片状光源、气室中腔、双通道红外探测器组成,如图2所示。该气室利用MEMS工艺将光源发射、红外光传播、红外光吸收、光电信号转换及信号处理等工作区域中除电路测控外的部分全部集成在一起,因此,其优劣很大程度上决定了整个甲烷传感器性能的好坏。2.2选择红外光源和光源保护装置2.2.1基于半导体材料的红外光源的优势红外光源选择Intex17-0900硅半导体片状光源。该光源是1.7mm×1.7mm硅膜MEMS工艺的热辐射红外光源,其红外光输出谱线为中红外区的1~20μm窄带,调制频率范围为0~140Hz。相对白炽灯红外光源,这种新型的基于半导体材料的红外光源的主要优势是具有高转换效率和高红外光光通量。目前市场上流行的白炽光源光谱都是从可见光区到中红外区,而气室需要的是CH4特征波长(3.3μm)前后窄带的红外光,若采用白炽光源,大部分光能都无法被吸收而浪费掉。白炽灯的发光部分是一段灯丝,而该半导体光源的发光部位是边长为1.7mm的正方形区域,因此,其光通量远远高于普通的灯丝,辐射红外光的均匀程度也高于普通灯丝的红外光,从而气室内CH4对红外光的吸收就更加充分、均匀。因为红外光有热效应,能加热气室内部的气体,所以高光通量的Intex17光源能促使气室内气体和外界气体更迅速地进行交换,进而很好地降低气室的反应时间。Intex17光源在不同灯体温度下的光谱能量分布如图3所示。2.2.2ch4体积分数仿真光源罩设计成曲率为9mm的旋转抛物面,将红外光源放置在曲面的焦点处,以保证投射到抛物面的光线会沿着近似平行的路径传播,得到一束近似平行光。平行光优势:(1)平行光可以很大限度地减少红外光在气室中辐射时的能量损失,大部分光能不会因为在气室内折射、反射而浪费。(2)光束近似平行光,则气室中腔的长度近似为光程,与反射式气室相比,没有过多的反射光程,估算误差更小,进而算得的CH4体积分数会更加精确。图4为用光学仿真软件Zemax模拟的红外光传播路径和在探测器位置上形成的光强分布。可见,光强经过反射罩、气室中腔到达探测器位置时的光强分布均匀、对称。2.3气室的规模确定2.3.1气室直径的选择理论上,气室直径越小则气室的响应时间就越短,所以气室直径应在满足光源、探测器封装尺寸的前提下做到最小。片红外光源的直径为10mm,探测器的直径为9.2mm,所以气室内径确定为10mm。2.3.2满足灵敏度要求的原则由Lambert-Beer定律可知,气室越长,CH4吸收红外光越充分,则气室的检测精度、灵敏度越高。综合考虑气室集成化、便携性以及红外光在气室内部折射和反射造成的光耗等因素,气室长度不宜太长。气室长度的确定主要取决于被检测气体的种类和检测灵敏度要求,应该在满足灵敏度要求的前提下做到最短。本文中的气室要求能检测出体积分数为100cm3/m3的CH4,即φ(CH4)=0.03%。在室温下、气室内径为10mm时,采用不同气室长度的红外甲烷传感器检测φ(CH4)=0.01%的CH4的结果见表1。在气室内径确定的情况下,气室长度过短则灵敏度达不到预期要求,检测不出CH4体积分数;而气室长度越大则响应时间越长。由表1可看出,当气室长度取80~110mm时能达到灵敏度和响应时间的均衡,因此,设计气室长度为95mm。气室采用可拆卸结构,即光源部分、探测器部分通过螺丝和气室中腔装配到一起,要用不同长度的气室时只需换上适当长度的气室中腔即可。该结构节省了实验材料,且采用同一光源和探测器可大大减小实验误差。2.4红外探测器的测量原理选择铌酸锂(LithiumNiobate,LN)晶体作为探测器的光敏单元。LN晶体是一种多功能材料,具有良好的热释电性,硬度低,易研磨,物理化学性能稳定,所以其作为光敏感材料在光电探测中的应用一直倍受关注。红外探测器的光敏单元由薄板电容器组成,而薄板电容器由LN晶体化合物组成,当光敏单元吸收红外光源辐射的热量时便会反向承载产生热释电效应。为了消除光源辐射光能不稳定以及外界温度对探测器性能产生的影响,采用双通道双补偿原理设计红外探测器,以提高测量精度。双通道分别为对比通道和检测通道。因为CH4在红外光3.3μm波长具有特征吸收峰值特性,故检测通道装有3.3μm的滤光片;对比通道则选用稳定的没有气体吸收的4.0μm波长滤光片滤光,以实现参考和补偿功能。由公式(1)推导可得红外探测器检测通道的输出电压信号为CH4对于4μm的红外光吸收程度不深,同理可知,红外探测器对比通道的输出电压信号为式中:K1、K2为2个通道的比例因子,可通过将气室放在高纯氮气中测量得到;L为气室的长度,对于一个确定气室来说,K和L都是确定的;C为待测气体的体积分数;I1、I2为红外光到达2个通道时的光强。因为在实际检测过程中光强因子容易受外界影响而难以准确测量,所以应消除光强因子的影响。由2.2.2节中的Zemax仿真可知,红外光在探测器位置的光强分布是均匀、对称的,所以有I1=I2,对式(2)、式(3)求比值即可消除光强因子的影响:式(4)是一个求取气体体积分数的简单计算式,其计算结果经单片机AD转换后即可输出到数显模块显示。2.5红外光区因为煤矿井下环境特殊,虽然气室做了防尘和防潮处理,但气室内仍然会有粉尘和水汽进入,对光源和探测性能产生不利影响,所以要对光源和探测器进行保护。视窗主要用来保护光源、探测器,防止水汽和粉尘对器件造成损害。视窗材料要有较好的机械性能且对红外光有高透性。目前常用的红外透射材料主要有GaF2、MgF2、BaF2等几种氟化物。4种氟化物在红外光区的性能见表2。从透过率及透过光谱来说,4种氟化物都能满足视窗设计要求。但BaF2主要应用于低温制冷成像系统中,并且其所在的环境一定要保持干燥,井下的潮湿环境会降低其透过性;LiF主要应用于航天和激光光学系统,其水溶性高,容易潮解和变形,在恶劣的井下环境中使用会严重地降低其性能;GaF2和MgF2性能相近,其硬度高,抗机械冲击和热冲击能力强,且可透过的红外波段相近,满足视窗设计要求。综合考虑价格因素和材料来源,选择GaF2作为视窗材料。图5为GaF2红外光谱透过曲线,图6为直射式气室实物图。3ch4体积分数在传感器标定过程中,采用99.9%的高纯N2作为CH4的载气。计算CH4体积分数可采用以下方法:将气室放入配气箱,开启配气系统,将配比好的混合气体送入配气箱中;待混合气充分均匀并充满配气箱后,得到探测器2个通道的输出电压值,设检测通道值为D,对比通道值为C,用D、C及式(4)进行相关计算即可得到CH4的体积分数。但这种方法会大大地占用微处理器的资源,耗费微处理器时间,影响传感器的整体性能。本文采用程序查表的方法计算CH4的体积分数:事先把标定好的数组拷贝到单片机中,当D、C值满足某种关系时,CH4体积分数就对应数组中的某个值,通过查表显示该体积分数值。采用的关系式为式中:R为CH4体积分数的等效值;Nd、Nc分别为探测器在纯N2下测得的2个通道的输出电压值。选择一组R值进行数据处理和线性拟合,结果如图7所示。通过多次试验证实该曲线有很好的重复性,并且线性度良好。对不同体积分数的CH4进行测试,对比其体积分数标准值和实测值,表3为0~2.5%CH4体积分数范围内的测试结果。可见,最大测量误差仅为±0.05%。4ch4传感材料的选择吸收采用半导体硅MEMS红外片状光源设计了一种新