基于红外吸收的有害气体监测系统

宿筱

（山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博255049）

随着城市化和工业化进程的加快，各种有害气体的排放对工农业生产、自然环境和日常生活的影响越来越严重，已引起全社会的广泛关注。局部环境和工业现场有害气体浓度过高，将严重危害人们的身体健康。因此，对某些特定区域内有害气体浓度的监测具有十分重要的意义。与传统的气体浓度测量方法相比，红外吸收光谱法具有测量精度高、响应速度快、稳定性能好、抗干扰能力强、可实现多组分气体浓度的同时测量等诸多优点。目前，国内在红外吸收光谱气体浓度检测技术方面还处于起步发展阶段，大多数测量仪器仍选用镍铬丝作为红外光源，采用机械方式调制红外光，存在稳定性差、使用寿命短、对震动敏感等缺陷[1-2]。

本文设计的有害气体监测系统，采用新型脉冲调制红外热辐射光源，高精度干涉滤光片一体化热释电红外探测器，DSP智能控制处理系统等，可在线监测大气环境及工业现场中CO、CO2、CH4的浓度，具有自动显示、越限报警及远程监控等功能。

1 红外吸收光谱检测原理

红外吸收光谱法是利用物质对红外电磁辐射具有选择性吸收的特性来对物质进行定性或定量分析的方法。根据红外理论，许多化合物分子在红外波段都有一定的吸收峰，吸收峰的强弱及所在波长由分子本身的结构决定，气体分子的吸收峰主要分布在1μm～25μm波长的红外区[3]。如CO、CO2、CH4分别在4.66μm、4.26μm、3.46μm有一个吸收峰。当红外光通过气体时，气体分子吸收光能量，在相应的波长处就会产生光强的衰减，而衰减程度与气体浓度的高低有关，其关系服从Lamber-Beer定律，如式（1）所示。

式中：I0为入射光强度；I为出射光强度；K为气体吸收系数；C为气体浓度；L为红外光透过气体的长度。

气体吸收系数K取决于气体特性，不同气体的吸收系数互不相同，对同一种气体，K是吸收峰波长的函数，当待测气体种类一定时，K为一定值。当L一定时，只需测量出射光强度I，即可确定待测气体浓度。由于光强易受外界环境的影响且不方便测量，因此，需要利用热释电红外探测器将光强的变化转换为电压的变化，实现对气体浓度的间接测量。

系统采用单光源4波长的检测方法，红外光源发出的红外光通过测量气室内的光学反射系统入射到热释电红外探测器上，探测器设置4个独立的检测单元，其中：3个测量单元，1个参考单元。每个单元上安装窄带干涉滤光片，测量单元滤光片的透射中心波长分别与待测气体的吸收峰波长相对应，而参考单元滤光片的透射中心波长则远离待测气体的吸收峰波长。红外吸收光谱检测结构示意图如图1所示。

图1 红外吸收光谱检测结构示意图

热释电红外探测器检测单元的输出电压信号可表示为：

式中：G1、G2、G3、GR分别为各测量单元和参考单元的光电转换系数。

该系数与光源特性、滤光片的透射效率、探测器的响应及环境温度有关。对同一探测系统，在相同的使用条件下，每个测量单元与参考单元的光电转换系数的比值为常数。只需测得各单元的输出电压，由式（6）～（8）即可确定待测气体的浓度值。这样的测量方法，可以消除由于光源衰减及温度变化对测量精度的影响。

2 系统设计

系统以DSP为控制处理核心，由光源调制驱动电路、红外吸收检测模块、放大滤波及检波整流电路、通信接口、键盘、LCD显示和电源模块等组成，系统结构框图如图2所示。

图2 系统结构框图

2.1 DSP芯片的选择

DSP是整个系统的控制处理核心部分，直接影响硬件和软件的设计，选用TI公司的32位定点数字信号处理器TMS320F2812，具有以下特点：最高工作频率150 MHz，32位处理器，可实现在较短时间内完成复杂的算法任务。拥有丰富的片内资源，片上Flash、ROM、RAM、定时器、增强局域网络eCAN，12位16通道片内A/D转换器，简化了硬件电路设计。支持TI的ex-pressDSPTM实时开发技术，TMS320DSP算法标准，CCS集成开发环境，为软件开发提供了便利条件。

2.2 红外吸收检测模块

红外吸收检测模块包括：红外光源、气室、热释电红外探测器。红外光源及热释电红外探测器安装在内壁光洁的镀膜气室内，气室开有带防尘罩的气孔，以便使气体自由扩散。气室内的光学系统，使光源发射的红外光经反射后入射到热释电红外探测器上，以增加光程，提高检测分辨率。

红外光源采用新型脉冲调制红外热辐射光源MIRL17-900，以无定形碳材料作为多层热电阻薄膜，通过电流后发热产生红外辐射，其光谱输出范围是1.0μm～20μm，完全覆盖待测气体的吸收峰波长。具有使用寿命长、发射效率高、热容量小等优点[4]。用MIRL17-900取代由传统红外光源、切光片和驱动电机组成的光源系统，使得光源系统中没有可动部件，增强了稳定性和可靠性。

热释电红外探测器是系统的核心器件，采用高精度干涉滤光片一体化热释电红外探测器TPS4339，该探测器是专门针对多组分气体检测而设计的新型热释电红外传感器，包括3个测量单元、1个参考单元和用于温度补偿的测温单元。3个测量单元的滤光片透射中心波长分别为：4.66μm、4.26μm、3.46μm与待测气体CO、CO2、CH4的吸收峰相对应，参考单元的滤光片透射中心波长为3.93μm，远离被测气体的吸收峰，参考单元的光谱不能为被测气体所吸收，只反映光源的光强信息，TPS4339通过各单元滤光片将光强变化转换为电压变化。滤光片与探测器的一体化结构，使其具有体积小、稳定性好及调试方便等优点。

2.3 光源调制驱动电路

热释电红外探测器只响应变化的光强，而对于稳定的光强，其输出信号为恒定值。因此，在使用热释电红外探测器对光强进行探测时，需对红外光源进行一定频率的调制[5]。根据MIRL17-900及TPS4339使用手册中，光源光强及红外探测器响应随调制频率的增加而下降的关系，设置光源调制频率为2 Hz。2 Hz方波调制信号由TMS320F2812定时中断产生，通过反相驱动器74F04和光电耦合器MCT273控制功率场效应管IRF9410通断，实现对光源的调制，光源调制驱动电路如图3所示。

图3 光源调制驱动电路

2.4 放大滤波电路

热释电红外探测器接收调制红外光产生微弱的交变电压信号，并混有干扰和噪声，因此要对其进行放大和滤波处理[6]。选用高精度集成运放AD8517组成同相放大滤波电路。电路原理图如图4所示。电路中R1C1可滤除低频噪声，R2C2可滤除高频干扰，特别是工频干扰。电路放大增益为1+R2/R3。

图4 放大滤波电路原理图

2.5 检波整流电路

检波整流电路采用反相型绝对值检波电路，电路原理图如图5所示。A1、R1、R3、D1、D2、R6组成半波整流电路，A2、R2、R4、R5、R7组成反相求和电路。在电路设计中，A1、A2选用低噪声高精度双运放AD708JN，D1、D2选用开关二极管IN4148，取R1=R3=R4，R2=R5=2R1。当ui大于0时，使A1输出小于0，导致D1截止，D2导通，A1、R1、R3、R6构成反相放大器，u01=-ui，u0=ui。当ui小于0时，使A1输出大于0，导致D1导通，D2截止，使R3中无电流，u01=0，u0=-ui。即可实现绝对值检波u0=|ui|。检波整流电路的输出信号，经嵌位保护电路送入TMS320F2812内部自带的A/D转换器进行采样变换，由TMS320F2812运算处理后，转换成气体浓度值。

2.6 外部接口模块

图5 检波整流电路原理图

外部接口模块包括：通信接口、LCD显示、键盘、越限报警等。TMS320F2812内部集成了增强型CAN控制器eCAN，可通过CAN总线实现有害气体浓度的远程监控。外扩一块128 k×16的静态存储器IS61LV12816，用于扩展程序存储空间，由于工作电压为3.3 V，可直接与TMS320F2812的I/O口相连。LCD显示选用二线串行接口的段式液晶模块SMS0401。键盘设置4个按键，分别为模式选择键、上下调节键及确定键，模式选择键用以切换参数设置模式或测量模式，通过上下调节键即可设置各测量单元的浓度越限值。越限报警电路由TMS320F2812的通用I/O输出口控制，产生声光报警。

2.7 电源模块

系统采用220 V市电供电，通过开关电源将其变换为±12 V和＋5 V。TMS320F2812所需的数字3.3 V和1.8 V电源，由＋5 V电压经低压差双路输出线性电源TPS767D301将其变换为3.3 V和1.8 V。模拟电源和数字电源分开设计。

2.8 软件设计

系统软件包括初始化程序、主程序、参数设置子程序、测量子程序、显示子程序、数据通信子程序。编程开发工具使用CCS3.0，采用C语言、汇编语言混合编写，系统主程序流程如图6所示。

系统上电后，执行初始化程序，完成时钟、DSP模式、通信接口芯片及LCD显示等初始化操作。主程序循环执行按键扫描操作，有按键时执行参数设置子程序，完成系统参数的设置，否则执行测量子程序。通过DSP定时器产生光源调制信号，控制光源断续发光，接收经放大滤波、检波整流后的检测信号，对接收信号进行采样存储，根据设定算法计算出当前的测量浓度。当浓度超过越限值时，产生声光报警，调用显示子程序显示各气体的浓度值，调用通信子程序将测量结果上传至监测服务器，实现统一的实时监测。

图6 系统主程序流程图

3 实验测试

系统调试完成后，选择CO、CO2、CH4进行实验测试。由于氮气不吸收红外光，实验中采用北京金讯电子有限公司的RCS2000-A型计算机自动配气系统，将纯净的CO、CO2、CH4稀释在氮气中，制备不同组份不同浓度的标准混合气体。根据实际需要设置CO、CO2、CH4的量程范围分别为：0～200×106、0～5%、0～10%。通入干燥的纯度为99.999%的氮气进行零点校准，分别通入满量程气体进行量程校准。然后在量程范围内，对由自动配气系统配制的不同浓度的标准混合气体在常温标准大气压条件下进行测试，满量程平均相对误差小于3%。

基于红外吸收的有害气体监测系统，结构简单，易于实现。采用新型热释电红外探测器，实现多种有害气体浓度的同时检测，光源调制及信号调理电路的优化设计，有效降低了外部干扰，减小了系统误差。DSP强大的运算处理能力，提高了系统的测量精度和速度，CAN总线通信方便远程监控。该系统能够实现对多种有害气体浓度的实时监测。气室的精确设计，温度的补偿与算法有待进一步完善。

[1]张军辉，董永贵.非调理型NDIR传感器及其信号处理方法的改进[J].清华大学学报（自然科学版），2008，48（2）：189-191.

[2]孟凡群，刘虎，程明宵，等.基于工业以太网的非分光红外气体分析器设计[J].传感器与微系统，2011，30（9）：121-127.

[3]崔厚欣，齐汝宾，张文军，等.差分吸收光谱法大气环境质量在线连续监测系统的设计[J].分析仪器，2008，11（1）：7-12.

[4]LASER COMPONENTS GMBH.Pulse Broadband Infrared Light Source MIRL17-900[J].Specification，2006（9）：1-12.

[5]王吉元，王蕴恒.嵌入式红外吸收甲烷检测仪的设计[J].自动化仪表，2009，30（2）：57-62.

[6]毛晓波，陈铁军，罗勇.非色散性智能红外瓦斯传感器的研究[J].电子技术应用，2008（1）：68-74.