反射式红外甲烷传感器气室设计*

刘 岗，梁 庭，郇 弢，雷 程，赵晓霞

(1.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030051;2.电子测试技术国防科技重点实验室，山西太原030051)

0 引言

在红外甲烷传感器中，红外气室结构的设计通常关系到该传感器的性能好坏，所以，红外气室是红外传感器的关键部件之一。在生产和生活环境中由于意外和紧急情况所产生的甲烷气体对正常的生产和生活造成了很大的危害，尤其工业矿井生产中产生的甲烷气体，它是造成矿井瓦斯爆炸的重要组成气体［1］。近年来，随着国民经济的不断发展，对甲烷气体的检测提出了更高的要求。反射式红外甲烷传感器因其受环境因素影响小、灵敏度高、响应速度快、选择性好等优点，成为红外气体传感器领域研究的焦点［2］。

反射式红外甲烷传感器是基于光谱吸收原理，红外光谱吸收法是利用双原子分子对红外光具有特定吸收峰这一特性来实现的，甲烷气体分子对某些特定波长红外光具有吸收作用，这个波段就称为这一气体的特定红外吸收峰，它并不与其他气体吸收峰干扰，这种性质是具有红外活性物质本身固有的一种属性，如同人类的指纹，具有唯一性，不会因环境、温度等条件的改变而改变［3］，通过对比吸收前后的红外光强度，根据朗伯—比尔定律即可得到甲烷气体的体积分数。

1 反射式红外甲烷传感器气室设计

反射式红外甲烷传感器气室由IRL715红外光源、PYS3228双通道热释电红外气体探测器、旋转抛物面气室中腔、底盖和插针等部分构成。

1.1 气室中腔的设计

红外探测器的两通道在接收红外光后，两通道会有微弱的信号，甲烷气体分子对某些特定波长红外光具有吸收作用，通过对比吸收前后的红外光强度，根据朗伯—比尔定律［4］烷气体的体积分数

式中 I为出射光强;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为辐射通过被测气体介质的光程。由式(1)可知，甲烷体积分数的计算和检测与光程有关系。为了得到准确的光程和汇聚光线，将气室中腔设计成曲率为6mm的旋转抛物面，并将红外光源和探测器放置在抛物面的焦点，这样，就能得到近似平行光的红外光束，平行光追迹过程遇到气室顶盖后反射到气室底部的探测器，气室采用反射式不仅可增加光程，还避免了传统封闭式气室需要气泵抽送气而带来的检测仪体积和功耗的增加［5］。

理论上气室越长越好，因为这样气室中的气体在较均匀分布下对红外辐射的吸收较充分，并且能提高传感器的灵敏度。但综合考虑到传感器的便携性、红外辐射的衰减和红外光在气室内的折射散射等因素，气室不能太长，实际应用中，气室的长度是根据待测气体种类、测量范围和分辨率来决定，在室温下，气室直径一定(25 mm)不同长度的气室响应时间和灵敏度如表1。

表1 气室长度和响应时间关系Tab 1 Relationship between length of gas chamber and response time

由表1可以看出在气室直径一定的情况下，气室的长度在25～35 mm之间，传感器的响应时间和灵敏度比较合理，本设计中选用的气室的长度为27 mm。对于气室的直径，在能满足光源、探测器和导线放置的前提下应该越小越好，直径小，则响应时间短，并且会使平行光束更加密集，进而到达探测器的红外器的光通量大，得到的气室输出更加准确可靠，本设计采用25 mm的直径。图1为不同长度的几种气室外壳，图2为确定的气室结构。

图1 不同长度的气室Fig 1 Gas chamber with different length

图2 气室结构Fig 2 Structure of gas chamber

1.2 气室内壁镀膜材料的选择

旋转抛物面对光线有很强的汇聚作用，红外光经抛物面后会形成近似平行光的光束，但仍有部分光会在气室内发生反射和折射，为了减少光能的损失和增强反射需要对气室内进行镀膜。用于红外的反射膜主要有:金属膜、玻璃膜、氧化物等几大类，本设计中采用金属镀膜，因为金属膜具有高反射率、制备工艺简单及成本低等优点。常见的金属Ag，Al，Au膜在近红外区有很高的反射率［6］射率曲线如图3。

图3 Al，Ag，Au 的反射率曲线Fig 3 Reflectivity curves of Al，Ag，Au

Al在红外区域都具有几乎最高的反射率并且便宜，是地球上丰度最高的金属元素，但Al膜的化学性质不稳定，这是由于Al膜表面在大气中容易生成一层薄的Al2O3膜，这种自然反应生成的镀膜会影响气室内部的平滑度和粗糙度;Ag膜在可见光区和红外区都有很高的反射率，但Ag膜附着力较差，机械性能和化学稳定性不好，在可见光谱区Ag膜暴露大气后，其反射率损失严重;Au在红外区有几乎和Ag有相近的高反射率，而其化学稳定性要比Ag好得多，不易受氧化，在大气中也不易受污染，所以，本设计选择Au进行镀膜。

1.3 气室结构性能仿真

用光学仿真软件ZEMAX模拟红外光传播路径和在探测器上形成的光强分布，如图4。

图4 气室仿真图Fig 4 Simulation figure of gas chamber

由图4可以看出:红外光经过旋转抛物面反射后会得到近似平行的红外光，从而验证光源的放置和抛物面的确定是成功的。同时，还可以看出红外光经过反射后在探测器两通道上形成的光强分部近似是对称和相等的，这对后面进行体积分数计算至关重要;红外探测器的两路通道在接收红外光后，两路通道都有电压信号输出，对于检测通道是与被测气体体积分数直接有关的，而对比通道则是与被测气体无直接关系的，但它反映了外界环境条件等因素，假设两路通道的比例因子分别为K1，K2，而对于一个确定的系统通道的比例因子都已确定［7］，由式(1)可推算出检测通道输出如式(2)，对比通道输出如式(3)

在实验过程中，光强很难准确地测量，为了消除光强因子的影响，需要探测器上的光强分布近似相等，对以上两式求比值消除了光强因子，可以求得体积分数

通过标定实验、软件和电路的方法来补偿及单片机运算，则可得到甲烷气体的体积分数。图5为最终气室实物图。

2 实验过程

反射式红外甲烷传感器气室的测试实验分为以下几个步骤:反射气室的标定、气室最终的测试。实验采用北京金迅公司的RCS2000—A计算机配气系统。

2.1 反射气室的标定

标定过程采用纯度为99.9%N2作为实验的载气，配气系统将配好的甲烷和氮气输送到配气箱，一定时间后气体会自动扩散整个配比箱并平衡箱内，这时就可以观测大型分析仪所测的气体体积分数参数F a，以20 min作为一个平衡点(若此时传感器的显示还不稳定，则可适当地延长平衡时间)，依次按照0.25%，0.5%，0.75%，1%，…，2.5%来调整配气系统的配气体积分数，通过多次观测不同体积分数下不同的输出值，图5为标定实验记录的数据图。

图5 反射气室标定测试曲线Fig 5 Calibration and test curve of reflective gas chamber

由标定实验数据可看出:该实验具有一定的一致性趋势，满足一定的曲线关系，线性度很好，并且具有很好的重复性。

2.2 气室最终测试

对标定得到的一组数据进行处理计算，将得到的数据以数据表格的形式下载到单片机中，然后将气室和电路板再次放入配气室中。表2是实验过程中装配新气室传感器实验数据。

表2 标测与实测值比较Tab 2 Comparison between standard and tested value

由表2和图5可知:新气室的误差范围为±0.04%，新型气室误差范围更小，显示结果更加准确和稳定。

3 结论

本文结合国内外较为先进的红外吸收原理和双通道对比检测原理，设计了反射式红外甲烷传感器气室，该气室结构简单、性能稳定高效、检测量程宽，尤其是该气室结构有更宽的红外检测应用范围。只需更换探测器上的滤光片即可实现对探测器吸收特征波长的改变，进而可实现对其他气体的检测。

［1］王彩君，黄智进，吴兴惠.便携式气体浓度测量仪［J］.传感技术学报，2000，13(3):233-235.

［2］罗 勇，毛晓波，黄俊杰.红外检测瓦斯传感器的设计与实现［J］.仪表技术与传感器，2007(8):4-6，55.

［3］Kitoh Chan，Inaba H.10 km long fiber-optic remote sensing of CH4gas by near infrared absorption［J］.Appl Phys B，1985，38:11-15.

［4］王玉田，刘 瑾，杨海马.光纤光栅调制式光纤甲烷气体传感器的研究［J］.传感技术学报，2003(9):324-327.

［5］梁 刚，马游春，薛晨阳，等.红外CH4检测仪的设计［J］.传感器与微系统，2008，27(6):97-99.

［6］汤召君，王 珍，孟庆华，等.新型红外反射材料进展及其在玻璃节能贴膜中的应用［J］.信息记录材料，2011，12(1):38-47.

［7］翟成瑞，谭秋林，张文栋，等.MEMS红外瓦斯传感检测系统的设计［J］.中国科技信息，2006(2):52-53.