电调制NDIR传感器信噪比改善方法研究

龚江涛

(1.成都理工大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610059；2.湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001)

电调制NDIR传感器信噪比改善方法研究

龚江涛1,2

(1.成都理工大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610059；2.湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001)

介绍电调制非分光红外(NDIR)传感器信噪比改善方法。以煤中微量元素的测试为基础，研究了采用NDIR传感器在测量其中元素所对应的气体浓度中存在的以下问题：光源稳定性对分析结果的影响、温度对试验结果的影响、气室噪声对试验结果的影响以及后期微弱信号处理过程中滤波方法对试验结果的影响等问题，探讨了这些问题可能存在的原因，并有针对性地进行了相应的设计改进和方法优化，使整个测试系统的信噪比有较大提高。

电调制； 非分光红外气体检测； 信噪比； 信号处理

0 引 言

近年来,随着人们对汽车尾气的排放、天然气和石油以及生物能源等为燃料的燃烧控制系统、钢铁等材料中微量元素的含量测定等领域的关注，气体传感器的研究成为了热点问题[1,2]。而非分光红外(non-dispersive infrared,NDIR)气体传感器是目前研究最深入、应用最广泛的一类，传感器的输出信号一般都是微弱信号，因此,如何提高传感器的信噪比(SNR)是传感器研制成功与否的重中之重。黄为勇等人通过实验研究表明，恒温系统可以改善传感器的信噪比[3]，Zdanhewicz Eeward M等人的研究结果表明[4]，传感器气室的热噪声和光源的稳定性是噪声的主要来源。中南大学王浩宇等人也验证了电源的稳定性对信噪比的影响很大，而且通过微弱信号的处理电路和采用数字滤波的方式对其进行了处理，取得了一定的效果[5]。

本文以煤中微量元素的测量为基础，采用NDIR传感器对其中微量元素对应的气体进行测量，对现有的测试过程中采用的滤波方法进行了优化，对存在的光源的稳定性、温漂、气室噪声、微弱信号的处理等问题进行了分析[6～8]，并得到了更为合理优越的解决方案。

1 电调制NDIR传感器气体分析机理

当红外光通过待测气体时，气体分子对特定波长的红外光有吸收作用，其吸收关系服从朗伯—比尔(Lambert-Beer)吸收定律：设平行入射光的强度为I0，出射光的强度为I1，气体介质的厚度为L,气体的浓度为C,气体的吸收系数为μ，则其关系表达式为

I1=I0exp(-L∑μiCi).

(1)

其中,μi为表示不同气体的吸收系数，Ci为表示不同气体的浓度。

当为多种混合气体时，为了分析特定的气体组分，需要在传感器或者红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体的浓度变化。

2 红外光源电路设计对试验结果的影响

2.1 调制频率对试验结果的影响

光源调制有2种比较常见的方式：机械调制和电调制。机械调制受频率的影响较小，但是在机械调制的过程中，振动会给整个系统带来比较大的噪声[9～11]，此外,由于机械调制存在磨损，随着时间的推移，同样会给仪器带来不可抗拒的误差。本设计中光源采用电调制的方式，其调制频率与调制深度关系如图1所示。

图1 调制深度与调制频率的关系图Fig 1 Relationship between modulation depth and modulation frequency

在考虑光源的调制频率与调制深度关系的情况下，尽可能地提高光源的调制频率，这样能更好地抑制1/f噪声，并且提高调制频率，给整流电路和滤波电路设计都带来了方便。 在总噪声幅度不变的情况下，提高信号的幅度同样能够提高信噪比，调制频率为10～20 Hz时的输出信号幅值如表1。

表1 不同频率下的信号幅度Tab 1 Signal amplitude at different frequencies

综合考虑，参照10 Hz的调制频率，可以将调制频率提高到12 Hz或者13 Hz，就可以在原来的基础上，使有效信号可以提高近8 mV。

2.2 光源的电源驱动模块对试验结果的影响

红外光源的电源驱动模块的选择对试验结果有着比较重要的影响，如果电源不够稳定，必然会造成试验结果波动[11,12]。此外，温度同样会对电源芯片产生影响，因此,为了保证光源的稳定性，设计了一下的恒流源驱动电路。如图2所示。

图2 恒流源驱动电路Fig 2 Driver circuit of constant current source

经过测试，与系统在没有加恒流源驱动电路比较，在抑制噪声上有了明显的改善，前后比较，在探测器输出端的电压波动从原来的近300 μV下降到130 μV左右。

为了防止在控温室中风扇吹风对电源芯片产生影响，设计在电源芯片上增加散热片的同时，添加一个用于风速缓冲的软海绵，防止风直接对吹，对信噪比的改善有一定作用。

3 红外池恒温系统对试验结果的影响

本测试系统的红外池如图3所示。

图3 红外池Fig 3 Infrared (IR)pool

为了能够排除测试结果由于环境温度的变化而引起的测量误差，设计采用将红外池置于高于室温并且恒定的环境中，并将整个控温系统与红外池置于同一个长方形的试验腔体中，该腔体采用保温海绵密封，恒定温度设置在48 ℃,控温后腔体中温度的变化保持在±0.1 ℃。

其中应考虑整个腔体中温度的均匀性和整个红外池的热容量，因此，在腔体中的加热源两端加有保持气体流动的风扇，并必须保证温度传感器不能被风扇直吹。

在室温下，探测器端测得的信号如图4所示。

图4 常温下探测器的信号波形Fig 4 Signal waveform of detector at room temperature

经过恒温处理以后，在探测器端测得的信号如图5。

图5 恒温处理后的信号波形Fig 5 Signal waveform after processing by constant temperature

通过输出信号的比较，在常温下，输出信号的波动范围大约是130 μV, 经过恒温处理以后，探测器端的输出信号的变化范围大约在60 μV左右,对信噪比的改善比较明显。

4 微弱信号处理电路对试验结果的影响

之前的信号是在探测器端没有经过任何的处理直接测量得到的，探测器选用的是不带前置放大的探测器，因此,在探测器输出端可以经过微弱信号处理电路来改善电路整体的信噪比。

第一级采用积分与滤波电路和精密整流电路，如图6。

图6 积分与滤波电路和精密整流电路图Fig 6 Integral and filtering circuit and precise rectifier circuit diagram

第二级电路采用线性平均值与滤波电路，如图7所示。

图7 线性平均值与滤波电路Fig 7 Linear mean value and filtering circuit

两级电路的特征频率一致，具有良好的选频特性，并且放电电路采取前一级放大倍数较小，后一级放大倍数比较大，这样就更好地消除了噪声的影响。通过计算，还可以得出第一级电路的品质因数为

(2)

第二级放大电路的品质因数为

(3)

因此,本处理电路总的品质因数为

Q″=Q·Q′=0.54×1.31=0.707.

(4)

因此,电路具有最佳的平坦特性。经过处理电路处理以后，电路输出的波形如图8所示。

图8 放大后的信号输出波形Fig 8 Signal output waveform after amplifing

放大后总体的信号波动范围在放大倍数为5倍的情况下，波动范围约40 μV，信噪比得到比较明显的改善。

5 结 论

NDIR气体传感器光源的稳定性、温漂、气室噪声、微弱信号的处理等问题经过以上分析与对应的改进设计，得到了明显的改善，信噪比得到了较大提高，当然，这些问题还有待进一步的改善和提高，比如:在信号处理过程中，还可以加入滤波算法和在红外池的气室的光洁度上可以采用更好的工艺以达到更好的信号，但就本项目而言，采用以上方法信噪比已得到明显改善。

[1] 张军辉,董永贵,王东升.非调制型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)：189-192.

[2] 周佩娟,刘江永.高精度微弱信号放大整流电路[J].岳阳师范学院学报:自然科学版,2003(1)：32,45.

[3] 黄有为,童敏明,任子晖.采用热导传感器检测气体浓度的新方法研究[J].传感技术学报,2006,19(4):973-975.

[4] Zdanhewicz Eeward M.气体检测原理及应用[J].传感器世界,1998(1):16-26.

[5] 王浩宇,曹 建,安晨光.基于MEMS技术的气体热导传感器的应用研究[J].传感技术学报,2009,22(7):1051-1054.

[6] 谷炳海,张友鹏,徐 顼.强噪声背景下的信号提取[J].科技资讯，2007(2):22-23.

[7] 谯 黎,张万里.热释电BST薄膜红外探测器噪声分析及前置放大电路设计[J].电讯技术,2007(2):154-157.

[8] 李 勇.煤质检测常见误差的类型和特点分析[J].科技风,2009(2):216-217.

[9] 孟祥忠,宋保业,许 琳.热释电红外传感器及其典型应用[J].仪器仪表用户,2007(4):42-43.

[10] 张金利,景占荣,梁 亮,等.微弱信号的调理电路设计和噪声分析[J].电子测量技术，2007(11)：40-42.

[11] 陈 静,熊继军,沈三民.基于高精度运算放大器的隧道式硅微加速度计信号处理电路[J].仪表技术与传感器，2008(2)：58-61.

[12] 苏 垒,勒 斌,毛秀芬.热导检测器精密恒流源的设计与实现[J].微型机与应用，2011，30(14)：16-19.

Research on improving method of SNR of electrically modulated NDIR sensor

GONG Jiang-tao1,2

(1.College of Information Science and Technology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China; 2.Hunan Railway Professional Technology College,Zhuzhou 412001,China)

Introduce method for SNR improvement of electrically modulated non-dispersive infrared (NDIR) sensor . Based on test of trace elements in coal,there are some problems such as while using NDIR sensor to measure element corresponding to gas concentration,effect of light source stability on analysis results,effect of temperature on test results,influence of gas chamber noise on test results and influence of filtering method in process of post weak signal processing on test results and other issues, discuss reasons for these problems may exist,and make pointed design improvements and optimization of method are carried out,and SNR of the entire test system is improved greatly.

electrically modulated; NDIR gas detection; signal noise ratio(SNR); signal processing

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0034—03

2014—01—13

TP 334.3

A

1000—9787(2014)08—0034—03

龚江涛(1981-)，男，湖南株洲人，硕士，讲师，主要研究方向为通讯技术、数字系统设计。