微型双气体红外传感器的设计与实现*

张 昊， 崔永俊， 刘 玮

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.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)

0 引 言

矿井瓦斯就是在煤矿生产过程中从煤层、岩层、采空区中涌出产生的各种有害气体的总称，主要成分为CH4和CO2[1]。瓦斯无色、无味、无臭，比空气轻，当其在空气中含量高时可降低含氧量，引起窒息[2]；它具有爆炸性和燃烧性。随着煤炭工业的发展，矿井瓦斯的实时、准确检测问题日益成为迫切需要解决的首要问题[3,4]。

针对目前大部分矿用瓦斯检测仪体积较大、只能检测单一气体的缺点，为实现对井下有害气体的有效监测和控制，本文设计了可以同时检测CH4和CO2的双气红外光学传感器，解决了矿井中非单一气体体积分数检测的需要。

1 双气体(CO2，CH4)红外传感器设计原理

由朗伯—比尔吸收定律，可以知道每种气体分子都有自己的吸收谱特征，一束单色平行光照射一吸收介质，在通过一定厚度的介质后，由于介质吸收了一部分光能，透射光的强度就要减弱，吸收介质的浓度愈大，介质的厚度愈大，则光的减弱就越明显[5]。

假设单色光为频率一定、强度为I0(λ)的红外光，当它通过待测气体时,其吸收关系服从朗伯—比尔吸收定律，出射光能量减弱为I(λ)，即

I(λ)=I0(λ)·exp(-K(λ)CL),

(1)

式中K为被测气体的吸收截面系数，cm2·g-1，即每克吸收的气体面积，是波长λ的函数;C为被测气体的体积分数;L为红外光通过被测气体的厚度，即光程。

研究发现：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，最强红外光的波长称作其特征波长。CH4气体对波长3.31 μm处的红外光有很强的吸收作用，CO2气体对波长4.26 μm处的红外光有很强的吸收作用，而它们对3.95 μm处的红外光吸收不大。由朗伯—比尔吸收定律可知，一束红外光通过待测的含有CO2，CH4的气体时，CO2，CH4分别只对红外光中波长为4.26，3.31 μm的光能有吸收作用。通过引入参考探测波长来消除其光强与外界环境因素的影响，设计实现双气体体积分数的检测。双气体(CO2，CH4)传感器设计等效原理图如图1所示。

图1 双气体(CO2,CH4)传感器设计等效原理图

图1是CO2与CH4气体测试的连接结构原理图。它由3个单元探测器组成，各自的滤波片选择不同，滤波片要求具有极窄的光谱通过性能，本次设计中，CH4气体检测响应波长区域所选择的光学滤波片参数为3.31 μm±60 nm,CO2气体检测响应波长区域所选择的光学滤波片参数为4.26 μm±60 nm而选择用作气体检测的参考通道的光学滤波片的参数为3.95 μm±90 nm。

2 气室设计

2.1 气室布局设计

本文设计的是反射式气室。该气室由红外光源罩、红外光源、气室中腔、3个单通道探测器组成。探测器和红外光源在气室中的分布如图2所示。3个探测器在固定半径的圆上间隔120°分布，1#探测器检测CH4气体，2#探测器检测CO2气体，3#探测器为参考探测器，红外光源位于圆心处。本次设计利用了三通道补偿测试法，3#探测器起补偿作用，1#，2# 探测器起检测作用。

该气室将光源发射、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全部集成在一起，大大缩小了传感器的体积，使得传感器变得微型化、小型化。

图2 探测器和红外光源位置分布图

2.2 气室光路设计

为了使传感器微型化、红外辐射能多次穿过被测气体，本次设计中红外传感器的光学气室光路设计成了反射式。为汇聚光线，将气室内壁加工成抛物线，探测器分布于抛物线焦点处。反射式气室在保证气体作用长度的同时，大大减小了体积，克服了直线式气室体积大的缺点。图3为气体传感器气室设计结构图;图4为 微型气室结构示意图。

图3 传感器气室结构设计图

图4 微型气室结构示意图

气室内壁镀金，以增强其聚光性能。利用微集成技术，3只红外探测器和1个光源被集成到一个微型的光学气室中，这使得整个系统结构更微型化。

2.3 红外光源选择和探测器的选择

2.3.1 红外光源选择

红外光源主要有三类：红外发光二极管、红外激光器、热辐射红外光源[6]。作为红外传感器的重要部件，红外光源的性能很大程度上决定了红外传感器的性能。因为CH4的特征吸收峰在中红外区的3.39 μm处，CO2的特征吸收峰在中红外区的4.26 μm处，故选择的红外光源在该处必须要有充足的红外辐射能量。本文选择的是传统热辐射光源IRL—715光源(低频电调制)，最大直径3.17 m，它是一种白炽红外光源，指定应用于NDIR红外吸收气体探测器。IRL—715的辐射波长从可见光到5 μm。

2.3.2 探测器的选择

按探测过程的物理机理，红外探测器可分为两类：热释电探测器和光电探测器[7]，本次选择的是热释电探测器。热释电红外探测器本质上来说是一种能将热能转换为电能的器件，其对强度不变的热能激励不会产生响应，只会对交变的红外热辐射有响应[8]。本次设计选用了TO—18封装的单通道热释电探测器，对探测器分别配以特征波长为：3.39 μm(CH4)，4.26 μm(CO2)，3.95 μm(参考通道)的红外滤光片。分别用作CH4检测、CO2检测、参考通道。

2.4 气室设计的其他问题

红外气室的结构品质很大程度上决定了红外传感器的优劣。气室设计中还应考虑以下问题；

1)光学气室内壁镀膜材料的选择：气室内壁一般是圆柱形，为了使红外辐射能量尽可能多地被反射到探测器上，光学气室的内壁要光滑，反射度要高。因为金的化学性质稳定，不易与待测气体发生反应，本次设计中，选择了金对光学气室内壁进行了镀膜处理。

2)防护设计：为了使传感器能够正常应用于矿井下的恶劣环境，需要气室进行防护处理，在光学气室的进气处加装防护罩。气室为密封的结构，只留些供气体交换的小孔，以保证灵敏度。

2.5 气室长度的确定

选择气室长度的原则是在刻度线性范围内选择最长的气室长度，这个原则由公式(1)得到。当KCL乘积较大时，仪表的刻度是非线性的，为了提高线性度，应使KCL≪1，即在此前提下把气室长度L尽量取的大一些，以保证有足够的信噪比(灵敏度)。考虑到红外光在气室内辐射的衰减、测量气体信息的准确性和传感器的便携性，气室不能太长，最终采用反射式结构，设计了直径为20 mm，长度为19 mm的气室，传感器实物图如图5所示。

图5 传感器气室实物照片

3 传感器的标定与测试

3.1 传感器的标定

标定实验选用型号为RCS2000—A的计算机自动配气系统，对传感器进行标定实验并检测传感器的性能。在传感器标定过程中,采用99.9 %的高纯N2作为CO2,CH4气体的载体，来稀释CO2,CH4气体，分别对CO2和CH4气体进行标定。标定步骤：首先向反射气室中通入不同体积分数的CO2气体，用来建立CO2气体体积分数查询表；然后向反射气室中通入不同体积分数的CH4气体，用来建立CH4气体体积分数查询表。分别建立CO2和CH4气体体积分数查询表，能够提高传感器的测量精度。

3.2 传感器的测试

由于矿井下的瓦斯的体积分数不允许超过0.5 %，所以，本次测试选定瓦斯体积分数为0 %～1 %，对不同体积分数的CH4进行测试，图7为0 %～1 % CH4体积分数范围内的测试结果。由图6可见，最大测量误差仅为±0.05 %。

图6 CH4标准值与实测值拟合曲线

本次测试选定CO2体积分数为0 %～3 %，图7为CO2体积分数范围为0 %～3 %内的测试结果。由图7可见，最大测量误差仅为±0.05 %。

图7 CO2标准值与实测值拟合曲线

多次实验表明:本设计方法测得的CH4体积分数和CO2体积分数的误差可以控制在±0.05 %的范围内，通过测试系统的初始校准、气体体积分数算法补偿，本设计取得了良好的测量精度。

4 结 论

本次设计利用红外吸收原理实现了微型气室检测双气体：CO2和CH4。由于气室设计中采用了反射式光路设计，大大缩小了红外传感器的气室体积。探测器和光源在传感器气室中的合理布局，使得红外传感的测试误差控制在±0.05 %左右。本设计实现了传感器的小型化和微型化，可以应用于需要非单一气体体积分数检测的地方。

参考文献:

[1] 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.

[2] 谭秋林.MEMS红外瓦斯传感器的研究[D].太原：中北大学,2006.

[3] 杜 鹏,谭秋林,薛晨阳，等.吸收光谱型气体红外传感器的设计与实现[J].仪表技术与传感器，2008(6):1-2.

[4] Nebiker P W，Pleisch R E.Photoacoustic gas detection for fire warning[J].Fire Safety Journal,2002,37(4):429-436.

[5] 梁 刚.微型红外气体检测仪的研制[D].太原：中北大学,2008.

[6] 任晓力.便携式红外甲烷报警仪的设计[D].太原：中北大学,2010.

[7] Huang H,Winchester K W,Dell J M,et al.Design and development of tunable filters for MEMS adaptive infrared detectors[J].Nanotechnology and Precision Engineering,2006,4(1):38-45.

[8] 殷亚飞,梁 庭,牛坤旺等.便携式光离子化有害气体检测仪的设计[J].自动化仪表,2011(4):74-76.