红外多气体传感器设计*

唐力程， 谭秋林， 毛海央， 欧　文， 雷　程， 熊继军

(1.中北大学 电子测试技术重点实验室，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；3.中国科学院 微电子研究所 智能感知研发中心，北京 100029)



红外多气体传感器设计*

唐力程1,2,3， 谭秋林1,2， 毛海央3， 欧文3， 雷程1,2,3， 熊继军1,2

(1.中北大学 电子测试技术重点实验室，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；3.中国科学院 微电子研究所 智能感知研发中心，北京 100029)

摘要:针对甲烷、二氧化碳和一氧化碳三种气体的同时检测，设计出一种红外多气体传感器。该传感器将探测器和红外光源集成在光学气室内。在对气室进行设计时，首先确定气室高度为25 mm，随后通过计算和软件仿真分析确定气室的半径为10 mm。设计完成外围电路并对传感器进行测试，结果显示：对甲烷、一氧化碳和二氧化碳的检测范围可达到(0～40 000)×10-6。

关键词:多气体检测； 红外传感器； 光学气室； 光学气室建模和仿真； 电路设计

0引言

随着我国经济的快速发展，多气体检测技术在煤矿气体检测、大气环境检测、火灾检测等过程中愈发重要[1]。非色散红外，(non-dispersive infrared,NDIR)检测方法，由于其寿命长、响应时间短及准确性高的优点，受到广泛关注[2]。

现有的红外气体传感器大多只能检测单一种类的气体[3]，部分研究也专注于研发可用于检测两种气体的传感器，但是，针对两种以上多气体检测的红外气体传感器的研究鲜有报道。在国内，淮南师范学院的伍龙报道了一种基于NDIR技术的多组分气体测量系统，用于煤矿的井下检测，其装置吸收池的基长为50 cm[4]。在国外， Fonollosa J等人报道了一种多气体检测系统，该传感器将2×2热电堆探测器集成到检测系统中[5]。但是，以上报道中检测系统的气室尺寸都比较大，造成整个检测系统或传感器不利于随身携带和进行现场实时检测。

本文提出一种反射式多气体检测传感器，测试结果显示：该传感器可用于检测甲烷、二氧化碳和一氧化碳三种气体。

1理论分析

根据红外检测的基本原理和据朗伯—比尔定律可推导出吸光度的计算公式

(1)

其中，C为待测气体的浓度；K为气体对于红外光的吸收系数；L为红外光在待测气体内通过的总光程；I为待测气体吸收红外光能量之后的光强，I0为红外光进入气室前的光强。

测试多种气体时，需要考虑不同气体之间的干扰作用，因此，将所有测试气体线性度的线性和作为该被测信号的吸光度[6]，计算如下

(2)

Cj=Aj/KjL,

(3)

2光学气室设计

传感器设计中选择IR—7153EN作为红外光源，辐射波长的范围包括3～5 μm，满足三种气体测试要求。光学气室采用反射式结构，采用双椭球面内壁设计，顶平面安放带小孔的通气网板，热释电红外探测器设置在两个椭球的焦点处，光源设置在两个椭球面的交界处O＇，多气体红外传感器光学气室结构设计图如图1所示。

图1　多气体传感器光学气室结构设计图Fig 1　Design diagram of optical gas chamber structure for multi-gas sensor

采用该设计的优点在于可有效增长光程：从红外光源发散出去的光，经过气室内壁的顶平面和侧壁两次反射，最终达到探测器的表面。同时，为减少光损失，提高气室侧壁反射率，气室内壁采用镀金处理。在设计本光学气室时，考虑到红外光源和探测器的尺寸，同时,考虑到增加光程长度和减小传感器体积之间的权衡，选用气室的设计高度为25 mm。当光学气室的长度固定时，其响应时间与气室直径的关系如表1所示[7]。可见，当气室长度固定，气室的宽度范围在15～20 mm之间时，红外气体传感器能得到较快的响应时间。同时，考虑到集成红外探测器与光源的实际尺寸，将气室宽度的范围确定在15～20 mm。

表1　光学气室直径与红外传感器响应时间关系

经过光学仿真软件对气室结构进行建模和仿真，最终发现，气室宽度为20 mm时，经过反射到达探测器表面的光线具有较良好的分布，如图2(a)显示了宽度为20 mm时的3D模型图，图2(b)显示了到达探测器表面的光强仿真图。最终选用的微型光学气室实物尺寸为10 mm(半径)×25 mm(高度)。

图2　光学气室软件建模与仿真图Fig 2　Software modeling and simulation of optical gas chamber

3外围电路设计

红外多气体传感器主要由集成探测器和光源的气室、微处理单元、滤波放大电路、红外光源模块(光源驱动和稳流电路)、电源模块和其他外围电路组成，如图3所示。其中，重点设计了红外光源模块和微弱检测信号滤波和放大电路。

图3　红外多气体传感器外围电路设计框图Fig 3　Block diagram of peripheral circuits design for infrared multi-gas sensor

4测试结果

图4展示了多气体传感器的稳定测试结果，具有实用性。

图4　稳定性测试信号图Fig 4　Signal diagram of stability test

红外多气体传感器放入供气装置中，并通入甲烷、二氧化碳和一氧化碳气体，最终测试得到的相对吸收率Fa与气体浓度的响应关系如图5所示，从图中可见，该传感器在(0～40 000)×10-6的范围内实现了对甲烷、一氧化碳和二氧化碳的检测。

图5　待测气体的相对吸收率Fa与气体浓度的响应关系图Fig 5　Response relationship between relative absorptivities of test gas and gas concentrations

5结束语

本文针对多气体检测，创新地提出一种易于携带，便于现场实时检测的红外多气体传感器。在传感器的设计上，将4只热释电探测器和红外光源集成在光学气室内。在光学气室的制备过程中，先确定了气室的高度25 mm，之后通过分析和仿真确定气室宽度为20 mm。结合外围电路，对传感器进行测试，测试结果显示：该红外多气体传感器可实现对目标气体甲烷、二氧化碳和一氧化碳的检测功能，其检测的范围是(0～40 000)×10-6。

参考文献:

[1]Hodgkinson J,Tatam R P.Optical gas sensing:A review[J].Meas Sci Technol,2012,24:1-3.

[2]刘岗,梁庭,郇弢,等.反射式红外甲烷传感器气室设计[J].传感器与微系统,2013,32(2):96-98.

[3]王莉， 陈小平.基于红外传感器的CO2测量装置[J].传感器与微系统,2011,30(11):115-117.

[4]伍龙，邢丽坤.基于非分散红外技术的煤矿井下有害气体定量探测方法研究[J].中国安全生产科学技术,2014,10(3):155-159.

[5]Fonollosa J,Halford B,Fonseca L,et al.Ethylene optical spectrometer for apple ripening monitoring in controlled atmosphere store-houses[J].Sensors and Actuators B:Chem,2009,136(2):546-554.

[6]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.

[7]任晓力.便携式红外甲烷报警仪的设计[D].太原：中北大学,2010.

Design of infrared multi-gas sensor*

TANG Li-cheng1,2,3, TAN Qiu-lin1,2, MAO Hai-yang3, OU Wen3, LEI Cheng1,2,3, XIONG Ji-jun1,2

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051,China;3.Smart Sensing R&D Center,Institute of Microelectronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China)

Abstract:A non-dispersive infrared (NDIR) sensor for methane,carbon dioxide and carbon monoxide,which integrates infrared light source and detectors in optical gas chamber.In design of gas chamber,the height of gas chamber is determined as 25 mm,then,through calculation and software simulation analysis,the radius of gas chamber is determined as 10 mm.The sensor is tested after peripheral circuits have been designed,as demonstrated in the experiments,range of detection on methane,carbon monoxide and carbon dioxide can reach(0～40 000)×10-6.

Key words:multi-gas detection; infrared sensor; optical chamber; modelling and simulation of optical chamber; circuits design

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0065—02

收稿日期：2015—12—08

*基金项目：国际自然科学基金资助项目(61335008,51205373)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20131098)；河南省科技开发合作项目(132106000073)

中图分类号:TN 923

文献标识码:A

文章编号:1000—9787(2016)02—0065—02

作者简介:

唐力程(1991-)，男，四川达州人，硕士，主要从事MEMS红外传感器的研究。

谭秋林，通讯作者，E—mail:tanqiulin@nuc.edu.cn。