一种改进型高灵敏红外CO浓度检测方法

李明勇　兰　江　石俊杰　黄启勇　白丽丽

(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，湖北 宜昌　443003)



一种改进型高灵敏红外CO浓度检测方法

李明勇兰江石俊杰黄启勇白丽丽

(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，湖北 宜昌443003)

针对CO气体对红外光谱吸收系数低、低浓度CO检测难度大的问题，采用非散射红外光谱吸收法，通过电学调制方式，设计了一种改进型高灵敏红外CO浓度检测装置，并给出了光学模块和电路结构设计方法。针对检测信号频率低、噪声大的问题，设计了一种性能良好的选频器以及能抑制其温度漂移的拓扑结构，提高了检测信号的信噪比，并减小了温度变化对CO浓度检测的影响。此外，还给出了CO浓度的计算方法。试验结果表明，仪器检测灵敏度可达0.3×10-6。

CO浓度检测光谱吸收温漂抑制温度补偿选频器滤波数据拟合

FilteringDatafitting

0　引言

非散射红外光谱吸收法是检测CO浓度的重要方法。该方法测量精度高、灵敏性好、抗干扰性强。非散射红外光谱吸收法采用单光束双波长技术，主要有电学调制、旋转切光、分光干涉等方法。各种方法各有优缺点，国内外对这些方法都进行了大量的研究[1-8]。陈晓宁等设计了一种电机旋转切光形式的非分散红外CO浓度检测方法，测量灵敏度可达10-7级[3]；王一帮等设计了一种电学调制法的船用CO分析仪，仪器性能良好[4]；刘忠富等采用低功耗单片机和改进设计电路，降低了系统功耗[5]；司福棋等采用自相关系数法，对红外CO浓度信号进行了滤波，提高了CO浓度检测精度[7]。

然而，在电学调制法中，红外光源工作时温度较高，光源难以快速变化，调制频率普遍为几赫兹，检测信号中含有1/f噪声、背景噪声和其他噪声且信号频率太低，采用传统的一阶RC滤波或带通滤波器难以实现滤波功能[9]。采用双T形式的选频器可以较好地实现低频带通滤波，但双T选频器的中心频率受电子元器件参数的影响较大。本文设计了一种改进型高灵敏红外CO浓度检测装置，并提出了一种消除双T选频器中心频率漂移的拓扑结构，使得检测灵敏度可达0.3×10-6。

1　改进型高灵敏红外CO浓度检测结构

改进型高灵敏红外CO浓度检测结构由气路部分和电路部分组成，如图1所示。

气路部分由进气口、干燥过滤、三通电磁阀1、气泵、CO吸收池、三通电磁阀2、出气口组成。正常工作时，气路通过进气口和出气口与外界连通，以检测环境中CO的浓度。需要进行校准零点时，可启动切换信号使三通电磁阀由常开通路换为闭合通路，气流顺序为“电磁阀1→气泵→红外CO吸收池→三通电磁阀2→霍加拉特试剂→电磁阀1”。霍加拉特试剂可在常温下将CO液体催化为CO气体，使得内循环中的CO浓度为零，方便零点校准。

电路部分由微处理器、红外光源调制电路、信号检测与调理电路、RS-232通信模块、显示及报警模块等组成。微处理器控制12位DAC8330，调制得到频率为2.01Hz的正弦波，经驱动电路后连接到红外光源。红外光源发出的红外光在CO吸收池多次反射后，被红外探测器转换成电学信号，经过信号放大、信号调理、A/D采集后发送到微处理器。微处理器经过数据处理后，即可计算得到CO吸收池内CO气体浓度。

图1　改进型高灵敏红外CO浓度检测结构图

2　红外光源调制电路与CO吸收池设计

红外光源调制电路如图2所示。

图2　红外光源调制电路图

数模转换芯片DAC8830采用标准SPI通信方式通信，位数为12位。微处理器内部存储有整周期256点的正弦波数据。需要进行红外光源调制时，微处理器按照特定时间间隔，依次将正弦波数据送到DAC8830，经D/A转换后发送到驱动电路，红外光源P1连接驱动电路的输出端，这样红外光源就可以产生正弦调制红外光。

采用非散射红外光谱吸收法检测CO气体浓度时，由于CO气体对红外光谱的吸收率较低，检测10-6级的CO气体需要设计专用CO吸收池，以增加红外光的反射次数。CO吸收池有多种设计方法，如直通式、平面镜反射、椭圆式、怀特池等。本文设计的CO吸收池采用经典的怀特池结构，如图3所示。红外光源发出红外光经过入射镜反射后到达凹透镜2，然后光线按照2、3、4、…、n(n一般大于12)的路线多次反射后，经出射镜反射到达红外探测器。红外探测器的探测面上还有带宽为100nm的窄带滤光片，可滤除其他光线干扰。采用这种方式设计的CO吸收池光程可达6m。

图3　吸收池结构图

3　改进型检测方法原理与结构

气体分子对特定的光谱有吸收作用，且满足朗伯-比尔定律：

I=I0e-kCL

(1)

式中:I0为初始光线强度;k为气体对光线的吸收系数;C为气体浓度;L为光线传播距离。

式(1)可转化为：

(2)

为了消除检测中水蒸气、粉尘颗粒、散射等干扰，选用的红外探测器有两个探测面，分别为Gas面和Ref面。Gas面对CO吸收的红外光敏感，其输出信号反映CO浓度信号；Ref面对CO吸收的红外光不敏感，其输出信号可作参考。

检测原理如下：以一定频率正弦调制的红外光源，经过CO吸收池反射，再经窄带滤光片到达红外探测器。假设某一时刻，红外探测器Gas端和Ref接收的信号分别为A(s)和B(s)，两个信号经过1 000倍放大，再依次经过可相互切换通路的选频器滤波电路、A/D采集后接入微处理器；微处理器经过数据处理后即可计算出CO气体浓度。

图4为改进型检测电路结构图，下面就主要部分工作原理介绍如下。

图4　改进型检测电路结构图

3.1选频器滤波

红外探测器检测信号放大1 000倍后含有大量的1/f噪声、背景噪声和其他噪声，波形并不像正弦波，而且畸变严重。由于检测信号的频率仅为2.01 Hz，传统的一阶RC滤波效果不明显，二阶或以上Sallen- Key结构的带通滤波器(电容取值太大)又难以实现滤波。本文设计了一种新的选频器对检测信号进行滤波，其电路如图5所示。

图5　新设计的选频器滤波电路图

结合图5，对电路工作原理说明如下：电路的输出连接一个双T陷波器，经同相放大后接入输入端形成反馈；利用双T陷波器对特定频率的抑制作用，使得整个电路具有对特定频率的选择作用。这个特定频率就是红外光源的调制频率。为了保证电路滤波的对称性，在实际使用中，常取C=C2=C3=C4/2、R=R14=R16= 2R13。设信号输入为Uin，信号输出为Uo，反馈回路中有4个节点，分别为A、B、C、D，其节点电压分别采用UA、UB、UC、UD表示，根据运算放大器“虚短”和“虚断”以及模拟电路相关知识，可得：

(3)

求解上式，得到Uo与Uin的传递函数如下：Φ(s)=

(4)

如果取C=2.2μF、R=36kΩ、R12=R15=1kΩ、

R11=1kΩ、R10=51kΩ，令s=jω=j2πf，式(4)可以写成：

(5)

式中：f0=1/(2πCR) =2.01 Hz，这个频率就是红外光源的调制频率。选频器幅频响应曲线如图6所示。

图6　选频器幅频响应曲线图

从图6可以看出，新设计的选频器对2.01 Hz频率有很好的选频作用，而对2.01 Hz以外的干扰有明显抑制，对f<1 Hz和f>4 Hz的信号衰减可达-26 dB。

3.2抑制温度变化对选频器影响

新设计的选频器对特定频率有很好的滤波作用，但对电子元器件的性能也提出了较高要求。然而，当工作温度范围为-10～40 ℃时，由于受电子元器件温漂影响，选频器的中心频率变化可达20%，这会严重影响CO测量精度。

为了抑制温度对选频器影响，设计了改进型检测的电路结构。通过可相互切换通道的方式，并结合特定的算法，可抑制温度漂移影响。

假设某一时刻，红外探测器Gas端和Ref接收的信号分别为A(s)和B(s)，然后信号经过1 000倍放大后，接入选频器。假设此刻两个选频器由于温度漂移中心频率已经发生改变，分别为GGas(s)和GRef(s)，那么接入A/D采集前的信号大小分别为：

(6)

此时，微处理器控制A/D进行一次采集，并存储数据，将通路选择开关S1和S2同时切换，然后再采集一次A/D值，那么有:

(7)

由于两次采样的结果均是经过选频器滤波后的结果，因此A/D值受噪声影响很小。根据以下计算公式，计算得到的值能较好地反映CO浓度变化。

(8)

由式(8)不难看出，当选频器中心频率发生漂移，通过两次通道切换并采取上述算法，使得计算结果与选频器中心频率无关。这样既实现了滤波，又从理论上消除了选频器中心频率随温度漂移对计算结果的影响。

4　试验验证

采用零气(99.999%N2)、浓度为9.8×10-6、30.4×10-6和50.5×10-6的CO气体，对设计的CO样机进行校准。按照式(8)计算出此时的N值，分别为：12 552、12 308、11 905、11 486。其相关系数达到了0.998 6，通入20.5×10-6和40.3×10-6的标气后，测量结果分别为20.3×10-6、40.6×10-6，测量灵敏度优于0.3 ×10-6。

5　结束语

采用非散射红外光谱吸收法，设计了一种改进型高灵敏红外CO浓度检测的光学模块和电路结构，并提出了一种抑制双T选频器中心频率漂移的拓扑结构。该结构提高了检测信号的信噪比，减小了温度变化对CO浓度检测的影响。试验结果表明，仪器检测灵敏度可达0.3×10-6。

[1] 郭奇,路林吉.无线CO电化学传感器应用设计[J].自动化仪表，2012,33 (3):73-75.

[2] 王晓丽，刘瑾，周浔.光谱吸收型CO气体传感器的研究[J].仪器仪表学报，2009,10 (30):226-228.

[3] 陈晓宁，刘建国，司福棋,等.非分散红外CO气体检测系统研究[J].大气与环境光学学报，2007,2 (3):207-210.

[4] 王一帮.船用CO分析仪研制[D].北京：中国船舰研究院，2012.

[5] 刘忠富，游国栋，于为民.新型低功耗CO检测系统的研制[J].自动化仪表，2008,29 (10):60-63.

[6] 兰江，李明勇，白丽丽,等.一种高灵敏度的红外CO浓度检测方法与设计 [J].自动化与仪表，2015,30 (2): 13-16.

[7] 司福棋，刘建国，刘文清,等.基于气体相关滤波技术的非分散红外CO 气体监测系统的研究[J].量子电子学报，2004,21(4):425-428.

[8] 刘忠富，游国栋，于为民,等.新型低功耗CO检测系统的研制[J].自动化仪表技术，2008,29(10):60-63.

[9] 张景超，刘瑾，王玉田,等.新型光纤CO气体传感器的研究[J].光电子·激光,2004,15(4):428-431.

AnImprovedHighlySensitiveInfraredDetectionMethodforCOConcentration

AimingattheproblemthattheinfraredspectrumabsorptioncoefficientofCOislow,andthedifficultyoflowCOconcentrationdetection,animprovedhighlysensitiveinfraredCOconcentrationdetectorisdesignedbasedonnon-dispersiveinfra-red(NDIR)methodandelectricalmodulationmode;thedesignmethodofopticalmoduleandelectricalcircuitispresented.Duetothedetectionsignaloflowfrequencyandlargenoise,anexcellentfrequencyselectorandthetopologicalstructureforsuppressingthetemperaturedriftaredesignedtoimprovethesignal/noiseratioofdetectionsignalanddecreasetheinfluenceoftemperaturedriftonCOconcentrationdetection.Inaddition,thecalculatingmethodofCOconcentrationisgiven.Theexperimentalresultsshowthatthedetectionsensitivityoftheinstrumentisupto0.3×10-6.

COconcentrationdetectionSpectralabsorptionTemperaturedriftsuppressionTemperaturecompensationFrequencyselector

李明勇(1987—)，男，2013年毕业于陕西科技大学控制科学与工程专业，获学士学位，工程师；主要从事前置信号放大、模拟电路设计、仪器仪表设计方向的研究。

TH89;TP29

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609018

湖北省科技支撑计划基金资助项目(编号：2014BEC088)。

修改稿收到日期：2016-03-10。