非分光红外（NDIR）探硫传感器的研究与设计

魏丽君，粟慧龙

（湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001）

0 引 言

硫污染是石油化工、海运等行业领域重点关注的问题，流污染导致的水源污染、植被污染和对人体的伤害问题越来越严重。因此，近年来对硫排放的监测和检测得到了众多机构和学者的研究。

中国科学院安徽光学精密机械研究所刘文清院士团队研究了一系列低硫检测和二氧化碳检测以及PM2.5检测的设备，代表国内的最高水准，在低硫检测方面，最高的检出限达到5 ppm 左右[1-3]；此外中北大学谭秋林团队对非分光红外低硫传感器进行了工艺和整体设计，并且进行了集成化的研究，为后续的研究提供很好的基础。

清华大学以及一些科研机构也进行了多方面的探索，但是由于采用朗伯-比尔（Lambert-Beer）吸收定律，硫气体的红外吸收峰在一个敏感的区域，国外技术进行了严密的封锁，进行研究的进程一直比较缓慢，并且在硫传感器的工艺、检测精度和稳定度上，还存在不少问题。

基于此，本文拟从改进气室工艺、改良光源调制方式与稳定度、设计精密的微弱信号处理电路和设计恒温控制系统等影响检测结果的因素出发，逐一进行改进设计和实验测试，完成气室抛光管的镀金与打磨，对光源的电调制频率进行验证测试[4-5]，从而实现一款高精密低硫探测装置的设计。开展了实际测试，信噪比提升约73.7%，低硫检测仪的测量平均值为0.382%，SD 为0.006%，RSD 为1.2%，瓶 内RSD 为0.9%，检 出 限 为0.01 ppm，实现了低硫的高精密测量。

1 非分光红外（NDIR）探测的原理

非分光红外的吸收图谱如图1 所示。从图中可以看出，SO2的红外特征吸收峰在7.25～7.40 μm 范围处，该波段与人体红外的波长范围重叠，处于敏感检测区域。

图1 红外吸收图谱

非分光红外气体分析机理遵循朗伯-比尔吸收定律。定律的数学表达式为：

式中：I0为入射光强；I1为出射光强；L为气体介质的厚度；c为气体浓度；μ为气体的吸收系数。根据入射光强探测得到出射光强，其中光强的减弱对应气体浓度的变化，从而实现对气体浓度的检测。

2 非分光红外（NDIR）气体传感器的研究现状

基于研究目的，对刘文清院士团队的监测设备等相关技术进行了研究，学习和借鉴了中北大学谭秋林团队成果中先进经验，总结了各自团队中存在的相关问题和后续研究的方向，其中重点聚焦在以下几个方面：

1）被测气体的收集和送入到气室过程中，气体需要得到充分的均匀，这与标准气体的检测存在很大的差异，容易造成测量误差。

2）由于检测精度具体反映在光强的变化上，因此，光源的稳定性和调制方式容易造成检测的误差，可能还存在光源老化的问题等。

3）传感器出来的初始信号非常微弱，甚至比周围的噪声还小，因此需要设计具有高精度的微弱信号处理电路，能精确提取其中的有效信号，并进行放大，可以由单片机进行处理。

4）非分光红外系统吸收受温度的影响大，因此检测环境要在相对恒温的环境中进行，为了测试的精确性，实验时温度的稳定性越高，误差越小。

3 非分光红外（NDIR）气体传感器的改进设计

3.1 进气装置的改进

针对被测气体送入检测气室时混合不均匀从而导致检测误差的问题。设计采用平面六通阀和定量阀来解决，气体通入平面六通阀时，可以进行充分的均匀；然后通入到定量阀中，可以确保每次通入气体的体积保持高度的一致。因此，根据采集得到的信号，能更加准确地测定气体的浓度。

平面六通阀和定量阀改进装置如图2 所示。

图2 平面六通阀和定量阀改进装置

3.2 光源的调制与编程控制

红外光源采用mirl17，调制方式采用相比较更加稳定的电调制方式，该光源调制深度和调制频率之间的关系图如图3 所示。

图3 红外光源的调制深度与调制频率的关系图

从图3 可以看出，当调制频率超过15 Hz 以后，调制深度将出现急剧下降，经过反复的试验验证和信号的稳定度，选择调制频率为10 Hz。为了产生精确的10 Hz的驱动信号，设计采用CPLD ATF1508 产生，CPLD 的核心程序代码如下：

CLK_AD：process（OSC）

begin

if OSC′event and OSC=′1′then

ADcount＜=ADcount+1；

--if

ADcount="000111100000"then --7 680

--if

ADcoun="001011100000"then

If ADcount="000011000000"

then--9 600

--if

ADcount="000011000000"then --19 200

AD_osc＜=not AD_osc；

ADcount＜="00000 0000000"

end if；

end if；

end process CLK__AD；

AD_CLK＜=AD_osc；

此外还存在光源老化带来的检测误差，为了解决此问题，一般采用恒功率驱动方式，并定期对其进行检测，确保由此带来的误差降至最低。

3.3 红外池及恒温控制系统设计

红外池是整个系统的核心，气室粗糙度和温漂是红外池的两大主要测量误差来源。气室粗糙度主要需要采用高精度的内壁抛光管，并为了防止腐蚀气体造成的腐蚀，在其内壁采用镀金处理。粗糙度如果不够，会造成漫反射，这将直接影响到检测的结果，因此，抛光管的选择非常重要。设计恒温控制系统是为了减少温漂带来的误差。设计时，为了防止空气流动或周边环境对其造成影响，将恒温温度设置在48 ℃，主要的控制算法采用PID 控制算法。增量式PID 阶梯控制方法示意图如图4 所示，具体的设计流程如图5 所示。

图4 增量式PID 阶梯控制方法示意图

图5 控温流程

通过对系统的设计，确保了控温精度达到±0.1 ℃。比较当前的恒温控制系统，精度提升10 倍左右，更好地解决了温漂问题。

3.4 微弱信号处理电路的改进设计

从传感器出来的信号是非常微小的，经过测量，中心频率约1.52 Hz。因此，微弱信号处理电路的设计主要围绕两个任务进行：

1）对信号进行精确选频；

2）对其进行有效的放大。

设计采用两级二阶压控电压源滤波电路，第一级放大如图6 所示。

图6 第一级二阶压控电压源滤波电路

二阶压控电压源的特征频率（单位为Hz）为：

通带放大倍数为：

通带放大倍数为1.152，小于3，说明电路不会产生自激震荡，工作状态稳定。

第二级二阶压控电压源滤波电路如图7 所示。

图7 第二级二阶压控电压源滤波电路

经过计算可得其特征频率（单位为Hz）为：

两级滤波电路的特征频率都约为1.52 Hz，完全可以有效进行选频处理，因此滤波效果更好。第二级的通带放大倍数也可按照同样的方法计算，结果为2.235，小于3，同样不会产生自激震荡，工作稳定。

两级电路的品质因数可分别由式（6）和式（7）计算得到。电路总的品质因数由式（8）计算可得，结果为0.707。因此，该电路还具有最佳的平特性和很好的创新性。

4 信噪比改善的软件设计

4.1 系统整体软件流程

软件设计主要解决两个问题：其一是将测量得到的有效信号放大到单片机可以处理的电压范围以后，通过单片机对A/D 转换后的信号进行采集和处理；其二是对采集到的信号进行数字滤波，进一步提高测量的精度。软件设计流程图如图8 所示。

图8 软件设计流程

4.2 核心算法原理与设计

虽然在硬件滤波电路设计时，尽可能地考虑了滤波的效果，对选频特性和放大都做了比较合适的优化，但测试得到的信号中，噪声是肯定存在的。因此为了提升测量的信噪比，在软件设计时，采用了递推平均滤波法。

该算法的原理是连续采样N次，将其做成一个序列。每次有新的信号被采样进来后，就排列在信号的末尾，将第一个数据舍弃，再对序列中采集到的数据进行算术平均；然后将得到的值再做最后的算术平均。这样就可以将误差平均到每一个采集到的数据上，做到将噪声的影响降至最低。

核心的算法代码如下所示：

void data_processing（void）

{

uchar idata i，j，checkout；

//uint xdata tmp；

//longint xdata signal_sum；

//float idata tmp_val；

EA=false；EX0=false；

//SCLK=true；//reset the a/d chip

for（i=0；i＜sum-1；i++）

{ for（j=i+1；j＜sum；j++）

{if（sample_value[i]＜sample_value[j]）

{ tmp=sample_value[i]； sample_value[i] =sample_value[j]；

sample_value[j]=tmp；

}

}

}

signal_sum=0；

for（i=6；i＜sum-6；i++）

{

signal_sum+=sample_value[i]；

average[!channel]=signal_sum/（sum-12）；

}

5 试验与数据分析

经过对现有低硫传感器的技术进行分析和调研，针对存在测量误差和具有改进设计的四个主要方面进行了全面的改进设计，并在软件和硬件上都进行滤波处理。改进设计前后探测器检测到的信号数据波形图分别如图9 和图10 所示。

图9 改进前探测的信号波形

图10 改进后探测到的信号波形

通过比较可得，在信号整体幅度非常小的情况下，信号的纹波从改进前的140 μV 下降了改进后的50 μV 左右，噪声下降约73.7%，改进效果明显。

完成设计后的低硫探测传感器应用在测硫仪中，采用多点校准和单点校准进行了多瓶的具体测试，测试结果如表1 所示。从测试结果可以得出，测量平均值为0.382%，标准偏差（SD）为0.006%，相对标准偏差（RSD）为1.2%，瓶内RSD 为0.9%，检出限为0.01 ppm，在现有水平的基础上提升了近500 倍，实现了低硫的高精密测试。

表1 低硫检测的测试结果表 %

6 结 论

本文针对现有非分光红外（NDIR）探硫传感器检测中信噪比影响的相关因素进行了调研和分析，重点对其中的四个方面的问题进行了改进设计。通过改进设计，并在此基础上进行了探测器端信号的前后比较，并将改进设计的传感器应用了低硫检测仪上。开展了实际测试，信噪比提升约73.7%，低硫检测仪的测量平均值为0.382%，SD 为0.006%，RSD 为1.2%，瓶内RSD 为0.9%。检出限为0.01 ppm，实现了低硫的高精密测量。后期主要的研究方向是将其进行集成化设计，更多考虑其他恶劣环境条件下的应用测试。