??? 摘 要:? 提出一種基于非色散性紅外檢測技術(shù)的非毒化紅外瓦斯傳感器。它利用瓦斯氣體對(duì)某一特定波長紅外光吸收性能與瓦斯?jié)舛戎g存在的確定關(guān)系，通過測定特定波長紅外光被吸收的程度反映瓦斯?jié)舛戎档脑磉M(jìn)行工作。詳細(xì)介紹了紅外吸收氣體檢測" title="氣體檢測">氣體檢測原理、脈動(dòng)光源與熱電探測器信號(hào)的關(guān)系，給出了瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)用測量算法及傳感器系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。具有標(biāo)定周期長、測量精度" title="測量精度">測量精度高、不受其他氣體影響和不會(huì)產(chǎn)生催化中毒等特點(diǎn)。
??? 關(guān)鍵詞:? 紅外；? 氣體傳感器；? 瓦斯?jié)舛龋? 熱電探測器；? 光學(xué)輻射
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??? 近幾年，各地煤礦瓦斯爆炸事故頻發(fā)，給國家和人民群眾生命安全造成極大損失，我國煤炭安全生產(chǎn)形勢十分嚴(yán)峻。不能對(duì)瓦斯適時(shí)、高靈敏度地檢測和監(jiān)控，是導(dǎo)致井下" title="井下">井下瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)引發(fā)爆炸事故的重要原因。因此，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地監(jiān)控瓦斯?jié)舛龋欠乐购蜏p少瓦斯爆炸的重要條件。目前，我國大多數(shù)國有煤礦的瓦斯預(yù)警裝置都是一種叫做“黑白件”的電催化式探測裝置[1]，運(yùn)行壽命短，維護(hù)成本高，每隔幾天就必須對(duì)其準(zhǔn)確度進(jìn)行重新標(biāo)定，按規(guī)定半年就要予以更換，而且催化式傳感器易產(chǎn)生催化劑中毒現(xiàn)象。此外，還存在易受惡劣環(huán)境影響、功耗大、精確度不高等諸多問題。因此，研制新型的瓦斯檢測儀具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
??? 本文介紹的紅外瓦斯傳感器利用甲烷氣體對(duì)傳感器中紅外光譜的吸收性能來測定瓦斯?jié)舛?，不易受現(xiàn)場惡劣環(huán)境的影響。采用了雙通道采樣技術(shù)，可以自我抑制零點(diǎn)漂移。具有標(biāo)定周期長、抗干擾能力強(qiáng)、高精度、高可靠性和使用壽命長等特點(diǎn)。下面詳細(xì)介紹紅外氣體檢測原理和紅外瓦斯傳感器系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。
1 紅外吸收氣體檢測原理
??? 本設(shè)計(jì)采用的IR1xxx系列微型紅外氣體傳感器是采用非色散性紅外（NDIR）技術(shù)來檢測氣體的。這種非毒化的傳感器技術(shù)依賴于目標(biāo)氣體特有的明確的吸收光譜。使用一個(gè)合適的紅外光源，根據(jù)不同的氣體在不同的濃度下對(duì)紅外光譜的吸收率不同來檢測目標(biāo)氣體的存在和濃度。檢測的氣體類型包括二氧化碳（IR11BD）、碳?xì)浠衔铮↖R12BD、IR13BD）和乙炔（IR14BD）等[4]。
??? 微型紅外傳感頭由一個(gè)光源、一個(gè)采樣氣室和一對(duì)熱電探測器組成。向四周擴(kuò)散的氣體通過傳感器頂端的顆粒過濾膜進(jìn)入傳感器的光學(xué)房間，即采樣氣室。依靠表面的光線能量的變化，由內(nèi)部的兩個(gè)熱電探測器輸出信號(hào)。一個(gè)熱電探測器稱為活躍通道探測器，另一個(gè)稱為參考通道探測器。它們產(chǎn)生的信號(hào)依賴于氣體吸收紅外光譜后入射輻射的變化，當(dāng)光源由暗到亮并保持恒定時(shí)，探測器產(chǎn)生的信號(hào)如圖1所示。
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??? 由圖1可見，在光線強(qiáng)度出現(xiàn)突變時(shí)（燈由滅到亮），探測器信號(hào)產(chǎn)生明顯的變化，125ms（典型值）達(dá)到峰值；此后若輻射光強(qiáng)維持恒定，則探測器輸出逐漸下降至初始值（直流分量）并維持不變。同樣，如果輻射光突然消失（燈由亮到滅），探測器輸出將產(chǎn)生與圖1相似但方向相反的曲線。這樣，如果給燈施加脈沖電壓，提供一個(gè)連續(xù)的脈動(dòng)光源，探測器將會(huì)產(chǎn)生連續(xù)的交變信號(hào)。由于光源關(guān)斷和開通后，探測器信號(hào)達(dá)到峰值的時(shí)間約125ms，所以，最合適的脈沖驅(qū)動(dòng)電壓是頻率為4Hz、占空比為50%的方波，此時(shí)，探測器的輸出近似為4Hz的正弦波。如圖2所示。
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??? 為使燈絲不完全冷卻，脈沖驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)能提供給燈絲一定大小的涌入電流。設(shè)置關(guān)斷電壓在0V以上，維持一個(gè)小電流流過燈絲，能夠減少涌入電流。如果驅(qū)動(dòng)電源不能提供涌入電流，則電壓波形的上升沿將變緩，相應(yīng)的探測器輸出信號(hào)將會(huì)產(chǎn)生畸變。另外，當(dāng)燈絲加高電平點(diǎn)亮?xí)r燈絲需要一個(gè)臨界啟動(dòng)電壓和一定的延遲時(shí)間，脈沖的低電平大于0V，可降低啟動(dòng)電壓、減少延遲時(shí)間，使燈絲能在開關(guān)狀態(tài)間快速地切換。但要注意，脈沖驅(qū)動(dòng)電壓的高電平不能大于5V，電壓過高，會(huì)燒壞燈絲。
??? 滿足上述要求的燈絲電源驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。
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??? 三端穩(wěn)壓塊LM317輸出6V左右的直流電壓VD，其大小可通過R2進(jìn)行調(diào)整。由單片機(jī)產(chǎn)生4Hz的方波脈沖控制三極管T。當(dāng)脈沖為高電平時(shí)，三極管T導(dǎo)通，有較大的電流流過R1和燈絲，燈絲電阻上獲得較大的壓降，燈被點(diǎn)亮；當(dāng)脈沖為低電平時(shí)，三極管T截止，由于燈絲回路中增加了R2，電流減小，燈絲電阻上獲得較小的壓降，燈被熄滅。實(shí)際電路中還應(yīng)在輸入輸出端增加濾波電容、考慮電源的功耗等因素。燈絲上施加5V電壓時(shí)所需的典型電流值為60mA。此外，為防止燈絲驅(qū)動(dòng)回路中電流脈沖信號(hào)通過地線產(chǎn)生干擾，燈絲驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)與探測器信號(hào)電路隔離。
??? 這樣，提供給兩個(gè)熱電探測器一個(gè)4Hz的脈動(dòng)光源，以便對(duì)比有光和無光的情況，從而修正外部光線的干涉，并去掉兩個(gè)熱電探測器上的直流偏移。光源采用細(xì)短鎢白熾燈絲，具有較長的壽命和較低的熱惰性，能夠?qū)艚z電源的變化做出快速反應(yīng)。
2 熱電探測器信號(hào)與氣體濃度的關(guān)系分析
?? ?紅外傳感頭通過一個(gè)氣體擴(kuò)散柵欄獲得樣氣，因此不受氣流的影響。采用防火設(shè)計(jì)，不銹鋼的結(jié)構(gòu)使其能短期地暴露在大部分的弱酸、堿溶劑中?；钴S通道熱電探測器包括一個(gè)待檢氣體吸收光譜的濾光器，而參考通道探測器包括一個(gè)待檢氣體不吸收光譜的濾光器。這種方法使得活躍探測器能夠監(jiān)測目標(biāo)氣體的主要吸收波段，而參考探測器提供了溫度和光強(qiáng)改變等環(huán)境因素的影響。
??? 如前所述，為使傳感頭工作，光源必須是脈動(dòng)的以便活躍探測器和參考探測器檢測到的入射輻射的變化?；钴S探測器輸出信號(hào)受光強(qiáng)、溫度和對(duì)通過活躍探測器濾光器的目標(biāo)氣體輻射吸收的影響。光強(qiáng)和溫度也同樣影響參考探測器，但目標(biāo)氣體的輻射吸收不影響參考探測器。從探測器出來的信號(hào)和光源的脈動(dòng)是同步的，因此隨著驅(qū)動(dòng)光源方波的變化，探測器輸出波形的最大值和最小值構(gòu)成了有用的檢測信號(hào)，其差值與光源入射輻射的強(qiáng)度有關(guān)?；钴S探測器給出了由目標(biāo)氣體濃度所影響的入射輻射量，相應(yīng)地，參考探測器給出了不受目標(biāo)氣體濃度影響的入射輻射量，兩個(gè)探測器輸出信號(hào)與目標(biāo)氣體濃度的關(guān)系如式(1)[5]：
??? 
其中， I是與活躍探測器成比例的信號(hào)；
???? I0是與參考探測器成比例的信號(hào)；
??? ε是依賴于目標(biāo)氣體的常數(shù)；
?????? l是光源到探測器的光學(xué)距離；
?????? C是目標(biāo)氣體濃度；
?????? n為常數(shù)，其值依賴于目標(biāo)氣體及光學(xué)距離的大小。
??? 當(dāng)n=1時(shí)，式(1)即為比爾-朗伯(Beer-Lambert)定律。
??? 活躍探測器信號(hào)與參考探測器信號(hào)的比值被用來確定氣體的濃度。該比值直接與I/I0有關(guān)，且采用信號(hào)的比值還能部分地補(bǔ)償光源強(qiáng)度變化、濾光器退化及溫度變化等因素對(duì)探測器信號(hào)的影響。
??? 目標(biāo)氣體的吸收系數(shù)" title="吸收系數(shù)">吸收系數(shù)表示為：
??? 
其中，Z（Zero）是參考?xì)怏w(如氮?dú)?中的I/I0值，稱為零點(diǎn)校準(zhǔn)值；Act和Ref分別是活躍探測器和參考探測器信號(hào)。例如，傳感頭在氮?dú)庵蟹€(wěn)定后測得Act和Ref的峰-峰值分別為1.6V和1.2V，則Z=1.6/1.2=1.33。將該值存儲(chǔ)在E2PROM中作為零點(diǎn)值，僅當(dāng)再次校準(zhǔn)時(shí)才需要改變。
??? 吸收系數(shù)與氣體濃度之間的關(guān)系如下：
??? 
??? 其中s(span)是滿濃度目標(biāo)氣體(如5% Vol氮?dú)饣?%Vol CO2)中的I/I0值，稱為滿刻度校準(zhǔn)值，存儲(chǔ)在E2PROM中，僅當(dāng)再次校準(zhǔn)時(shí)才需要改變。當(dāng)然，進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)還應(yīng)考慮溫度的影響，采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施[5]。
??? a和n為常數(shù)，與傳感頭類型（IR11BD、IR12BD、IR13BD和IR14BD）、目標(biāo)氣體種類（二氧化碳、碳?xì)浠衔锖鸵胰玻┖蜐M刻度濃度值有關(guān)。
??? 由式(3)、(4)可以推出被測氣體濃度表達(dá)式：
??? 
??? 對(duì)于IR12BD型傳感頭，甲烷（CH4, 5%Vol）氣體，a=0.2896，n=0.941。
??? 理論上可以按式(5)計(jì)算出被測甲烷氣體的濃度，但在實(shí)際應(yīng)用中存在兩個(gè)問題：一是如何準(zhǔn)確方便地獲取Act/Ref的值；二是瓦斯傳感器對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，用單片機(jī)匯編程序完成式(5)的計(jì)算很不現(xiàn)實(shí)。因此，本系統(tǒng)采用的方法是，先獲得Act/Ref的值，計(jì)算出吸收系數(shù)，再利用e2V技術(shù)公司[4]提供的氣體濃度與吸收系數(shù)的關(guān)系曲線求得氣體濃度。
??? 公式(2)的實(shí)用形式如下：
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其中,Fa為吸收系數(shù)；S1和S2分別是活躍探測器和參考探測器輸出信號(hào)的峰-峰值；R的定義如下：
??? 
??? 這里
分別是S1和S2在氣體濃度為0時(shí)的數(shù)值。
??? Act/Ref的值采用信號(hào)的峰-峰值之比是因?yàn)樵谧畲笾岛妥钚≈堤?，信?hào)的變化率最小，所得結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)大的誤差，最為可靠。
??? IR12BD型紅外傳感頭對(duì)甲烷氣體的吸收系數(shù)與氣體濃度的關(guān)系曲線如圖4所示[4]。
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??? 由公式(6)和(7)可知，為計(jì)算甲烷濃度，如何在脈動(dòng)光源作用下準(zhǔn)確采集到兩個(gè)探測器輸出的峰-峰值至關(guān)重要。采用單片機(jī)定時(shí)中斷方式獲取這兩個(gè)峰值時(shí)要注意，必須在光源狀態(tài)改變之前采集到，否則，探測器輸出信號(hào)會(huì)在光源狀態(tài)改變之后迅速變化，導(dǎo)致較大的誤差。時(shí)序關(guān)系如圖5所示。此外，還應(yīng)注意前置放大電路中電容帶來的相移對(duì)信號(hào)波形的影響等因素。
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??? 根據(jù)圖4計(jì)算甲烷氣體濃度值時(shí)，本系統(tǒng)采用查表和直線擬合相結(jié)合的復(fù)合算法求得甲烷氣體濃度，節(jié)省了內(nèi)存空間，保證了測量精度。
3 紅外瓦斯傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
??? 紅外瓦斯傳感器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。在4Hz脈動(dòng)光源作用下，活躍探測器和參考探測器產(chǎn)生與礦井下甲烷氣體濃度成比例的輸出信號(hào)，經(jīng)前置放大濾波電路處理后，送A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，按照特定的算法得到氣體濃度值，并在數(shù)碼管上顯示，同時(shí)將濃度值轉(zhuǎn)換為200～1 000Hz頻率的脈沖信號(hào)送系統(tǒng)分站，經(jīng)通訊接口電路和電纜，將數(shù)據(jù)送地面工作站，實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊倪B續(xù)實(shí)時(shí)檢測。如果檢測氣體濃度值超過傳感器濃度報(bào)警設(shè)定值，則發(fā)出聲光報(bào)警提示。
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??? 采用美國ATEML公司近年推出的ATmega16L作為主控芯片。ATmega16L是內(nèi)含16KB Flash的低功耗、低價(jià)格的8位單片機(jī)，它內(nèi)部集成了豐富的硬件資源，如上電復(fù)位電路、看門狗電路、E2PROM等，簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)的RISC精簡指令集，運(yùn)行速度是普通單片機(jī)的幾十倍[6]。
??? 為減小體積，IR1xxx系列傳感頭無前置放大器，實(shí)際使用時(shí)自行設(shè)計(jì)了放大與濾波電路，為A/D轉(zhuǎn)換器提供了合適的輸入信號(hào)。
??? 為實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)雙通道信號(hào)的寬范圍（0～100％CH4）、高分辨率（0.01%CH4）和高精度要求，A/D轉(zhuǎn)換電路選用MAXIM公司生產(chǎn)的高速14位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX126，其4路同步采樣/保持器可以對(duì)A組或B組（由多路開關(guān)選擇）的4個(gè)通道的信號(hào)同時(shí)采樣。本系統(tǒng)只需要同時(shí)采集2路信號(hào)，所以使多路開關(guān)選擇A組，活躍探測器信號(hào)和參考探測器信號(hào)經(jīng)放大濾波處理后分別送入CH1A和CH2A兩個(gè)通道同時(shí)采樣，轉(zhuǎn)換時(shí)間為6μs[7]。
??? 根據(jù)煤礦井下電氣設(shè)備的本安防爆性要求[8]，系統(tǒng)采用紅外遙控方式進(jìn)行參數(shù)設(shè)定與調(diào)整等操作[2-3]，零點(diǎn)、滿度等參數(shù)值保存在ATmega16L片內(nèi)的E2PROM中。使用ATmega16L內(nèi)部的看門狗電路增強(qiáng)了裝置的抗干擾能力。
??? 與甲烷氣體濃度值成比例的200～1 000Hz脈沖信號(hào)由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生。
??? 此外，LED顯示電路、聲光報(bào)警電路、數(shù)據(jù)上傳等功能與其他甲烷檢測儀器原理相似[1]，此處不再贅述。
3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
??? 紅外傳感器控制程序采用單片機(jī)匯編語言編寫，分為上電自檢、系統(tǒng)初始化、遙控接收、參數(shù)設(shè)置、A/D采樣、數(shù)據(jù)處理、濃度計(jì)算、數(shù)據(jù)顯示、聲光報(bào)警、脈沖發(fā)生及與上位機(jī)通訊等多個(gè)模塊。系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。
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??? 考慮到井下的復(fù)雜情況,傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮了本安特性和實(shí)用性[6]。紅外傳感器包含有靜電敏感部分，使用時(shí)須采取抗靜電防備措施。傳感器以數(shù)字芯片為核心，提高了檢測精度，減小了儀表體積。
??? 本文提出的基于非色散性紅外檢測技術(shù)的瓦斯檢測裝置，經(jīng)科技查新表明具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：
??? (1)非色散性紅外瓦斯傳感器設(shè)計(jì)方案
??? 裝置采用非色散性紅外氣體檢測原理，基于同步采樣技術(shù)，由高性能紅外傳感器IR12BD、ATmega16L單片機(jī)和高速多通道14位A/D轉(zhuǎn)換器MAX126為核心器件構(gòu)成。采用紅外遙控面板提供安全的用戶接口。裝置具有自校準(zhǔn)、故障自檢測及自動(dòng)報(bào)警和斷電的功能。
??? (2)準(zhǔn)確獲取甲烷氣體濃度的方法與算法
??? 對(duì)紅外傳感頭輸出的雙通道信號(hào)S1和S2同時(shí)采樣，確?；顒?dòng)通道和參考通道數(shù)據(jù)的一致性。對(duì)多次采集的S1和S2峰-峰值，采用平均濾波、多級(jí)滑動(dòng)窗口濾波等軟件算法，去除噪聲干擾，根據(jù)甲烷氣體吸收系數(shù)與濃度值之間的關(guān)系曲線，采用查表和直線擬合相結(jié)合的復(fù)合算法求得甲烷氣體濃度，保證了測量精度。
??? 經(jīng)實(shí)際測量及在多家煤礦使用表明，該傳感器測量范圍為0～10％CH4，分辨率0.01%CH4，能夠顯示正負(fù)值。具有較高的測量精度：在0～1％誤差率為±0.1；在1％～2％誤差率為±0.2；在2％～4％誤差率為±0.3，在4%～10％誤差率為±0.4，平均穩(wěn)定工作時(shí)間>30天，響應(yīng)時(shí)間小于30s。工作時(shí)正常功率為1.6W，報(bào)警功率為1.9W。對(duì)甲烷氣體選擇性好、無催化劑中毒現(xiàn)象，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，基本上不受其他電磁設(shè)備的影響。具有井下瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)測量、顯示和超限聲光報(bào)警等功能，并可以連續(xù)自動(dòng)地將所測得的井下瓦斯?jié)舛绒D(zhuǎn)換成頻率信號(hào)輸送給監(jiān)測系統(tǒng)，其性能指標(biāo)已達(dá)到國家安全標(biāo)準(zhǔn)[8]，是目前煤礦井下所用傳感器的理想換代產(chǎn)品。
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