基于紅外光學(xué)原理的瓦斯預(yù)警檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于紅外光學(xué)原理的瓦斯預(yù)警檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

早期安全檢測(cè)工藝的應(yīng)用近年來(lái)，由于經(jīng)常發(fā)生的屋頂事故，造成了巨大的破壞和經(jīng)濟(jì)損失，引起了政府和管理部門的重視，吸引了國(guó)內(nèi)外許多科技工作者的注意，并投入了大量資金。我在這方面做了很多研究。甲烷是礦井和工業(yè)領(lǐng)域中有害氣體的主要成分,對(duì)其周圍環(huán)境中甲烷氣體的濃度進(jìn)行早期安全檢測(cè)是非常必要的。在以前都是采用氣敏原理和熱催化原理對(duì)其濃度進(jìn)行檢測(cè),其檢測(cè)精度不高,易老化且易發(fā)生致命的錯(cuò)誤。為此我們尋找一種新的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。利用紅外光學(xué)原理是近年來(lái)許多科技工作者所關(guān)注的熱點(diǎn),因?yàn)檫@種方法能夠改善以前的那些氣敏原理和熱催化原理的一些弊端,克服礦井下那種惡劣環(huán)境的影響,通過(guò)改善和適當(dāng)選取探測(cè)器以及加上有效的信號(hào)處理方法,從而使這種方法達(dá)到了滿意的效果,也大大提高了探測(cè)的精度和準(zhǔn)確性。1.氣體密度測(cè)量系統(tǒng)紅外光學(xué)檢測(cè)法,這種思想來(lái)源于“溫室效應(yīng)”,我們能感覺(jué)到熱是因?yàn)榧t外的輻射能被象CO2這樣的雙原子分子所吸收。事實(shí)上大多數(shù)雙原子分子都能吸收紅外光,象Nox、CO以及全部的HC等。紅外光能夠激活氣體分子處于高能狀態(tài),來(lái)自紅外光的熱能被轉(zhuǎn)移給氣體,使氣體變熱。通常,一束紅外光的強(qiáng)度在通過(guò)一個(gè)氣體容器時(shí)將會(huì)減少,而光強(qiáng)度損失是一定體積內(nèi)活動(dòng)氣體分子數(shù)量的函數(shù),它將用來(lái)表示氣體濃度的函數(shù)。而氣體與紅外光的相互作用只在紅外光的特定波長(zhǎng)發(fā)生,與這一事實(shí)結(jié)合,可以設(shè)計(jì)一種強(qiáng)有力的工具用來(lái)測(cè)量特定氣體的密度,即使在有別的氣體存在的情況下也可以實(shí)現(xiàn)該功能。熱電堆型探測(cè)器TPS2534系列正是基于這種原理設(shè)計(jì)的,具有參考通道和測(cè)量通道的雙路探測(cè)器,是利用甲烷對(duì)紅外光在3.3um波長(zhǎng)處具有特定吸收峰這一特性設(shè)計(jì)的,而參考通道具有參考和補(bǔ)償作用。探測(cè)器將輸出1mv左右的信號(hào),通過(guò)正弦波調(diào)制紅外LED,利用鎖定放大檢測(cè)法檢測(cè)出與濃度相對(duì)應(yīng)的有用信號(hào),大大提高了測(cè)量靈敏度,改善了穩(wěn)定性,提高了信噪比。2.紅外傳感器的光強(qiáng)難以消除光強(qiáng)因子的影響設(shè)一束波長(zhǎng)為λ,光強(qiáng)為I0的單色平行光射向甲烷和空氣混合的被測(cè)氣室時(shí),氣室中的樣品在λ處具有吸收線和吸收帶,光被吸收和散射一部分。式中,K為吸收系數(shù);C為氣體濃度;L為氣室的長(zhǎng)度。由圖1可以清楚地看到,光探測(cè)器的兩路通道在接收紅外光后,兩路信號(hào)的變化情況。對(duì)于參考通道輸出信號(hào);ref:U2∝I;由上可以看出,兩路信號(hào)都正比例光強(qiáng),當(dāng)氣室里甲烷濃度發(fā)生改變,氣體分子吸收熱量將引起光強(qiáng)的變化,從而使兩路信號(hào)的輸出發(fā)生改變。而從兩關(guān)系式分析,都有一個(gè)共同的參數(shù)I,也就是說(shuō)兩路信號(hào)輸出都與當(dāng)前光強(qiáng)有關(guān),且氣體通道還與當(dāng)前的甲烷濃度有關(guān),而對(duì)于一個(gè)確定的系統(tǒng),K為吸收系數(shù),L為氣室的長(zhǎng)度,K、L都是確定的。從而可以假設(shè)兩路通道的比例因子分別為K1、K2,可以得到以下兩關(guān)系式:在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,光強(qiáng)我們很難準(zhǔn)確的測(cè)量,為了消除光強(qiáng)因子的影響,我們對(duì)以上兩式求比值,從而消了光強(qiáng)因子,用求比值的方法也消除了系統(tǒng)的一些影響,提高了準(zhǔn)確性,由此得到如下關(guān)系式:從這個(gè)式中我們可以求得濃度:對(duì)于一個(gè)確定的系統(tǒng),K、L為常數(shù),所以-1/KL可以假定為一個(gè)常數(shù)S常,而K1\K2兩比例因子只與當(dāng)前的環(huán)境狀態(tài)有關(guān),可以設(shè)這個(gè)值㏑K2-InK1為隨環(huán)境變化的參數(shù)m,可以通過(guò)標(biāo)定以及軟件和電路的方法來(lái)補(bǔ)償;InU1-InU2可以通過(guò)電路和單片機(jī)運(yùn)算直接求得,可以等效為一個(gè)因子X(jué)。從而可以簡(jiǎn)化為:C=S常X+S常m,如果對(duì)于一個(gè)確定的環(huán)境,甲烷的濃度可以寫(xiě)成一個(gè)直線的關(guān)系方程式這就是通過(guò)計(jì)算和處理最后得到的一個(gè)與濃度相關(guān)的一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系式,式中的x為與濃度等效的輸出信號(hào),是兩通道的比值的對(duì)數(shù)值,y為氣室內(nèi)的分子數(shù),k、b為系統(tǒng)比例參數(shù)。結(jié)合紅外探測(cè)原理,利用先進(jìn)的微型集成技術(shù):紅外探測(cè)部分,集發(fā)光與探測(cè)為一體,發(fā)光管選用高強(qiáng)度、高穩(wěn)定度的紅外LED;探測(cè)器選用具有高靈敏度、高穩(wěn)定性熱釋電紅外傳感器TPS2534,其間用MESMS工藝集成了光電轉(zhuǎn)化電路、信號(hào)放大電路和窄帶濾波器。信號(hào)處理部分,用一脈沖信號(hào)對(duì)紅外光進(jìn)行調(diào)制,同時(shí)控制采樣時(shí)間,在接收到傳感系統(tǒng)的信號(hào)后,進(jìn)行信號(hào)處理,激活紅外光學(xué)傳感系統(tǒng)進(jìn)行精確監(jiān)控,如果判定外界甲烷濃度達(dá)到預(yù)警濃度時(shí),發(fā)出驅(qū)動(dòng)指定來(lái)進(jìn)行預(yù)警,預(yù)警提示采用聲、光等方式,這樣能使報(bào)警裝置在復(fù)雜的環(huán)境下都得到應(yīng)用,并且通過(guò)單片機(jī)控制數(shù)碼管直觀地顯示當(dāng)前氣體濃度。3.相敏檢波器的設(shè)計(jì)設(shè)X(t)是伴有噪聲的周期信號(hào),即:X(t)=S(t)+N(t)=Asin(ωt+φ)+N(t)式中,S(t)為有用信號(hào),其幅值為A,角頻率為ω,初相角為φ;N(t)為隨機(jī)噪聲。參考正弦信號(hào)為Y(t)=Bsin[ω(t+τ)],其中τ是時(shí)間位移。則兩者的相關(guān)函數(shù)為:由于參考信號(hào)Y(t)與隨機(jī)噪聲N(t)互不相關(guān),所以Rny(τ)=0,于是就有Rxy(τ)=AB/2·cos(ωt+φ),從而得出Rxy(τ)正比于有用信號(hào)的幅值。由以上分析可知,利用參考信號(hào)與有用信號(hào)具有相關(guān)性,而參考信號(hào)與噪聲相互獨(dú)立、互不相關(guān)的性質(zhì),可以使之通過(guò)互相關(guān)運(yùn)算削弱噪聲的影響。相敏檢波器是鎖相放大器的心臟,對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算的電路框圖如圖3所示。設(shè)Us=Essin(2πf1t+φ1);則Uo=UsUr=EsEr/2·cos[2π(f1-f2)t+(φ1-φ2)]-EsEr/2·cos[π(f1+f2)t+(φ1+φ2)],表明,相敏檢波器的輸出包括兩部分,前者為輸入信號(hào)與參考信號(hào)的差頻分量,后者為和頻分量。當(dāng)被測(cè)的有用信號(hào)與參考信號(hào)同步時(shí),即f1=f2時(shí),差頻為零,這時(shí)差頻分量變成相敏直流電壓分量,而和頻分量成為倍頻。其物理意義表示信號(hào)經(jīng)過(guò)相敏檢波以后,信號(hào)頻譜相對(duì)頻率軸作了相對(duì)位移,即由原來(lái)以f1為中心的頻譜遷移至以直流(f=f1-f2=0)和倍頻(f=f1+f2=2f1)為中心的兩個(gè)頻譜。低通濾波濾除倍頻分量,從而使輸出為Uo′=EsEr/2·cos[2π(f1-f2)t+(φ1-φ2)],在實(shí)際的電路中,常常采用對(duì)稱方波作為參考信號(hào),使相敏檢波器處于開(kāi)關(guān)狀態(tài),稱為開(kāi)關(guān)型相敏檢波器。為簡(jiǎn)化,令Er=1,將方波參考信號(hào)展開(kāi)為傅立葉級(jí)數(shù):式中,n為諧波次數(shù);f2為參考方波的頻率。當(dāng)被測(cè)的有用信號(hào)為Us=Es·sin(2πf1t+φ1)時(shí),則相敏檢波器的輸出為:檢測(cè)出的信號(hào)含有輸入信號(hào)的和頻與差頻信號(hào),經(jīng)低通濾波濾掉高頻成分,從而得到與其濃度相對(duì)應(yīng)的有效信號(hào)。若f1=f2,則式中存在直流分量為2Esπcos(φ1-φ2)=2Esπcosθ,其中θ=φ1-φ2為輸入信號(hào)Es與參考信號(hào)Er的相位差。所以在實(shí)際的設(shè)計(jì)中,只要參考信號(hào)與被測(cè)信號(hào)同頻、同相,則被檢測(cè)出的信號(hào)既為與被測(cè)信號(hào)相關(guān)的直流分量2Esπ,從而實(shí)現(xiàn)了有用信號(hào)的檢測(cè)。4.ad30的調(diào)節(jié)微光學(xué)甲烷傳感檢測(cè)系統(tǒng)的框圖如下圖所示,通過(guò)振蕩器調(diào)制脈沖電流源,控制LED發(fā)光。在氣室內(nèi),光檢測(cè)器檢測(cè)到與濃度相對(duì)應(yīng)的信號(hào),為幾個(gè)微伏左右的信號(hào),被強(qiáng)背景的噪聲淹沒(méi)。由探測(cè)器輸出的兩路信號(hào)需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理,通過(guò)選用低噪聲、高精度的運(yùn)放適當(dāng)放大,再經(jīng)一個(gè)帶通濾波器,然后再進(jìn)入一個(gè)經(jīng)同一振蕩器控制的鎖定放大器,鎖定放大器采用高度集成的平衡調(diào)制解調(diào)芯片AD630,這樣不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì),而且有效地抑制了噪聲和干擾。關(guān)于AD630的原理圖和外圍電路分別如圖5和圖6所示,經(jīng)檢測(cè)到的信號(hào)分別進(jìn)行對(duì)數(shù)放大,如圖7所示。從而擴(kuò)大了信號(hào)的幅度范圍,達(dá)到了滿意的測(cè)量效果。5.試樣的微型化實(shí)驗(yàn)中,甲烷選用3.3um波長(zhǎng),參比光選用4.0um波長(zhǎng),研制出了雙波長(zhǎng)雙補(bǔ)償原理的紅外甲烷傳感器,該傳感器體積小于50*40*30mm,實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)的微型化。選用了北京均方理化研究所生產(chǎn)的紅外甲烷濃度分析儀,這種分析儀,能夠快速且較準(zhǔn)確的檢測(cè)甲烷的濃度,可以用來(lái)做初步標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。該分析儀有一個(gè)較大的光學(xué)氣室,內(nèi)部配有小風(fēng)扇,有利于注入的甲烷氣體快速擴(kuò)散,均布整個(gè)氣室。實(shí)驗(yàn)時(shí),用不同濃度的甲烷氣體分別注入氣室中,測(cè)得經(jīng)鎖定放大后,低通濾波、對(duì)數(shù)放大后的輸出信號(hào),繪出相對(duì)濃度與輸出信號(hào)的變化曲線,如圖8所示。6.提高儀器的抑制作用理論與實(shí)驗(yàn)表明,該紅外光學(xué)甲烷