基于紅外光學原理的瓦斯預警檢測系統(tǒng)的設計

基于紅外光學原理的瓦斯預警檢測系統(tǒng)的設計

早期安全檢測工藝的應用近年來，由于經(jīng)常發(fā)生的屋頂事故，造成了巨大的破壞和經(jīng)濟損失，引起了政府和管理部門的重視，吸引了國內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)領域中有害氣體的主要成分,對其周圍環(huán)境中甲烷氣體的濃度進行早期安全檢測是非常必要的。在以前都是采用氣敏原理和熱催化原理對其濃度進行檢測,其檢測精度不高,易老化且易發(fā)生致命的錯誤。為此我們尋找一種新的方法來解決這個問題。利用紅外光學原理是近年來許多科技工作者所關注的熱點,因為這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,通過改善和適當選取探測器以及加上有效的信號處理方法,從而使這種方法達到了滿意的效果,也大大提高了探測的精度和準確性。1.氣體密度測量系統(tǒng)紅外光學檢測法,這種思想來源于“溫室效應”,我們能感覺到熱是因為紅外的輻射能被象CO2這樣的雙原子分子所吸收。事實上大多數(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),來自紅外光的熱能被轉移給氣體,使氣體變熱。通常,一束紅外光的強度在通過一個氣體容器時將會減少,而光強度損失是一定體積內活動氣體分子數(shù)量的函數(shù),它將用來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發(fā)生,與這一事實結合,可以設計一種強有力的工具用來測量特定氣體的密度,即使在有別的氣體存在的情況下也可以實現(xiàn)該功能。熱電堆型探測器TPS2534系列正是基于這種原理設計的,具有參考通道和測量通道的雙路探測器,是利用甲烷對紅外光在3.3um波長處具有特定吸收峰這一特性設計的,而參考通道具有參考和補償作用。探測器將輸出1mv左右的信號,通過正弦波調制紅外LED,利用鎖定放大檢測法檢測出與濃度相對應的有用信號,大大提高了測量靈敏度,改善了穩(wěn)定性,提高了信噪比。2.紅外傳感器的光強難以消除光強因子的影響設一束波長為λ,光強為I0的單色平行光射向甲烷和空氣混合的被測氣室時,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為氣室的長度。由圖1可以清楚地看到,光探測器的兩路通道在接收紅外光后,兩路信號的變化情況。對于參考通道輸出信號;ref:U2∝I;由上可以看出,兩路信號都正比例光強,當氣室里甲烷濃度發(fā)生改變,氣體分子吸收熱量將引起光強的變化,從而使兩路信號的輸出發(fā)生改變。而從兩關系式分析,都有一個共同的參數(shù)I,也就是說兩路信號輸出都與當前光強有關,且氣體通道還與當前的甲烷濃度有關,而對于一個確定的系統(tǒng),K為吸收系數(shù),L為氣室的長度,K、L都是確定的。從而可以假設兩路通道的比例因子分別為K1、K2,可以得到以下兩關系式:在實際的實驗過程中,光強我們很難準確的測量,為了消除光強因子的影響,我們對以上兩式求比值,從而消了光強因子,用求比值的方法也消除了系統(tǒng)的一些影響,提高了準確性,由此得到如下關系式:從這個式中我們可以求得濃度:對于一個確定的系統(tǒng),K、L為常數(shù),所以-1/KL可以假定為一個常數(shù)S常,而K1\K2兩比例因子只與當前的環(huán)境狀態(tài)有關,可以設這個值㏑K2-InK1為隨環(huán)境變化的參數(shù)m,可以通過標定以及軟件和電路的方法來補償;InU1-InU2可以通過電路和單片機運算直接求得,可以等效為一個因子X。從而可以簡化為:C=S常X+S常m,如果對于一個確定的環(huán)境,甲烷的濃度可以寫成一個直線的關系方程式這就是通過計算和處理最后得到的一個與濃度相關的一個簡單的數(shù)學關系式,式中的x為與濃度等效的輸出信號,是兩通道的比值的對數(shù)值,y為氣室內的分子數(shù),k、b為系統(tǒng)比例參數(shù)。結合紅外探測原理,利用先進的微型集成技術:紅外探測部分,集發(fā)光與探測為一體,發(fā)光管選用高強度、高穩(wěn)定度的紅外LED;探測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工藝集成了光電轉化電路、信號放大電路和窄帶濾波器。信號處理部分,用一脈沖信號對紅外光進行調制,同時控制采樣時間,在接收到傳感系統(tǒng)的信號后,進行信號處理,激活紅外光學傳感系統(tǒng)進行精確監(jiān)控,如果判定外界甲烷濃度達到預警濃度時,發(fā)出驅動指定來進行預警,預警提示采用聲、光等方式,這樣能使報警裝置在復雜的環(huán)境下都得到應用,并且通過單片機控制數(shù)碼管直觀地顯示當前氣體濃度。3.相敏檢波器的設計設X(t)是伴有噪聲的周期信號,即:X(t)=S(t)+N(t)=Asin(ωt+φ)+N(t)式中,S(t)為有用信號,其幅值為A,角頻率為ω,初相角為φ;N(t)為隨機噪聲。參考正弦信號為Y(t)=Bsin[ω(t+τ)],其中τ是時間位移。則兩者的相關函數(shù)為:由于參考信號Y(t)與隨機噪聲N(t)互不相關,所以Rny(τ)=0,于是就有Rxy(τ)=AB/2·cos(ωt+φ),從而得出Rxy(τ)正比于有用信號的幅值。由以上分析可知,利用參考信號與有用信號具有相關性,而參考信號與噪聲相互獨立、互不相關的性質,可以使之通過互相關運算削弱噪聲的影響。相敏檢波器是鎖相放大器的心臟,對周期信號進行互相關運算的電路框圖如圖3所示。設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,前者為輸入信號與參考信號的差頻分量,后者為和頻分量。當被測的有用信號與參考信號同步時,即f1=f2時,差頻為零,這時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經(jīng)過相敏檢波以后,信號頻譜相對頻率軸作了相對位移,即由原來以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)],在實際的電路中,常常采用對稱方波作為參考信號,使相敏檢波器處于開關狀態(tài),稱為開關型相敏檢波器。為簡化,令Er=1,將方波參考信號展開為傅立葉級數(shù):式中,n為諧波次數(shù);f2為參考方波的頻率。當被測的有用信號為Us=Es·sin(2πf1t+φ1)時,則相敏檢波器的輸出為:檢測出的信號含有輸入信號的和頻與差頻信號,經(jīng)低通濾波濾掉高頻成分,從而得到與其濃度相對應的有效信號。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Es與參考信號Er的相位差。所以在實際的設計中,只要參考信號與被測信號同頻、同相,則被檢測出的信號既為與被測信號相關的直流分量2Esπ,從而實現(xiàn)了有用信號的檢測。4.ad30的調節(jié)微光學甲烷傳感檢測系統(tǒng)的框圖如下圖所示,通過振蕩器調制脈沖電流源,控制LED發(fā)光。在氣室內,光檢測器檢測到與濃度相對應的信號,為幾個微伏左右的信號,被強背景的噪聲淹沒。由探測器輸出的兩路信號需要經(jīng)過進一步處理,通過選用低噪聲、高精度的運放適當放大,再經(jīng)一個帶通濾波器,然后再進入一個經(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制解調芯片AD630,這樣不僅簡化了設計,而且有效地抑制了噪聲和干擾。關于AD630的原理圖和外圍電路分別如圖5和圖6所示,經(jīng)檢測到的信號分別進行對數(shù)放大,如圖7所示。從而擴大了信號的幅度范圍,達到了滿意的測量效果。5.試樣的微型化實驗中,甲烷選用3.3um波長,參比光選用4.0um波長,研制出了雙波長雙補償原理的紅外甲烷傳感器,該傳感器體積小于50*40*30mm,實現(xiàn)了樣機的微型化。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,能夠快速且較準確的檢測甲烷的濃度,可以用來做初步標定實驗。該分析儀有一個較大的光學氣室,內部配有小風扇,有利于注入的甲烷氣體快速擴散,均布整個氣室。實驗時,用不同濃度的甲烷氣體分別注入氣室中,測得經(jīng)鎖定放大后,低通濾波、對數(shù)放大后的輸出信號,繪出相對濃度與輸出信號的變化曲線,如圖8所示。6.提高儀器的抑制作用理論與實驗表明,該紅外光學甲烷