基于紅外光譜吸收原理的新型非分光光學式氣室設計

0反射式氣室傳感器ch4紅外甲烷傳感器是利用紅外光譜吸收原理監測ch4體積分數的設備。它在礦山廣泛使用，有效遏制了氧化事件的發生，提高了礦山的安全生產水平。紅外氣室作為紅外甲烷傳感器的核心部件,直接影響到測量精度和其他性能,在很大程度上決定了傳感器的優劣。目前市場上流行的氣室大多為反射式紅外氣室,這種氣室用2倍氣室中腔長度估算光程,使測得的CH4體積分數誤差較大。筆者采用半導體硅MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem,微機電系統)紅外片狀光源設計了一種新型直射式氣室,其光程就是氣室中腔的長度,測量結果更加準確。1ch4對紅外光的吸收作用直射式氣室紅外甲烷傳感器的工作原理如圖1所示。直射式氣室紅外甲烷傳感器工作時,含CH4體積分數信息的電信號的產生、輸出全部是在氣室內完成的。一束紅外光通過待測的CH4時,CH4只對紅外光中的某段紅外光能有吸收作用。CH4吸收的最強紅外光的波長稱作CH4的特征波長。大部分非對稱雙原子和多原子分子在紅外區都有自己的特征波長,當紅外光通過待測氣體時,其吸收關系服從朗伯-比爾(Lambert-Beer)吸收定律。出射光強計算公式為式中:I0為入射光強;K為被測氣體的吸收系數;C為被測氣體的體積分數;L為紅外光通過被測氣體的光程。2直隸氣室設計2.1探測器組成直射式氣室由紅外光源罩、半導體硅紅外片狀光源、氣室中腔、雙通道紅外探測器組成,如圖2所示。該氣室利用MEMS工藝將光源發射、紅外光傳播、紅外光吸收、光電信號轉換及信號處理等工作區域中除電路測控外的部分全部集成在一起,因此,其優劣很大程度上決定了整個甲烷傳感器性能的好壞。2.2選擇紅外光源和光源保護裝置2.2.1基于半導體材料的紅外光源的優勢紅外光源選擇Intex17-0900硅半導體片狀光源。該光源是1.7mm×1.7mm硅膜MEMS工藝的熱輻射紅外光源,其紅外光輸出譜線為中紅外區的1~20μm窄帶,調制頻率范圍為0~140Hz。相對白熾燈紅外光源,這種新型的基于半導體材料的紅外光源的主要優勢是具有高轉換效率和高紅外光光通量。目前市場上流行的白熾光源光譜都是從可見光區到中紅外區,而氣室需要的是CH4特征波長(3.3μm)前后窄帶的紅外光,若采用白熾光源,大部分光能都無法被吸收而浪費掉。白熾燈的發光部分是一段燈絲,而該半導體光源的發光部位是邊長為1.7mm的正方形區域,因此,其光通量遠遠高于普通的燈絲,輻射紅外光的均勻程度也高于普通燈絲的紅外光,從而氣室內CH4對紅外光的吸收就更加充分、均勻。因為紅外光有熱效應,能加熱氣室內部的氣體,所以高光通量的Intex17光源能促使氣室內氣體和外界氣體更迅速地進行交換,進而很好地降低氣室的反應時間。Intex17光源在不同燈體溫度下的光譜能量分布如圖3所示。2.2.2ch4體積分數仿真光源罩設計成曲率為9mm的旋轉拋物面,將紅外光源放置在曲面的焦點處,以保證投射到拋物面的光線會沿著近似平行的路徑傳播,得到一束近似平行光。平行光優勢:(1)平行光可以很大限度地減少紅外光在氣室中輻射時的能量損失,大部分光能不會因為在氣室內折射、反射而浪費。(2)光束近似平行光,則氣室中腔的長度近似為光程,與反射式氣室相比,沒有過多的反射光程,估算誤差更小,進而算得的CH4體積分數會更加精確。圖4為用光學仿真軟件Zemax模擬的紅外光傳播路徑和在探測器位置上形成的光強分布。可見,光強經過反射罩、氣室中腔到達探測器位置時的光強分布均勻、對稱。2.3氣室的規模確定2.3.1氣室直徑的選擇理論上,氣室直徑越小則氣室的響應時間就越短,所以氣室直徑應在滿足光源、探測器封裝尺寸的前提下做到最小。片紅外光源的直徑為10mm,探測器的直徑為9.2mm,所以氣室內徑確定為10mm。2.3.2滿足靈敏度要求的原則由Lambert-Beer定律可知,氣室越長,CH4吸收紅外光越充分,則氣室的檢測精度、靈敏度越高。綜合考慮氣室集成化、便攜性以及紅外光在氣室內部折射和反射造成的光耗等因素,氣室長度不宜太長。氣室長度的確定主要取決于被檢測氣體的種類和檢測靈敏度要求,應該在滿足靈敏度要求的前提下做到最短。本文中的氣室要求能檢測出體積分數為100cm3/m3的CH4,即φ(CH4)=0.03%。在室溫下、氣室內徑為10mm時,采用不同氣室長度的紅外甲烷傳感器檢測φ(CH4)=0.01%的CH4的結果見表1。在氣室內徑確定的情況下,氣室長度過短則靈敏度達不到預期要求,檢測不出CH4體積分數;而氣室長度越大則響應時間越長。由表1可看出,當氣室長度取80~110mm時能達到靈敏度和響應時間的均衡,因此,設計氣室長度為95mm。氣室采用可拆卸結構,即光源部分、探測器部分通過螺絲和氣室中腔裝配到一起,要用不同長度的氣室時只需換上適當長度的氣室中腔即可。該結構節省了實驗材料,且采用同一光源和探測器可大大減小實驗誤差。2.4紅外探測器的測量原理選擇鈮酸鋰(LithiumNiobate,LN)晶體作為探測器的光敏單元。LN晶體是一種多功能材料,具有良好的熱釋電性,硬度低,易研磨,物理化學性能穩定,所以其作為光敏感材料在光電探測中的應用一直倍受關注。紅外探測器的光敏單元由薄板電容器組成,而薄板電容器由LN晶體化合物組成,當光敏單元吸收紅外光源輻射的熱量時便會反向承載產生熱釋電效應。為了消除光源輻射光能不穩定以及外界溫度對探測器性能產生的影響,采用雙通道雙補償原理設計紅外探測器,以提高測量精度。雙通道分別為對比通道和檢測通道。因為CH4在紅外光3.3μm波長具有特征吸收峰值特性,故檢測通道裝有3.3μm的濾光片;對比通道則選用穩定的沒有氣體吸收的4.0μm波長濾光片濾光,以實現參考和補償功能。由公式(1)推導可得紅外探測器檢測通道的輸出電壓信號為CH4對于4μm的紅外光吸收程度不深,同理可知,紅外探測器對比通道的輸出電壓信號為式中:K1、K2為2個通道的比例因子,可通過將氣室放在高純氮氣中測量得到;L為氣室的長度,對于一個確定氣室來說,K和L都是確定的;C為待測氣體的體積分數;I1、I2為紅外光到達2個通道時的光強。因為在實際檢測過程中光強因子容易受外界影響而難以準確測量,所以應消除光強因子的影響。由2.2.2節中的Zemax仿真可知,紅外光在探測器位置的光強分布是均勻、對稱的,所以有I1=I2,對式(2)、式(3)求比值即可消除光強因子的影響:式(4)是一個求取氣體體積分數的簡單計算式,其計算結果經單片機AD轉換后即可輸出到數顯模塊顯示。2.5紅外光區因為煤礦井下環境特殊,雖然氣室做了防塵和防潮處理,但氣室內仍然會有粉塵和水汽進入,對光源和探測性能產生不利影響,所以要對光源和探測器進行保護。視窗主要用來保護光源、探測器,防止水汽和粉塵對器件造成損害。視窗材料要有較好的機械性能且對紅外光有高透性。目前常用的紅外透射材料主要有GaF2、MgF2、BaF2等幾種氟化物。4種氟化物在紅外光區的性能見表2。從透過率及透過光譜來說,4種氟化物都能滿足視窗設計要求。但BaF2主要應用于低溫制冷成像系統中,并且其所在的環境一定要保持干燥,井下的潮濕環境會降低其透過性;LiF主要應用于航天和激光光學系統,其水溶性高,容易潮解和變形,在惡劣的井下環境中使用會嚴重地降低其性能;GaF2和MgF2性能相近,其硬度高,抗機械沖擊和熱沖擊能力強,且可透過的紅外波段相近,滿足視窗設計要求。綜合考慮價格因素和材料來源,選擇GaF2作為視窗材料。圖5為GaF2紅外光譜透過曲線,圖6為直射式氣室實物圖。3ch4體積分數在傳感器標定過程中,采用99.9%的高純N2作為CH4的載氣。計算CH4體積分數可采用以下方法:將氣室放入配氣箱,開啟配氣系統,將配比好的混合氣體送入配氣箱中;待混合氣充分均勻并充滿配氣箱后,得到探測器2個通道的輸出電壓值,設檢測通道值為D,對比通道值為C,用D、C及式(4)進行相關計算即可得到CH4的體積分數。但這種方法會大大地占用微處理器的資源,耗費微處理器時間,影響傳感器的整體性能。本文采用程序查表的方法計算CH4的體積分數:事先把標定好的數組拷貝到單片機中,當D、C值滿足某種關系時,CH4體積分數就對應數組中的某個值,通過查表顯示該體積分數值。采用的關系式為式中:R為CH4體積分數的等效值;Nd、Nc分別為探測器在純N2下測得的2個通道的輸出電壓值。選擇一組R值進行數據處理和線性擬合,結果如圖7所示。通過多次試驗證實該曲線有很好的重復性,并且線性度良好。對不同體積分數的CH4進行測試,對比其體積分數標準值和實測值,表3為0~2.5%CH4體積分數范圍內的測試結果。可見,最大測量誤差僅為±0.05%。4ch4傳感材料的選擇吸收采用半導體硅MEMS紅外片狀光源設計了一種新