??? 摘 要:? 提出一種基于非色散性紅外檢測技術的非毒化紅外瓦斯傳感器。它利用瓦斯氣體對某一特定波長紅外光吸收性能與瓦斯濃度之間存在的確定關系，通過測定特定波長紅外光被吸收的程度反映瓦斯濃度值的原理進行工作。詳細介紹了紅外吸收氣體檢測" title="氣體檢測">氣體檢測原理、脈動光源與熱電探測器信號的關系，給出了瓦斯濃度的實用測量算法及傳感器系統的軟硬件設計方案。具有標定周期長、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產生催化中毒等特點。
??? 關鍵詞:? 紅外；? 氣體傳感器；? 瓦斯濃度；? 熱電探測器；? 光學輻射
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??? 近幾年，各地煤礦瓦斯爆炸事故頻發，給國家和人民群眾生命安全造成極大損失，我國煤炭安全生產形勢十分嚴峻。不能對瓦斯適時、高靈敏度地檢測和監控，是導致井下" title="井下">井下瓦斯濃度超標引發爆炸事故的重要原因。因此，準確、實時地監控瓦斯濃度，是防止和減少瓦斯爆炸的重要條件。目前，我國大多數國有煤礦的瓦斯預警裝置都是一種叫做“黑白件”的電催化式探測裝置[1]，運行壽命短，維護成本高，每隔幾天就必須對其準確度進行重新標定，按規定半年就要予以更換，而且催化式傳感器易產生催化劑中毒現象。此外，還存在易受惡劣環境影響、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用價值。
??? 本文介紹的紅外瓦斯傳感器利用甲烷氣體對傳感器中紅外光譜的吸收性能來測定瓦斯濃度，不易受現場惡劣環境的影響。采用了雙通道采樣技術，可以自我抑制零點漂移。具有標定周期長、抗干擾能力強、高精度、高可靠性和使用壽命長等特點。下面詳細介紹紅外氣體檢測原理和紅外瓦斯傳感器系統的軟硬件設計方案。
1 紅外吸收氣體檢測原理
??? 本設計采用的IR1xxx系列微型紅外氣體傳感器是采用非色散性紅外（NDIR）技術來檢測氣體的。這種非毒化的傳感器技術依賴于目標氣體特有的明確的吸收光譜。使用一個合適的紅外光源，根據不同的氣體在不同的濃度下對紅外光譜的吸收率不同來檢測目標氣體的存在和濃度。檢測的氣體類型包括二氧化碳（IR11BD）、碳氫化合物（IR12BD、IR13BD）和乙炔（IR14BD）等[4]。
??? 微型紅外傳感頭由一個光源、一個采樣氣室和一對熱電探測器組成。向四周擴散的氣體通過傳感器頂端的顆粒過濾膜進入傳感器的光學房間，即采樣氣室。依靠表面的光線能量的變化，由內部的兩個熱電探測器輸出信號。一個熱電探測器稱為活躍通道探測器，另一個稱為參考通道探測器。它們產生的信號依賴于氣體吸收紅外光譜后入射輻射的變化，當光源由暗到亮并保持恒定時，探測器產生的信號如圖1所示。
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??? 由圖1可見，在光線強度出現突變時（燈由滅到亮），探測器信號產生明顯的變化，125ms（典型值）達到峰值；此后若輻射光強維持恒定，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，提供一個連續的脈動光源，探測器將會產生連續的交變信號。由于光源關斷和開通后，探測器信號達到峰值的時間約125ms，所以，最合適的脈沖驅動電壓是頻率為4Hz、占空比為50%的方波，此時，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，脈沖驅動電源應能提供給燈絲一定大小的涌入電流。設置關斷電壓在0V以上，維持一個小電流流過燈絲，能夠減少涌入電流。如果驅動電源不能提供涌入電流，則電壓波形的上升沿將變緩，相應的探測器輸出信號將會產生畸變。另外，當燈絲加高電平點亮時燈絲需要一個臨界啟動電壓和一定的延遲時間，脈沖的低電平大于0V，可降低啟動電壓、減少延遲時間，使燈絲能在開關狀態間快速地切換。但要注意，脈沖驅動電壓的高電平不能大于5V，電壓過高，會燒壞燈絲。
??? 滿足上述要求的燈絲電源驅動電路如圖3所示。
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??? 三端穩壓塊LM317輸出6V左右的直流電壓VD，其大小可通過R2進行調整。由單片機產生4Hz的方波脈沖控制三極管T。當脈沖為高電平時，三極管T導通，有較大的電流流過R1和燈絲，燈絲電阻上獲得較大的壓降，燈被點亮；當脈沖為低電平時，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。實際電路中還應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電壓時所需的典型電流值為60mA。此外，為防止燈絲驅動回路中電流脈沖信號通過地線產生干擾，燈絲驅動電路應與探測器信號電路隔離。
??? 這樣，提供給兩個熱電探測器一個4Hz的脈動光源，以便對比有光和無光的情況，從而修正外部光線的干涉，并去掉兩個熱電探測器上的直流偏移。光源采用細短鎢白熾燈絲，具有較長的壽命和較低的熱惰性，能夠對燈絲電源的變化做出快速反應。
2 熱電探測器信號與氣體濃度的關系分析
?? ?紅外傳感頭通過一個氣體擴散柵欄獲得樣氣，因此不受氣流的影響。采用防火設計，不銹鋼的結構使其能短期地暴露在大部分的弱酸、堿溶劑中。活躍通道熱電探測器包括一個待檢氣體吸收光譜的濾光器，而參考通道探測器包括一個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測目標氣體的主要吸收波段，而參考探測器提供了溫度和光強改變等環境因素的影響。
??? 如前所述，為使傳感頭工作，光源必須是脈動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。活躍探測器輸出信號受光強、溫度和對通過活躍探測器濾光器的目標氣體輻射吸收的影響。光強和溫度也同樣影響參考探測器，但目標氣體的輻射吸收不影響參考探測器。從探測器出來的信號和光源的脈動是同步的，因此隨著驅動光源方波的變化，探測器輸出波形的最大值和最小值構成了有用的檢測信號，其差值與光源入射輻射的強度有關。活躍探測器給出了由目標氣體濃度所影響的入射輻射量，相應地，參考探測器給出了不受目標氣體濃度影響的入射輻射量，兩個探測器輸出信號與目標氣體濃度的關系如式(1)[5]：
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其中， I是與活躍探測器成比例的信號；
???? I0是與參考探測器成比例的信號；
??? ε是依賴于目標氣體的常數；
?????? l是光源到探測器的光學距離；
?????? C是目標氣體濃度；
?????? n為常數，其值依賴于目標氣體及光學距離的大小。
??? 當n=1時，式(1)即為比爾-朗伯(Beer-Lambert)定律。
??? 活躍探測器信號與參考探測器信號的比值被用來確定氣體的濃度。該比值直接與I/I0有關，且采用信號的比值還能部分地補償光源強度變化、濾光器退化及溫度變化等因素對探測器信號的影響。
??? 目標氣體的吸收系數" title="吸收系數">吸收系數表示為：
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其中，Z（Zero）是參考氣體(如氮氣)中的I/I0值，稱為零點校準值；Act和Ref分別是活躍探測器和參考探測器信號。例如，傳感頭在氮氣中穩定后測得Act和Ref的峰-峰值分別為1.6V和1.2V，則Z=1.6/1.2=1.33。將該值存儲在E2PROM中作為零點值，僅當再次校準時才需要改變。
??? 吸收系數與氣體濃度之間的關系如下：
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??? 其中s(span)是滿濃度目標氣體(如5% Vol氮氣或2%Vol CO2)中的I/I0值，稱為滿刻度校準值，存儲在E2PROM中，僅當再次校準時才需要改變。當然，進行校準時還應考慮溫度的影響，采取適當的補償措施[5]。
??? a和n為常數，與傳感頭類型（IR11BD、IR12BD、IR13BD和IR14BD）、目標氣體種類（二氧化碳、碳氫化合物和乙炔）和滿刻度濃度值有關。
??? 由式(3)、(4)可以推出被測氣體濃度表達式：
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??? 對于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)計算出被測甲烷氣體的濃度，但在實際應用中存在兩個問題：一是如何準確方便地獲取Act/Ref的值；二是瓦斯傳感器對實時性要求很高，用單片機匯編程序完成式(5)的計算很不現實。因此，本系統采用的方法是，先獲得Act/Ref的值，計算出吸收系數，再利用e2V技術公司[4]提供的氣體濃度與吸收系數的關系曲線求得氣體濃度。
??? 公式(2)的實用形式如下：
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其中,Fa為吸收系數；S1和S2分別是活躍探測器和參考探測器輸出信號的峰-峰值；R的定義如下：
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??? 這里
分別是S1和S2在氣體濃度為0時的數值。
??? Act/Ref的值采用信號的峰-峰值之比是因為在最大值和最小值處，信號的變化率最小，所得結果不會出現大的誤差，最為可靠。
??? IR12BD型紅外傳感頭對甲烷氣體的吸收系數與氣體濃度的關系曲線如圖4所示[4]。
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??? 由公式(6)和(7)可知，為計算甲烷濃度，如何在脈動光源作用下準確采集到兩個探測器輸出的峰-峰值至關重要。采用單片機定時中斷方式獲取這兩個峰值時要注意，必須在光源狀態改變之前采集到，否則，探測器輸出信號會在光源狀態改變之后迅速變化，導致較大的誤差。時序關系如圖5所示。此外，還應注意前置放大電路中電容帶來的相移對信號波形的影響等因素。
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??? 根據圖4計算甲烷氣體濃度值時，本系統采用查表和直線擬合相結合的復合算法求得甲烷氣體濃度，節省了內存空間，保證了測量精度。
3 紅外瓦斯傳感器系統結構與工作原理
3.1 硬件系統設計
??? 紅外瓦斯傳感器硬件系統結構如圖6所示。在4Hz脈動光源作用下，活躍探測器和參考探測器產生與礦井下甲烷氣體濃度成比例的輸出信號，經前置放大濾波電路處理后，送A/D" title="A/D">A/D轉換器轉換成數字信號，單片機讀取A/D轉換結果，按照特定的算法得到氣體濃度值，并在數碼管上顯示，同時將濃度值轉換為200～1 000Hz頻率的脈沖信號送系統分站，經通訊接口電路和電纜，將數據送地面工作站，實現瓦斯濃度的連續實時檢測。如果檢測氣體濃度值超過傳感器濃度報警設定值，則發出聲光報警提示。
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??? 采用美國ATEML公司近年推出的ATmega16L作為主控芯片。ATmega16L是內含16KB Flash的低功耗、低價格的8位單片機，它內部集成了豐富的硬件資源，如上電復位電路、看門狗電路、E2PROM等，簡化了外圍電路的設計，采用先進的RISC精簡指令集，運行速度是普通單片機的幾十倍[6]。
??? 為減小體積，IR1xxx系列傳感頭無前置放大器，實際使用時自行設計了放大與濾波電路，為A/D轉換器提供了合適的輸入信號。
??? 為實現傳感器對雙通道信號的寬范圍（0～100％CH4）、高分辨率（0.01%CH4）和高精度要求，A/D轉換電路選用MAXIM公司生產的高速14位逐次比較型A/D轉換芯片MAX126，其4路同步采樣/保持器可以對A組或B組（由多路開關選擇）的4個通道的信號同時采樣。本系統只需要同時采集2路信號，所以使多路開關選擇A組，活躍探測器信號和參考探測器信號經放大濾波處理后分別送入CH1A和CH2A兩個通道同時采樣，轉換時間為6μs[7]。
??? 根據煤礦井下電氣設備的本安防爆性要求[8]，系統采用紅外遙控方式進行參數設定與調整等操作[2-3]，零點、滿度等參數值保存在ATmega16L片內的E2PROM中。使用ATmega16L內部的看門狗電路增強了裝置的抗干擾能力。
??? 與甲烷氣體濃度值成比例的200～1 000Hz脈沖信號由單片機內部定時器產生。
??? 此外，LED顯示電路、聲光報警電路、數據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 軟件系統設計
??? 紅外傳感器控制程序采用單片機匯編語言編寫，分為上電自檢、系統初始化、遙控接收、參數設置、A/D采樣、數據處理、濃度計算、數據顯示、聲光報警、脈沖發生及與上位機通訊等多個模塊。系統軟件流程如圖7所示。
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??? 考慮到井下的復雜情況,傳感器系統設計充分考慮了本安特性和實用性[6]。紅外傳感器包含有靜電敏感部分，使用時須采取抗靜電防備措施。傳感器以數字芯片為核心，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的瓦斯檢測裝置，經科技查新表明具有以下創新點：
??? (1)非色散性紅外瓦斯傳感器設計方案
??? 裝置采用非色散性紅外氣體檢測原理，基于同步采樣技術，由高性能紅外傳感器IR12BD、ATmega16L單片機和高速多通道14位A/D轉換器MAX126為核心器件構成。采用紅外遙控面板提供安全的用戶接口。裝置具有自校準、故障自檢測及自動報警和斷電的功能。
??? (2)準確獲取甲烷氣體濃度的方法與算法
??? 對紅外傳感頭輸出的雙通道信號S1和S2同時采樣，確保活動通道和參考通道數據的一致性。對多次采集的S1和S2峰-峰值，采用平均濾波、多級滑動窗口濾波等軟件算法，去除噪聲干擾，根據甲烷氣體吸收系數與濃度值之間的關系曲線，采用查表和直線擬合相結合的復合算法求得甲烷氣體濃度，保證了測量精度。
??? 經實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，平均穩定工作時間>30天，響應時間小于30s。工作時正常功率為1.6W，報警功率為1.9W。對甲烷氣體選擇性好、無催化劑中毒現象，對環境適應性強，基本上不受其他電磁設備的影響。具有井下瓦斯濃度的實時測量、顯示和超限聲光報警等功能，并可以連續自動地將所測得的井下瓦斯濃度轉換成頻率信號輸送給監測系統，其性能指標已達到國家安全標準[8]，是目前煤礦井下所用傳感器的理想換代產品。
參考文獻
[1] 程勇,張玉峰.一種新型高可靠性甲烷傳感器設計. 工業儀表與自動化裝置, 2006,(4):69-71.
[2]?徐杰,戴俊,馮文彬. 紅外CO2變送器研究. 煤礦安全,2006，37（2）：1-4.
[3]?閻綱, 梁昔明. 基于MSP430單片機的紅外遙控器設計.微計算機信息(嵌入式與S0C),2006,22(10-2):223-?225.
[4]?IR1xxx Series Miniature Infrared Gas Sensors for Hazardous Areas, e2v technologies (uk) limited,2005.
[5]?Infrared Gas Sensors Application Notes. Marconi Applied Technologies Limited, 2001
[6]?8-bit AVR Microcontroller with 16K Bytes In-System Programmable Flash ATmega16L, Atmel Corporation,2002.
[7]?2x4-Channel, Simultaneous-Sampling 14-Bit DAS MAX125/MAX126, Maxim Integrated Products, 1998.
[8]?國家煤炭安全監察局. 2005煤炭安全規程. 北京:煤炭工業出版社,2005.