摘 要:介绍了一种采用发光二极管InAsSbP作光源、以PbSe探测器作光电转换器件实现的红外CO2浓度分析仪分析仪由探测器系统、信号放大与处理系统及显示输出系统三部分组成。探测器系统主要包括发光二极管InAsS-bP、红外窗口、气路、取样泵、球面反射镜、带通滤光片及PbSe探测器等;信号放大与处理系统主要包括电压随放大电路、采样保持电路、多路模拟开关、模-数转换电路及8031单片机等;显示输出系统主要包括显示器、打机及声报警器等。叙述了分析仪的工作原理、基本结构及主要技术指标,讨论了其中的技术难点及其相应的解决法,并给出了其所能达到的技术指标。
1 引 言
在过去的半个多世纪中,基于朗伯-比尔(Lam-ber-Beer)吸收定律的红外CO2气体监测器曾被广泛应用于工业、农业、医学及环境研究中[1]。根据这些监测器中测量光束的数目,大体上可将其分为时间双光束结构和空间双光束结构两种[2,3]。时间双光束结构虽具有单气室、单光源、单探测器等优点,但由于使用了调制盘等高速旋转部件,因而其力学性能差、白噪声等的干扰难以消除;空间双光束结构虽大多未使用活动部件,克服了时间双光束结构力学性能差的缺点,但其结构复杂、元器件多,且对加工、装配工艺要求高,造价昂贵,尺寸较大。
本文所述的这一分析仪以8031单片机为主机,用InAsSbP发光二极管作光源,通过球面反射镜及带通滤光片的使用,巧妙地引入了双光通道并实现了双色探测。与以往的CO2浓度分析仪相比,由于它没有活动部件,且发光二极管以高频率的脉冲方式工作,因此在长期稳定性、白噪声和低频噪声的抑制等方面都具有明显的优势,且体积较小;同时,又由于它采用了双色探测,发光二极管的发射光谱得到了充分的利用,因而也具有较高的精度。本文即从测量原理、仪器的结构及采用的关键技术等方面,对其予以研究。
2 原 理
CO2分子有4种简正振动模式[4,5]。可以发生拉伸及剪切共4种模式的振动。由于分子的高度对称性,两种拉伸振动间将发生耦合作用。耦合的结果使得拉伸振动在2330cm-1(4.26μm)波长附近发生强烈的红外吸收。
因此,当一定强度的中心波长为4·26μm的窄带红外光通过含有CO2的混合气体时,入射光强度I0与出射光强度I之间存在如下关系
为CO2气体的吸光度。显然,只要测出A及l,即可利用(4)式计算出CO2气体的浓度。
3 系统描述
3.1 探测器的结构
图1为探测器系统的原理结构简图。检测探测器与发光二极管紧靠球面反射镜的球心位置(R=10cm)处放置。
探测器工作时,其内藏的取样泵首先将含有CO2的被测混合气体导入探测器的气路中。发光二极管发出的脉冲红外辐射透过红外窗口后先穿过气路,然后被球面反射镜反射回来。被反射回来的红外光再次穿过气路后被带通滤光片滤光,可被待测气体吸收的特征带宽部分透过该滤光片后进入由PbSe探测器构成检测光电转换系统,由PbSe探测器将其转换成电信号(V1);不被待测气体吸收的非特征带宽部分被带通滤光片反射后则进入PbSe探测器构成的监测光电转换系统,最后也由PbSe探测器将其转变成电信号(V2)。
3.2 仪器的结构
图2为该分析仪的原理结构简图。由探测器系统(主要包括检测探测器和监测探测器)、信号放大与处理系统(主要包括电压跟随放大电路、采样保持电路、多路模拟开关、模-数转换电路及8031单片机系统等)和显示输出系统三部分组成。
仪器工作时,8031单片机产生的触发信号被分成两路:一路经放大并经适当延时后去触发采样保持电路,另一路经放大后则去触发发光二极管使之发光。检测光电转换系统随之将携带有CO2浓度信号的红外光转变成电信号;同时,监测光电转换系统将不携带CO2浓度信号的反射红外光也转变成电信号。两路信号分别经电压跟随放大电路放大及模-数转换电路模数转换后送入8031单片机系统中,由8031单片机进行有关计算,求出待测CO2气体的浓度。其中,监测探测器的输出用于标准化发光二极管的发射能量。
3.3 软件的设计
根据测量原理及仪器的结构,所编写的系统软件的框图如图3所示。主要由主程序和中断服务子程序组成。为了提高抗干扰能力,采用了软件数字滤波;为了满足精度要求,采用了浮点运算;此外还采用了模块化、子程序结构等。
4 讨论
4.1 稳定性
由于器件加热,InAsSbP发光二极管(峰值波长4.26μm;带宽约0.6μm)的光输出功率不仅随激励电流的强度,而且还随激励电流的脉冲宽度和重复频率的变化而变化(范围一般在10-5~10-3W内);同时,因探测器偏压的变化,也会使其输出的信号产生波动。因此为保持分析仪的稳定性,并提高浓度的测量精度,必须对发光二极管的光输出及探测器的电输出进行补偿。对于发光二极管的光输出随激励电流的变化而变化的问题,本分析仪是通过采用图1所示的特殊的探测器结构来加以解决的。由于InAsSbP的光谱带宽已超过CO2气体的特征吸收带宽,所以采用一块单独的带通滤光片(中心波长4·26μm;带宽约0.1μm)将InAsSbP的发光光谱分成两个光谱分量:一个是由被测混合气体适当吸收的透射波段,另一个是不被待测混合气体吸收的反射波段。由于反射波段能量的波动反映了发光二极管能量的波动,因此通过对反射波段能量的监测,可十分简单地标准化发光二极管的功率输出;对于探测器的电信号输出随偏压变化的问题,本文则是通过选用同一批淀积材料生产的PbSe探测器,并通过测试和配对进行优选来加以解决。通过这些措施的采用,可较好地解决发光二极管的光输出及探测器的电输出的稳定性问题。
4.2 进行温度补偿
实验表明,InAsSbP发光二极管发射光谱的峰值波长随环境温度的变化而变化,而且PbSe探测器本身的电信号输出同环境温度也有很大的相关性。因此为提高测量精度,必须稳定探测器系统内的环境温度。本分析仪是通过监测探测器系统腔室内的温度、并通过实时加热腔体使之温度保持恒定,进而实现补偿。
4.3 光干扰的抑制
光干扰是影响本分析仪测量精度的重要因素之一。进入探测器系统的干扰光,有时以背景光的形式出现,有时以缓变脉冲信号的形式出现。但从图1可以看出,本分析仪的探测器是被遮蔽在探头内部,因而绝大部分光干扰都可以很好地予以去除。另外,本分析仪在硬件电路中采用了选频放大技术,因而即使有背景光等白噪声进入探测器,亦将被电路滤除而不能进入信号处理系统中,因而本分析仪具有很强的抗光干扰的能力。
4.4 测量精度
测量精度是本分析仪最重要的技术指标,取决于光、机、电等多种因素。其中最主要的除上面讨论的外,还有电良好的线性放大特性,信号漂移的消除和较好的低频抑制特性以及对吸收定律局限性的补偿等。
本分析仪通过选用同一批淀积材料生产的Pb-Se探测器进行测试和配对,并选用性能优良的集成块来解决电路的线性放大问题。如电压跟随放大电路选用的LM324集成块无需调零,且有温度补偿、高增益和内部补偿等优点;又如,模-数转换电路选用的MC14433集成块,具有精度高,线性度好,温度影响小,电压范围宽且有电源保护等优点等。通过这些集成块的采用,解决了信号的线性放大问题。
通过对发光二极管进行高频调制(调制频率为1kHz)来消除信号漂移并抑制低频干扰。
多次实验的结果均已指出,当CO2气体的浓度较高时,探测器输出信号的强度与CO2气体的浓度间并不严格遵守(1)式。因此为保证测量精度,就必须对探测器的输出进行线性补偿。本分析仪是按如下方法实现补偿的:在配气室中配制不同浓度的CO2气体,在进气流速为1L/min及常温下进行测量,将所得浓度值存于单片机中,实测时用线性插值法查表予以修正。
5 结 论
本文采用发光二极管InAsSbP作光源、以8031单片机为主机,组成了一种新型的双通道、双色CO2浓度分析仪。该分析仪可达到的技术指标是(在环境温度为0~40℃,湿度不大于90%的环境条件下):(1)测量范围0~6.0%,精度优于0.5%;(2)取样气体的最佳流速为1.0L/min。在气流量为0.5~1 L/min时,响应时间不长于2.0s。
参考文献:
[1]高田义.气体传感器的最新动向[J].红外,1994,(6):31~36.
[2]张广军,吕俊芳,周秀银,等。新型红外二氧化碳分析仪[J].仪器仪表学报,1997,18(4):135~138.
[3]张广军.二氧化碳浓度红外测量方法综述[J].实用测试技术,1995,(1):8~11.
[4] Bauman R P. Absorption spectroscopy[M]. New York: John Wi-
[5]斯科格D A,韦斯特D M .仪器分析原理(上册)[M].上海:上海人民出版社,1988.131~136.
作者简介:刘玉芳(1963-),男,河南人,河南师范大学副教授,从事原子分子与光物理、光电子技术及应用研究。
