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1、.2 4.埃矿 自动化新型矿用红外瓦斯传感器的光学系统设计王法琳王宜( 中国矿业大学北京校区)【 摘 要】 与传统的红外气 体传感 琴相比， 未用红外发光二板管为充源的气 体传感界其有体积小、 整 机无可动部件、 结构紧凑等 优点。 本文分析了 来用 红外发光二极管为 光涯的气 体传感界在设计中 应考 虑的主要问题， 在此基袖上， 对五种设计方案进行丁 比 较、 分析， 提出了 双光源四探浏界的折型光学众 统 设计方案。本文设计的光学系统补偿了 a度变化的影响、 发充二桩管债出 功率的变化、 探浏界响应度变 化产生的信号波动、 探浏君的失配、 由 友尘 或光学元件的 磨摘而引 起的气室透封比的
2、变化， 实现了 光派 和探浏界尤错特性与被浏气体特征吸收带的匹配， 适合于在井下检侧甲沈浓度。【 关越词】 红外光探浏器补偿光学系统1 引官不同气体对红外光有着不同的吸收光谱， 某 种气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度相 关， 利用这一原理可以测最甲 烷浓度。 此类传感器 灵敏度高、 选择性好， 目 前国内 外用于精确测量和 标定气体浓度的传感器， 基本上采用红外技术。 由 于地面上使用的红外气体传感器体积大、 设备复 杂、 价格A 贵， 光学系统和电路的结构都不适于在井下应用。窄带红外光二级管的发射强度可以用电学方 法进行调制. 通过在研制过程中 调整发光二极管 的成分， 可以把二级管的发
3、射波段调节到被测气 体的吸收波段处。 这样， 红外发光二极管就可以代 替普通监测器中的热源. 窄带撼光片和调制装置， 从而形成一种固体的、 低功耗的、 结构紧凑的仪器。2 光学系统设计中的主要问题在矿用红外甲烷传感器的设计中， 采用红外 发光二极管为光源的光学系统， 在设计中需要考 虑如下五种干扰对测量的影响:( 1 ) 温度的影响发光二极管的发射强度和峰值发射波长是随 温度变化的， 在适中的环境温度范围内， 波长的位 移并不大( 1 0 %C。( 2 ) 发光二极管抽出功率波动和探侧器响应 变化产生的信号波动气体监测器必须补偿由 于发光二极管物出 功 率波动和探测器响应度变化引 起的信号波动
4、。由 于器件加热， 发光二极管的箱出差不多与电流成 正比， 并且随电流脉冲的 宽度和重复速率而变化。 发光二极管的典型工作条件是: 1 . 5 V , 1 A的脉 冲， 占空比从 1 / 2 0 到 1 / 2 ， 脉冲颐率从 1 0 0 K H z 到1 O K H z 。 典型的中红外室温工作的发光二极管 可以 连续工作1 5 0 0 0 小时以 上， 其箱出 和光 谱分 布均无明显的变化;( 3 ) 光谱特性红外发光二极管光谱半宽度( F WH M) )A。 1 3 p m 峰值波长在2 . O p m ) 至0 . 6 4 p m( 峰值波长 在4 . 4 + m ) 这样的带宽已 超
5、过许多气体的吸收特 征带宽。 作为结果， 透过气体的辐射强度是强烈吸 收波长处与徽弱吸收波长处的辐射强度之和. 所 产生的信号因 此被冲淡了， 并且偏离了L a m b e r t - B e e r 定律，( 4 ) 由 灰尘或 光学元件的磨损而引 起的 气室 透射率的 变化由于矿用红外甲烷传感器播要长期工作在井新型犷用红外瓦斯传感界的充学来统设计 王沃琳.2 5. 一: 淤 、下环境空气中， 尽管可以采取气室外加防尘罩的 措施， 但是还会有一部分细微粉尘进人气室， 并且 会沉积在窗口 上影响透射比. 另 外定期清洗气室， 也会造成光学器件的磨损。这些都会影响气室的 透光能力.所以， 在光学
6、系统的设计中， 必须考虑 由 灰尘或者光学元件的磨损而引起的气室透射率 的变化对测量的影响，( 5 ) 探测器失配问题采用两个或两个以上探测器的系统依赖于所 选用探渊器各种特性的良好匹 配。探测器的失配 会导致信号的漂移， 带来测量误差。例如， 同一批 生产的P b S e 探测的温度系数差异就可能大于 5 %.所以在选用时， 必须进行测试和配对.在光 学系统的设计中也可以采取适当的措施， 消除探 测器失配给侧量带来的影响。 3 采用红外发光二极管的光学系统的几种设计 方案由 上面的分析可知， 采用红外发光二极管的 光学系统设计中， 需要考虑器件温度、 光源愉出 功 率波动、 探侧器响应度变化
7、、 探侧器失配、 灰尘和 光具砧污这几方面对测量精度的影响。 针对这IL 个间题， 下文将介绍五种设计方案， 这几种方案都 或多或少地实现了对这几种外部干扰的补偿， 但 也存在一些不足。下面分别说明。方案1 : 该方案是将气室的温度控制在恒定 温度下. 这样， 一方面可以避免气体红外吸收率随 温度的变化; 另一方面， 使得红外发光器件和接收 器件不受温度的影响。另外， 在监测潮温的气体 时， 把气室加热到露点以上是一种适当的措施。方案2 : 该方案通过监测气室、 发光二极管和 探测器的温度， 来校正因温度而引起的信号变化。 温度的校正可以按查表或多项式的形式得到定 标， 并且储存在只读存储器内
8、。 换句话说， 通过把 探测器的暗电阻用作参比 信号， 可以在硬件中进 行补偿。方案3 : 增加一探测器直接对着发光二极管， 称为 参比 探测器。 将来自 参比 探测器的信号和测 量器的信号进行比较， 就可以实现对光源输出功 率波动和探测器响应度变化的补偿。 作为更紧凑 的仪器， 参比探测器和发光二极管可以封装在一 起， 大小可以 做到同一个晶体管那样大。 由 于采用 了两个探洲器， 此方案存在探侧器失配间题， 同 时， 因 参比 探测器在光谭端， 故由 灰尘或光学元件磨报而引 起的气室透射率的 变化均未得到解决。方案4 : 为了弥补方案3 的不足及二极管光 谱特性的不完全匹配， 该方案利用干
9、涉滤光片的 良 好的单色特性， 将两片窄带干涉滤光片分别置 于参比 探侧器和测量探测器前， 其中一片的波长 位于被测气体及大气主要干扰组分不吸收的波 段， 称为参比滤光片， 形成参比光路; 另一片的波 长位于被测气体特征吸收光谱段， 称为测量滤光 片， 形成侧量光路。以甲 烷检测为例， 参比 和测量 滤光片就分别选为3 . 9 矣3 . 3 9 K m。 光路设计成反 射式， 这种设计的优点是红外辐射能两次穿过被 测气体， 相当于增大了气路的距离， 可以 提高检测 精度。由 于参比 光路和分析光路是在同一环境下 工作的， 取二者的电位差进行比 较， 就避免了因环 境变化和光源发光功率及探测器响
10、应度变化引起 的漂移。 但该方案依然存在探测器失配的问题。方案5 : 此方案采用两个发光二极管和两个 探测器， 可以 解决探测器的失配问 题。 由 发光二极 管发出的红外辐射， 被分光镜分成透射光束和反 射光束， 透射光速穿过气室到达气室另一端的探 侧器， 反射光束直接到达相邻的探测器， 两个发光 二极管交替地以脉冲方式发射， 这使得每个探测 器都产生两个信号， 共四 个信号。 这四个信号取决 于发光二极管的辐射强度I 、 探测器的响应度R , 被测气体的透射比r , 以及气室的透射比: 。 ( 由 于 光学器件和灰尘引起的辐射衰减) 。设发光二极管 1 , 2 的辐强度分另为I , 和1 2
11、 探测器1 , 2 的响应度分别为R , 和R , .当驱动发 光二极管1 发出脉冲光时， 探测器1 接收到的是 直接来自 发光二极管1 的辐射， 探测器2 接收到 的 是穿过气室的红外辐射。 探测器1 和探测器2 的输出电压分别为:V, 二I , R, ;V : 二I , R 2 T o .当驱动发光二极管2 发出脉冲光时， 探测器 2 接收到的是直接来自 发光二极管2 的辐射， 探 测器1 接收到的是穿过气室的 红外辐射。 探测器 1 和探测器2 的输出电压分别为:V z =I z R , 一 T n ;V , =1 2 R 2 ;结合关系式:S=V, X v 4-讨。 铭( 1 ).2
12、6煤护 自动化由 此产生出一个与响应率和发射强度无关并 且与e “ r a 成正比的信号( 测量噪声仍然取决于 R和I 的 起伏) 。 对于气室的透射比， 目 前尚 无补 偿措 施， 灰 尘起着冒 充 样品气的 作用.表1 为上述5 种设计方案的比 较， 可以看出 每种方案都存在一定的缺陷， 其中较合理的设计 方案为方案4 和方案5 。吸取这两种方案的设计 优点， 并弥补其不足， 便是本文的工作重点之一。表1 央用红外发光二粗答的光学条统的几种设计穷容的E E 肺方案对 外部干 扰 的补偿器件妞度光凉翰出功率 波动和探测器响应度变化光谱特性的匹配探侧器失配灰尘和光具砧污方案 工v方案 2v方案
13、 3v训方案 4v丫v方案 5vv寸4 新型光学系统设计方案本文所设计的矿用红外甲 烷传感器光学系统 结构为一双光源四探测器系统( 如图1 所示) 。 探侧器1 和探洲器3 前均放置3 . 3 9 p m的撼光片， 使得照射到这两个探测器上的红外辐射仅为3 . 3 9 p m的辐射; 探测器2 和探测器4 前均放置3 . 9 p m的 滤光片， 使得照射到这两个探测器上的 红 外辐 射仅为3 . 9 p m的 辐射。 两 个发 光二极管交 替 地以 脉冲方式发射， 这使得每个探侧器都产生两 个信号， 共八个信号. 这八个信号取决于发光二极 管的辐射强度1 , 探测器的响应度R 、 被测气体的
14、透射比r , 以 及气室的透射比T o o设发光二极管1 , 2 的辐射强度分别为1 1 和 1 2 1 探测器1 , 2 , 3 , 4 的响应度分别为R i , R 2 , R 3 , R - 当驱动发光二极管I 发出脉冲光时， 探侧器 1 , 2 接收到的是直接来自 发光二极管 1 的辐射， 探测器3 , 4 接收到的是穿过气室的红外辐射， 由 于甲 烷对3 . 9 p m的红外辐射不吸收， 所以探侧器 3 的翰出不仅与气室的透射比 有关， 还与吸收气 体的 透射比 有关。 探测器1 , 2 , 3 , 4 翰出电 压分别 为:V , = 1 1 ( 3 . 3 9 p m ) R (
15、2 )V2=1, ( 3 . 9 p m ) R z ;发光 _ 极w (滤光片( 3 .3 9 ,u m )滤允1 , 归3 9 f -)探侧器 l探测器 2A M 3 次 9 器 4滤光 i ( 3 . 9 f u n )发光二极管光片 ( 3 .9 E U n图1 双光漂四 探侧器设计方案V , = 1 , ( 3 . 3 9 p m ) “ R 3 r . r o ;管辐射强度无 关并且与诸成正比的 信号， 与气V 。 二 h ( 3 . 9 p m ) R , T o ;室长 度和被 测气体浓度存 在如下 关系:当驱动发光二极管2 发出 脉冲光时， 探测器r . = e - h d
16、( 5 ) 3 , 4 接收到的是直接来自发光二极管2 的辐射，式中， k 为吸收气体的吸收截面; c 为被测气体浓 探测器1 , 2 接收到的是穿过气室的红外辐射。 与度; 1 为气室长度。 上述原理相同， 探测器1 , 2 , 3 , 4 输出电 压分别为:由可表示成:V : 二U3 . 3 9 p m) R , r , ， r o ;V 6 =1 z ( 3 . 9 1i m ) R , T o ;V , =1 z ( 3 . 3 9 p m ) R 3 ;V . =1 z ( 3 . 9 p m ) R , ; 结合关系式:( 3 )S=V Z X V 3 X V S X V B V , X V , X V , X V ,=r ;( 4 )由 此产生出一个与探测器响应度和发光二极r , = e - A d ( 6 )这样式( 4 ) 得到的结果一S 值相当于与二倍 的 气室长度有关，
