1 引言

在煤矿开采活动中,矿井中会涌出多种有毒有害气体,其中使人窒息的气体是甲烷与二氧化碳;此外,甲烷气体具有爆炸性,爆炸后矿井存在瓦斯(二氧化碳)喷出危险,是矿工生命安全的主要威胁^[1-2]。甲烷、二氧化碳亦是主要的温室效应气体,实时检测甲烷、二氧化碳气体浓度对煤矿瓦斯突出防治工作、监测温室气体排放等具有重要意义^[3-4]。甲烷、二氧化碳气体检测技术发展得较快,目前采用的主要是非色散红外(NDIR)光谱技术或可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,这两种技术的检测精度及稳定性均较高^[5-7]。

TDLAS技术具有灵敏度高、响应时间短、无气体交叉干扰、分辨率高的优点^[8-10],并且长期工作稳定性较好^[11-12];但是为了获得良好的检测性能,激光器需要进行温度控制,故检测设备结构复杂、功耗高,不易实现小型化、低功耗应用。NDIR技术具有检测精度高、量程大、选择性强、响应速度快等优点^[13-15],但NDIR设备采用的是热辐射光源,存在监测结果受水汽干扰、功耗高的问题,从而限制了NDIR技术的推广应用。

吴涛等^[16]采用波长调制光谱技术搭建了基于2.73 μm分布反馈式激光器的可以同时测量二氧化碳和水汽的装置;叶玮琳等^[17]使用单一中红外激光器光源和单一探测器,建立了一个甲烷、乙烷双组分气体同步测量系统;李明星等^[18]研制了基于TDLAS的开放式长光程一氧化碳和甲烷实时检测系统;李春光等^[19]研制了基于不同结构传感光学核的两个小型TDLAS传感系统,这两个系统可以实现甲烷和甲醛的探测;季文海等^[20]采用TDLAS分析平台对一氧化碳和二氧化碳气体进行了分析。上述研究采用的均是TDLAS技术,所用设备的光程长、体积大,且激光器功耗高,需进行恒温散热设计,因此研究一种新的技术实现甲烷二氧化碳双气体一体化测量,以降低传感系统功耗及用户使用、维护成本,具有十分重要的意义。

近几年,随着GaInAsSb(镓铟砷锑)固溶物异质结生长在定量技术上的突破,基于窄带隙III-V族半导体的中红外光谱范围的高效发光二极管(LED)和光电二极管(PD)器件陆续出现,为NDIR技术的工程应用提供了一种途径。本文基于NDIR技术,采用两个窄带中红外LED分别作为甲烷测量LED光源和二氧化碳测量LED光源(两个光电二极管分别作为吸收红外光并将其转换为电流信号的探测器敏感元件),构建了一种新型的测量气体浓度的双LED-PD光学系统,并采用该系统实现了甲烷和二氧化碳双气体浓度的一体化检测,降低了系统成本和设备维护难度。此外,本文还对双LED光源脉冲电流调制技术进行了研究,以降低传感系统的功耗;同时,本文还研究了温度补偿算法,以补偿温度变化对传感系统测量精度的影响。

2 基本原理

2.1 基本检测原理

朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律是NDIR技术进行气体检测的理论依据,它定义了气体对光吸收的定量关系。在吸收中变化的能量与被测气体的分子振动频率相对应,因此每种气体均有特定的吸收光谱。光强变化与气体浓度之间的表达式为

I=I0exp[-KNL/S(T)],(1)

式中:I为PD探测器接收到的光强;I₀为LED光源发射的光强;L为采样气室的光程;K表示与被测气体光谱特性有关的吸收系数;N为气体浓度;S(T)是气体温度T对光强影响的函数。则气体浓度N的表达式为

N=S(T)ln(I0/I)KL。(2)

由(2)式可知,在被测气体成分已知且光学器件和采样气室结构设计不变的前提下,光程L、吸收系数K是固定的,微处理器采集转换的PD探测器的光电流信号经光敏信号电路处理后的输出信号值与光强正相关,因此本文引入了传感器微处理器的初次计算浓度N_j,其表达式为

Nj=ln(I0/I)KL。(3)

由(2)式和(3)式可知,气体浓度N与初次计算浓度N_j之间的关系为

N=S(T)Nj。(4)

由(4)式可知,实际被测气体浓度会受温度变化的影响。在实验室温度恒定的情况下,通过采集两路PD探测器光电流信号经光敏信号电路处理后的输出信号值与纯氮气环境下信号值之比的变化情况,即可根据(3)式计算出甲烷、二氧化碳气体的初次计算浓度,而后通过综合实验法即可得到温度补偿函数S(T)的表达式。

2.2 传感系统的组成

中红外甲烷二氧化碳传感系统由光学部分和电学部分组成。光学部分由甲烷测量LED、甲烷测量PD、二氧化碳测量LED、二氧化碳测量PD及光学气室组成,电学部分由线性稳压电路、电流驱动电路、信号滤波放大器、测温电路及微控制器组成。传感系统框图如图1所示。

图 1. 中红外甲烷二氧化碳传感系统原理图

Fig. 1. Schematic of mid-infrared methane and carbon dioxide sensing system

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线性稳压电路将输入的3.3~4 V电压转换为各电学部分的工作电压。电流驱动电路调制两个LED光源按照脉冲逻辑顺序发出红外光,红外光被光学气室内的甲烷、二氧化碳气体分子吸收后,再被两个PD探测器吸收并转换为光电流,然后再经信号滤波放大后转换为电压信号进入微控制器A/D(模/数)转换通道,微控制器依次采集甲烷、二氧化碳的浓度值,之后根据计算程序即可得到甲烷、二氧化碳气体的浓度。微控制器通过UART接口与二次仪表通信。微控制器通过采集温度传感元件的信号计算温度值,然后根据(4)式补偿修正甲烷、二氧化碳的浓度值。

3 系统设计

3.1 谱线选择及光学部分设计

甲烷气体在3.2~3.45 μm中红外波段有非常强的主吸收峰,在2.3 μm处有一个较弱的次吸收峰;二氧化碳气体的红外光主吸收峰在4.2~4.32 μm波段,次吸收峰在2.7 μm处;水分子的红外光主吸收峰分布于2.5~2.8 μm波段,与二氧化碳气体次吸收峰高度重叠,存在交叉干扰。因此,应选择主吸收峰波段对甲烷、二氧化碳气体的浓度进行检测。

在光学部分,按照LED光谱最小光耦包含气体主吸收峰的设计原则,本文选用俄罗斯LED Microsensor NT公司生产的中红外发光二极管及光电二极管作为LED光源和PD探测器,采用Lms34 LED和Lms36 PD测量甲烷,采用Lms43 LED和Lms43 PD测量二氧化碳。Lms34 LED、Lms36 PD、Lms43 LED、Lms43 PD与甲烷、二氧化碳主吸收峰的光谱关系如图2所示。

图 2. Lms34 LED、Lms36 PD、Lms43 LED、Lms43 PD的光谱与甲烷、二氧化碳主吸收峰的关系

Fig. 2. Relation between spectra of Lms34 LED, Lms36 PD, Lms43 LED and Lms43 PD and main absorption peaks of methane and carbon dioxide

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LED光源是半导体发射源。随着温度升高,几个与温度相关的因素(包括载体异质结壁垒的过度损耗、表面重组及深层的非辐射性重组),都会导致LED发射强度减小,同时峰值波长向更长的方向变化。温度对Lms34 LED发射强度及峰值波长的影响如图3所示。

图 3. 温度对Lms34 LED发射强度及峰值波长的影响

Fig. 3. Influences of temperature on emission intensity and peak wavelength of Lms34 LED

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温度对Lms43 LED发射强度及峰值波长的影响规律与温度对Lms34 LED的影响基本一致,因此,如何消除温度对LED器件的影响关系到传感系统的实用性及工作稳定性。

LED器件由GaSb基板及生长的窄带隙GaInAsSb/AlGaAsSb异质结晶体组成。为减小器件的尺寸,将Lms34 LED和Lms43 LED这两个器件以点光源的形式定制成2个LED阵列,采用标准的TO类型的封装。同时,在封装内设计有基于帕尔贴原理的热电致冷器件,目的是使LED光源在宽范围内保持固定温度,从而将LED光源参数稳定在期望值上。此外,在封装内还设计有热敏电阻,温度测量值T用于软件算法进行温度补偿。通过上述两项措施基本可消除温度对LED器件性能的影响。带有热电致冷器件的LED阵列设计如图4所示。

图 4. 带有热电致冷器件的LED阵列设计图

Fig. 4. LED array design drawing with thermoelectric cooling device

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光学气室采用不锈钢精密加工得到;光路反射面是采用超疏水、自清洁涂层工艺技术精密加工的球面镜,有利于发射光线的反射。光路结构为两个LED光源依次向光学气室顶部反射镜面发射中红外光,中红外光经反射镜面反射后被两个光电二极管同时吸收。

3.2 脉冲电流调制技术

LED器件具有寿命长、响应快的优势,响应时间低至0.1 ns。用于甲烷、二氧化碳浓度测量的LED光源有连续、准连续、窄脉冲三种驱动模式,而LED的驱动模式决定了光学参数。连续模式功耗高,实用性差;占空比为50%的脉冲驱动是可获得最大平均功率的准连续模式;脉冲宽度小于1 ms且占空比小于10%的脉冲驱动是窄脉冲模式,可以获得最大的峰值功率。为了在降低传感器系统功耗的同时获得LED在峰值波长处的最大功率,Lms34 LED和Lms43 LED选择窄脉冲驱动模式。在驱动电流脉冲宽度为2 μs和脉冲频率为8 kHz的条件下,Lms34 LED在不同脉冲电流下的发射光谱如图5所示。

图 5. Lms34 LED在不同脉冲电流下的发射光谱

Fig. 5. Emission spectra of Lms34 LED at different pulse currents

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由图5可知,脉冲电流越大,Lms34 LED的发射强度越大。在满足传感系统检测分辨率和灵敏度的前提下,应降低传感系统的功耗,以避免脉冲电流对线性稳压器件冲击造成的检测误差。Lms34 LED和Lms43 LED的脉冲电流调制时序如图6所示。

图 6. Lms34 LED和Lms43 LED的脉冲电流调制时序

Fig. 6. Pulse current driving timing of Lms34 LED and Lms43 LED

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Lms34 LED和Lms43 LED光源按照图6所示时序依次交替上电工作,即:Lms34 LED光源首先上电工作,2 μs后断电,同时Lms43 LED光源上电工作,2 μs后Lms43 LED光源断电,121 μs后Lms34 LED光源上电工作。单个LED光源平均功耗P的计算公式为

P=τfUFIF,(5)

式中:τ为脉冲宽度;f为脉冲频率;U_F为工作电压;I_F为驱动电流。

结合脉冲电流调制时序与LED发射光谱强度确定LED功耗参数如下:Lms34 LED的驱动电流为1.95 A,工作电压为0.5 V,脉冲宽度为2 μs,脉冲频率为8 kHz(由脉冲宽度125 μs推算得到)。

由(5)式计算可得P=15.6 mW,即单个LED光源的平均功耗为15.6 mW,则Lms34 LED和Lms43 LED双LED光源的平均功耗为31.2 mW。传感系统内Lms43 PD、Lms36 PD、微控制器等电路器件的平均功耗约为5 mW,因此中红外甲烷二氧化碳传感系统的平均功耗不足40 mW。由此可以看出,该系统具有显著的低功耗优势,适合在对功耗要求较高的变送器中应用。

3.3 信号处理及计算

当中红外光线照射到光电二极管上时,Lms36 PD和Lms43 PD会产生与照度成线性关系的两路光电流信号。光电流经过信号滤波放大电路后输出电压信号U_s36和U_s43,然后由微控制器A/D输入通道采样并转换,计算出U_s36和U_s43的电压值。

由图2可知,Lms43 LED发射光谱和Lms43 PD吸收光谱与甲烷吸收带存在交叉关系,虽然它们在信号强度上相差几个数量级,但是在甲烷浓度较高时,仍会对二氧化碳的检测带来影响。因此,应先通过实验确定甲烷气体浓度对二氧化碳浓度检测值的影响系数,进行计算补偿,消除传感系统中甲烷和二氧化碳的交叉干扰。微控制器根据(3)式编写的运算程序及电压-浓度转换计算函数,结合气体交叉干扰补偿算法,分别计算甲烷、二氧化碳气体的初次计算浓度N_j。

4 温度实验与补偿算法

4.1 温度实验

由(4)式可知,甲烷、二氧化碳的实际浓度会受温度变化的影响,但是LED光源和光电二极管随温度变化的特性无法简单地通过理论分析得到。因此,本文采用综合实验方法得到了温度补偿函数S(T)的表达式。

首先通过温度实验得到甲烷、二氧化碳标准气体在不同温度下的初次计算浓度N_j。然后选取三台实验装置,设置环境温度为20 ℃,通入2.01%的甲烷标准气体(标准气体中甲烷的体积分数为2.01%)对系统进行甲烷测量精度的校准,通入2.49%的二氧化碳标准气体(标准气体中二氧化碳的体积分数为2.49%)对系统进行二氧化碳测量精度的校准;之后将系统实验装置放入高低温实验箱中进行实验,在-20~50 ℃的温度范围内,每隔10 ℃设置一个实验点,分别通入2.01%的甲烷标准气体和2.49%的二氧化碳标准气体,记录三台实验装置测量值的平均值。测试结果如表1所示。

由表1可知,甲烷、二氧化碳测量结果在-20~50 ℃范围内的变化较大,测量值与真实值的最大偏差分别为8.96%和12%,需要根据(4)式进行温度补偿。

4.2 补偿算法

将表1内的数据以20 ℃测量值为基准进行中值归一数据预处理,得到不同温度下甲烷、二氧化碳温度对真实气体浓度的影响因子,连接各点绘成两条温度影响因子曲线,如图7所示。然后分别进行甲烷、二氧化碳温度影响因子曲线的线性拟合,得到

图 7. 温度影响因子曲线

Fig. 7. Temperature influence factor curves

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温度补偿函数S(T)的表达式为

SCH4(T)=0.0022T+0.9586,(6)SCO2(T)=0.0028T+0.9465。(7)

将(6)式和(7)式分别代入(4)式即可完成具有温度补偿修正的甲烷、二氧化碳气体浓度的计算。然后以此逻辑完成微控制器程序算法的编写,就可实现甲烷、二氧化碳浓度测量值的温度补偿修正,从而基本消除温度变化对测量结果准确性的影响。

5 系统实验

为了验证中红外甲烷二氧化碳双气体传感系统的基本性能,按图1所示系统原理设计加工了传感系统样件,并设计了以传感系统为气体浓度测量敏感元件的实验平台,如图8所示。

图 8. 传感系统实验平台

Fig. 8. Sensor system experiment platform

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在目前的矿用传感检测仪器中,基于热辐射光源的红外甲烷检测仪及激光甲烷检测仪的平均功耗一般不小于100 mW,基于热辐射光源的红外二氧化碳检测仪的平均功耗约为120 mW,而如图8所示中红外甲烷二氧化碳双气体传感系统在工作电压为3.3 V时的实测平均功耗为38.3 mW。这说明本文设计的传感系统在气体检测领域具有一定的应用优势。

依据AQ 6211—2008《煤矿用非色散红外甲烷传感器》及AQ 1052—2008《矿用二氧化碳传感器通用技术条件》这两个****生产行业标准的基本性能要求及试验方法,对传感系统在工作电压、工作电流、量程、示值误差、响应时间等性能方面进行测试,得到了传感系统的基本性能指标,如表2所示。

由表2可知,本文研制的中红外甲烷二氧化碳双气体传感系统的基本性能指标均满足或优于AQ 6211—2008与AQ 1052—2008中的相关要求。

6 结论

为了降低传感系统的功耗以及用户的使用、维护成本,实现甲烷和二氧化碳双气体一体化测量的要求,本文提出了双LED-PD光学测量结构的气体传感检测方法,并介绍了双LED光源谱线选择、器件选型及光学部分的设计原理。然后研究了双LED光源脉冲电流调制技术的时序逻辑及低功耗算法,最后根据温度实验数据给出了温度补偿算法,实现了传感系统在-20~50 ℃温度范围内的高精度测量。实验结果表明:传感系统的平均功耗低至38.3 mW;甲烷测量误差最小为0.06%(体积分数),二氧化碳测量误差最小为0.05%(体积分数),可以满足煤矿中甲烷、二氧化碳双气体浓度实时测量的要求。