0 引言

根据****生产监督管理总局对我国煤矿事故的统计，2019年共发生27起瓦斯事故，同比上升68.8%，死亡118人，同比上升122.6%，死亡人数占当年煤矿安全事故总死亡人数的37.3%，“一通三防”工作依然薄弱^[1].为避免瓦斯事故的发生，对煤矿中的瓦斯气体进行实时监测具有重要的意义^[2-3].与传统的载体催化原理、热导原理等气体浓度检测方法相比^[4-6]，红外气体检测方法具有检测精度高、量程大、选择性强、响应时间短等优点^[7-8]，被普遍采纳，因此得到了广泛的发展和应用^[9-10].随着矿山物联网及智能化技术的发展，低功耗、小体积、无线化成为甲烷检测传感器研制的目标^[11-14].

国内外很多科研人员对非色散红外气体检测和甲烷传感器进行了研究.郑玲娇等^[15]研制了一种差分式中红外二氧化碳检测系统；于鑫等^[16]设计了一种低检测下限、高探测性能的手持式红外甲烷气体检测仪；熊仕富等^[17]提出了采用“拆分技术”对气体滤波器进行膜系结构设计；叶玮琳等^[18]报道了一种采用中红外室温连续带间级联激光器的高精度大气甲烷检测系统.上述红外气体检测元件一般采用热辐射红外光源，光线通过滤光片过滤后经热释电探测器进行光电转换，从而实现气体浓度的检测，但是这种设计结构的红外甲烷元件的检测结果存在受水汽影响大、功耗高的缺点.

本文采用非色散红外(Non-Dispersed Infrared，NDIR)光谱技术，设计两个窄带红外发光二极管(Light Emitting Diode，LED)分别作为测量LED光源和参考LED光源，光电二极管(Photo-Diode，PD)作为红外光吸收转换为电流信号的敏感元件，构成新型的LED-PD光学气体测量结构.这种窄带LED光源的发射光谱特性，无需任何辅助措施及补偿即可避免水汽对红外甲烷传感器测量结果的影响，提高甲烷传感器在煤矿井下湿度环境中的测量准确性.同时对LED光源进行短脉冲调制供电技术研究，在保证测量性能的前提下，大幅度降低红外甲烷传感器的功耗.对红外甲烷传感器进行有效的温度补偿和修正，在硬件电路及软件算法上对信号进行优化处理，降低环境变化对传感器测量精度的影响.

1 红外甲烷检测基本原理

红外光线吸收分析基于分子中原子的振动.红外射线透过一个被分析物，与被分析物相遇的射线中特定的能量将被吸收，在吸收中变化的能量与被分析物的分子振动频率相对应.因此每种气体分子均有特定的吸收光谱，而光线入射前和入射后强度的吸收变化关系的物理过程被描述为Lambert-Beer定律，其吸收率可表示为

式中，I₀和I分别代表光线入射前、入射后的光强度，L为气室光程，K_v表示与被测气体成分有关的常数，则气体浓度C表示为

由式(2)可知，对于确定的采样气室结构，L数值是固定的，非色散红外甲烷检测原理为通过测量红外光波在采样气室中甲烷气体分子吸收前后光强的大小实现甲烷浓度的检测.

查询HITRAN数据库的数据，绘制吸收光谱图.如图 1所示，横坐标为波长，纵坐标为吸收强度.甲烷气体分子的红外吸收光谱主要分布于3.2~3.4 μm中红外波段，另外在2.3 μm处有个较弱的小吸收峰，而水分子的红外吸收光谱主要分布于2.5~2.8 μm处，两者主吸收峰相隔0.5 μm，因此传统的采用白炽灯、滤光片、探测器结构的红外甲烷传感器存在检测值受水汽影响的缺点.为了解决这一问题，本系统中红外甲烷传感器的光源采用具有窄带光谱特性的LED作为红外甲烷气体测量光源.

图 1. CH₄、H₂O在3.3 μm附近的吸收光谱

Fig. 1. Absorption spectrum of CH₄, H₂O around 3.3 μm

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2 红外甲烷传感器制作

红外甲烷传感器由光学测量单元、电源电路、LED驱动电路、光敏信号处理电路、温度测量电路及微处理器组成，系统框图如图 2所示.测量LED光源、参考LED光源、光电二极管及采样气室构成传感器光学测量单元.电源电路将外部供电转换为各电路部分的额定工作电压，测量LED光源、参考LED光源在LED驱动电路的调制下发出红外光，经采样气室甲烷气体分子吸收后，光电二极管将入射红外光吸收，输出电流信号，经过光敏信号处理电路后转换为电压信号输入微处理器A/D转换引脚，微处理器根据计算函数公式得到甲烷浓度信息，通过UART接口实现与变送器通信.同时计算温度测量电路的实时数值，根据补偿算法修正甲烷浓度结果.

图 2. 红外甲烷传感器系统原理框图

Fig. 2. Principle block diagram of infrared methane sensor system

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2.1 光学测量单元

近几年随着基于镓铟砷锑(GaInAsSb)固溶物异质结生长在定量技术上的突破，基于窄带隙Ⅲ-V族半导体上的中红外光谱范围的高效LED和PD器件陆续出现.LED中红外光源具有高速响应、长寿命的特性，研制基于双窄带LED光源的低功耗红外甲烷传感器为提升红外甲烷检测性能提供了一种途径.对于CH₄，主吸收峰大约在3.3 μm.型号为LED34的LED器件的最小光耦包含了这个主吸收峰，因此LED34用做测量LED光源.LED27用做参考LED光源，因为CH₄几乎不对它发出的射线有影响.为了增大光电信号的强度，根据LED光源与PD探测器的光谱匹配系数优化设计，型号为PD36的基InAs/InAsSbP结构的光电二极管用于检测信号，其截止波长为3.6 μm.LED34、LED27、PD36与CH₄主吸收峰的光谱关系如图 3所示.

图 3. LED34、LED27、PD36与CH₄主吸收峰光谱关系

Fig. 3. Spectra of main absorption peaks of LED34, LED27, PD36 and CH₄

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由图 3可知，测量LED光谱几乎不受水汽的影响，用于甲烷浓度检测，参考LED光谱对水汽有一定吸收，用于传感器光学器件及处理电路故障诊断与水汽环境变化检测，因此红外甲烷传感器具有抗水汽干扰影响及故障自诊断硬件基础.

采样气室采用不锈钢加工成型，示意图如图 4所示，采用精加工镀金及涂层工艺技术的球面镜，具有超疏水、自清洁特性，同时有利于入射光线的反射.LED光源发射的红外光射向采样气室顶部球面镜，反射到光电二极管，有效光程约为1.2 cm.

图 4. 采样气室设计示意图

Fig. 4. Design diagram of sampling chamber

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2.2 LED驱动电路

LED具有高速响应的特性，高达每纳秒10次，因此可以由LED驱动逻辑运行于连续、准连续、脉冲三种不同的模式.连续模式功耗高，占空比为50%的准连续模式或占空比为25%的脉冲模式可以获得最大平均功率.为减小传感器整机功耗，延长LED器件使用寿命，传感器采用获得最大峰值功率的短脉冲模式(小于10 ms).LED34在脉冲频率为4 kHz、脉宽为2 μs条件下不同电流的发射光谱如图 5所示.

图 5. LED34不同电流下的发射光谱

Fig. 5. Emission spectra of LED34 under different current

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由图 5可知，LED工作电流越大，发射光强越大.兼顾光强与LED驱动电路电流能力，确定传感器LED驱动电路输出特性，测量LED光源和参考LED光源工作电流I_F为2 A，工作电压U_F为0.5 V，脉冲频率f为4 kHz，脉冲宽度τ为2 μs，脉冲周期T为1/f，即250 μs.则LED光源的平均功耗P₀的计算公式为

将相关数值带入式(3)，得到P₀=8 mW，则测量LED光源和参考LED光源平均功耗为16 mW，远远低于传统红外甲烷传感器120 mW的功耗，适合在无线传感器、便携仪等对功耗要求高的应用场合.

2.3 光敏信号处理电路

在受到一定光照及一定反压条件下，流过PD36的光电流为I_L.一般光电流为几十μA，并且与照度成线性关系，光敏信号处理电路如图 6所示.

图 6. 光敏信号处理电路

Fig. 6. Circuit diagram of photosensitive signal processing

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光电流经过光敏信号处理电路后转换为电压U_o，然后进入微处理器A/D转换，得到U_o的值，经实际测算，传感器灵敏度为12.5 mV/1%VOL.在空气中测量LED光源和参考LED光源交替上电工作发射红外光线，PD36检测到测量LED发射的红外光线信号转换为光电流，传感器记录此时U_o的值作为甲烷浓度零点电压值U₁，记录参考LED工作时U_o的值作为诊断初始电压值U₂.在存在甲烷气体的环境中，由测量LED工作时输出电压U_o与U₁的差值即可计算出甲烷气体浓度值.同时根据参考LED工作时输出电压U_o与U₂的差值即可对空气中湿度大小或传感器是否故障进行定性分析.

3 温度补偿技术及实验分析

3.1 温度影响及补偿算法

式(2)给出的甲烷浓度计算公式是在标准实验环境下得出的，在实际应用中因为温度变化对测量LED发射强度及光电二极管的光谱特性都会产生一定的影响，对于LED光源来说，随着温度增大，几个温度相关因素包括通过深层的非辐射性重组，表面重组和载体异质结壁垒的过度损耗，造成发射强度反而减小.另外，随着温度的增加，峰值波长将向更长的波长移动.而光线接受器件PD36的光电流随着温度的升高暗电流较小，光电流增大.另外光敏信号处理电路、电源等性能也受温度变化的影响，因此不宜通过理论公式推导温度补偿公式及系数.

为研究温度补偿算法，首先对红外甲烷传感器作为整体进行温度影响实验得到测试数据，然后分析得到变化规律，再采用经验数学公式进行温度补偿.首先，选取三台样机，在20℃条件下采用1.99%VOL浓度的甲烷标准气体对红外甲烷传感器进行精度校准，然后使用经校准计量有效期内的高低温实验箱进行温度实验，在-20~50℃的温度范围内，每间隔10℃选取一个测量点，依次通入0.51%VOL、1.99%VOL、20.2%VOL的甲烷标准气，记录三台传感器测量值的平均值，记录数据如表 1所示.

由表 1可知，在-20~50℃的温度范围内，温度变化对传感器测量结果影响较大，测量值与真实值的偏差已经超过20%，远远超过AQ6211-2008煤矿用非色散红外甲烷传感器行业标准中关于基本误差不超过真值的6%的规定，因此需进行温度补偿.

为获得传感器的准确温度值，在光学气室内设计有6.8 kΩ热敏电阻，经过微处理器A/D采样转换计算，得到准确的温度值.将表 1内数据以20℃测量值数据为基准进行归一化处理，得到0.51%VOL、1.99%VOL、20.2%VOL三条标准气体温度补偿系数ε曲线，如图 7.

图 7. 温度补偿系数曲线

Fig. 7. Curve of temperature compensation coefficient

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为消除温度变化对传感器测量结果的影响，引入温度补偿公式，表达式为

式中，C为温度补偿后的甲烷浓度值，C′为未经温度补偿的浓度值，ε是温度T_s的一次线性函数.对图 7所示曲线进行线性拟合，得到拟合关系式为

根据式(4)和(5)完成软件程序算法编程，实现甲烷测量结果的温度补偿修正，提高传感器在不同环境条件下的测量精度.

3.2 实验分析

为验证双窄带LED光源红外甲烷传感器设计的可行性及温度补偿后甲烷检测效果，制作了红外甲烷传感器样件，设计加工了采用该传感器作为敏感元件的甲烷检测系统平台.具体样机和平台照片如图 8所示，红外甲烷传感器的尺寸为Φ20 mm×16.8 mm.

图 8. 红外甲烷传感器及检测系统平台实物

Fig. 8. Physical figure of infrared methane sensor and detection system platform

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目前基于载体催化、热导、激光甲烷检测技术的敏感元件平均功耗至少为100 mW，图 8所示检测系统平台，红外甲烷传感器采用3.3 V直流供电，实测平均电流为7.14 mA，则采用LED光源的红外甲烷传感器实际平均功耗为23.56 mW，具有显著的低功耗性能优势.

在-20~50℃的温度范围内对传感器进行温度影响实验，进行实验数据分析，温度补偿后最大误差不超过真值的3%，温度补偿算法效果显著.

在25%~95%RH的湿度范围内对传感器进行湿度影响实验，数据如表 2所示，传感器零点漂移最大值为0.02%VOL，在0.51%VOL甲烷浓度下湿度的影响不超过0.05%VOL、在1.99%VOL甲烷浓度下湿度的影响不超过真值的4%，试验结果表明传感器甲烷测量结果基本不受水汽干扰.

对传感器工作电压、工作电流、基本误差、响应时间、工作稳定性性能指标进行测试，得出传感器基本性能参数，如表 3所示.

由表 3基本性能参数可知，研制的红外甲烷传感器性能指标均满足或优于AQ6211-2008煤矿用非色散红外甲烷传感器行业标准中相关参数的规定.

为便于研制的红外甲烷传感器在煤矿推广应用，后续需委托有资质的检验机构对传感器按照GB3836.4-2010中“ia”防护等级进行火花点燃试验测试与评价.同时在传感器采样气室进气孔处设计防水透气膜用来防尘防水，透气量为1 000 mL，防护等级为IP67.

4 结论

本文利用甲烷气体分子在3.3 μm处的主吸收峰，用新型的基于窄带隙Ⅲ-V族半导体上的峰值波长为3.3 μm的LED器件作为测量光源，峰值波长为2.7 μm的LED器件作为参考光源，截止波长为3.6 μm的PD器件作为探测器，结合LED驱动电路及光敏信号处理电路设计完成了基于非色散红外光谱技术的红外甲烷传感器的研制.采用该传感器及检测系统平台进行了温度、湿度及其他性能实验，给出了温度影响实验数据和温度补偿公式，并根据测试结果给出了基本性能指标参数.本文研制的红外甲烷传感器功耗低、受水汽影响小、稳定性好，在煤矿甲烷检测方面具有重要意义.