不分光红外传感器的高精度标定方法

　　0　引言

　　目前,随着工业和科学的发展,对CO、CO2的测试方法提出了更高的要求。随着欧洲III号和欧洲IV号排放标准的实施,一般的电喷发动机直接排出的污染物中CO的浓度都低于150 ppm(1 ppm=10-6),对仪器测量精度提出了更高等级的要求。目前,我国主要的CO、CO2气体传感器[1]主要有固体电解质式、钛酸钡复合氧化物电容式、电导变化型厚膜式等,这些传　　感器存在如下不足之处[2]:对气体的选择性差、易出现误报;系统需要频繁校准;使用寿命较短。

　　红外吸收方法是比较准确的方法[3],但是传统的双光路结构比较复杂,价格昂贵,难以普及,国外在20世纪90年代多使用不分光红外气体测量方法, 2005年前后,国内出现了不分光红外吸收方法的测试传感器,但是精度还不能达到要求,只能达到3% FS,相对误差为5%以内。目前,美国CAI公司,日本富士公司生产的不分光红外气体传感器,精度可以达到1% FS,经过最小二乘法修正后的相对误差在2%以内。

        基于以上研究,提出了一种采用毛细管流速法配比基准气体,对红外传感器进行高精度标定,进而进行三次样条插值修正的方法,经过试验证明,取得了很好的效果。

　　1　不分光红外传感器进行气体测试的原理

　　红外吸收型CO2气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的[2, 4]。同一种物质不同浓度时,在同一吸收峰位置有不同的吸收强度,吸收强度与浓度成指数函数关系。通过检测气体对光的波长和强度的影响,便可以确定气体的浓度。一些常见气体都有吸收峰[3],如果光源光谱覆盖1个或多个气体吸收线,光通过气体时就会发生衰减,根据朗伯-比尔定律,输出发光强度度I、输入发光强度度I0和气体浓度之间的关系如式(1)所示:

　　由式(2)可知,利用不分光红外传感器进行气体测试方法在原理上是一种非线性方法,传统的方法认为红外传感器测试精度可能会受到以下几个因素的影响[5]:红外探测器的灵敏度;气室的热膨胀系数;信号变送电路的温漂、时漂、噪声;后端数据处理系统的修正方法。

    　因此,文中研究了一种更为准确的标定方法,可以将仪表的非线性特性准确地表述,并通过插值获得更高等级的精度。

　　2　传统标定方法及不足之处

　　气体传感器的前端工作,国内外主要仪器供应商均有较为成熟的产品。为了解决传感器灵敏度问题,目前,在低浓度CO气体传感器上普遍使用了薄膜电容微音器,这种微音器是根据气室的膨胀造成的两端压力差将浓度信号转换成电信号,再通过放大、滤波等后处理,输出到后端系统。为了解决温度漂移,在红外传感器发射端和接收端都增加了恒温系统,系统也放置在温度变化只有1℃的恒温箱中。随着电子电路的进一步发展,放大器的噪声、线性、电阻的相对误差都可以控制在0·5%以下,国内的传感器相对误差也可以控制在1%以下。但是,解决了这些问题后,实测中的红外传感器的相对误差仍然超出了3%。文中对国内外3种主要红外传感器的精度进行了测试,测试气体为北分氦普的5种标准气体,测试结果如表1所示。