用发光二极管实现的双通道、双色红外CO2分析仪

　　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。