基于LED光源的一氧化碳气体检测仪的设计

　　由于工业监控和环境检测的需要,研制一氧化碳传感系统, 日益受到人们的关注。研究、开发新型的气体传感器,使其能够实时、准确的监测CO气体浓度,对于保障安全生产、提高人们的生活质量具有重要的研究意义和广发的应用前景。

　　气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置。气体传感器可以分为:半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、红外线气体传感器等。其中,利用光谱吸收原理的红外线气体传感器由于具有选择性好、抗干扰性强、响应速度快、本质安全等特点而广泛的应用于电力、石油化工等行业,并且已成为许多恶劣环境,如煤矿下气体检测的首选方案。

　　采用发光二极管(LED,Light Emitting Diode)为光源的红外气体传感器,由于其光源具有调制频率高的优点,因此在灵敏度和响应时间上具有一定优势。在已报导的LED光谱吸收法气体检测系统中,直接吸收检测系统结构简单,但易受光强变化和探测器零点漂移等因素的影响,并且探测灵敏度低。近年来基于谐波检测法的检测系统利用锁相放大器分析二次谐波信号获得了较高的探测灵敏度[9-10]。但是这类系统结构复杂造价昂贵,不利于仪器的小型化和推广应用。差分吸收测量技术能够有效消除光源和探测器以及各种外部因素带来的干扰,经证实是一种有效可行的高灵敏的气体检测技术。

　　本文对一氧化碳的红外光谱进行了分析,通过理论计算得到了最佳气室长度。利用LED光源,采用单气室双探测器的光路结构设计了一种红外气体传感器。通过调谐LED驱动电流使LED的中心发射波长稳定在一氧化碳的基频吸收峰4.60μm处。红外光通过气室后分别由信号探测器和参考探测器分别检测,之后送入差分信号处理电路,通过分析两个探测器信号的变化量反演出待测CO气体浓度。

　　1 红外LED光源吸收型的理论描述

　　1.1 CO的红外吸收光谱

　　一氧化碳是个非对称双原子分子,具有红外活性,只有一个基本振动:ν =2172cm -1,对应于4.60μm波长,吸收谱线如图1所示。近红外区,2.33nm处的吸收谱线为倍频吸收带,如图2所示。

　　由图可知,一氧化碳在4.60μm处的吸收强度是2.33μm的100多倍。虽然现有的近红外一氧化碳气体检测仪器在价格上具有优势,但是其测量灵敏度却因吸收弱而无法提高,因此,研究利用中红外气体检测技术是提高气体探测灵敏度的有效方法。

　　1.2 CO的吸收线型

　　如果光强为Io的红外光通过浓度为C，长度为L的吸收气室，假设待测气体对光的吸收很弱，不会改变光源的光强分布，那么通过气室后的输出光强为：