基于数字信号处理的红外气体分析仪

　　生产和生活中，各种有害气体对人们的危害越来越大。工业生产中产生的SO2 等容易形成酸雨对农作物产生危害;煤炭开采中产生的CH4 , CO 等易造成矿井瓦斯爆炸，造成重大的人身财产损失。因此有害气体的监测对于治理环境污染、保护生态环境、保障人民生命安全起着重要作用。

　　气体检测方法有多种，常用的主要有红外光谱法、电化学法和化学传感器法等，后两种方法虽然近年来取得了重大发展，但仍存在着稳定性差、易老化、气体的选择性差和灵敏度不高等问题。目前较为先进的方法是采用红外吸收原理检测气体。因为红外检测具有选择性好、稳定性好、防爆性好等优点。

　　1 红外气体分析原理

　　非对称双原子和多原子分子气体(如CH4 , H2O , NH3CO ，C2H2 , SO2 , NO 和NO2 等)在红外波段有一定的吸收带，吸收带的强弱及所在的波长范围由分子本身的结构决定。只有当物质的分子本身固有的特定的振动和转动频率与红外光谱中某一波段的频率相一致时，分子才能吸收这一波段的红外辐射能量。每一种化合物的分子并不是对红外光谱内所有波长的辐射或任意一种波长的辐射都具有吸收能力，而是有选择地吸收某一个或某一组特定波段内的辐射。这个所谓的波段就是分子的特征吸收带。特征吸收带对某一种分子是确定的、标准的，如同物质指纹。通过对特征吸收带及其吸收光谱的分析，可以鉴定识别分子的类型。当红外光穿过待测气体时，气体分子就会吸收自己特征频率的红外光能量，其吸收关系服从Lambert -beer 定律。

　　根据Lambert -beer 定律，输出光强(为与输入光强巧为和气体浓度之间的关系为：

　　I(λ)=I0(λ)exp[-(Iλ)LC]

　　式中，a(λ)是一定波长下单位浓度、单位长度的介质吸收系数;L 是吸收路径的长度;C 是气体浓度。如果L 与(Iλ)为己知，那么通过检测I(λ)和I0(λ)就可以测得气体的浓度。这就是光谱吸收法测量气体浓度的基本原理。整体设计原理图见图1 :

　　2 系统光源的选择

　　系统光源通常采用大功率白炽灯、发光二极管(LED )或激光器LD。白炽灯的光谱较宽，但功率密度低、体积庞大，不适合在实际系统中使用。激光二极管(LD)的辐射波长一般位于红外与中红外波段，在此区域内，吸收是由检测气体分子的振动基频或转动基频或振动一转动组合频带产生的，是吸收较强的区域;另外LD能直接调制，并通过改变温度和注入电流使输出波长在一定范围内调谐，通过对光的调制，得以利用成熟的检测技术。