非共振光声CO2气体检测系统*

管人宝，何秀丽，高晓光，赵 玲，李建平，贾 建

（中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室，北京 100190）

0 引言

非色散红外（NDIR）吸收气体探测系统由于具有检测精度高、稳定性好、能够实现在线检测等优点而受到广泛关注。它的基本检测原理为:经过直接电调制或光学斩波器调制方式产生周期性的红外光入射到样品气室，经过滤光片到达红外探测器，通过红外探测器来检测由于样品气室中待测气体的吸收所引起的光强变化，进而确定待测气体的体积分数。NDIR分析技术已被用于环境气体检测、工业废气以及尾气排放监测等诸多领域［1］。

美国科学家Alexander Bell最早发现光声效应，到了十九世纪三四十年代，德国科学家Karl Luft［2］将光声效应应用于NDIR气体分析，使用宽谱带的红外光源和电容式微音器进行气体检测，精度达到×10－6量级［3］。随着工艺技术的不断进步，NDIR系统的检测精度越来越高，仪器也更小型化与智能化。虽然共振型光声探测器灵敏度高，但需要激光光源等昂贵部件，加上结构和系统较复杂，对于一般的应用性价比不是很高。而非共振型光声探测器对光源和系统要求不高，仪器可以做得很小，能够实现开放式的连续在线监测。因此，研究人员一直致力于传统非共振光声探测器气体检测的机理与应用技术研究，探寻微型化和高性价比红外气体传感器解决方案［4～8］。

本文设计制备了基于MEMS电调制光源、驻极体麦克风及单、双腔室非共振光声探测器的气体检测系统并对CO2气体进行了测试。

1 非共振光声红外气体检测原理

图1为非共振光声气体检测系统结构示意图，系统由光源、样品气室、非共振光声探测器三部分组成。非共振光声探测器吸收腔中充入高体积分数的目标气体，气体分子吸收红外光后，被激发至振动或转动能级的高能态，然后以去激发的形式回到基态，并将吸收的能量转换为内能，温度升高，内部气压发生变化。麦克风检测到的压力变化幅值就反映了到达吸收腔的光强。当样品气室内存在待测气体时，入射到吸收腔的光强减弱，导致腔内压强变化幅值减小。因此，通过标定与校准后，可以根据麦克风输出信号幅值的大小确定样品气室中的待测气体体积分数。

图1 非共振光声型气体检测系统结构示意图Fig 1 Schematic diagram of the nonresonant photoacoustic gas detection system

2 非共振光声探测器与气体检测系统

采用驻极体麦克风（型号为 EM9767P，灵敏度为50 mV/Pa（1 kHz）），设计、加工了单腔室和双腔室两种结构非共振光声探测器。单腔室探测器如图2（a）所示，氟化钙光学窗口和麦克风通过前后盖和红外吸收腔连接，利用O型氟橡胶圈密封。双腔室探测器比单腔室探测器多了一个补偿腔室，如图2（b）所示。氟化钙光学窗口用环氧胶直接粘在前吸收腔端面上，麦克风粘在后腔室上并与后补偿腔室连通。前后腔室通过O型氟橡胶圈密封连接。

图2 单腔室和双腔室光声探测器Fig 2 Single chamber and double chamber photoacoustic detector

本文采用Intex的MIRL17—900R型MEMS红外光源，省掉了机械斩波器，简化了系统结构。该光源可直接电调制供电，在调制频率为10 Hz时仍能达到100%的调制深度。样品气室长度为10 cm，内径为11 mm，材料为黄铜，内衬镀金不锈钢箔片以提高内壁反射率。为检测CO2气体，通过真空抽气与充气系统将体积分数99.9%的CO2气体充入探测器吸收腔。采用两路质量流量计分别控制标准气体和稀释气体的流量，混合后得到不同体积分数的待测气体，稀释气体为高纯氮气。

图3为气体检测系统硬件框图。以C8051F060单片机作为控制核心，实现红外光源调制和信号采集功能。单片机通过12位DA控制输出一个所需调制频率的方波信号，通过光源功率驱动电路给红外光源供电，从而实现红外光的调制。探测器输出信号经过信号调理电路后由单片机AD采样电路进行采样，通过串口将数据发送给PC机，AD采样率为每秒200个点。PC机作为数据存储、显示及处理单元，实现对原始数据的滤波降噪和气体响应曲线的显示存储。

图3 气体检测系统硬件框图Fig 3 Hardware block diagram of the gas detection system

3 实验结果与讨论

3.1 系统的频率响应曲线

非共振光声红外气体检测系统中光源强度和光源调制频率都会对光声信号产生影响。MEMS光源存在最佳调制频率，调制频率过高会降低调制深度，进而影响光源辐射强度，减小光声信号，因此，光源调制频率不能太高。另外，麦克风有固有的频率响应特性，在低频时响应下降，所以，进行气体测试时不能选择过低的调制频率。光源调制频率同麦克风测试频率之间存在矛盾，实际气体测试时应当根据整个系统的频率响应特性来确定最佳光源调制频率。

图4为前面所述系统的频率响应曲线（分别以20Hz点处数据做归一化），其中，光源调制电压固定为6.3 V，样品气室中气体为高纯N2。图5为2种探测器在20 Hz时的原始信号，信号幅值分别为 12.1，21.7 mV。

图4 检测系统的频率响应曲线Fig 4 Frequency response curve of the detecting system

从图4和5中可以看出:双腔室探测器信号幅值约为单腔室的2～3倍，而且双腔室探测器低频响应比单腔室的要好。过了频响极大值点后，随着频率的减小，单腔室探测器信号幅值衰减相对缓慢。单腔室在调制频率约为2.5 Hz时信号幅值最大，而双腔室则在2 Hz时最大。由于补偿腔室的存在，麦克风膜片后面空间较大，形变时的阻尼较小，所以，同样条件下形变幅度比单腔室的要大，所以，双腔室信号幅值较大、低频响应较好。

图5 单、双腔室探测器在20 Hz时的原始信号Fig 5 Original signal of the double chamber detector at frequency of 20 Hz

3.2 CO2气体检测实验

由于非共振光声探测器在实际测试时很容易受环境影响而发生信号漂移，所以，本次CO2气体测试实验是在探测器前加上4.3 μm窄带滤光片的条件下进行的。光源调制频率为2.5 Hz。图6为单、双腔室探测器检测系统对不同体积分数CO2气体测试结果，CO2气体体积分数范围为（10～2000）×10－6。在测试的体积分数范围内，探测器输出信号衰减值与气体体积分数呈近似线性关系。

图6 不同体积分数CO2气体测试结果Fig 6 Test result at different volume fraction of CO2

图7为两种探测器对10×10－6CO2气体的响应恢复曲线，在样品气室气体为N2时单腔室探测器信号幅值约为92.7 mV，双腔室探测器的约为 304.7 mV，噪声均为约0.1 mV。10 ×10－6CO2所对应的信号衰减分别为 0.14，0.47 mV，可计算出系统检测限分别为7.2 ×10－6，2.1 ×10－6。

图7 10×10－6CO2气体响应—恢复曲线Fig 7 Response-recovery curve of 10×10－6CO2

4 结论

本文设计制备了单腔室和双腔室非共振光声探测器，采用MEMS光源组建了气体检测系统。通过测试系统的频率响应曲线确定最佳的光源调制频率，并对（10～2 000）×10－6CO2气体进行测试。结果表明:双腔室探测器信号幅值和低频响应特性均比单腔室的要好，响应灵敏度高，检测下限低。单腔室探测器系统的检测限约为7.2×10－6，双腔室的约为2.1×10－6。系统探测限虽不及报导的共振式光声探测方法，但系统性价比较高，在农业CO2检测领域有很好的应用前景。

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