CO、CO2、SO2红外集成气体传感器设计

摘 要 基于红外光谱吸收原理，设计了一种可以同时监测一氧化碳 （CO）、二氧化碳 （CO2）、二氧化硫 （SO2）三种气体的集成气体传感器。该传感器采用了单光源六探测器差分光学结构，消除了光源、其他干扰气体等干扰因素所带来的影响。该仪器具有较好的灵敏度、稳定性、选择性和抗腐蚀性，可准确、稳定的在线测量CO、CO2、SO2三种气体。同时，通过更换带有特定波长滤光片的参比红外探测器和测量红外探测器，可对不同气体进行在线检测。

【关键词】红外光谱 CO CO2 SO2 传感器

在煤矿、石油、化工等行业的生产过程中存在大量的易燃、易腐蚀、有毒气体，当超出一定浓度值时，不仅会对环境造成一定的影响，还会对人民的生命、财产等造成严重的威胁。因此，为了防止事故的发生，对易燃、有毒有害气体进行及时、准确的监测则刻不容缓。其中CO、CO2、SO2的安全隐患尤为普遍。

CO是一种无色、无味、有毒且易燃易爆的气体，常见于煤炉产生的煤气或液化气管道漏气或工业生产煤气以及矿井等，CO中毒主要体现在CO进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合，进而使血红蛋白不能与氧气结合，从而引起机体组织出现缺氧，导致人体窒息死亡。CO2是一种无色无味无臭的气体，常见于化石燃料燃烧以及矿井等，CO2中毒主要表现为头痛、恶心、心跳加速等，严重时可能导致缺氧，造成永久性脑损伤、昏迷、甚至死亡。CO2含量猛增会导致温室效应、全球气候变暖、冰川融化、海平面升高等，为了遏制CO2过量排放造成的温室效应制定了《京都议定书》。SO2是一种无色具有强烈刺激性气味的气体，常见于煤矿、石油等行业以及火山爆发，SO2中毒主要表现为头痛、头昏、流泪、畏光、咳嗽，咽、喉灼痛等，严重时可在数小时内发生肺水肿，吸入极高浓度可引起反射性声门痉挛而致窒息，同时SO2还是造成酸雨的主要原因之一。

GBZ 2.1《工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素》 中提到CO的时间加权平均容许浓度（PC-TWA）为20 mg/m3，短时间接触容许浓度（PC-STEL）为30 mg/m3；CO2的PC-TWA为9000 mg/m3， PC-STEL为18000 mg/m3；SO2的PC-TWA为5 mg/m3， PC-STEL为10 mg/m3。因此，当CO、CO2、SO2气体浓度超出一定限值时，不仅会对环境造成严重影响，还会对人民的生命财产安全造成严重威胁。

目前，市面上已有多种从国外进口和国产的气体传感器，如催化燃烧式、半导体式、电化学式和光学式等，包含了单一气体传感器和多组分气体传感器，其中基于红外技术的多组分气体传感器由于其具有使用寿命长、灵敏度高、稳定性好、适合气体多、性价比高、维护成本低、可在线分析等等一系列优点而被广泛应用。

随着科技的发展，为满足各种复杂环境对气体传感器的发展要求，在提高检测的准确性和及时性的同时，红外气体传感器正朝着智能化、集成化、低功耗、低成本的方向发展。因此，随着国家对环境污染监测和治理力度的加大，研发体积小、重量轻、稳定性好的CO、CO2、SO2三组分红外集成气体传感器是防止事故、保护环境、保障人民生命财产安全的主要手段，对于认真落实国务院颁布的《节能减排“十二五”规划》并及时准确监测和检测生态环境、居住环境、工作场所等环境质量和污染源等具有重要意义。

1 原理

非分散红外吸收光谱对CO、CO2、SO2具有较高的灵敏度。 GB 9801-88《空气质量 一氧化碳的测定 非分散红外法》 和HJ/T 44-1999《固体污染源排气中一氧化碳的测定 非色散红外吸收法》 中提到CO对4.67μm和4.72μm波长处的红外辐射具有选择性吸收；GB/T 18204.24-2000《公共场所空气中二氧化碳测定方法》 和GBZ/T 160.28-2004《工作场所空气有毒物质测定无机含碳化合物》 中提到CO2对4.26μm波长处的红外辐射具有选择性吸收；HJ 629-2011《固定污染源废气 二氧化硫的测定 非分散红外吸收法》 中提到SO2对7.3μm波长处的红外辐射具有选择性吸收。因此，CO、CO2、SO2气体的基频吸收带出现在中红外波段 （2.5～25μm），由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，所以，中红外波段最适于进行红外光谱的定性和定量分析 ，并且CO、CO2、SO2气体的特征吸收峰出现在不同的波长范围内，因此互不干扰。

在一定波长范围内，气体对特定波长红外光线的吸收呈线性关系，遵守朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律，待测组分是按照指数规律对红外辐射能量进行吸收的，其表达式为：

I=I0 e -kcl （1）

式中：I0 为红外光线被气体吸收前的光强度；I为红外光线被气体吸收后的光强度；k为待测组分对红外光线的吸收系数；c为待测组分的物质的量百分比浓度；l为红外光线经过的待测气体层的长度。

由式（1）可知，待测气体浓度c 满足以下关系：

c= ln（1- ） （2）

由式（1）可以得出：

A=In=kcl （3）

由式（3）可知，在k 和l 确定的情况下，吸光度A 与待测气体浓度c 成正比。事实上，当吸光度A 很小时，吸光度才与待测气体浓度有较好的线性关系，当吸光度A 较大时，吸光度不再随待测气体浓度线性增加，而呈饱和趋势，因此需要对其进行非线性校正 。

2 系统设计

2.1 结构设计

CO、CO2、SO2红外集成气体传感器的基本结构如图1所示，主要包括：外壳、红外光源、进气口、出气口、气室、CO2集成探测器、CO集成探测器， SO2集成探测器，信号放大处理器、温度传感器、单片机系统、声光报警系统。

2.2 器件选择

红外光源为内部配有抛物面反射镜的宽带脉冲红外光源，具有安全性能好、发射率高、体积小、光电转换效率高、耗电省、寿命长、温度低等优点，其封装窗口材料为氟化钙 （CaF2），可通过波长范围为2～9.5μm的红外光，CO、CO2、SO2三种气体的特征吸收带都处于此波长范围内，抛物面反射镜的配置可使红外光源发出平行红外光，防止反射光、折射光等造成的光强度和光程改变的影响。

传感器的进气口和出气口上配置有疏水型防尘防潮过滤膜，可防止空气中的粉尘、水汽等的影响，具有较好的防潮防尘特性，能提高传感器的抗干扰性和延长产品使用寿命。

CO2集成探测器为一组带通带中心波长为4.26μm滤光片的测量红外探测器和带相应特定波长滤光片的参比红外探测器组成的；CO集成探测器为一组带通带中心波长为4.67μm滤光片的测量红外探测器和带相应特定波长滤光片的参比红外探测器组成的，SO2集成探测为一组带通带中心波长为7.30μm滤光片的测量红外探测器和带相应特定波长滤光片的参比红外探测器组成的。红外探测器和相应的滤光片封装在一起，可避免其他气体光信号对红外探测器的干扰。测量红外探测器和参比红外探测器与相应的滤光片是集成在一起的集成元件，有利于传感器的小型化和稳定性的提高。测量红外探测器和参比红外探测器与相应滤光片的配置，采用了双波长单光路的差分光学结构 ，能消除气室光学元器件、其他干扰气体以及环境变化等因素的影响，并且产生一个只与待测气体相关的信号，提高了抗干扰能力和测量精度。

因光源波长的稳定性易受到温度的影响，因此配置的温度传感器采集环境温度，再利用单机片对其进行修正。

声光报警系统的配置，能对危险环境做出及时和准确的报警。当检测到测量气体浓度超出限值时，单机片输出信号，此时LED闪烁，并发出报警声，以便工作人员采取相应的预防措施，防止发生严重事故。

2.3 系统软件设计

单片机采用了C500系列，在保持与80C51兼容的前提下，增强了各项性能，尤其是增强了电磁兼容性能，增加了CAN总线接口。单机片系统准确读取接收到的信号，通过初始化操作，协调硬件电路的正常工作，并对气室长度、温度、气体交叉干扰等影响测量精度和准度的因素进行自动校准，并对数据进行处理和储存。

3 工作流程

图2为CO、CO2、SO2红外集成气体传感器的工作流程图。气体经进气口进入气室，红外光源发出平行脉冲波，经由气室后平行照射到集成探测器上，经滤光后，波长为4.26μm的红外光照射到CO2集成探测器中的测量红外探测器和参比红外探测器上，波长为4.67μm的红外光照射到CO集成探测器中的测量红外探测器和参比红外探测器上，波长为7.30μm的红外光照射到SO2集成探测器中的测量红外探测器和参比红外探测器上，以上三组信号和温度传感器的数据被传至信号放大处理器处理后传至单片机系统，单片机系统对接收到的数据进行处理和储存并在显示屏上显示，经处理过的数据经由声光报警系统后，若气体测量浓度超过一定限值则指示灯变亮且发出报警声。

4 结论

本文介绍了一种基于红外差分吸收光谱检测原理的CO、CO2、SO2红外集成气体传感器。该传感器为单光源多组分红外检测器，采用了配有抛物面反射镜且封装窗口材料为氟化钙的宽带脉冲红外光源、含有疏水型防尘防潮膜的进出气口、集成红外探测器和高性能的C500系列单机片系统，在实现传感器集成化、小型化的同时，能够稳定、准确、及时的完成自动在线测量CO、CO2、SO2三组分气体。能够很好地满足工业和环境等领域的迫切需要。

（通讯作者：张建红）

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作者简介

胡建明（1981-），男，工程师，云南省永胜县人。研究方向为电子技术。

通信作者：张建红（1970-），女，高级工程师。江苏省苏州市人。研究方向为电子技术应用研究。

作者单位

云南省昆明市 650223