低温环境非色散红外气体检测仪温控系统_WORD.docx

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1、引用格式：BOTengfeif1IYafei,1IBao1in,eta1.TemperatureContro1SystemofNon-dispersiveInfraredGasDetectorin1owTemperatureEnvironmentj.ActaPhotonicaSinica.2023,52(3)：0352125引用格式:薄滕飞，李亚飞，李保霖，等.低温环境非色散红外气体检测仪温控系统J.光子学报，2023,52(3)：0352125基金项目：国家重点研发计划(No.20233201903).国家自然科学基金(Nos.61960206004,62175087),吉林省科技发展计划(

2、No.20230401059GX),吉林省教育厅科技发展规划项目(No.JJKH20231088KJ),长春市重点研发项目(No.21ZGN24),吉林大学科技创新团队项目(Nos.J1UST1RT,202ITD-39)第一作者：薄滕飞，baotf20通讯作者：郑传涛，zhengchuantao收稿日期:2023-12-17：录用日期:2023-02-07低温环境非色散红外气体检测仪温控系统薄滕飞卜2,李亚飞卜2,李保霖卜2,马卓12,郑传涛卜2,王一丁1，2(1吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，长春130012)(2吉林省红外气体传感技术工程研究中心，长

3、春130012)摘要：由于红外热释电探测器在低温环境下易发生温度漂移，导致非分散红外(ND1R)二氧化碳(CO2)农业火灾检测仪受低温影响较大。针对上述问题，本文设计了一种应用于-40C低温环境的探测器温度控制系统。给出了ND1R农业火灾检测仪的原理，探究了热释电探测器温度漂移现象，在此基础上，设计了以STM32F103为核心的温度控制系统。将温度控制系统集成于火灾检测仪中，在40环境温度下，将探测器温度从20起始温度控温，稳定在21C的响应时间为16s,温度波动的1。值为0.0126,响应时间和稳定性均满足低温环境下的控温需求。在控温条件下，对传感器进行了标定，将气体标定实验得到的吸收通道与

4、参考通道电压信号的一次谐波幅值比和标准气体浓度值进行指数拟合，拟合优度达到了99.852%。利用纯氮气(N2)样品，对检测仪进行了25min的稳定性测试，测得的浓度波动范围为-28.12876x10627.2405x1q引入A1Ian方差进行评估，当积分时间为0.25S时，检测下限为1.21301x1Oq当积分时间为114.75s时，理论上系统的检测下限可达到4.8225x10-7。实验结果表明，该温度控制系统可以保证火灾检测仪在低温环境下的正常工作。关键词：火灾检测；气体吸收；温度控制；BUCK电路；牛顿迭代法；增量式P1D中图分类号：TN21文献标识码：Adoi：10.3788gzxb20

5、235203.0352125。引言在农业收获作业中，由于风干物燥，烟头、电线火花、机器摩擦产生的高温都会诱发农业火灾。农业火灾登延速度快、受灾面积广、扑救难度大，给农业生产和生命财产安全带来巨大威胁，所以对于农业火灾的精准监测势在必行，-3O传统的火灾检测仪大多数都是基于温度变化和烟雾识别来判别火灾发生的。然而在火灾发生初期，环境温度变化极小，且并非所有火灾均能产生烟雾气溶胶，因此传统火灾检测仪无法有效地进行火灾检测。在火灾的不同阶段，都会产生不同气体，所以在火灾检测领域中气体传感器得到迅速发展。当发生农业火灾时，农作物燃烧会产生大量的一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2),导致空气中CO、CO

6、2浓度迅速升高，因此通过实时监测CO、CO2的浓度变化可以预警火灾卬。但在某些农机作业现场(如我国新疆采棉区、东北地区冬季作业)，环境温度低，对传感器系统的可靠运行带来了很大挑战。以我国新疆地区的棉花收获作业为例，新疆地区秋冬季夜间温度低，冬季夜间气温甚至能达到-30以下，并且空气干燥。在棉箱装载棉花的过程中，如果棉花内混入了小火星造成棉花阴燃，极易引发重大火灾。在棉箱内装载Co2检测仪，实时监测棉箱内气体浓度，可及时发现火情以避免重大火灾发生。在其他应用场景中，例如在我国北方的一些古建筑、停车场、仓库等，火灾探测器有可能运行在20以下的寒冷环境中。在这些应用中，火灾检测仪能否与常温状态下具备

7、同样的火灾监测能力，是用户、制造商和研究人员都非常关注的问题。相比于电化学传感器、感温探测器、气相色谱传感器，基于红外吸收的气体传感器具有响应快、精度高、寿命长、选择性好、非直接接触、可在线分析、抗干扰性强等诸多优点，得到了广泛应用。近年来，人们在红外火灾气体探测技术方面开展了广泛研究。2019年席廷宇等16力研发了基于可调谐二极管激光吸收光谱(TUnab1eDiode1aserAbsorptionSpectroscopy,TD1AS)技术的CO火灾探测系统，根据FrOUde模型制作火灾实验箱，利用真空泵将火灾试验箱中气体吸入多光程池，激光器产生的激光经透镜聚焦，再经过多光程池的多次反射作用到

8、达光电探测器，对探测器输出信号进行处理得到浓度信息，从而实现火灾探测。2014年WANGJ等卬研制了一种基于近红外可调谐光纤激光器与光纤放大器相结合的光声气体传感器，通过检测H20、C2H2,CO和COz浓度实现火灾探测，适用于长期在线监测。2016年JIANGYa1Ong等3基于光声光谱原理，设计了一种用于检测烟雾颗粒和Co的高灵敏复合火灾报警系统，通过集成谐波检测技术将检测频率移动到较低噪声的高频，从而实现光声信号的测量。依赖于激光器的红外气体传感器体积较大，不适合现场部署，而且这些传感器系统价格昂贵，不利于推广应用，基于非分散红外(NOn-dispersiveInfrared,NDIR)

9、的气体传感器具有集成度高、成本低的优点，有利于小型化，便于商业化推广应用，关于NDIR气体传感器的研究层出不穷。2013年，REN1ijUn等研制了一种新型中红外发光二极管光源和光电二极管检测气组合的二氧化碳NDIR传感器，功耗仅有3.5mW。2015年，唐力程等切采用双椭球面内壁镀金反射式光学气室设计了一款多组分ND1R气体传感器，实现了对CH八CO和CCh的检测。2023年，熊涛等1利用ZEMAX对光室结构进行了优化模拟，设计了复合抛物面聚光器光室监测系统，并集成到NDIR传感器中，达到快速响应的目的。在商用NDIR传感器中，国外VAISA1A公司的GMP252系列传感器是一种测量Co2的

10、新型智能传感器,在03000x106的co2浓度范围内其精度为40x104该传感器适用于恶劣、低温、潮湿、稳定性要求高的环境中，最低可在-40C的温度下工作。然而，国内已报道的NDIR传感器仅在室温条件下表现出良好的性能，在低温环境下往往表现不佳，从而不能在实际农业生产中应用。主要原因是红外热释电探测器受温度影响较大，低温条件下难以正常工作。为了使传感器能够在低温环境正常工作，本文设计了一种红外热释电探测器的温度控制系统，并应用于ND1R二氧化碳检测仪中，使探测器能够在-40C低温环境中维持21C的工作温度，最终使传感器在低温环境下正常工作。1用于农业火灾探测的红外二氧化碳检测仪1.1 检测原

11、理红外气体传感器是基于待测气体对红外波段的光具有特定选择性吸收的原理，即利用红外辐射与气体分子的相互作用。当某一波长的红外光经过待测气体，且此气体分子在此波长下存在吸收，此时光强便发生了衰减，吸收前后的光强变化满足朗伯-比尔(1ambert-Beer)定律5-。光强的衰减程度随气体浓度增加而增大，因此可根据光强的变化反推得到待测气体的浓度为/()=0()exp-()C1(1)式中，Io(A)为初始光强，/(/O为波长为A的光经过气体吸收后的光强，(A)为气体对波长为的光的吸收系数，C为气体浓度，1为光程。本系统采用双光路结构检测CCh的吸收，红外探测器在波长4(对应气体吸收)和A2(气体无吸收

12、，即a(不)=0)处的初始光强分别为/o()和Io(A2)，光电转换系数分别为R(4)和R(九)，两通道输出的电压信号之比可表示为*=翳摘exp-(A)C(2)对探测器输出信号进行调理，将探测器输出电压信号线性映射到AD转换器可采集的模拟电压范围。Io()和Io()受光源影响变化趋势一致，可抑制光源波动产生的探测误差。在实际应用中，需要先通过标准气体进行系统标定，而后根据拟合公式确定一次谐波信号幅值比和体积分数的关系。1.2 农业火灾气体检测仪用于低温环境的农业火灾检测系统主要由电学模块、光学模块、上位机监测模块以及探测器温度控制模块组成。系统的整体结构如图1所示。Gasce11VCCS:Vo

13、1tagecontro11edcucntsource;DC:Ana1og-to-digita1converter;1I:1ock-inamp1icr;SCI:Seria1communicationinter1ace;BUCK:Step-downcircuit图1基于ND1R的农业火灾检测仪框图Fig.1Systemb1ockdiagramofagricu1tura1firedetectorbasedonNDIRTechno1ogy光学模块主要由反射镜、凸透镜以及分光镜组成，热光源(型号：IR55,HawkeyeTechno1ogy)在电流源驱动下发射的红外光经过凸透镜会聚后，通过分光镜反射进入

14、气室，在气室内经过5次反射后从入射口出射，光程1.8m,出射光由双通道热释电探测器采集并转换为电压信号。电学模块包括放大电路、模数转换(Ana1ogtoDigita1Conversion,ADC)电路、DSP(Digita1Signa1Processor,DSP,型号：TMS320F28335,TexasInstrument)主控电路以及光源驱动电路。放大电路将探测器输出的电压信号进行线性转换，然后经模数转换器(型号：AD7903,Ana1OgDeViCeS)将模拟电压信号转换为数字信号，由主控电路进行锁相放大处理，提取出与浓度相关的电压幅值。主控电路通过ZigBee无线通信模块与上位机通信，

15、通过计算获得气体浓度信息。另外，主控电路通过脉宽调制(PU1SeWidthMOdU1ation,PWM)定时器输出频率为4Hz的方波，经过光耦(型号：IS181,ISOCOM)隔离后，利用压控电流源驱动热光源，产生强度调制的红外光。采用的探测器为热释电探测器，其对红外辐射变化敏感。热释电芯片是热释电探测器的核心，由特殊晶体材料制成，晶体内部晶格离子按照一定的顺序进行排列。由于内部许多晶体正负电荷中心不重合而产生极化，其极化强度随温度变化而变化。热释电探测器是温度敏感器件，环境温度的变化直接影响测试信号和工作点当环境温度变化时，热释电探测器的工作状态会发生变化，输出的电压值也发生改变，导致测量结

16、果出现严重偏差。在室温Tb下得到的拟合方程为f(C,7b),当环境温度变化为八时,拟合函数变为/(C,T),拟合参数发生变化，则利用同一电压比反演得到的浓度值也会发生变化。根据25C进行标定实验得到的拟合方程进行大气浓度检测，当环境温度分别为0C、IOC、20C、30C时，检测得到的大气二氧化碳体积分数如图2所示。可以看出，温度变化导致测量结果发生严重偏移，因此修正温度对探测器的影响势在必行。Fc!IO0C!20X!30O1OIOOO200030004000Time/s图2OC40温度范围内测得的大气Co2体积分数曲线Fig.2Themeasuredvo1umefractioncurveofatmosphericCO