红外传感器在二氧化硫监测中的应用
第18卷第2期
2002年6月齐齐哈尔大学学报Journal of Q i q ihar Universit y Vol. 18,No. 2J une ,2002
红外传感器在二氧化硫监测中的应用
齐怀琴1李春林1王仲杰2
(1. 齐齐哈尔大学信息学院, 齐齐哈尔161006;2. 齐齐哈尔市公安交通警察支队, 齐齐哈尔161005)
摘要主要对红外传感器的工作原理进行了分析, 介绍了探测器的组成原理和结构, 并对大气中的二氧化硫气体用红外传感器进行浓度测量及实时检测和分析。同时提出了对大气污染进行控制与防治的措施。
关键词:红外传感器浓度测量实时检测
中图分类号:TP391. 72文献标识码:A文章编号:1007-984X (2002) 02-0089-03
随着人口的增长和经济的发展, 我国正面临着十分严重的环境污染, 因此, 有必要对周围的大气环境进行监测, 包括污染源的监测和生活环境的监测, 特别是现场时监测。
1大气污染物
SO 2是含硫化合物中典型的大气污染物。在火山气体, 通过燃烧90%以上的硫被氧化成SO 2。据估计, 中。此外, 2SO 2远远超过煤和石油。
SO 2。SO 2能使呼吸系统生理功能减退, 肺泡弹性减弱, , 、支气管哮喘、肺气肿等。此外, 它还具有较大的腐蚀性, 对钢材、皮革、建, 它还能损害植物的叶片, 影响其生长并降低其产量。因此, 必须采取措施进行检测、控制并及时消除。
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2
2. 1SO 2质量检测系统监控系统的原理结构
对大气质量检测主要是对大气中的SO 2等346图1大气质量监测系统原理结构方框图
1———SO 2浓度探测器2———I/V 转换电路污染物的浓度进行检测、控制、显示的一种监控3———模-数转换电路4———计算机系统系统, 其监控系统的原理结构方框图如图1
所5———显示器6———打印机7———声报警器
示。
大气质量监测系统的工作原理是:SO 2浓度探测器将待测气体中的SO 2气体的浓度转变成电流信号; 电流信号经I /V 转换电路后送至模—数转换电路, 最后送至计算机系统进行数据采集与处理。由数码管显示器进行显示, 微型打印机进行测量结果的适时打印并由声报警器适时报警。
2. 2硬件电路的实现
红外传感器是传感器中的一种, 其原理是由红外辐射原理而制成。红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高, 辐射出来的红外线越多, 红外辐射能量就越强。研究发现, 太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的, 而且, 最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内。
红外辐射在大气中传播时, 由于大气中的气体分子、水蒸气以及固体颗粒、尘埃等物质的吸收和散射作用, 使辐能在传输过程中逐渐衰减。空气中对称的双原子分子, 如N 、O 、H 不吸收红外辐射, 因而, 不会造成红外辐射在传输过程中衰减。
自然界中的所有物体, 例如人体、火焰、水等物体均会放射出红外线, 只不过各自发出的红外线的波长不同。红外线的波长范围从0. 76电流电μm ～100μm 。红外传感器是用于将非电量的红外线信号转换成电压、收稿日期:2001-01-10
作者简介:齐怀琴, 女,1953年生, 副教授, 现主要从事电子技术应用及电子信息工程方面的研究。
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年信号的装置, 它能够检测到这些物体发射的红外线, 用于测量成像或控制。
2. 3探测器的原理和结构
该系统所用的探测器就是在以上理论基础上制成的。其原理结构如下:以SO 2浓度探测器为例说明。实验和理论计算都已经得出见图2。从图2中可看出,SO 2在4. 0μm 处存在一强烈的振动吸收峰。因此, 当一定强度的4. 0μm 附近的窄带红外光通过含有SO 2的混合气时, 按照光的吸收定律, 光通过吸收介质时的透过率T 呈指数形式减少, 即
T =I /I o =e -aCL (1)
式中:a 为气体吸收系数; C 为待测气体的浓度; L 为透射
光路的长度; I 为光进入气体前的光强; I o 为光离开气体后
的光强。
对式(1) 两端取对数, 可解出浓度C 为
C =A /aL (2)
式中:A 为吸光度, A =ln (I o /I )
显然, 只要测出A , 就可以用式(2) 精确地计算出待测
气体的浓度。对于待测气体a 是其吸收带中心值。
探测器的结构图如图3所示。结构完全相同的两套光学系统组成。统一侧的光路中(/) 约0. 5mm , 1. 35A 电流加热到
600～10002～10被测混合气体被该红外线光源发出的红外辐射μm 。图2入射红外窗口后, 先穿过被测气体光路(长20cm ) , 然后利
用斩波器进行调制, 最后再穿过窄带滤光片(中心波长
4. 0μm , 宽0. 1μm ) 到达红外传感器。由于SO 2在4. 0μm
处有一强烈的振动吸收带, 因此, 透过测定用光学系统一
侧光路进入传感器的光量减少。另外, 比较光学系统一侧
事先在隔离的情况下已封入不吸收红外辐射的氮气, 因此,
进入该侧传感器的光量一定, 即, 当待测气体被导入测定光
学系统一侧的光路进行浓度检测时, 测定滤光片透过的红
外辐射发生变化, 而比较滤光片透过的红外辐射不发生变
化。由于光路是按照一定的周期开闭的, 因此, 这种光量差
的变化就以光量的振幅形式进入红外传感器, 光振动时, 传
感器内被封入的气体吸收光能后形成温度的周期性变化。
红外传感器中内藏的微音电容将这种压力变化信号转换成
电流, 并由前置信号处理与放大电路放大, 输出与浓度成线
性关系的电流信号。薄膜电容微音器结构如图4所示。
在检测室内装有铝箔动极和铝合金圆柱体定极, 构成
薄膜可变电容器。在两极上加有稳定的直流电压, 电容的
薄膜把检测室内腔分为容积相等的两个吸收室, 吸收室内
充满待测气体组分。测量光束和参比光束分别射入两个接
收室, 作为电容动片的铝箔厚约5～10μm , 动片与定片间
距离为0. 05～0. 08mm , 组成的电容容量为50～100p F 。为图3SO 2浓度探测器结构1,2———红外线光源3———红外窗口4———比用气路5———测定用气路6———出气口7———进气口8———斩波器9———窄带滤光片10———红外传感器11———前置信号处理与放大电路图4薄膜电容微音器1———窗口晶体片
3———定片2———待测组分气体4———薄膜动片
第2期红外传感器在二氧化硫监测中的应用・91・使被动片薄膜隔开的两个吸收室气体静压平衡, 设计了一个直径为百分之几毫米的微孔。红外光束射入接收室后, 被其中的待测组分吸收, 使气体温度升高, 从而内部气压升高。当测量气室中有待测组分时, 透过参比气室的红外光辐射仍保持不变, 而透过分析测量气室的红外光, 由于待测组分的吸收而减弱。故到达接收室的红外辐射减少而使这一边温度降低, 压力减少。因两接收室的压力不平衡, 动片薄膜移动, 改变了微音电容两极距离, 也就改变了电容量C , 由于
C =k D (3)
式中:A 为电容极板面积; D 为薄膜动极与固定电极的距离; k 为比例系数。
待测组分在气体中的浓度越大, 透过参比气室和测量气室的光强差也越大, 从而接收室气压差越大, 电容量的改变也越大。这个电容的变化就可指示气样中待测组分的浓度。电容变化引起电流变化, 得到在浓度变化范围内的电流输出为0～10mA 。有实验已得出,SO 2达到浓度警戒水平即浓度上限时, 传感器输出电流为2. 0mA , 以此值作为报警的参考上限。
3结论
SO 2, 线性度好, 输出是电流量, 故需将其转换为0～5V , 带有显示器和打印机, 对测量数据结果进行适时显示, 位机与之通信, 参考文献
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A pp l ication of ultra -red sensor in SO 2detectin g
Q I Huai -q in
Abstract 1L I Chun -lin 1WAN G Zho n g -j ie 2(1. Information Instit ute Qi q ihar U niversit y ,Qi q ihar 161006;2. Qi q ihar Public securit y Traffic Police Detachment ,Qi q ihar 161005) The p rinci p le of ult ra -red sensor is p resented in t his p a p er , and it’s com p osition and st ruc 2t ure is outlined. The p rocedure of usin g ult ra -red sensor to detect t he SO 2in t he air in a readtime manner is discussed. Finall y ,t he met hods of cont rol and p revent air p ollution is p ro p osed.
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y words ult ra -red sensor , filter , realtime detect