红外气体检测原理在CO 检测系统的应用

马素艳

（山西兴新安全生产技术服务有限公司，山西 太原 030024）

引言

一氧化碳是导致煤矿爆炸和火灾的有害气体，当空气中一氧化碳的浓度大于12%时，且在特定条件触发的情况极易发生爆炸。同时，一氧化碳气体在大气化学、生命科学、环境监测以及工业生产中可作为示踪物使用；而且一氧化碳气体作为生理信使在医学上也发挥着不可替代的作用。因此，不论在哪个领域实现对一氧化碳气体的精准、快速的检测意义重大[1]。目前，电化学型、半导体型以及催化燃烧型一氧化碳检测装置存在精度低、量程小以及零点漂移大等问题，急需设计一套高精度、量程大的监测装置。本文将基于红外气体检测原理设计一套可检测一氧化碳的装置。

1 红外气体检测原理与技术研究

红外光谱技术目前已经广泛应用于对物质结构进行探查。通过红外光谱技术对气体的浓度进行探查。

1.1 分子光谱理论研究

从物理学层面分析，气体从分子的角度分析可总结为三种状态，包括有电子围绕原子核的旋转运动，分子围绕一个轴的进行旋转以及分子在其原子核的平衡位置进行有规律的振动。从能量角度分析，处于不同运动状态的分子其所蕴含的能量大小不同[2]。在红外区域，不同气体对应的吸收光谱不同。由于不同气体的振动频率不同，导致不同气体对应的吸收光谱不同。也就是说，不同气体所能够吸收光谱的能量大小不同；根据某种气体所吸收光谱的能力对气体进行准确判断。

1.2 一氧化碳气体的红外吸收光谱研究

气体吸收红外光谱实际上是气体分子能量跃迁表现的形式。对于一氧化碳气体而言其有三个吸收谱带，分为处于2 150 cm-1的强吸收谱带和处于4 347 cm-1和6 410 cm-1的弱吸收谱带。但是，在不同吸收谱带上对应的光谱特性存在差异，选择一个光谱特性独特的吸收谱带对于可精确对气体的检测尤为重要[3]。

综合分析一氧化碳在上述三个吸收谱带对应的光谱特性；当谱带吸收强度较大时可减少其他气体分子对其造成的干扰。因此，采用处于2 150 cm-1的强吸收谱带作为一氧化碳气体浓度检测的理想谱带。

目前，基于红外吸收光谱原理的检测检测技术包括有NDIR 光谱检测技术、长光程光谱检测技术、波长/频率调制光谱检测技术、腔增强光谱检测技术以及光声光谱检测技术。上述光谱检测技术在可选用的红外光源类型、可选用红外探测器的类型以及检测灵敏度等方面存在一定的差异。

2 一氧化碳气体检测系统的设计与实现

根据光源的不同可将一氧化碳气体检测系统分为基于脉冲式量子级激光器的CO 气体检测系统和基于连续式量子级联激光器的CO 气体检测系统。本节将分别完成上述两种CO 气体检测系统的设计，并对其性能进行测试。

2.1 基于脉冲式量子级激光器的CO 气体检测系统的设计与测试

基于脉冲式量子级激光器的CO 气体检测系统包括有光学部分、电气部分和配气部分。该CO 气体检测系统中的光学部分是参照直接光谱吸收技术设计的，在脉冲式量子级激光器中集成热敏电阻和TEC。光学部分的核心为不锈钢气室，在不锈钢气室内部安装多个镀金反射镜[4]。结合实际需求，设计光学部分中不锈钢气室的长度为147 mm，气室罐体的外部直径为67 mm，整体容积为510 mL。其中，在不锈钢气室内部包括有进光孔、出光孔、进气孔和出气孔。其中，进光孔和出光孔的直径为4 mm，进气孔和出气孔的直径为6 mm。镀金反射镜的关键参数，如下页表1 所示。

表1 镀金反射金主要技术参数

电学部分主要根据检测需求完成关键元器件的选型。前置放大器的型号为MCT-1000；带通滤波器的型号为OPA637；锁相放大器的型号为AD630。

基于脉冲式量子级激光器的CO 气体检测系统的精度验证结果，如图1 所示。

图1 基于脉冲式量子级激光器的CO 气体检测系统的精度测试结果

如图1 所示，当CO 浓度（体积分数，下同）低于100×10-6时，采用脉冲式量子级激光器的CO 气体检测系统的相对误差较高，即精度较差；而当CO 浓度高于100×10-6时，采用脉冲式量子级激光器的CO气体检测系统的检测精度可以控制在±4%之内。

2.2 基于连续式量子级联激光器的CO 气体检测系统的设计与测试

同样，基于连续式量子级联激光器的CO 气体检测系统也包括有光学部分、电气部分和配气部分。

对于光学部分而言，与基于脉冲式量子级激光器的CO 气体检测系统不同的是：基于连续式量子级联激光器的CO 气体检测系统采用多次反射气室，该多次发射气室的规格尺寸为400 mm×50 mm×25 mm。其中，进光孔和出光孔采用标准接口；进气孔和出气孔的直径为6 mm；而且，为其所配置镀金发射镜直径为25.4 mm，剩余的厚度和反射率的参数与脉冲式的一致[5]。

对于电气部分而言，与基于连续式量子级联激光器的CO 气体检测系统所配套的前置放大器的型号为LT1028，差分变换计算采用的芯片为AD620，正交锁相放大器的芯片型号为HEF4046。

基于连续式量子级联激光器的CO 气体检测系统的精度测试结果，如图2 所示。

图2 基于连续式量子级联激光器的CO 气体检测系统的精度测试结果

如图2 所示，当CO 浓度低于2×10-6时，采用连续式量子级激光器的CO 气体检测系统的相对误差较高，即精度较差，相对误差低于17%；而当CO 浓度高于2×10-6时，采用连续式量子级激光器的CO 气体检测系统的检测精度可以控制在±1%之内。

3 结语

一氧化碳气体在医疗中的生命科学研究、大气环境保护、安全环境监测等领域均扮演着十分重要的角色。但是，传统众多的一氧化碳浓度检测系统存在精度低、零点偏移量大且量程小的问题。为此，本文基于红外气体检测原理的红外光谱吸收技术设计了基于连续式量子级联激光器的CO 气体检测系统和基于脉冲式量子级激光器的CO 气体检测系统。通过测试可知，基于连续式量子级联激光器的CO 气体检测系统具有更高的检测精度，但是其量程小。