新型矿用红外瓦斯传感器的光学系统设计new

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1、.24.埃矿自动化新型矿用红外瓦斯传感器的光学系统设计王法琳王宜(中国矿业大学北京校区)【摘要】与传统的红外气体传感琴相比，未用红外发光二板管为充源的气体传感界其有体积小、整机无可动部件、结构紧凑等优点。本文分析了来用红外发光二极管为光涯的气体传感界在设计中应考虑的主要问题，在此基袖上，对五种设计方案进行丁比较、分析，提出了双光源四探浏界的折型光学众统设计方案。本文设计的光学系统补偿了a度变化的影响、发充二桩管债出功率的变化、探浏界响应度变化产生的信号波动、探浏君的失配、由友尘或光学元件的磨摘而引起的气室透封比的变化，实现了光派和探浏界尤错特性与被浏气体特征吸收带的匹配，适合于在井下检侧甲沈浓

2、度。【关越词】红外光探浏器补偿光学系统1引官就比IaAsSbP4.3pmLEDs的发射强度大10倍不同气体对红外光有着不同的吸收光谱，某左右，当InAsSbP4.3jLmLEDs冷却到77K，其峰种气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度相值辐射强度升高25倍，并且波长移至3.Spm处。关，利用这一原理可以测最甲烷浓度。此类传感器发光二极管功率擂出的典型值从10-5到10-'W.灵敏度高、选择性好，目前国内外用于精确测量和此外，在气体监测器中常用的硫化铅或硒化铅探标定气体浓度的传感器，基本上采用红外技术。由侧器本身同温度有很大的相关性，这种相关性一于地面上使用的红外气体传感器体积大、设备复般>10

3、%'C。杂、价格A贵，光学系统和电路的结构都不适于在(2)发光二极管抽出功率波动和探侧器响应变化产生的信号波动井下应用。气体监测器必须补偿由于发光二极管物出功窄带红外光二级管的发射强度可以用电学方率波动和探测器响应度变化引起的信号波动。由法进行调制.通过在研制过程中调整发光二极管于器件加热，发光二极管的箱出差不多与电流成的成分，可以把二级管的发射波段调节到被测气正比，并且随电流脉冲的宽度和重复速率而变化。体的吸收波段处。这样，红外发光二极管就可以代发光二极管的典型工作条件是:1.5V,1A的脉替普通监测器中的热源.窄带撼光片和调制装置，冲，占空比从1/20到1/2，脉冲颐率从100KHz从而形

4、成一种固体的、低功耗的、结构紧凑的仪到1OKHz。典型的中红外室温工作的发光二极管器。可以连续工作15000小时以上，其箱出和光谱分2光学系统设计中的主要问题布均无明显的变化;在矿用红外甲烷传感器的设计中，采用红外(3)光谱特性发光二极管为光源的光学系统，在设计中需要考红外发光二极管光谱半宽度(FWHM))A。虑如下五种干扰对测量的影响:13pm峰值波长在2.Opm)至0.64pm(峰值波长(1)温度的影响在4.4}+m)这样的带宽已超过许多气体的吸收特发光二极管的发射强度和峰值发射波长是随征带宽。作为结果，透过气体的辐射强度是强烈吸温度变化的，在适中的环境温度范围内，波长的位收波长处与徽弱吸

5、收波长处的辐射强度之和.所移并不大(<3nm/'C)，但发射强度的变化却很明产生的信号因此被冲淡了，并且偏离了Lambert-显。实验指出，随着温度的升高，二极管发射强度Beer定律，下降，峰值发射波长向长波方向移动，光谱半宽度(4)由灰尘或光学元件的磨损而引起的气室增加。发光二极管的发射光谱分布依较于温度和透射率的变化其成分，例如室温GaSb1.即mLEDs的发射强度由于矿用红外甲烷传感器播要长期工作在井新型犷用红外瓦斯传感界的充学来统设计·王沃琳.25.下环境空气中，尽管可以采取气室外加防尘罩的磨报而引起的气室透射率的变化均未得到解决。措施，但是还会有一部分细微粉尘进人气室，并且方案4:为

6、了弥补方案3的不足及二极管光会沉积在窗口上影响透射比.另外定期清洗气室，谱特性的不完全匹配，该方案利用干涉滤光片的也会造成光学器件的磨损。这些都会影响气室的良好的单色特性，将两片窄带干涉滤光片分别置透光能力.所以，在光学系统的设计中，必须考虑于参比探侧器和测量探测器前，其中一片的波长由灰尘或者光学元件的磨损而引起的气室透射率位于被测气体及大气主要干扰组分不吸收的波的变化对测量的影响，段，称为参比滤光片，形成参比光路;另一片的波(5)探测器失配问题长位于被测气体特征吸收光谱段，称为测量滤光一:采用两个或两个以上探测器的系统依赖于所片，形成侧量光路。以甲烷检测为例，参比和测量淤~、选用探渊器各种特

7、性的良好匹配。探测器的失配滤光片就分别选为3.9矣3.39Km。光路设计成反会导致信号的漂移，带来测量误差。例如，同一批射式，这种设计的优点是红外辐射能两次穿过被生产的PbSe探测的温度系数差异就可能大于测气体，相当于增大了气路的距离，可以提高检测5%.所以在选用时，必须进行测试和配对.在光精度。由于参比光路和分析光路是在同一环境下学系统的设计中也可以采取适当的措施，消除探工作的，取二者的电位差进