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1、第28卷第2期光学技术Vol.28No.22002年3月OPTICALTECHNIQUEMarch2002文章编号:100221582(2002)0220152203X红外气体传感器多光路光学系统设计112王霞,金伟其,王汝琳(1.北京理工大学光电工程系,北京 100081;2.中国矿业大学北京校区机电工程系,北京 100083)摘 要:在实验研究的基础上分析了采用红外发光二极管为光源的气体传感器在设计中应考虑的几个因素。对四种设计方案进行了比较,从而提出了双光源四探测器的新型多光路光学系统设计方案。采用这种光学系统不但可以对温度、环境、气室尘染、器件失配等引起的干扰进行
2、补偿,而且还可以对由光源发光功率和探测器响应度变化引起的传感器灵敏度的波动进行补偿。对新光学系统进行的实验分析表明,该光学系统的长期工作稳定性和温度稳定性都优于其它设计方案。关键词:红外气体传感器;多光路;光学系统中图分类号:TN215;O439 文献标识码:ADesignofmulti2passopticalsystemforinfraredgassensor112WANGXia,JINWei2qi,WANGRu2lin(1.DepartmentofPhotoelectricEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beiji
3、ng100081,China)(2.DepartmentofMachineandElectricityEngineering,MiningIndustryUniversityofChina,Beijing100083,China)Abstract:Basedonexperimentstudy,severalfactorsareanalyzedinthedesignofinfraredgassensorinwhichinfraredLEDisusedaslightsource,andfourschemesarecomparedinthispaper.Anewmulti2pa
4、ssopticsystemisconstructedinwhichtwosourcesandfourdetectorsareused.Theinterferenceofenvironmentandopticpartscanbecompensatedverywellinthesystem.Theexperimentanalysisindicatesthatthelong2timeworkstabilityandtemperatestabilityarebetterthanotherschemes.Keywords:infraredgassensor;multi2pass;o
5、pticalsystem正比,并且随电流脉冲的宽度和重复速率而变化。1 引 言(3)光谱特性。红外发光二极管光谱半宽度(FWHM)是在不同气体对红外光有着不同的吸收光谱,某种气体的特征0.13μm(峰值波长为2.0μm)至0.64μm(峰值波长在为光谱吸收强度与该气体的浓度相关,利用这一原理可以测量气414μm)范围内,这样的带宽已超过许多气体的吸收特征带宽。体浓度。此类传感器灵敏度高、选择性好,目前国内外用于精确作为结果,透过气体的辐射强度是强烈吸收波长处与微弱吸收测量和标定气体浓度的传感器基本上都是采用红外技术。波长处的辐射强度之和。所产生的信号因此被冲淡了,并且偏窄
6、带红外发光二极管的发射强度可以用电学方法进行调[5～8]离了Lambert2Beer定律。制。通过在研制过程中调整发光二极管的成分,可以把二极管(4)由灰尘和光学元件的磨损而引起的气室透射率的变[1～3]的发射波段调节到被测气体的吸收波段处。这样,红外发化。传感器长期工作在空气环境中,尽管可以采用适当的防尘光二极管就可以代替普通红外气体传感器中的热源、窄带滤光措施,但是还会有一部分细微粉尘进入气室,并且会沉积在窗口片和调制装置,从而形成一种固体的、低功耗的、结构紧凑的仪上影响透射比。另外定期清洗气室,也会造成光学器件的磨损,器。影响气室的透光能力。所以在光学系统的设计中,
7、必须考虑由2 光学系统设计中的主要问题灰尘和光学元件的磨损而引起的气室透射率的变化对测量的影响。采用红外发光二极管为光源的气体传感器,在光学系统的(5)探测器的失配问题。采用两个或两个以上探测器的系设计中需要考虑如下五种干扰对测量的影响。统依赖于所选用探测器各种特性的良好匹配。探测器的失配会(1)温度的影响。发光二极管的发射强度和峰值发射波长导致信号的漂移,带来测量误差。例如,同一批生产的PbSe探是随温度变化的,在适中的环境温度范围内,波长的位移并不大[4](<3nm/℃),但发射强度的变化却很明显。此外,在红外气体测器的温
