基于热释电探测器DIGA数学模型.pdf

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1、第24卷，第3期光谱学与光谱分析Vol.24，No.3，pp376-3782004年3月SpectroscopyandSpectralAnalysisaarch，2004!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!基于热释电探测器DIGA数学模型张永怀，刘君华"西安交通大学电气工程学院，陕西西安710049摘要根据热释电探测器工作原理，对其使用特点进行了分析。在分光型红外气体分析器（DIGA）设计原理基础上，建立了基于热释电探测器的红外气体分析系统输入输出数学模型。依据该模型研制了一个新型多组分红外气体分析器

2、，并指出设计DIGA注意的若干问题。应用表明，该模型对DIGA的设计、研究、性能分析和进一步改进具有一定的参考价值。主题词热释电探测器；分光型红外气体分析器；数学模型中图分类号：TH744.41文献标识码：A文章编号：1000-0593（2004）03-0376-03红外气体分析器（InfraredrayGasAnalyZer：IGA）基于转换器。其内部等效模型如图1所示，C表示等效电容，Rdd光学测量原理分析气体成分与浓度，在石油化工、电力环表示等效电阻，P为光辐射功率，I为热释电电流。s保、医疗卫生、航空航天等行业有重要应用。其应用的深度当辐射功率为P的光照射在灵敏元件的光敏面，元件产

3、［1］与广度标志着现代工业的发展水平。生电流I／dI，式中A为电极面积，为热释电系s=ACdTCIGA包括两种类型：非分散型NDIr（Non-dispersiveIn-数，dT／dI为入射光引起灵敏元件的温度变化。可见对于恒fraredray）和分光型DIGA（DispersiveInfraredGasAnalyZer）。定的光照，I。所以探测恒定的入射功率时，必须用斩s=0［2］NDIr已经广泛使用且有完备的数学模型，而DIGA到目波器。前为止，尚没有完整的数学模型，使分光型红外气体分析器探测器输出信号瞬时电压表示为的研究、性能分析和进一步改进工作缺乏理论指导，存在一VEMCA·R·P（

4、1）定盲目性。虽然DIGA的实现有多种方式，综合考虑工矿环s=Rs·P=22）1／2·（1+M22）1／2G（1+MTTTe境条件、仪器成本以及工艺可行性，能够投入工业现场使用式中R为探测器的响应率；P为元件接收的辐射功率；E为s的主要是基于集成滤光片和热释电探测器的DIGA。鉴于上光敏面对辐射的吸收率；M为斩波频率；R为电阻，其大小述原因，本文建立了基于热释电探测器的DIGA的数学模等于探测器内部等效电阻R和探测器的负载电阻R并联dg型。阻值；T为系统电时间常数，大小为T，C表示探测ee=RC器等效电容C与负载电容之和；T为探测器的热时间常数，dT1热释电探测器原理与特点其大小T／G，其

5、中H为探测器的热容，G为敏感元件T=H向周围空间总热导。1.1热释电探测器原理Rs与M和R的关系曲线如图2所示。M和R决定了探gg热释电探测器是基于热释电效应测量红外辐射的光热电测器的工作点。图中响应率R单位为：V／W，斩波频率单位s为：HZ。由公式（1），当M=0，则V，所以热释电探测器的s=0输入光必须是辐射脉冲。红外气体分析主要是用于能量测T0量，即探测器输出电压函数U（I）#$P（I）dI，其中P（I）0是输入光功率函数，T是辐射脉冲宽度0Fig.1PhotosensitivecellandeIuivalentcircuitsofproelectricdetectorT2K（2）0

6、=UM（a），photosensitive；（b），eCuivalentcircuits其中U是斩波器一个工作周期内，通光时间与工作周期的比收稿日期：2002-12-26，修订日期：2003-05-23基金项目：国家自然科学基金（50077016）资助项目作者简介：张永怀，1969年生，西安交通大学电气工程学院博士生"通讯联系人第3期光谱学与光谱分析377值。2.2DIAA红外线传输数学模型目前气体浓度监测，流行高效的方法是利用热辐射源和［3］集成滤波器的热释电探测器组建DIGA。这里描述的DIGA包括单个脉冲红外光源、单个气体吸收池、不同气体特征滤光片组成的阵列、热释电探测器阵列以及基于

7、数据采集卡的计算机系统。红外线传输模型如图3所示。Fig.2TherelationamongchoppingfreIuency，Fig.3Infraredtransmissionmodelloadresistanceandrespondingrate不同波长的光传输过程相互独立，所以探测器总的信号当!，辐射脉冲产生的电压是一段时间内的输出电压是V（A，I）、在滤光片通带内对波长积分T!!G!!0积分值，大小表示为A2KH