二氧化碳气体作为环境中普遍存在的一种气体,影响着各种动植物的生存状态与活动。二氧化碳的体积分数在环境卫生、卫生防疫、工业过程控制与分析、医学诊断以及宇航生保等领域是需要实时监测与分析的重要参数^[1]。自然界中的植物在进行光合作用时会吸收二氧化碳气体,所以环境中的二氧化碳的体积分数可以反映植物的生长状况,从而起到对植物生长的预警和检测作用。特别在现今温室效应日趋严重的情况下,对二氧化碳的测量具有更重要的意义。

目前利用光谱分析测量二氧化碳体积分数有多种方式,其中应用较普遍的是红外非色散分析法(NDIR)。特别是在现今传感器件小型化、集成化和智能化的背景下,红外气体分析仪器以其体积小、重量轻、精度高、可靠性好、可连续快速检测等特点,在二氧化碳的体积分数测量中应用广泛。张广军等^[2]设计的小型红外CO₂传感器,通过采用旋转抛物面接收光锥有效地提高了信噪比,可实现较高的测量精度。HÖk等^[3]设计的检测呼气中酒精含量的手持气体分析仪,通过对CO₂的测量来检测呼气中酒精的体积分数,主要运用NDIR原理,在光路设计中运用多个反射面来提高光程长度从而提高测量精度。王莉等^[4]应用集成的CO₂体积分数传感器获得信号,通过设计和改进传感器的滤波放大和信号处理电路系统来减小环境对测量的干扰,并在数据处理中优化数据处理算法,以此提高系统的测量精度。

本文主要设计了一种CO₂测量系统,采用了光线追踪法计算光线的有效利用率,在此基础上计算最佳光程长,以达到提高传感器的测量精度的目的。

大部分气体分子在红外波长范围内都有特征吸收峰,CO₂的特征吸收峰位于4.26 μm处^[5]。当一束波长为λ、光强为I₀的单色光平行入射装有待测气体CO₂的气室时,由于CO₂在4.26 μm处有吸收峰,因此从气室出来的光的输出光强I会减小,而这个吸收关系服从Lambert-Beer 吸收定律,输出光强度I、输入光强度I₀ 和气体体积分数C之间的关系为

测量光程^[6]是系统测量性能的一个重要因素。汪曣等^[7]对光程长度与灵敏度之间关系的研究表明:单位光程长吸光度越小,则光程长对测量误差的影响越小,可选择光程长范围就越宽。对于单个样品,当最佳光程长获取存在较大误差时,应使所选光程长落在大于最佳光程长的区域 。由式(1)可知,在条件不变的情况下,测量光程越精确,测量所得到的体积分数值精度越高。而在实际测量光路中,光程长的值不是确定的,而是分布在一定范围内。所以可以通过仿真模拟的方法来计算得到一个和真实光程长接近的最佳光程长来减小光程带来的误差,最佳光程长可由模拟所得的光线利用率^[8]和有效光程的分布计算得出。光线利用率指被红外探测器所接收的光线占所有出射光线的比例;有效光程分布是指在理想状态下不同光程出现的概率和该光程在所有光程中所占的比例。通过模拟计算不同光程长下的光线利用率,得出最佳光程长。

由于测量光程会受到气室环境,如内壁气室的材料、气室的形状、光源的类型以及气室内部的介质等的影响,因此在仿真时充分考虑了这些因素。模拟的具体条件为:光源为点光源,发散角45°;气室内壁材料为铝,形状为圆筒状,长度为30 mm,直径为10 mm;气室内介质为真空;红外探测器的接收面积为圆形,直径为6 mm。应用光线追踪法(ray tracing approach)^[9],可从光源开始追踪每条光线经过气室内壁被反射的过程,直到最终被红外探测器接收。

图 1为Zemax仿真模拟的气室内部光路和探测器接收到的光线分布图,由图可知:一部分光线出射后经过气室内壁反射一次或多次后最终才能被气室后的红外探测器接收;另一部分光线不经过气室内壁的反射而直接到达探测器。光经过反射后,其光强会有一定程度的衰减,故光线利用率主要由探测器接收面的面积和气室内壁的材料决定。

图 1

Fig. 1

图 1 Zemax模拟气室中光线的传播和接收 Fig. 1 Light transmission and receiving in Zemax

根据光线追踪法计算得到各反射光线对应的光程长度分布如图 2所示。根据模拟的实际光程所占百分比的分布图可知:在30 mm光程附近的光线由于没有经过反射,很容易就被探测器所接收;而在30 mm到35 mm之间得到各波谷则是由于光线经过多次反射而衰减无法被探测器探测到;随着光程的增加光强度减弱,能被探测器接收的概率越低。综上所述,由光线利用率和光程分布计算得出CO₂测量的最佳光程为31 mm。

为了验证上述仿真结果,本文设计了CO₂测量系统。测量系统主要由光源、气室和红外探测部分组成,如图 3所示。 系统的工作流程为:单片机STC8051实现光源的控制,光源出射的光进入气室后经样品吸收到达另一侧的红外探测部分并被接收。通过对比入射光和测量光的光 强,得出被测CO₂的体积分数大小。系统光源采用中心波长在4.3 μm附近的LED光源,气室长度为31 mm,并减小气室接收端的直径,以确保测量光程的峰值在31 mm附近。

图 2

Fig. 2

图 2 模拟所得有效光程分布图 Fig. 2 Effective optical path distribution in the simulation

图 3

Fig. 3

图 3 CO2体积分数测量系统结构示意图 Fig. 3 System structure of the system

实验时,将测量系统放置于密封容器内,如图 4所示。将固定体积分数的CO₂、N₂混合气体通入到此容器中。实验共对8个不同CO₂体积分数的标准气体进行了测量,具体为20×10^-6,50×10^-6,100×10^-6,150×10^-6,200×10^-6,500×10^-6,1 000×10^-6和1 500 ×10^-6。为提高系统的测量精度,在测量过程中采取5次测量取平均值的方法。

实验得到的数据如表 1所示,将测量得到的CO₂体积分数与标准值进行比对,得到的关系曲线如图 5所示。

实验结果表明:测量系统得到的数据能准确反映密闭气室内部的CO₂的体积分数的变化,而且每个监测点的体积分数的标准偏差离散值在3左右;测量所得的数据拟合得到的曲线也能准确反映真实体积分数变化,且拟合曲线的相关系数R很接近于1;每次测量值与相同环境多次测量的平均值相比,其测量数值误差均在50×10^-6以内,表明测量系统的性能稳定。

图 4

Fig. 4

图 4 CO2测量系统示意图 Fig. 4 Measurement system of the experiment

表 1 (Tab. 1)

表 1 不同体积分数CO2测量值 Tab. 1 Measured results ×10-6 真实值 测量值 平均值 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 20 10 11 12 11 10 11 50 29 32 33 32 28 31 100 85 83 79 84 82 83 150 120 121 117 122 120 120 200 186 178 177 177 174 188 500 479 478 485 481 488 482 1 000 988 980 987 993 986 987 1 500 1 490 1 489 1 485 1 480 1 478 1 484

表 1 不同体积分数CO2测量值 Tab. 1 Measured results ×10-6

图 5

Fig. 5

图 5 体积分数测量值与标准值的比较曲线 Fig. 5 Fitted curve of measured results

由测试实验可知,本测量系统能很好地完成CO₂体积分数测量的任务。系统具有高精度、高灵敏度的特点。应用Zemax进行有效测量光程的预估与计算,优化了测量精度,提高了系统的测量性能。系统稳定性良好,在多次测量的比较试验中,单次测量误差值很小。