红外低硫传感器信噪比改善方法研究

　　摘要：低硫的红外探测是一个非常重要的研究领域，但由于红外硫的吸收峰在一个特殊的波段，与人体红外波段重合，所以国外的先进技术大都对中国封锁，而国内的低硫传感器存在交叉吸收误差，检出限不够、检测精度低等缺陷。本文以煤中硫元素的测试为基础，研究采用了电调制热释电红外传感器在测量硫元素过程中存在的以上问题，主要开展了探测器稳定性、恒温测试、气室噪声、滤波等改善传感器信噪比的相关改进设计和实验，并提出了优化的方案，优化后经过实验测试，整个测试系统的信噪比提升近 50%，检出限从原来的 100ppm 提升到近 10ppm。低硫测量平均值为 0.382%，SD 为 0.006%，RSD 为 1.2%，瓶内 RSD 为 0.9%。达到了低硫的高精密测试。

　　关键词：热释电红外传感器;红外吸收峰;低浓度硫检测;信噪比改善

　　陈新喜; 魏丽君， 计算机测量与控制 发表时间：2021-11-18

　　0 引言

　　煤在我国的生产生活中起着至关重要的作用，占到能源总量的 80%[1-4]，但是煤炭在燃烧的过程中，不但会释放引起温室效应的二氧化碳，更重要的是会产生造成环境污染的二氧化硫，煤中的硫含量远高于石油和天然气，煤燃烧产生的二氧化硫排量占到了总二氧化硫排量的 90%以上[5-6]，因此，对煤中硫含量进行精确的测试，有利于对煤燃烧时进行有效的监控，保护自然环境，同时，硫含量的精确测量是评估煤质量的一项重要指标。

　　当前煤中硫含量的测量方法主要分三种[7-11]：艾士卡法、库仑滴定法和红外吸收法。其中，艾士卡法、库仑滴定法在要求不高的一般工业环境下应用比较广泛，检测环节多，操作比较复杂，检测精度不高[12-13]，因此，近年来，更多的专家学者和企业更多的研究采用红外吸收法测定煤中硫的含量。

　　红外吸收法主要是采用朗伯—比尔(Lambert-Beer)吸收定律[14-17]，根据二氧化硫的红外吸收特性，将煤样在高温下充分燃烧，通过红外池对燃烧后的气体进行有效吸收，从而达到检测二氧化硫含量的目的，通过化学转换，就可以精确得到煤中硫的含量。但是二氧化硫的红外吸收峰波段在一个特殊的敏感区域，与人体红外的波段重合 [18-22]，因此很多发达国家对于该波段的红外探测器是对中国实施技术封锁的，因此，研究高精密的低硫传感器具有更加重要的意义。

　　1 红外吸收法检测机理

　　红外吸收法的原理主要是朗伯—比尔(Lambert-Beer)吸收定律，它的工作原理是当红外光平行通过被测样气时，被测气体分子会对特定波长的红外光产生吸收作用，每一种气体都存在有特征吸收峰，具体如图 1 所示。

　　其具体的转换关系为：设平行入射光的强度为 0 I ，出射光的强度为 1I ，气体介质的厚度为 L,气体的浓度为 c,气体的吸收系数为 μ ，则其关系表达式为： 1 0 exp( ) i i I = − I Lc ∑μ (1)其中 μi 是表示不同气体的吸收系数， i c 是表示不同气体的浓度。

　　2 红外低硫传感器的检测误差分析

　　从红外池可以看出，主要分四个部分组成，红外光源、镀金气室、滤光片、红外接收装置，因此误差的分析从这四个方面入手。

　　光源的稳定性受调制方式的影响，机械调制的震动更大，误差会更大，当前主流的驱动方式是采用电调制方式，但是调制深度在调制频率达到某一范围阈值后会迅速下降，但是调制频率太低，会给系统带来白噪声，因此，为了设置合适的调制频率，需要对光源进行反复测试，本文设计采用的是脉冲红外光源 IRL715，该红外光源调制深度与调制频率的关系图如图 3 所示。

　　镀金气室是整个传感系统的关键，其内部的光洁程度和温漂对结果起着几乎决定性的作用，此外由于检测气体中有可能含有腐蚀性，因此气室内壁采用镀金处理。光洁度直接反应到结果上就是漫反射带来的误差，此外，气室的长度也会根据检测气体的需要而进行长度的选择，因此，在设计过程中，务必保证气室的光洁度，尽可能的减少漫反射带来的误差。温漂则只能通过设置恒温系统来降低误差值。

　　在一些系统中，设计了参比气室，对固定误差的消除有一定的帮助，但是增加了成本，同时，在结构的设计上，也会增加一定的难度。

　　滤光片的选择需要根据待测气体的吸收峰进行选择窄带滤光片，在要求高精度的场合，在滤光片之前，会设计聚光塔，聚光塔的作用在一定程度上就是减少气室带来的误差的，能在一定程度上提高信噪比。

　　红外接收装置的设计采用热释电探测器 LHi814G2/G20。该探测器没有设计前置放大电路，因此，在探测器接收前，对信号进行放大和滤波处理是提升信噪比的有效途径，并且设计的信号处理电路的必须具有良好的选频特性、高选择性、窄带通，这在很大程度上决定了微弱信号处理电路设计的成败。

　　3 信噪比改善方法研究

　　3.1 设置合适的光源驱动电路和调制频率

　　根据前面的分析，结合调制深度与调制频率的关系曲线图，选择 10Hz 以下的频率调制下，调制深度几乎是一条直线，没有变化，因此选择 10Hz~20Hz 的区间范围进行测试，测试不同频率下信号幅度的变化如表1 所示。

　　从测试结果看，当调制频率在 13Hz 时，信号值达到了最大值，而频率大于 13Hz 以后，信号的幅值减小明显，因此，根据频率在合理范围内尽可能大的需求，选择调制频率为 13Hz。

　　频率的输出在本设计中也是重要的一环，如果采用硬件产生，其一会增加成本，其二是更多的硬件会引入更多的误差源，因此本设计采用 CPLD，通过软件的方式，产生 13ZH 的调制信号，既准确又节约了成本，但是对开发的难度提出了更高的要求。

　　此外，光源驱动电路的设计也同样重要，一般情况下，随着时间的推移，光源存在老化现象，现有的设计很多采用恒流设计，但是在本设计方案中，为了确保设计的水平和门槛，同时更好的保证光源信号的一致性，设计采用恒功率设计。

　　3.2 恒温控制系统的设计

　　非分光红外传感器系统的温漂一直是系统测试误差的重要来源，温漂的因素复杂，包括电源电压的波动、器件的温漂、气室的温漂等，在当前的很多设计中，采用了自适应的温度校正函数，将各种温漂的影响因素各自的权重通过单一变量原则进行测量，标定权重，最后得到一个标准化的校正系数，该方法在测试权重系数时同样会存在误差，而且计算和数学建模困难，不能从根本上解决温漂问题;也有学者设计了恒温系统，但是恒温的精度不够，后者设计的恒温温度跟室温的差别不到，很容易收到环境温度的影响，因此，本方案在设计时，设计完成了一款高精度的恒温系统，该温度要高于环境温度，但又不影响元件器工作的合适恒温，经过反复的测试和验证，设置恒温温度为 48℃。控温精度要求保持±0.1℃，效果能达到的最佳状态，测试结果极大的消除因为温漂带来的温差。

　　在设计过程中，为了能提高控温的精度，设计采用增量式 PID 算法、阶梯式恒温控制，其控制方法的示意图如图 4 所示，控温系统的测试效果如图 5 所示，比较现有恒温系统的精度，提高了近 10 倍 。

　　3.3 光锥的设计

　　光锥是一种是聚光元件，可以增加光照度和减小探测器面积，有效减小由于气室漫反射带来的误差。

　　光锥的设计主要根据需要解决光锥的两端半径和确定光锥的长度和锥顶角问题，半径的选择要根据抛光管的内外径设置，本装置设计时选用的镀金气室抛光管的内径为 7cm，因此设计的光锥草图如图 6 所示。锥顶角根据 平行光入射临界光线经过一次反射正好到达的对边底端为标准进行设计。

　　3.4 后置放大与信号滤波电路设计

　　根据前年的分析，在设计时如果选择直接带有前置放大电路的探测器，那信号的处理将会存在固有误差，没办法进行处理，因此，设计时主要采用后置放大，在放大的同事要和滤波电路分二级设计，第一次放大倍数较小，第二级放大倍数较大，第一级信号放大电路放大倍数小的原因主要是为了降低对噪声的放大，第二级处理电路经过采用线性平均值与滤波电路对噪声进行滤波处理，为了达到更好的滤波效果，硬件滤波和软件滤波同时使用。

　　线性平均值滤波电路如图 7 所示，两级电路的选频特性要保持一致，此外，二级电路的品质因素的设计，要满足最佳平坦特性的要求，最大限度的降低噪声，在接入到 MCU 处理器时，也可以在信号的最后面加一级 π 型滤波，能起到更好的效果。

　　在此基础上，软件设计上采用平滑滤波，或者冒泡法，对信号进行处理，能更大程度的提升信噪比。

　　在电路的去噪处理上，PCB 板的制作同样至关重要，碳和硫传感器的信号处理，在 PCB 制作上，分成两个完全并行的处理模块，在信号的处理上，信号线的周围每隔一定的小距离就设置地线，分布在信号线的两侧，这同样会很大程度上屏蔽交叉干扰信号，提升信噪比。

　　3.5 红外池测试箱体的设计

　　整个红外池将放在一个测试箱体中，整个箱体内为了使得温度不存在差异性，在加热源的旁边设置了一个小型的风扇，该风扇的作用是为了加强箱体内的气体的流动，确保整个恒温箱体中的每一个点的温度都能达到高度的一致性。

　　在恒温箱体的四周以及上下盖板上，都设计采用了恒温海绵，其作用是防止室温与其交换，其二是为了保温，降低整个箱体的热容量。

　　经过以上的分析和改进，对整个系统进行了完整的优化设计，一系列的改进后，对改进之前的改进后的设备进行了对比实验，实验在同一实验室，由同一测试员进行测试所得。其测试结果如图 8 和图 9 所示。

　　由测试结果可以看出，输出信号的幅值得到了信号放大，波动范围在放大倍数为 5 倍的情况下，由原来的 130mV 降到了 40μV 左右。信噪比得到比较明显的改善。

　　4 实验测试

　　4.1 取样与校准

　　采用实验用天平称取 1.0g 的煤样，在鼓风干燥箱内 105℃的情况下干燥 1-1.5 小时，再通过天平测量质量，可获取煤样水分情况，然后放在坩埚总重备用。坩埚每次在使用前必须在燃烧管中干燥 5 分钟以上，并且最多重复使用 3 次，确保取样的精确性。

　　校准采用单标多点校准。用煤标准物质每周一次对定硫仪进行单标多点校准。

　　4.2 实验

　　1)启动燃烧管，待温度稳定到 1380℃1 小时后，开始实验;

　　2)实验过程中，依次采用单点校准，检测 1 个标准物质校准后，测量 2 个实验煤样，然后如此循环。这样测量有利于提高校准的精度，从而提升煤样的检测精度;

　　3)为了煤样中硫的充分释放，将 wo3 均匀覆盖在待测煤样表面;

　　4)正式测试前，要启动仪器清洗气路，待平衡后，将样品坩埚推入测试，测量时间确定为 3 分钟/次;随着燃烧过程的进行，红外吸收信号将会迅速增长，充分燃烧到达顶点后，吸收信号会逐渐回落;3 分钟后，吸收信号回到测试基线上;一次测试完成后，需要等待 8 分钟左右，再进行下一个煤样的测试，依此类推;

　　5)样品测试全部完成后，不能立即关机，而是待控制程序关闭，燃烧管冷制至少 1 小时后才可关机。

　　4.3 测试数据与分析

　　在测试过程中，分别采用了 2693b、 CaSO4 进行了设备校准，校准的具体测试数据如表 2 所示。

　　从表中的测试结果可以看出，采用 2693b 标准物质进行校准时的效果更好，因此，校准环节采用 2693b。

　　通过校准后，进入样品测试，测试完 2 个样品后，再进行一次校准，分别在多点校准和单点校准情况下，分别对 5 瓶样品进行了 3 次测试，测试数据如表 3 所示。

　　测量平均值为 0.382%，SD 为 0.006%， RSD 为 1.2%，瓶内 RSD 为 0.9%。

　　5 结束语

　　本文在分析了当前红外低硫传感器存在的精度不够，重复性低的问题的基础上，对探测系统可能存在的噪声源进行了具体的分析，并提出了改进方案，主要针对光源的驱动和调制电路、恒温控制系统的设计、微弱信号处理电路的设计和优化等，完成后对优化前后的系统信号通过标准物质进行了对比测试，红外池的信噪比改善明显，然后采用优化后的探测系统进行了红外低硫的具体测试实验，采用 2693b 进行校准，经过实验测试，该红外低硫传感器的检测精度提升了近 10 倍，检出限从原来的 100ppm 提升至 10ppm 左右，最后采用低硫探测仪测量了 5 瓶同种烟煤样品的硫含量，测量结果的平均值为 0.382%，SD 为 0.006%，RSD 为 1.2%，瓶内 RSD 为 0.9%。达到了低硫的高精密测试。