基于PID原理的气体传感器研究基于PID原理的气体传感器研究 摘 要 本文介绍的PID（Photo Ionization Detector）气体检测器具有携带方便，高精度，响应快，实时性，低功耗等优点，有广泛的应用前景。在分析光离子化原理的基础上设计了PID敏感单元以及气体检测器的整体。突破传统的光离子化检测器的制造方法，使得电离室的设计与加工大大简便，从而使检测器的体积和质量大大减小，同时解决了光离子化传感器价格昂贵、成本高的缺点。并针对传感器的输出对前置放大电路做出了改进。 关键词：光离子化原理，气体检测器，紫外光，电离室 1 绪论 1．1 研究的目的及意义泄漏是航天发射行业发生事故的主要原因之一。它可以引发火灾、爆炸、人员中毒和环境污染。世界各国曾发生过多起由于推进剂泄漏引起的事故[1]。其事故原因多为发射前或发射时燃料密封失效引起了爆炸或火灾。而现在对于潜在泄漏事故的防范、自动监控报警及处理控制技术的研究较少且存在许多缺点如：化学分析法易受各种因素干扰、稳定性差、寿命短、大浓度冲击往往引起传感器失效；仪器分析法专用试剂和专用仪器存在着操作繁琐、耗时长、价格昂贵等问题，仅适宜实验室使用，不适合作业现场的实时连续检测；检测管法存在着准确度低（误差在20%左右），只能作为定性、半定量分析。 为了有效地进行燃气生产中的质量监控和气体成分分析、环境保护中的空气污染检测和对民用燃气泄漏的检测及报警,国内外科研人员很早就致力于研究可燃气体的检测方法和控制方法,研制各式各样的气体检测和分析仪器,用于环境监测、生产过程中的监控及气体成分分析、气体泄漏报警等。 光离子气体传感器（Photo Ionization Detector，简称PID）是一种具有极高灵敏度，用途广泛的检测器，可以检测从极低浓度的10ppb到较高浓度的10000ppm(1%)的挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，简称VOC）和其它有毒气体。与传统检测方法相比，它具有便携式、体积小、精度高（ppm级）高分辨、响应快、可以连续测试、实时性、安全性高等重要优点，可以为工作人员提供实时的信息反馈，这种反馈可以使检测人员确认他们处于没有暴露于危险化学品之中的安全状态，确保工作人员的安全，对于潜在的泄漏事故的防范自动监控报警，事故区域确认方面也有广阔的应用前景[2]。 另一方面在任何情况下，气体或蒸汽都是从其源头扩散出来的，而在扩散之后，则会被周围空气稀释直到检测不到该物质的存在。这样一来，就可以建立一个浓度梯度，即当气体完全扩散后，其浓度由最高的源头一直稀释为零。只要用光离子化检测器检测到这种浓度的梯度，并且跟随浓度增加的方向就会发现泄露的源头，由于PID是直读式仪器，即PID能直接读出被侧气体在空气中的浓度以ppm单位来表示，因此，使用PID很快就能知道污染的范围有多大，对很多ppm级的有毒化合物具有很高的灵敏度和准确度。 1.2现状分析及发展趋势 1.2.1 光离子化技术简介及发展历史 光离子化技术就是利用光电离检测器来电离和检测特定的易挥发有机化合物。光电离检测器可探测那些气体电离势能在紫外光源辐射能量水平之下的气体，其高能紫外辐射可使空气中大多数有机物和部分无机物电离，但仍保持空气中的基本成分如N2、O2、CO2、H20不被电离（这些物质的电离电位大于11eV）[2]。 光离子化一个最显著的特点就是气体被检测后，离子重新复合成原来的气体和蒸气，也就是说它是不具破坏性的检测器。可以通俗地讲，PID就是一台没有色谱柱的便携式色谱[3]。由于可以检测极低浓度的挥发性有机化合物和其它有毒气体。因而对VOC检测具有极高灵敏度的PID就在应急事故的各类处理中有着无法比拟的优越性。随着科技的发展，它已经成为环境保护和实时检测污染等方面的强有力工具。 光离子化作为一种检测手段已有三十多年的发展历史[4]。早在1957年Robinson首先报导了这种仪器的研制。1961年Lovelock评论了色谱分析各种离子化技术，其中包括光离子化和火焰离子化检测器（FID）。1984年Devenport和Adlard对光离子化检测器作了评述。1974年前后．PID研制取得了突破性进展，人们找到了一种窗口材料，能够把紫外灯与光离子化池分开，成为两个互不干扰的独立空间。这就允许紫外灯在近真空的状态下放电，而保持电离室在一个大气压下工作，两者都工作在各自的最佳状态，而灯的紫外辐射几乎无损失地进入电离室。这样设计的PID在检测能力上提高了几个数量级．进入了实用阶段。 1976年，美国的HNU公司推出了首批PID商品仪器，一经出现，就引起了美国、加拿大、前苏联、日本等国色谱分析工作者的重视。稍晚一些时候，原加拿大的Photovac公司推出了超灵敏有毒气体分析仪，美国的Tracor公司和Thermo Environmental Instruments公司推出了PID，日本的纪本公司推出了光离子化有机溶剂测试仪。同时，Perkin-Elmer公司和美国橡树岭国家实验室等著名公司和实验室也先后开展自己特色的光离子化仪器的研究工作。1983年光离子化学被美国国家环保局（EPA）、美国职业安全与健康局（OSHA）和美国职业安全与健康研究所（NIOSHA）定为环境大气中有毒物质分析检测方法[5]。 1.2.2 国内外气体传感器研究现状随着技术的快速进步，美国的华瑞（RAE）、英思科（Indsci）、热电（Thermo）、梅思安（MSA）、OI、SRI、Photovac、HNU、PE等公司、英国的离子科学（Ion Science）公司均推出自己特色的PID系列产品。1993年RAE推出世界上第一台个人用便携式光离子化检测仪MicroRAE，2004年RAE推出世界上第一台结合TVOC、可燃性气体、氧气、硫化氢和一氧化碳传感器于一体的佩戴式密闭空间进入气体检测仪EntryRAE。此外，Ion Science公司还生产出最低浓度可达1ppb的高精度PID，其生产的FIRSTCHECK 6000EX是世界上第一台具有PPB级PID检测器的多组分气体检测仪，可以检测LEL、O2、CO、H2S等。2001年1月俄罗斯莫斯科探测分析仪器制造局的专家也研制出光电气体分析仪，能快速准确地测定气体成分及浓度。近年来，加拿大的约克（BW）公司和日本的一些株式会社也积极进军PID技术。 中国科学家在PID方面的进展也很迅速，中国科学院生态环境研究中心于1987年6月就开展了光离子化气体分析仪的研制工作，经过两年的努力，研制出了我国第一台光离子化气体分析仪——110型光离子化气体分析仪[6]和PID-200型光离子化有害气体检测仪[4]。复旦大学电光源研究所和复旦大学科学仪器厂也于1988年8月研制出便携式光电离有害气体检测仪[7]。北京东西分析仪器有限公司研制开发成功GC－4400型便携式光离子化气相色谱仪,成为国内第一家产业化生产便携式光离子化气相色谱仪的生产厂商。 国内外研究产品举例及分析如下：
图1.1 Rea的主要产品ToxiRea Plus 图1.2 PID-200智能表 表1.1 产品主要性能指标比较
综上所述，虽然目前国内PID气体传感器有了较大发展，但是针对潜在的泄漏事故的防范及处理控制技术则研究较少，存在体积大，功耗大，成本高等缺点，缺小一种微型化的、低功耗的气体传感检测设备来满足需要，而本课题研制的PID紫外传感器较好的克服了上述缺点，适用于自动监控报警，具有深刻的意义和广阔的应用前景。 1.2.3、气体传感器的发展趋势光离子气体化气体传感器具有体积小，高分辨，实时性等重要优点，对已知气体可以实现快速实时检测，在事故泄漏检测，工作人员防护方面有着广泛的应用前景。但是光离子化气体传感器对未知气体的分辨具有先天的不足，与离子迁移谱（IMS，Ion Mobility Spectrometry）技术联用可以弥补此项不足。离子迁移谱技术是在电场力的驱动下，离子通过周期性开启的离子门进入漂移区，在与逆流的中性漂移气体分子不断碰撞的过程中，由于这些离子在电场中各自迁移速率不同，使得不同的离子得到分离，先后到达检测电极，依据到达时间上的先后关系被分离检测。在IMS基础上研制的高场非对称波形离子迁移谱技术（FAIMS）已经进入了技术实用化和商业化阶段。 美国Sionex公司成立于2000年，主要致力于微型化FAIMS检测器件的研究与开发，在将FAIMS技术实用化和商业化方面，走在了前面。该公司采用新墨西哥州立大学Eiceman研究小组和Charles Stark Draper实验室的技术，开发出了微型化的FAIMS探测器，其产品核心是MicroDMxTM 传感器芯片平台，如图所示。
图1.3、Sionex公司的MicroDMx芯片 光离子技术可以为FAIMS系统提供离子源，且FAIMS系统可以分辨样品弥补光离子技术的不足。利用MEMS技术实现光离子化（PID）和离子迁移谱技术（FAIMS）的集成，不但可以分辨气体种类，更可以精密测试气体浓度，在有机气体检测方面有着光明的应用前景。 光离子技术可以用与便携式微量气体分析仪上，并且广泛的用做气相色谱仪（GC）检测器，还可用做高效液相色谱仪（HPLC）检测器和超临界液相色谱仪（SFC）检测器。 2 光离子化原理及系统的整体设计 2.1 光离子化原理 光离子化检测器使用具有特定电离能（如10.6eV）的真空紫外灯（UV）产生紫外光，当有机气体分子通过在电离室内对气体分子进行轰击，把气体中含有的有机物分子电离击碎成带正电的离子和带负电的电子，在极化极板的电场作用下，离子和电子向极板撞击，从而形成可被检测到微弱的离子电流。 通常认为PID 的响应机理是电离电位等于或小于光能量的化合物在气相中发出光电离。紫外灯光发出一定波长的光子流，经窗口射入电离室，载气分子（C）的电离电位高于光能量，它不被电离。当电离电位等于或小于光能量的组分（AB）进入电离室，即发生直接或间接光电离。归纳起来有如下几种： （1）直接电离 被测组分AB 吸收光子（
（2）间接电离 一种是组分分子吸收光子至激发态（AB*），然后发生电离。
如上所述，在电场作用下，电子e和正离子AB+分别向正、负极流动，形成微电流，产生信号。 光离子化电流计算的数学模型如下： 1、Freedman 提出检测器中实际测得的离子流（i）可以写成：
式中： 当PID结构固定后， 2、光离子化电流即单位时间内产生的离子对数目可以表示为：
式中：Ni光离子对数；σi光离子化吸收系数；σ0-其他因素引起的吸收系数；单位时间进入离子化池中的光子数目l光程长；N(t)单位体积内被测物质的分子数，即样品浓度。 在σtN（t）《1的情况下，式（4）可简化为：
式（5）表明，只有在样品池光程l足够短，样品浓度足够低的情况下，被测物质浓度才与光离子化电流成线性关系。同时光离子化电流与真空紫外光强度φ，即单位时间内进入样品池中光子的数目，成线性关系。 理论上，所有的化学物质都能被离子化，但是它们被电离所需要的能量是不同的。能够转移一个电子和电离一个化合物的能量叫电离能，用电子伏特 PID可测量的物质范围：（1）PID可以检测大多数有机化合物:混合物、碳类化合物。具体包括:有一个苯环的芳香族化合物包括苯，甲苯，乙苯，二甲苯、酮和带一个羟基的醛类化合物包括丙酮，甲基酮和乙醛、胺和碳氨及氮氨类化合物如二乙基胺、卤代烃类化合物如三氯乙烯，全氯乙烯、硫化物如硫醇类，磺化物、不饱和链烃如丁二烯，异丁烯、醇类如异丙醇，乙醇、饱和链烃如丁烷，辛烷（2）除了有机化合物，PID还能检测某些无机物，包括:氨气、半导体气体:胂，磷化氢、硫化氢、氧化氮、澳、碘（3）PID无法检测的物质:辐射、空气(氮气，氧气，二氧化碳，水蒸汽)、有毒气体(一氧化碳，氰化氢，二氧化硫)、天然气(甲烷，乙烷)、酸类气体(盐酸，氢氟酸，硝酸)其它氟化物，臭氧、难挥发物:多氯联苯，过氧化氢(PCBs)，油脂。 2.2系统组成及工作原理传感器的系统构成如图2.1所示，其主要部件包括敏感头单元（紫外灯，电离室，电极等），紫外灯驱动电路，信号检测电路，微控制器，显示电路，人机接口电路，声光报警电路等。
图2.1、系统整体硬件结构示意图 待测气体进入电离室，被紫外灯电离形成了离子，离子在极板电压的作用下，定向移动形成微弱电流。由前面的理论推导，在外界条件（电离室结构，紫外灯强度）固定的条件下，电流的大小与气体的浓度为线性关系。本系统采用微弱信号检测电路，实现浓度→微弱电流→电压的线性转换，电压经过差分放大后输入给单片机。由单片机控制信号的存储和显示，并将电压值转换为相应的浓度值输出。 3 光离子气体传感器的具体实施方案 3.1敏感头的设计 3.1.1基于光离子化原理的电离室的设计 光离子化气体传感器的发展过程也是其电离室的发展过程。电离室的设计不仅影响传感器体积的大小，同时关系到检测系统的效率，响应时间等一系列关键参数。一个合理的易于加工的电离室对传感器的性能有重要意义。目前的电离室结构基本分为两种：轴向流动动式和二维流动式。本系统选择二维流通式作为电离室的基本结构。 二维流通式如图3.1所示，样品气体垂直地通过一个薄片通道。光线沿Y轴射出，而被监气体从X轴方向通过。紫外线与气体流动方向成90度角。这种传感器有一个小的检测空间，对能量的要求较少。
图3.1 二维流通式示意图 二维流通式具有如下优点：1）快速的恢复:由于样品气体的流动路线垂自于灯的照射方向，灯室的顶部被0型环密封着，样品气体沿着灯表面流过。这样就防止了样品气体在灯表面的积累，PID快速恢复。快速的恢复意味着PID能快速的回零。这样快速的恢复就可以在多个样品之间达到快速的多次测样效果。同时也可以使泄漏蒸汽在小范围内被快速的探测到；2）降低湿度的影响:层流的泄漏气体在紫外线照射下通过灯顶部的传感器接收到最大化的信号，可以有效降低湿度的影响；3）方便维护:层流PID传感器使被测样品垂直于灯光的出射方向流动自接通过灯的镜头就可进行检测，不像其它PID样品直接与镜头接触。由于污染物几乎完全从灯的表面通过了，这样就减少了镜头上污垢和溶解蒸汽的积累。并且考虑到易加工性和绝缘性（防止同电极短路），选择硬塑料作为加工电离室的基本材料。电离室的设计采用片状结构，这样设计优点是加工方便，易于组装，缺点是中间材料必须平整，否则会影响电离室的气密性。加工出的电离室分拆和组装照片如图3.2所示。
图3.2、电离室结构示意图 由于整机体积和紫外灯的照射距离有限（<1cm），故电离室的体积要尽可能的小。为方便加工将电离室设计为多个片状结构进行叠加，既保证气体可以充分混合，同时也为电极的制作、安放提供了便利。同时电离室的下方放置了抽气风扇，保证气体在电离室狭小的空间内快速流动，保证了传感器的灵敏性。 电离室的内部结构如图3.3所示，两个电极由层状结构隔开，既保证了两电极间的距离，同时又减小了电极2受到的紫外辐射，从而降低了信号的噪声。紫外灯点亮后，一方面在电极2产生微弱的电离电流，另一方面在外罩产生光电流，光电流由检测电路监测，输入控制器与原始值进行比较，可以实时监控紫外灯的强弱，保证信号的线性度。
图3.3、电离室内部结构 电极材料应满足如下要求： 1、由于离子化池在紫外光辐射下工作，载气为纯净的空气，气片采用聚四氟乙烯，在紫外灯照射下会形成臭氧层，因此电极具有良好的抗氧化性和化学稳定性。 2、电极材料在紫外辐射下，应具有高逸出功和低的光电效率。因此选用铂、金、不锈钢、铍等。 3、在机械结构上保证电极避开紫外光源的直接辐射。本系统选用不锈钢钢皮作为电极材料。 3.1.2 紫外灯的选择1、本论文选择10.6eV的紫外灯作为PID光源。 紫外灯的电离电位是影响传感器信号的关键参数。紫外灯的波长需小于120nm，才具有足够的电离能将气体分子电离，一般的紫外灯根本无法满足。市面上专门针对PID气体传感器设计的紫外灯按紫外光的波长（能量）分为三种：9.8eV，10.6eV和11.7eV。其中11.7eV的UV灯由于所发出的光的电离能（IP）最高，故PlD检测范围最宽。但是所有11.7eV的紫外灯都是用氟化锂材料作为高能紫外线输出窗口。氟化锂晶体材料在灯管玻璃上的封装是相当困难的。当它不使用时在空气中氟化锂晶体材料会吸收水分，导致窗口涨大，削弱了通过它的紫外线的强度。氟化锂晶体材料也会因为UV的照射而逐渐老化，导致整个仪器损坏。这些因素共同作用导致了11.7eV灯寿命的变短。一个10.6eV的紫外灯可持续使用24-36个月，而一个11.7eV的灯只能持续使用2-6个月。同时11.7eV的紫外灯的造价远远高于9.8eV和10.6eV，进一步降低了其适用性。 11.7eV的紫外灯一般只有当化合物（二氯甲烷，氯仿，四氯化碳）的电离电位超过10.6eV时才使用。同时，9.8和10.6eV具有很多11.7eV的紫外灯不具有的优点： 9.8和10.6eV的PID有更强的针对特性:低电离能意味着能检测到较少的化学物质。 9.8和10.6eV的PID持续使用不少于一年:它的使用寿命和成本与一氧化碳传感器相当。 9.8和10.6eV的PID更加灵敏:11.7eV的灯灵敏度较低:主要是山于它的窗口材料氟化锂晶体对11.7eV的紫外光有阻碍作用。出射光能量的降低使得被测物质难以充分电离，因此，要求11.7eV的PID高精度地检准确的数据是很难实现的。 本系统选择的10.6eV灯电离能高于绝大部分有机分子的结合能，且价格较低寿命较长。按照紫外灯的发光原理可以分为电极放电灯，射频激发灯和无极灯。本系统选择的RAE公司生产的无极灯相比较具有较高的寿命和激发效率，同时功耗也较低，极好地满足了系统对体积和功耗的要求。 2、紫外灯的激发方式 紫外灯的激发形式如图3.4所示，紫外灯的外围由两个对称的铜片包围，面积约1cm*2cm,在两个铜片间通上高频高压电（频率100kHz，峰峰值大于800V，电压极值大于1500V），激发紫外灯发光。由于铜片间加有高压电，若遇到易燃气体容易点燃产生明火。因此为防止爆炸铜片需用黄金纸包着。
图3.4、紫外灯的激发原理 3、紫外灯的驱动电路 由上面关于紫外灯论述可知，本论文选择射频激发灯，需要设计一个射频电路驱动紫外灯，而出于便携的考虑，整个气体传感器是低压直流供电，所以需设计电路将低压直流电转换为高压交流电（频率100KHz，有效值1000V左右）。 由式2.5 综上所述，紫外灯的驱动电路要完成将低压直流电升压至高压交流电，驱动紫外灯。 基于上述要求，本系统采用的基本原理电路图如图3.5所示。
图3.5、紫外灯驱动电路原理图 其中T1，T2为变压器，匝数比分别为1：150和1：1；lamp表示紫外灯，中央控制单元等效为信号源。由信号源发出频率为100KHz，占空比为0.5，幅值为5V的方波，使晶体管Q3循环导通，同时电感L1循环充放电，加入电容C后，使Q1和Q2可以循环导通，达到对电压的调制。调整信号源发出信号的频率和占空比，可以将输出电压由点灯需要的正弦电流，变为可以维持和自由调整紫外灯亮度的脉冲波。脉冲波与正弦波相比频率下降，而幅值略有下降。不但实现了紫外光强度的可控性，同时有效降低了功耗。 电感L1或VCC中的电流由晶体管Q1或Q2导通决定选择流入T2原线圈中的两个子线圈。两个子线圈中的电流方向是相反的，匝数比为1：150，同时在副线圈和反馈线圈产生相反的电压。反馈线圈连接晶体管Q1和Q2基极，决定Q1和Q2的导通。Q1的基极同时通过电阻R1连接Vcc，所以如果反馈线圈没有电流，Q1导通。 当Q1导通，从W1A中通过的电流在反馈线圈中产生反馈电流使Q1闭合，并且使Q2导通。当Q2导通，电流通过W1B经过反馈线圈后，电流反向使Q2闭合，并且使Q1导通。因此Q1和Q2交替导通相位相差1800，使两个子线圈中的电流改变，从而在T2副线圈产生交流电激发紫外灯。Q1和Q2基极之间的电容C1决定Q1和Q2导通（闭合）的频率，进一步控制振荡频率。 信号源产生一列方波，接到Q3的基极上，可以控制Q3的通断。当Q3导通时，电流由Vcc流入T2原线圈的两个子线圈和电感L1。当Q3闭合时，电感L1中存储的能量保持高压交流电，当L1中的能量耗尽或者晶体管Q3会再次导通。当L1的能量消耗时交流电压幅值就会降低。方波的占空比可以改变电感L1中存储的能量，从而控制紫外灯的能量。占空比越大能量越大。通过调整信号源发出方波的占空比，可以控制紫外灯的强度。 3.1.3 风扇及其驱动电路的设计PID气体传感器采用干燥的空气作为载气，为了保证传感器的敏感度，设计了将空气吸入的风扇。由于受到体积的限制，风扇的直径为10mm，Solidworks设计图3.6所示。
图3.6风扇设计图 传统的加工方法无法取得好的效果。本课题采用了快速成型加工技术。快速成型(RaPID Prototyping，简称IMP)技术是20世纪八十年代后期发展起来的一项高新技术，目前已广泛应用于模具，航空航天，轻工产品等多个领域[8-11]。 首先利用CAD软件，在计算机中建立三维立体模型，然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，并用分层切片软件对其进行处理得到在不同高度上每一截面层的信息。把原来的三维电子模型(亦称电子模型)变成二维平面信息(截面信息)，烧结时先在工作台上铺上一层粉末，然后采用激光束在计算机控制下有选择地进行烧结，被烧结处粉末熔化并凝固在一起，一层烧结完成后再铺粉进行下一层扫描、烧结，并使新的一层和前一层烧结在一起，全部烧结完成后，去除未被烧结的多余粉末、便得到所需要的原型或零件[12-14]。 风扇电机的额定电压为2V，传感器的电源是5V供电，通过Lm317完成电压转换。Lm317可以提供电机所需的较大的电流，所用的电路为Lm317的标准接法如图3.7，，R11的值由式 忽略不计。
图3.7 风扇驱动电路图 3.2 PID的检测电路设计传感器的输出(可以是电压信号也可以是电流信号)随着被测量(比如温度、湿度、浓度等)变化的特性曲线，是传感器特性的最直接的体现，也是测量系统的依据。传感器的性能最终体现为其输出与气体浓度相关的线性信号。在完成前面敏感单元的设计后，已经可以将气体浓度信号转化为微弱的电信号。本节的主要内容是处理微弱检测信号，并利用单片机对实现对此信号的测量和控制。 气体分子在被抽入电离室后，被紫外灯电离形成了离子，离子在极板电压的作用下，定向移动形成微弱电流。由前面的理论推导，在外界条件（电离室结构，紫外灯强度）固定的条件下，电流的大小与气体的浓度为线性关系。根据不同信号的具体特征，选用了有效的微弱信号检测方法，并通过适当的措施，有效地抑制了噪声和干扰，从强背景噪声中提取有效信号。本系统采用微弱信号检测电路，如图3.8所示，实现浓度→微弱电流→电压的线性转换，电压经过差分放大后输入给单片机。由单片机进行信号滤波，从DAC口输出。 SHAPE \* MERGEFORMAT 图3.8 PID气体传感器检测系统设计框图 结合现有的大多数检测设备的情况，以及现有工业控制应用领域的需求情况，本文选用高集成度的混合性芯片C8051F040单片机作微处理单元，首先作为发出激发紫外灯的方波的信号源，并且进行信号的采集、计算处理、判断等，这些都使得检测系统的设计大大简化了，并使整个检测系统达到了微型化、微功耗等优点。 为了设计针对本传感器的信号检测电路，首先需确定敏感头输出信号的信号特征，在气体流是稳定的情况下，存在一定速率的气体分子通过电极板，在相对较长的响应时间内，电极板会产生稳定的支流微弱直流电流，其应同气体浓度成比例，是本传感器要检测的微弱信号。 通过下面的方法可以大致估算在一定气体浓度下，光离子电流的强度。 以1ppm的甲苯为例，在大气压强下，1毫升1ppm苯蒸汽中，含苯蒸汽分子数为：
采样泵抽速估计为0.3升/分，故单位时间内流经电离室的苯分子数为
设苯蒸汽分子的光电离截面为10-16平方厘米数量级，离子约为一次电离(带电荷1.6*10-19库仑)，已知真空紫外灯输出为1011光子／秒，则可求得离子流：
由于离子流比较微弱（大约为10-1nA级），采用低噪声前置放大器放大。放大电路如图3.9所示。I-V转化是通过温度性能较好的大电阻R6来实现的，若信号电流为0.1nA,则经R6后转换成电压1mV，可进行后续的电路处理。电阻R6两端的旁路电容C2，可以起到滤波的作用。为减小后续电路对输入信号的影响，提高后续电路的输入阻抗，在电流转换成电压后，采用了以仪表放大器AD620为核心的差分电路，以抑制共模干扰。AD620具有很低的温漂系数，为0.6 在I-V转换电路后，为与后续信号处理单元-单片机相匹配，信号通过另外一个AD620进一步放大。3引脚为差分放大电路的输出，6引脚接单片机的IO口。本论文选择C8051F040单片机的12位模数转换器ADC的参考电压典型输出值为2.43V。R9决定放大倍数，可以根据实际实验值调节，使之与单片机的输入模式相匹配。 通过芯片MAX660将5V转为-5V，实现对AD620的供电，所有的电源和地之间都用104电容去耦，以实现较好的放大效果。
为了减小系统功耗和体积，设计时选用了Silicon Laboratories公司的高集成度的混合集成芯片C8051F040单片机，该款单片机具有内部集成A/D转换器、集成CAN2.0控制器等功能，它能够完成多路数据的采集、判断处理、以及数据的传输等功能，如此使整个系统由一个单片机就控制起来了，这样使整个仪器的体积和功耗达到了微型化，功耗也大大降低了[16-18]。 C8051F040系列器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有64个数字I/O引脚，片内集成了一个CAN2.0B控制器。 下面列出了一些主要特性： l 高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS） l 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内） l 真正12位、100ksps的ADC l 允许高电压差分放大器输入到12/10位ADC（60V峰-峰值），增益可编程 l 两个12位DAC，具有可编程数据更新方式 l 64KB可在系统编程的FLASH存储器 l 可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口 l 硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口 l 5个通用的16位定时器 l 具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列 l 片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器 片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。 每个MCU都可在工业温度范围（-45℃到+85℃）工作，工作电压为2.7～3.6V，端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压，C8051F040为100脚TQFP封装。
图3.10 C8051F040原理框图 系统中经过处理、放大提取以后，得到的与检测气体浓度有关的有用信号：参考通道信号、气体通道信号、温度信号等经过调理以后，信号幅度范围都在0～3.3V，满足单片机的输入信号范围，这几路信号接单片机的单端输入通道，进入12位AD转换器。各输入通道通过软件设计，进行开关配置，实现多路数据AD的采集通道切换功能。 本系统信号采用AIN0.0引脚单端输入方式进入A/D转换。具体过程如下： C8051F040的ADC0转换器动态选择模拟输入量进入A/D转换，转换精度12bit，并且在转换前，可以增益放大控制，以满足实际需要，还可以编程监控，当ADC0转换结果符合监控预设值并且相应中断开启时，将引发相应的中断。转换前需要对模拟通道选择器写适当的控制操作，通过写AMXOF控制器操作进行输入单端模式。 向ADC0CN的AD0BUSY位写1启动ADC转换，转换结束后复‘0’。AD0BUSY位的下降沿触发中断（当被允许时）并将中断标志AD0INT（ADC0CN.5）置‘1’。转换数据被保存在ADC数据字的MSB和LSB寄存器：ADC0H和ADC0L。转换数据在寄存器对ADC0H:ADC0L中的存储方式采取右对齐由ADC0CN寄存器中AD0LJST位的编程状态决定。当通过向AD0BUSY写‘1’启动数据转换时，应查询AD0INT位以确定转换何时结束（也可以使用ADC0中断）。一般情况查询步骤如下： = 1 \* GB3 ①．写‘0’到AD0INT； = 2 \* GB3 ②．向AD0BUSY写‘1’； = 3 \* GB3 ③．查询并等待AD0INT变‘1’； = 4 \* GB3 ④．处理ADC0数据 当CNVSTR0被用作转换启动源时，它必须在交叉开关中被使能，对应的引脚必须被配置为漏极开路、高阻方式。首先对ADC0进行了初始化设置，采样频率为单片机的最高转换速率100kHz，PGA增益为2倍，ADC0进入单端输入和连续跟踪模式，同时选择0通道。在送数开始后，查询标志位，当送数完成后，将转换后的值代入主程序。 3.3.2数字滤波及DA输出从理论上讲从AD芯片上采集的信号就是需要的量化信号，但是由于存在电路的相互干扰、电源噪声干扰和电磁干扰，在AD芯片的模拟输入信号上会叠加周期或非周期的干扰信号，并会被附加到量化值中给信号带来一定的恶化。考虑到数据采集的实时性和安全性，需要对采集的数据进行数据采集滤波，减小干扰对信号的影响[19]。 单片机数字滤波的常用方法有限幅滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法、中位值平均滤波法。一阶滞后滤波法、加权递推平均滤波法、消抖动滤波法。 本系统采用中位值平均滤波法[20]。这种方法相当于“中位值滤波法+算术平均滤波法”, 其实现方法为： （1）连续采样N个数据，去掉一个最大值和最小值； （2）然后计算N-2个数据的算术平均值。 这种方法融合了两种滤波法的优点，可消除由于偶然出现的脉冲干扰引起的采样值偏差。 信号经过数字滤波后，通过DA转换后输出。C8051F040有2个12位DAC模块，输出为电压型，输出范围约为0V～VREFD。若DAC禁止，则DAC输出引脚为高阻态，DAC模块处于低功耗节能态，耗电电流低至1 DAC输出更新有4种方式：直接更新；T2，T3和T4溢出；通过DAC0CN(DAC1CN)寄存器配置。在默认模式下，DAC0为直接更新模式，先对DAC0L写操作，再对DAC0H写操作。经过设置DAC采样与DAC输出有良好的一致性，如图3.11所示。
图3.11 AD采样信号和DA输出信号 3.4 C8051F040的外围电路C8051F040的外围电路包括复位电路、外部晶振电路、信号输入、信号输出、紫外灯驱动电路、电源系统。 本系统采用16MHZ的外部晶振驱动外部石英晶振，注意在对外部晶振驱动电路PCB布板时要使晶振和电容尽量靠近XTAL1和XTAL2且是布线尽量短以减少干扰；外部复位引脚/RST提供了使用外部电路强制单片机进入复位状态的手段，本系统提供了一个外部上拉和对/RST引脚的去耦电路以防止由于强噪声而引起复位。
图3.12 微处理单元的外围电路 4 测试结果及设计中出现的问题分析 4.1 测试结果 在封闭的气室内，用原型装置对异丁烯的浓度进行了初步标定。测试结果如图4.1所示，显示了较好的线性度。
图4.1 传感器对不同浓度乙醇的电压响应曲线 4.2问题分析由测试曲线可以看出传感器对不同浓度乙醇的电压响应显示了比较好的线性度，但是信号仍然出现了噪声干扰。 噪声来源于以下几个方面： 1、电磁场干扰 当放大电路周围存在杂散电磁场时，其输入电路或某些主要元件就会感应出干扰电压。对于一个放大倍数比较高的放大电路来说，只要第一级引进一点微弱的干扰，在放大电路的输出端就会有一个较大的干扰电压。 在本系统中电磁场干扰有两方面原因： （1）、由3.2.3以上所述的激发紫外灯需要1000V，100KHZ的高频高压电，此放大部分变压器1000 V磁场干扰严重，变压器没有加屏蔽。 （2）、DC-DC5-200V开关电源产生的电场对系统造成很大干扰。 2、前置运算放大器 在直接耦合的放大器中会产生零点漂移，零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。产生零漂的原因很多，任何元器件参数的变化（包括电源电压的波动），都会引起输出电压的漂移。在阻容耦合的放大电路中，各级的零漂电压被隔直元件阻隔，不会被逐级放大，因此影响不大。但在直接耦合的放大器中，各级的零漂电压被后级电路逐级放大，以至影响到整个电路的正常工作。为此，减小零点漂移的关键是改善放大器第一级的性能。 系统采用的前置放大器AD620引起的干扰主要有以下几方面： （1）前置放大部分分压10M电阻温漂严重，热噪声很大传感器信号输出不稳； （2）差分输入端电阻阻值也会发生漂移 （3）参考电压不稳； （4）AD620 的增益是通过改变编程电阻R7 来实现的, 为了使AD620 设计提供精确增益, 就应使用0. 1～ 1% 的低误差的电阻, 同时为了保持增益的高稳定性, 避免高的增益漂移, 应选择低温度系数25ppm的电阻。
图4.2 有噪声的输出 3、温度影响 温度的变化可以引起输出电压的漂移，这是因为元件的导电性对温度非常敏感，若温度有大幅度的变化，系统很容易产生温漂。 本系统引起温度变化的原因主要有 （1）、环境温度很难维持恒定。 （2）、本系统壳体为防爆壳体，密封性能好导致散热差，壳体内部温度随着工作室时间增加温度急剧升高。经测试得到壳体封闭零点3个小时内从1.83V-1.42。壳体打开零点3个小时内从1.83V-1.80V。由此看出温度对系统产生的严重干扰。 （3）、系统中DC-DC5-200V开关电源效率低散热严重，对系统的影响很大。 4、暗电流的影响 当没有气体进入电离室时，紫外灯也会把空气中的一小部分气体电离，从而在极板上产生微弱的电流。 极板为不锈钢片，金属的电离能一般低于6ev,因此紫外灯会将金属表面的部分自由电子电离，另外极板有效面积较大背景电流较大，高速气流对零点影响很大。 光离子化传感器灵敏度很高，与被测信号无关的外界噪声也会同时被检测到。 5、空气中的水汽、湿度 绝大部分电子产品都要求在干燥条件下作业和存放。因为绝大多数器件都会受到潮气的影响，而潮气会导致金属氧化、虚焊、封装开裂等产品故障，从而影响产品质量。为此必须做好防潮措施，人们常用的干燥方法主要有高温、低温、真空干燥、氮气柜干燥和采用吸潮剂除湿等。 本文将在下一章针对以上分析的各个干扰因素做出改进，改进方法大致可分为两大类：1、外部环境的干扰2、前置放大电路。
为防止空气中的水汽，本设计在敏感头的上方安装了防雨罩，并安装了微孔滤膜与进气管道相连，有效防止水蒸气和粉尘的渗入。在底板，连接件等有螺纹连接的部位，都在内部安装了不同宽度的橡胶垫，同时在一些螺纹紧固件之间，灌少量的硅胶，实现壳体的密封。 为减少温度对系统的影响，本系统将主要的散热源---开关电源屏蔽，并引进低功耗（0.3W）、散热量少的电源模块。这样也可以减少电场对系统的影响。同时采用温度系数小25ppm、低误差（0. 1～ 1%）的电阻。 为减小暗电流的影响可以缩减极板的接收面积或在程序中设置零输出时的参数。 5.1.2电源系统的改进为抑制电源干扰除了采取抗电磁干扰措施，对直流，交流变压器添加屏蔽罩，前置 放大部分电路添加屏蔽壳体外，本系统采用DC-DC、MAX768稳压系统。 BO505可以使前置放大电路的供电电压与系统中的其他电压相隔离，为减少噪声在BO505的输入和输出端接入滤波电容，增强输出的稳定性。 本系统采用MAX768低噪声双输出的电荷泵，具有很好的稳压作用，输出噪声波纹低于2mVp-p。
图5.1 MAX768的电路图 5.2前置放大电路改进抑制零点漂移的措施，除了精选元件、对元件进行老化处理、选用高稳定度电源以及用稳定静态工作点的方法外，在实际电路中常采用补偿和调制两种手段。补偿是指用另外一个元器件的漂移来抵消放大电路的漂移，如果参数配合得当，就能把漂移抑制在较低的限度之内。在分立元件组成的电路中常用二极管补偿方式来稳定静态工作点。在集成电路内部应用最广的单元电路就是基于参数补偿原理构成的差动式放大电路，调制是指将直流变化量转换为其它形式的变化量（如正弦波幅度的变化），并通过漂移很小的阻容耦合电路放大，再设法将放大了的信号还原为直流成份的变化。这种方式电路结构复杂、成本高、频率特性差。为抑制零点漂移本系统采用斩波稳零式高精度运算放大器ICL7650作为前置放大器。 5.2.1 ICL7650的介绍ICL7650是intersil公司利用动态校零技术和先进的CMOS工艺制成的斩波稳零式高精度运算放大器,具有输入偏置电流小、超低失调和超低漂移、高增益、高输入阻抗、共模抑制能力强、响应快的特点,性能极为优越稳定,因而在精密仪表及过程控制系统中作为前置放大器应用很广。ICL7650 除了具有普通运算放大器的特点和应用范围外, 还具有高增益、高共模抑制比、失调小和漂移低等特点,所以常常被用在热电偶、电阻应变电桥、电荷传感器等测量微弱信号的前置放大器中。 1 芯片结构 ICL7650采用14脚双列直插式和8脚金属壳两种封装形式,本文使用最常用的14脚双列直插式封装的引脚排列如图5.2所示。
图5.2 ICL7650 的引脚排列图 表5.1ICL7650的引脚功能图
2、工作原理 ICL7650 利用动态校零技术消除了CMOS器件固有的失调和漂移,从而摆脱了传统斩波稳零电路的束缚,克服了传统斩波稳零放大器的这些缺点。 内设有两个放大器：MAIN是主放大器(CMOS 运算放大器),NULL是调零放大器(CMOS高增益运算放大器)。电路通过电子开关的转换来进行两个阶段工作,第一是在内部时钟(OSC)的上半周期,电子开关A和B导通,A和C断开,电路处于误差检测和寄存阶段;第二是在内部时钟的下半周期,电子开关A和C导通,A和B断开,电路处于动态校零和放大阶段。 由于ICL7650 中的NULL 运算放大器的增益A0N一般设计在100dB 左右,因此,即使主运放MAIN的失调电压VOSN达到100mV,整个电路的失调电压也仅为1μV。由于以上两个阶段不断交替进行,电容CN和CM将各自所寄存的上一阶段结果送入运放MAIN、NULL的调零端,这使得图2所示电路几乎不存在失调和漂移,可见,ICL7650是一种高增益、高共模抑制比和具有双端输入功能的运算放大器。 5.2.1本系统基于ICL 7650 微电流放大器的改进电路
图5.3 ICL 7650的改进电路 R 1为ICL 7650 输入限流保护电阻, R 5与C9形成滤波电路用来滤去ICL 7650 的斩波尖峰噪声,截至频率为1/2πRC。电路的增益较高,为防止产生高频振荡,设计时在电阻R2上并接了电容C12,C12与R2、R4组成反馈补偿网络,降低带宽,防止R2,R3,R4以及C12相移产生自激振荡。因其容量较小,所以对信号放大倍数的影响也非常小。 微电流放大器的灵敏度与所接的反馈电阻有关，灵敏度越高则反馈电阻越大，因此采用了T型反馈电阻扩展法，可以用较小的阻值获得较高的灵敏度。本系统用小电阻R2,R3与R4组成T型网络以提高增益的稳定性和精度,减小噪声,R3*R4<<R2此时输出电压V0=-IS(1+ R3/R4 )R2。等效反馈电阻RF=(1+ R4/R3 )R2, 相当于反馈电阻扩展了(1+ R4/R3 )倍。因此系统接入的电阻R3为1K R4为1M R2为10M相当于接入了大于1G的电阻，数量级升高了103。 由于采用了单片机控制,故能实现自动校零、自换量程以及过流保护。为了抬高运算放大器输出信号的直流分量,可将箝位端接在运算放大器的反向输入端。 5.2.3电路工艺要测量微电流, 除了选择高性能运放以外, 电路工艺也是成败的关键。 1、运放不接平衡电阻 与普通运放放大电路不同, 图5.4中ICL7650运放同相端不接平衡电阻,直接接地。因为在高内阻电流源的微电流放大器中,接平衡电阻不仅很难使运放输入电阻平衡,反而增加电路的噪声。 2、降低运放的工作温度 一般地, 运放温度每升高10°C,偏置电流将增加1倍。为此,尽可能降低电源电压, 增大负载电阻(大于10 KΩ),以减小运放的工作电流,降低工作温度。 3、减小电路漏电流 选用漏电流远小于pA级的高绝缘电路板,如环氧玻璃板;输入信号采用绝缘好、不产生静电以及吸湿性小的聚四氟乙烯接线柱如图5.4;在电路板上用接地屏蔽环将运放的同相与反相输入端包围起来,使其等电位,保证它们之间漏电流为零。若没有屏蔽环,则存在从运放同相端通过电路板流到反相端的漏电流,假设同相端与反相端的绝缘电阻为1011Ω,通常认为该绝缘电阻已相当大了,但当输入电压为1V时,漏电流为10pA，是ICL7650偏置电流的7倍。电路安装好后,清除元件与电路残留杂质,并进行干燥防潮处理。
图5.4 悬置引出技术的安装焊接工艺 4、减小噪声,提高抗干扰能力 运放工作电源必须稳定、噪声低。电阻选用1% 精度低噪金膜电阻; 电容选用低噪的瓷介、云母或钽电容; 信号输入线采用尽量短的屏蔽电缆; 电路板一点接地; 整个微电流放大器采用金属屏蔽。 关于PCB板材选环氧玻璃布板外层涂环氧树脂漆，但一定要求制版商清洗无离子污染，在输入部位，版图上要“画圆圈”接地，防止漏泄电流，要用好的电缆作输入线，超过100兆欧才要“架空线”，用屏蔽的聚乙烯介质电缆足够。 5.3 低通滤波电路 由于系统不可避免的要引入干扰，所以I/V之后除了无源滤波，还添加了有源低通滤波MAX291。 MAX291是8阶开关电容滤波器、使用方便（基本上不需外接元件）、设计简单（频率响应函数是固定的，只需确定其拐角频率即截止频率)，在通讯、信号自理等领域得到了广泛的应用。在ADC的反混叠滤波、噪声分析、电源噪声抑制等领域得到了广泛的应用。 通过MAX291之后，由于不同频率的信号产生的时延不同，输出波形中就出现了尖峰(overshoot)和铃流(ringing)。在MAX291滤波器集成电路中，除了滤波器电路外还有一个独立的运算放大器（其反相输入端已在内部接地）。用这个运算放大器可以组成配合MAX291滤波器使用后的滤波、反混滤波等连续时间低通滤波器。 特点如下： ●通过调整时钟，截止频率的调整范围为：0.1Hz～25kHz ●既可用外部时钟也可用内部时钟作为截止频率的控制时钟。 ●时钟频率和截止频率的比率：10∶1 ●既可用单+5V电源供电也可用±5V双电源供电。 本系统采用MAX291作为低通滤波的电路图如下：
图5.4 MAX291的电路图 5.4传感检测系统的软件设计本设计采用Cygnal 集成开发环境(IDE)。 Cygnal 集成开发环境(IDE)是一套完整独立的软件程序它为设计者提供了用于开发和测试项目的所有工具。 1、程序的主要特点包括： 全功能窗口字体可配置的编辑器，调试器具有设置断点观察点单步等功能工具链接集成支持汇编器、编译器和链接器，可定制的工具菜单用于集成其它编译器或开发工具，CYGNAL配置向导可为指定的目标环境产生配置代码 2、具体开发步骤 创建和打开项目、工具链接集成、目标生成配置、编辑和生成项目、连接到硬件、下载文件、使用调试器、使用观察点、使用定制工具菜单 3、本设计所包含的模块分析 软件设计采用模块化设计, 便于阅读、调试和修改。软件由系统主程序、初始化参数设置模块、外部晶振模块、AD转换模块、读通道模块、端口引脚模块、SPI总线模块、DA转换和DA输出模块组成。 在AD转换模块中通过对寄存器的控制进行了如下参数的设置：PGA增益为2、控制时钟对系统时钟的分频数、设置AD0EN使ADC0正常工作、使用内部参考电压、采用单端输入模式、选择AIN0.0输入。 SHAPE \* MERGEFORMAT 图5.5软件流程图 本课题的任务是研究光离子化气体传感器的设计。本文开始介绍了光离子化原理，光离子气体气体传感器的特性和优点，并且对传感器的检测结构和系统设计思想做了阐述。在文章后面的章节中重点介绍了传感检测系统的设计，包括电离室设计、微弱信号的检测方法、信号处理方法等。文章最后还介绍了新的前置放大电路。新型的紫外灯激发方法是本课题的一个难点，根据传感器信号特征选取适当的微弱信号检测方法是解决本课题的一个关键之一。 本设计设计的自吸式电离室，有效减小了传感器体积，同时减小了传感器的响应时间。 通过采用集成多路A/D转换器、CAN控制器等低功耗、小体积的C8051F040单片机作微处理单元，通过软件实现多路数据采集以及数据的判断处理、数据的传输等，这些大大减小了系统的体积和功耗，是系统达到微型化等优点。软件的设计和调试在系统的整个设计过程中起着重要的作用。 本课题的研究只是光离子化气体传感器的初步阶段，要真正达到传感器的应用以及市场化，还有许多问题有待解决，如传感器的零输入漂移问题，敏感头的一致性问题等，传感器的信号检测方法还需要进一步钻研、开发，相信这些工作随着研究的进一步深入会一一得到解决。 光离子化传感器作为一种便捷、精确的测试仪器，在某些应用场合有独特的优势，随着研究的深入，在工程应用领域必然有广阔的市场前景。 附录A 原理图
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本论文是在薛晨阳副教授的精心指导下完成的。薛老师广博的学识、严谨的治学态度、缜密而又充满创造性的思维方式以及把握问题关键的科研方法使我终生受益，并将一直指引我将来的工作和学习。在此，谨向薛老师致以我最诚挚地谢意。 在整个毕业设计当中，范秋生学长给了我耐心的指导，让我学到了很多知识，不仅包括学术方面的也包括生活做人方面的，这些知识让我受益匪浅，并将指引着我将来的工作和学习。在此，谨向范秋生学长致以我最诚挚地谢意。 |
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）直接电离成正离子，放出电子。
（1）
（2）
（3）
光辐射强度；F法拉第常数；N阿伏加德罗常数；
组分的吸收横截面；
激发态分子的电离效率；L光吸收层厚度；［AB］被测物质浓度。
，L就随之固定，此时PID的摩尔响应R只与
