近几年煤矿瓦斯事故基本得到控制，但瓦斯灾害仍是煤矿安全生产的最主要威胁，在煤矿中的进行瓦斯气体浓度实时监测是避免瓦斯事故发生、保障煤矿安全生产的重要措施^[1-3]。根据煤安监函【2016】5号文的通知，突出、高瓦斯矿井的回风隅角建议采用无线激光、红外甲烷传感器，因此甲烷传感器的低功耗设计成为甲烷检测技术的研究热点。激光甲烷检测原理虽然具有检测精度高、气体选择性好、不受水汽干扰的优点^[4-6]，但是功耗较高，不宜无线化应用。红外气体检测技术具有检测精度高、量程大、选择性强、响应时间短等优点，因此得到了广泛的发展和应用^[7-8]。

国内外很多科研人员从事非色散红外气体检测和甲烷传感器的研究。参考文献[9]提出基于Goertzel算法的红外热释电气体测量方法，对AD获取的信号进行数字滤波处理，对降低传感器功耗没有研究。参考文献[10]研制了一种采用脉冲红外热光源、单探测器双通的结构的中红外差分式CO检测仪，参考文献[11]将重点放在基于比尔朗伯理论做针对性修正，研制出低检测下限、高探测性能的手持式红外甲烷气体检测仪，两种检测仪均采用红外热光源，因发射光谱包含水汽分子吸收带，测量结果存在受水汽干扰大的问题，同时红外光源平均工作电流达到60 mA，功耗高，不适于无线传感器开发应用。

文中利用非色散红外(Non-Dispersed Infrared，NDIR)光谱技术，采用一个窄带中红外发光二极管(Light Emitting Diode，LED)作为红外冷光源，采用两个将红外光吸收转换为电流信号的光电二极管（Photo-Diode，PD）分别作为测量PD和参考PD，设计新型的LED-PD光学气体测量结构，对LED脉冲串电流驱动调制技术、温度补偿算法进行研究，设计一种无需任何加热辅助设计及湿度补偿算法的具有超低功耗、抗水汽干扰、宽温度范围适应特性的红外甲烷传感器及检测系统，以满足煤矿低功耗无线化应用场景的需求。

红外光线吸收分析是基于分子中原子的振动。红外射线透过一个被分析物，与被分析物相遇的射线中特定的能量将被吸收，在吸收中变化的能量与被分析物的分子振动频率相对应，因此每种气体分子均有特定的吸收光谱，而光线入射前和入射后强度的吸收变化关系的物理过程被描述为Lambert-Beer定律，而入射后光强度与PD探测器的光电流、光敏信号处理电路输出电压信号成正比。LED光源发出红外光，测量PD和参考PD接收到光信号后输出信号与气体浓度的差分检测原理关系可表示为：

式中：Us和U_ref分别代表红外光线入射到测量PD和参考PD后两路光敏信号处理电路输出信号值，当LED光源发射光强、电子器件温漂等波动变化时，U_s和U_ref等比例变化，两者的商保持不变，从而消除了LED光源光强变化等因素对传感器带来的干扰，提高检测准确性和稳定性；L为采样气室光程；K_s和K_ref分别表示与被测气体和测量PD、参考PD光谱特性有关的吸收系数。则气体浓度C表示为：

由公式（2）可知，在光学器件和采样气室结构设计不变的前提下，光程L、吸收系数K_s、吸收系数K_ref数值保持不变，则（K_ref-K_s）L数值为常量，无需单独计算L、K_ref、K_s的数值。通过采样测量PD和参考PD两路光电信号经光敏信号处理后的输出信号值U_s和U_ref的大小，以公式（2）为基础，将U_s和U_ref比值作为计算输入变量带入计算函数即可计算得出被测甲烷气体的浓度。

甲烷检测系统采用锰酸锂电池供电，通过电压转换电路为微处理器、红外甲烷传感器和其他电路供电。红外甲烷传感器是检测系统的核心组件，微处理器作为系统运算控制核心芯片通过UART接口与红外甲烷传感器进行数据通信，进行参数设置和获取甲烷浓度数据，并通过显示电路显示甲烷浓度值，根据预设报警点进行声光报警逻辑控制，通过无线通讯模块将甲烷数据传输至上级设备。当检测仪电量不足时，5 V充电器通过充电控制电路为检测仪充电，甲烷检测系统框图如图1所示。

图  1  甲烷检测系统框图

Figure 1.  Block diagram of methane detection system

红外甲烷传感器由光路结构单元、电源电路、LED脉冲电流驱动电路、光敏信号处理电路、温度测量电路及微控制器组成，传感器框图如图2所示。LED光源、测量PD、参考PD及采样气室构成传感器光路结构单元。电源电路将外部供电转换为各电路部分的额定工作电压，LED光源在电流脉冲驱动电路的调制下发出红外光，经采样气室甲烷气体分子吸收后，PD探测器将入射红外光吸收，输出电流信号，经过光敏信号处理电路后转换为电压信号输入微控制器A/D转换引脚，微控制器根据计算函数公式得到甲烷浓度信息，通过UART接口与检测系统主板通信。同时计算温度测量电路的实时温度值，根据温度补偿算法修正甲烷浓度结果。

图  2  红外甲烷传感器系统原理框图

Figure 2.  Principle block diagram of infrared methane sensor system

近几年随着基于(镓铟砷锑)GaInAsSb固溶物异质结生长在定量技术上的突破，基于窄带隙III-V族半导体上的中红外光谱范围的高效LED和PD器件陆续出现。LED红外光源具有高速响应、长寿命的特性，研制基于LED冷光源的红外甲烷传感器为提升红外甲烷检测性能提供了一种新的技术途径。

甲烷气体分子的红外吸收光谱主要分布于3.2~3.4 μm中红外波段，另外在2.3 μm处有个较弱的小吸收峰，而水分子的红外吸收光谱主要分布于2.5~2.8 μm处，两者主吸收峰相隔0.5 μm，因此基于红外热光源、滤光片、探测器结构的红外甲烷传感器存在不宜克服的检测值受水汽影响的问题。为了解决这一问题，文中红外甲烷传感器的光源采用具有窄带光谱特性的峰值波长3.4 μm的型号为Lms34LED的LED冷光源作为红外甲烷气体测量光源，其最小光耦包含了甲烷3.3 μm主吸收峰。型号为Lms36PD的光电二极管用作测量PD器件，其截止波长为3.7 μm；增加过滤片的Lms36PD用作参考PD器件，其截止波长为3.1 μm。Lms34LED、Lms36PD、Lms36PD（filtered）与CH₄主吸收峰的光谱关系如图3所示。

图  3  Lms34LED、Lms36PD、Lms36PD（filtered）与CH₄主吸收峰的光谱关系图

Figure 3.  Spectra of main absorption peaks of Lms34LED, Lms36PD, Lms36PD（filtered）and CH₄

由图3光谱关系可知，LED光源的光谱与水汽2.5 μm~2.8 μm吸收光谱的几乎无交集，参考PD光谱与甲烷吸收光谱无交集，测量时输出信号U_ref数值不变。因此由Lms34LED、Lms36PD、Lms36PD（filtered）组成的红外甲烷传感器从红外检测原理上避免了水汽分子对甲烷气体检测结果的影响。

采样气室采用不锈钢加工成型，光学反射面采用精加工球面镜镀金及涂层工艺技术，具有超疏水、自清洁特性，同时有利于入射光线的反射。采样气室设计示意图如图4所示，图中1为LED光源，2为测量PD、参考PD一体化元件，3为气室球面镜。光路结构为LED光源发射的红外光射向采样气室顶部球面镜，反射到测量、参考光电二极管处被吸收，光路有效光程约为1.3 cm。

图  4  采样气室设计示意图

Figure 4.  Design diagram of sampling chamber

LED器件具有高速响应的特性，响应时间只有0.1 ns，因此LED光源可以运行连续、准连续、短脉冲三种不同模式。连续模式功耗高，驱动电流大于1 A、占空比小于10%的短脉冲模式（脉冲宽度小于1 ms）可以获得最大峰值功率，占空比50%的准连续模式可以获得最大平均功率。在准连续模式下，Lms34LED在驱动电流脉冲宽度1 ms、占空比50%条件下不同驱动电流的发射光谱如图5所示。

图  5  Lms34LED不同电流下的发射光谱图

Figure 5.  Emission spectra of Lms34LED under different current

由图5可知，LED驱动电流越大，发射光强越大。为实现传感器超低功耗，同时降低LED驱动电流对电源的瞬时冲击，在保证传感器检测灵敏度、分辨率、响应时间的前提下，对准连续模式进行改进，引入脉冲串电流驱动技术，脉冲串驱动逻辑如图6所示。

图  6  脉冲串电流驱动示意图

Figure 6.  Schematic diagram of packets of pulses current drive

图6中一个脉冲串持续10 ms，由5个脉冲频率f为0.5 kHz的连续脉冲波形组成，脉冲串重复频率为10 Hz。由脉冲串驱动逻辑定义LED光源的平均功耗P₀的计算公式为：

结合脉冲串电流驱动技术与LED驱动电路电流输出能力，确定LED电流驱动电路输出特性：Lms34LED驱动电流I_F为0.22 A，工作电压U_F为0.5 V，脉冲宽度τ为0.001 s，由脉冲频率和脉冲串重复频率推算，每秒内脉冲个数N为50。

将相关数值代入公式(3)，得到P₀=5.5 mW，即LED光源平均功耗为5.5 mW。综合考虑传感器内光电二极管、微控制器、光敏处理电路的平均功耗约4 mW，因此文中红外甲烷传感器平均功耗不足10 mW，远远低于传统基于红外热光源的甲烷传感器、激光甲烷传感器约100 mW的功耗，实现了红外甲烷传感器超低功耗设计，适合在无线、便携等对功耗要求高的场合应用。

Lms36PD、Lms36PD（filtered）在受到一定光照及一定反压条件下，产生与照度成线性关系的光电流，光敏信号处理电路如图7所示。

图  7  光敏信号处理电路图。（a）U_s；（b）U_ref

Figure 7.  Circuit diagram of photosensitive signal processing. (a)U_s；(b)U_ref

如图7所示，光电流经过光敏信号处理电路输出电压U_s和U_ref，然后进入微处理器A/D转换，计算出U_s和U_ref的电压值。在室温不变的实验环境下，微处理器以U_s和U_ref比值为变量与标准甲烷浓度进行线性拟合，得出甲烷浓度计算公式，编写甲烷浓度计算函数程序。传感器实时计算U_s和U_ref比值带入计算函数即可计算得出被测甲烷气体的浓度。

公式（2）给出的甲烷浓度的计算公式是在标准的实验环境下得出的，在实际应用中因为温度变化对LED光源发射强度及光电二极管的光谱特性都会产生一定的影响，对于LED光源来说，随着温度增大，几个温度相关因素包括通过深层的非辐射性重组，表面重组和载体异质结壁垒的过度损耗，造成发射强度反而减小。另外，随着温度的增加，峰值波长将向更长的波长移动。而光电接受器件Lms36PD的光电流随着温度的升高暗电流较小，光电流增大。另外光敏信号处理电路、电源等性能也受温度变化的影响，因此不宜通过各器件的温度影响理论公式推导出传感器的温度补偿公式及系数。

文中采用综合实验分析法进行传感器温度补偿算法研究，首先对红外甲烷传感器作为整体进行温度影响实验得到测试数据，然后进行线性拟合分析得到变化规律，再采用数学公式计算不同温度条件下的温度补偿系数进行温度补偿。首先，选取三台样机，在20 ℃的温度条件下采用2.02%VOL浓度的甲烷标准气体对红外甲烷传感器进行精度校准，然后使用经校准计量有效期内的高低温实验箱进行温度实验，在−20 ℃~50 ℃的温度范围内，每间隔10 ℃选取一个测量点，依次通入0.49%VOL、2.02%VOL、20.1%VOL的甲烷标准气，记录三台传感器测量值的平均值，记录数据如表1所示。

由表1可知，在−20 ℃~50 ℃的温度范围内，温度变化对传感器测量结果影响较大，测量值与真实值的偏差最大为13%，远远超过AQ6211-2008煤矿用非色散红外甲烷传感器行业标准中关于基本误差不超过真值的6%的规定，因此需进行温度补偿，引入温度补偿公式，表达式为：

式中：C为未经温度补偿的微处理器由信号电压计算出的甲烷浓度值，为温度补偿后的甲烷浓度值；C'为温度补偿后的甲烷实际浓度值；ε是温度T_s的函数。

为获得传感器实时温度值，在光学气室内设计有NTC热敏电阻，25 ℃时阻值为3 kΩ，经过微处理器A/D采样转换计算，得到准确的温度值。将表1内数据以20 ℃测量值为基准进行归一化数据处理，得到0.49%VOL、2.02%VOL、20.1%VOL三条标准气体温度补偿系数ε曲线。

对图8所示曲线进行线性拟合，得到拟合数学表达式如公式（5）所示：

根据公式（4）和公式（5）编写温度补偿算法程序，实现甲烷测量值的温度补偿修正，提高传感器在不同环境条件下的测量精度。

图  8  温度补偿系数曲线图

Figure 8.  Curve of Temperature compensation coefficient

为验证基于LED光源的红外甲烷传感器设计的可行性及温度补偿后甲烷检测效果，制作了红外甲烷传感器样件，按图1所示系统架构设计加工了具有前端防尘防水透气膜的甲烷检测系统，系统如图9所示，红外甲烷传感器的尺寸为Φ20 mm×16.8 mm。

图  9  红外甲烷传感器及检测系统实物图

Figure 9.  Physical diagram of infrared methane sensor and detection system

目前基于载体催化、热导、激光甲烷检测技术的敏感元件平均功耗至少100 mW，如图9所示红外甲烷传感器功耗降低了90%。检测系统中锰酸锂电池额定容量Q为8.5 Ah，采用低功耗无线Zigbee模块向上级设备传输数据。实际测试当锰酸锂电池电压为3.7 V时，系统平均电流I₁为0.010 A，则检测系统实际平均功耗为37 mW，则电池工作时间T_B的计算公式为

式中：$\delta $为电池放电系数，取值0.9，将数值代入公式（6）计算得T_B=31.8，高于矿用红外甲烷传感器工作稳定性时间30天的要求，而目前已取得安标资质的无线甲烷检测系统电池工作时间仅为7天，本系统具有显著的低功耗性能优势。

在25%RH~95%RH的湿度范围内对检测系统进行湿度影响实验，检测系统零点漂移最大值为0.02%VOL，验证了文中设计的红外甲烷传感器测量结果基本不受水汽干扰。

在-20~50 ℃的温度范围内对检测系统进行温度影响实验，实验数据表明温度补偿后最大误差不超过真值的3.0%，温度补偿算法效果显著。

对检测系统工作电压、工作电流、基本误差、响应时间、电池工作时间性能指标进行测试，得出检测系统基本性能参数，如表2所示。

由表2基本性能参数可知，以研制的超低功耗红外甲烷传感器作为敏感元件的红外甲烷检测系统性能指标均满足或优于AQ6211-2008煤矿用非色散红外甲烷传感器行业标准中相关参数的规定。

利用甲烷气体分子在3.2~3.4 μm处的主吸收峰，选用新型的基于窄带隙III-V族半导体技术的峰值波长3.4 μm的LED器件作为测量红外冷光源，截止波长3.6 μm的PD器件作为测量光电探测器，含有过滤片的截止波长3.1 μm的PD器件作为参考光电探测器，采用LED脉冲串电流驱动电路技术及光敏信号处理电路设计研制了一种基于NDIR技术的超低功耗甲烷传感器及检测系统。对传感器进行了温度、湿度及其他性能实验，给出了温度影响实验数据和温度补偿公式，并根据检测系统测试结果给出了基本性能指标参数。文中研制的红外甲烷检测系统具有功耗低、抗水汽干扰、检测稳定性好的优点，下一步将委托防爆检验部门按照“Exia I Ma”防爆等级进行系统认证，早日在煤矿、管廊等甲烷检测领域推广应用。