红外碳硫传感器信噪比改善方法研究

红外碳硫传感器信噪比改善方法研究

宋云1任明亮2汤秀梅2

山东寿光巨能特钢有限公司山东省寿光市262700

【摘要】碳和硫是自然界分布很广的两种元素，是地质试样中的常规分析项目，地质样品中碳、硫分析通常采用传统的气体体积法、重量法、非水滴定法等。新型高频红外碳硫分析仪出现，无疑给地质勘查带来了便捷和满足，但在实际使用过程中仍存在一定的不足，本文主要对红外碳硫传感器信噪比改善方法进行了简要的分析。

【关键词】红外碳硫传感器；信噪比；改善方法

1红外碳硫传感器的影响因素

1.1标样选择

红外碳硫仪测定样品燃烧依托坩埚内发生感应电流，不一样的原料样品感应性能不一样，要添加的助熔剂也不同。为了让样品与标样添加的助熔剂相同，燃烧机理接近，测定矿石当中中的硫通常挑选较高可信度矿石标样，有条件的应挑选相同类型矿石标样。标样准确性直接关系到结果准确性。

1.2称样量的大小

对于含量硫高的样品，用碳硫仪测定中，称样量不应太大。首先因矿石自身的感应能力较差，虽添加助熔剂，称样量太大也易造成样品不完全燃烧；其次坩埚容量有限，称样量较大需添加更多助熔剂，坩埚太满容易出现飞溅，熔体较多出现的气体也不能有效释放，易出现拖尾情况。各类型仪器称样量有所不同，称样量需按照标样硫含量与样品当中硫的大致含量进行确定，让样品和标样的净含硫量。如果用硫含量2%的标样来校准，进行硫含量10%样品的测定，标样称取0.2g能充沛燃烧，则样品称取0.04g。若是硫含量极高样品，最好采用硫含量极低的SiO2粉作为稀释剂，混合均匀之后用稀释法进行测定。

1.3样品的充分燃烧

样品燃烧好坏，是样品当中硫是否彻底释放的根据。如果燃烧之后坩埚的外表光滑，那么表明样品燃烧彻底，硫已经释放彻底；如果焚烧之后坩埚的外表存在高低不平或者起泡，那么表明样品不彻底燃烧，样品当中的硫释放一定未彻底，这时硫测定结果会偏低。挑选适宜的燃烧办法，添加适宜与适量助熔剂，使样品充沛的燃烧释放所含硫，是获得结果准确性的关键。

1.4仪器的稳定性

仪器精密度愈来愈高，如碳硫测定仪相对标准偏差在0.5%以下。仪器的分析速度更快，只要仪器状态稳定，就能获得较好结果。

2红外碳硫传感器的信噪比改善方法

2.1镀金气室改进设计

镀金气室质量直接关系红外传感器信号输出的幅度，假设若镀金气室热噪声产生（在实际中不可能出现），信号的输出噪声不改变，信号的输出幅度降低致使信噪比降低，因此必须设计使用高精度内壁抛光管，对镀金技术与镀金纯度严格控制。

2.2光源调制改进设计

红外光源的调试优化可从下面几点入手：

1）提升红外光源的供电稳定性

现在红外传感器光源供电电路设计当中，光源调制通常选用恒压，低阻值MOS管通断控制的方法实现，坏处在于光源内部初始值出现改变时，输出功率也随之改变，从而使探测器输出信号幅度发生波动，在优化设计当中，能够考虑选用恒功率输出调制方法，设计超高精度恒功率输出电源电路，保证红外光源供电的稳定性。

2）提高调制频率

现在红外传感器通常选用较低调制频率（10Hz），提升调制频率有利于提升信噪比调度直流稳定性，由于10Hz接近一般运放器材的转角频率，不利于1／f噪声的抑制，当然提升调制频率中也应当思考光源输出光谱特性，调制频率太高会影响光源的输出功率。

3）机械调制

机械调制的光源供电电路设计成恒功率输出电源，通过电机带动切光片进行调制，机械调制优点能够大幅提升调制频率而不受光源约束，光源输出功率能够设计得更高，提高信号输出幅度，缺陷是对电机稳定功能要求交高，震动灵敏、热噪声大，若是选用大功率电源，

2.3信号调理电路的改进设计

现在红外传感器信号调理电路设计通常选用理想的二极管精密整流电路与24dB／oct巴特沃茨滤波器构成，存在以下问题：二极管漏电流会发生噪声信号；因为交流信号的频率较低，滤波器中心的频率设计得很低，大容性器材发生一定程度的直流损耗，该部分电路优化可以分为两步：

1）优化滤波器

24dB／oct巴特沃茨滤波器在频率域上有着最佳平坦特性，然而在信号频率很低的条件下，直流损耗也较大（大容性负载），可设计选用切比雪夫滤波器或Q＝1的RC有源滤波器加以改善，在运放选型时要思考输入阻抗问题，尽可能选择RET运放，尽可能降低直流损耗。

2）优化整流电路

因为光源调制到特侧信号输出有着相位差，所以在解调电路中，必须要考虑相位跟踪问题，在信号噪声不是很大的条件下，选用对比器做过零点检测即可，然而要注意零点去抖动问题你，获得相位信号之后，可选用差动同步检波或极性转换式同步检波电路，直流稳定性都很高。

2.4改进信号处理设计

信号处理包含A／D变换与信号收集处理，现在大多数红外传感器的设计当中，为了明确系统对于传感器噪声影响，通常会采用不做任何处理即上传，返回真实传感信号，这样设计能在结构设计或者系统整体设计当中有着一定优势，然而就信号的处理而言，可分两步优化：

1）增加数字滤波

对于现在传感系统构造及规划在信号输出当中的影响程度，通常传感器输出信号不进行任何滤波处理，在碳硫传感器的设计当中，可先在测定构造及规划对传感器信号的影响程度基础上，思考选用高速A／D做简单16次以下的均值滤波，能有用抑制白噪声对于有效信号影响，提升信号输出稳定性，这是提升信噪比最简单的路径。

2）A／D电路改进设计

在红外传感器的设计当中，思考成本问题，通常都选用高精度的4通道的A／D芯片，在提升采样频率后，有效位数随之降低，为此碳硫传感器的设计能够考虑选用单通道的高精度A／D芯片，从而有效的确保在提高采样频率的条件下，有效位不改变，选用CPLD完成串行接口读取A／D芯片，保证采样速率。

2.5恒温系统的优化设计

红外探测器自身即是热敏器材，红外传感器对环境的要求是较为严格的，尤其是在敏感度要求提升之后，恒温环境热噪声会直接对输出信号信噪比造成影响，对于气室较长传感器，气室的两端有着温度差，一直处于热交换的状态，在出现随机热噪声的同时，还会出现较大超低频热噪声，这在信号的调度环节是没有很多办法进行处理，尤其是红外碳硫仪这种实时系统，对信号呼应速度的要求快，为此也不能做太多的软件处理，因此必须抑制环境热噪声带来的影响，在现在的技术水平上，可做下面优化：

1）增加屏蔽

红外传感器的恒温箱通常选用挡板阻隔，环形热风循环，热风直接吹扫传感器，控温体系的采温点位于传感器侧热风口，或只在采温点添加了回环，控温精度达到0.1℃之内，然而热风温度肯定始终变化，因此可以在传感器添加海绵罩，打乱热风流向，同时防止热风直接定向吹扫传感器，有助于对热噪声抑制，若是考虑到电磁屏蔽，也可选用全封闭的金属屏蔽罩测试。

2）改善恒温环境均温性

在设计当中，根据不一样的需要，设计方案会有所差异，方案不能是一个十分清晰而一致的，很多工作需要在测试以及改造当中进行，但有一点，拉开加热片与传感器间的间隔，尽可能防止加热片对传感器直接辐射，一定能对传感器性能有所提升。

3结语

利用高频红外碳硫分析仪来测定样品中的碳与硫具有操作简便、速度快、稳定性高等优势，其分析误差均在允许范围之内，可以满足地质样品中的碳、硫分析质量的要求，但其信噪比必须要采取措施进行改善，才能够更好的进行样品中的碳与硫。

参考文献：

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