雙通道紅外CO?氣體傳感器設(shè)計與實現(xiàn)方案

20世紀60年代，以半導(dǎo)體類、光學(xué)類、電化學(xué)類為基礎(chǔ)的氣體傳感器逐漸走入人們的視線，傳統(tǒng)的二氧化碳（CO?）傳感器是基于電化學(xué)原理制成的，壽命較短，并且易受可燃氣體的限制，無法適用于某些特殊場景。紅外氣體傳感器基于其在靈敏度、響應(yīng)時間、可靠性和成本等方面的優(yōu)勢而備受關(guān)注，在國內(nèi)外市場都存在巨大需求。因此，進一步研發(fā)紅外氣體傳感器新技術(shù)、開發(fā)新工藝是未來的重要研究方向。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，基于非色散紅外（NDIR）差分檢測技術(shù)，中北大學(xué)的研究人員設(shè)計了一種雙通道紅外CO?氣體傳感器檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對CO?氣體濃度的實時監(jiān)測。該傳感器可以實現(xiàn)在不同溫度下對0 ~ 5%濃度內(nèi)的CO?進行檢測，且測量誤差小于0.2%，具有精度高、穩(wěn)定性好的特點，可用于火災(zāi)報警、人體健康監(jiān)測等領(lǐng)域的需求。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《艦船電子工程》期刊。

這項研究所提出的雙通道紅外CO?氣體傳感器檢測系統(tǒng)主要包括氣室設(shè)計、硬件電路設(shè)計以及軟件系統(tǒng)設(shè)計。在氣室方面，采用了單光路雙波長的直射型氣室結(jié)構(gòu)，不僅增加了光程，還有效地減少了光路損耗，提高了整個系統(tǒng)的抗干擾能力。在硬件部分，以模塊化的方式進行設(shè)計，包括單片機控制模塊、紅外光源驅(qū)動模塊、電源模塊和信號調(diào)理模塊，提高了整個系統(tǒng)的信噪比。整個系統(tǒng)以STM32單片機為控制核心，對熱釋電探測器輸出信號進行放大、濾波處理，再通過A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對輸出信號峰峰值的采集，最終達到對CO?氣體濃度的實時監(jiān)測。

氣室與光路仿真

光學(xué)氣室的結(jié)構(gòu)不僅影響檢測系統(tǒng)的精度而且對傳感器的尺寸大小也有影響。根據(jù)郎伯-比爾定律可知，CO?的吸光度與氣室的有效光程成正比，氣室內(nèi)紅外光吸收的有效光程越長，CO?吸收的紅外輻射就越充分，而在實際過程中，若氣室的有效光程太長，則損耗越大，影響測量結(jié)果的準確性，因此，設(shè)計的氣室結(jié)構(gòu)光程不宜過長。這項研究提出一種直射型氣室結(jié)構(gòu)，直徑為10 mm，高度為20 mm，具有體積小、光程適中的特點，相比于折射型與反射型氣室，光損耗更低。

圖1 直射型光學(xué)氣室結(jié)構(gòu)

在光路仿真中，利用Solidworks軟件構(gòu)建了一個直射型氣室的三維模型，并將該模型導(dǎo)入Tracepro中，分別設(shè)置光源發(fā)射波長為4.26 μm和3.95 μm，氣室的內(nèi)表面反射率為95%，以及熱釋電探測器可以吸收0 ~ 38.9°范圍的紅外光，探測器測試通道和參考通道的光通量分別為0.183 W和0.185 W，相差不大，具有良好的一致性，適合應(yīng)用到非色散紅外CO?探測器中。

圖2 信號通道和參考通道光學(xué)仿真

硬件電路與軟件設(shè)計

為了降低耦合性，硬件系統(tǒng)以模塊化方式進行設(shè)計，其工作原理為：單片機通過控制定時器，輸出PWM波，用于光源驅(qū)動，紅外光源在驅(qū)動下發(fā)出4.26 μm測量波長和3.95 μm參考波長的紅外光，經(jīng)過裝有待測氣體的氣室后照射到探測器上，進行光電轉(zhuǎn)換，感應(yīng)出一定的電壓信號，將產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)過放大濾波后送入ADC中進行數(shù)據(jù)采集，單片機通過對兩通道的電壓值進行分析處理后計算出CO?濃度，最終，通過串口連接上位機直觀地輸出濃度信息。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

整個測量系統(tǒng)的精度與軟件程序是密不可分的。軟件設(shè)計部分主要由對系統(tǒng)進行初始化，單片機輸出PWM波，ADC實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集，單片機進行數(shù)據(jù)處理以及串口輸出CO?濃度信息組成。

圖4 軟件設(shè)計程序流程圖

傳感器系統(tǒng)測試

為了確保測量的準確性，采用標準CO?氣體標定法測量不同溫度下熱釋電探測器兩通道電壓比值。為了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，研究人員將傳感器放在室溫下，并通入1.5%的CO?標準氣體，每隔1分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，持續(xù)工作6小時，觀察傳感器輸出信號的電壓峰峰值，結(jié)果表明，該傳感器可以實現(xiàn)在不同溫度下對0 ~ 5%濃度內(nèi)的CO?氣體進行檢測，具有良好的穩(wěn)定性和準確性。

圖5 不同溫度下，CO?濃度與峰峰值差比值關(guān)系

圖6 穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)圖

綜上所述，這項研究采用NDIR檢測技術(shù)，設(shè)計了一款體積小、精度高、穩(wěn)定性好的雙通道紅外CO?氣體傳感器檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對CO?氣體濃度的實時監(jiān)測。在氣室方面，利用單光路雙波長差分檢測技術(shù)，提出了一種直射型氣室結(jié)構(gòu)。在硬件電路方面，實現(xiàn)了對輸出信號的放大濾波，提高了整個系統(tǒng)的信噪比。通過采用標定法對傳感器進行測試，驗證了該傳感器可以實現(xiàn)在不同溫度下對0 ~ 5%濃度內(nèi)的CO?進行檢測，可滿足消防、礦井監(jiān)測、人體健康監(jiān)測等領(lǐng)域的需求。

審核編輯：劉清