高穩定性紅外吸收式CO2傳感器

李秀茹， 齊　娜， 沈廣楠， 孫　權， 黃　剛， 錢　力

(1.中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國航天員科研訓練中心，北京 100049)

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高穩定性紅外吸收式CO2傳感器

李秀茹1， 齊娜1， 沈廣楠1， 孫權1， 黃剛2， 錢力2

(1.中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國航天員科研訓練中心，北京 100049)

摘要:提出了一種具有高穩定性的紅外吸收式CO2傳感器，針對長時間運行、無法定期校準的實際應用特點，著重從提高傳感器長期穩定性方面進行研究。該傳感器利用高精密機械加工和高精度溫度補償等技術提高紅外CO2傳感器穩定性，經過1 000 h的實驗，測試結果表明，傳感器在不需要開機自校準的情況下，輸出電壓穩定在±1.53 %FS。從而實現了傳感器精度高、可靠性高、長期穩定性好的特點。

關鍵詞:CO2傳感器； 穩定性； 溫度補償

0引言

CO2是大氣中有毒有害氣體中的重要成分之一[1],對其進行監測與治理是當今世界各國十分關注的重要研究課題，也是當前亟待解決的環境監測問題。基于紅外吸收原理氣體濃度分析儀自應誕生以來得到快速的發展，在氣體檢測領域的應用越來越廣泛[2]。經國內外CO2傳感器產品對比發現，產品中少有對于長期穩定性指標的考察，文獻[3]提出的《光譜吸收式氣體傳感器探測電路的設計和實現》中僅有10 h穩定性實驗的研究，但10 h的穩定性研究不足以滿足特定環境下CO2濃度值穩定性的考察。且國內外的文獻中CO2傳感器的測量精度均在2 %～3 %左右[4]，有進一步提高的空間。因此，研制和開發紅外吸收式CO2分析儀對提高CO2氣體檢測監控水平有著重要的現實意義[5]。

本文提出了一種高穩定性的紅外吸收式CO2傳感器。利用高精密機械加工和高精度溫度補償等技術提高紅外CO2傳感器的穩定性。通過1 000 h的測試研究表明，傳感器在保證高精度、高可靠性的條件下，實現了較高的長期穩定性。

1紅外吸收式CO2傳感器原理

紅外CO2傳感器工作的理論依據是朗伯—比爾定律[6]

I=I0e-g(λ)CL,

(1)

式中I0為入射光強，I為出射光強,C為單位面積分子數的線密度,L為紅外光透射的空間長度。g(λ)為吸收系數，與環境壓力、溫度、氣體種類、入射光的光譜波長等因素有關系。本系統采用單束雙波檢測原理，檢測信號和參比信號的輸出電壓分別為

UCO2=KCO2I0,

(2)

Uref=KrefI0,

(3)

式中KCO2,Kref分別為兩通道的系統參數，該參數與濾光片的透射率和探測器的靈敏度有關。

對于確定的系統，在同一時間兩個通道接收到的光強是相同的，可以得到以下關系式

(4)

式(4)經過變換，可得CO2氣體濃度為

(5)

對于確定的系統，參數KCO2，Kref與吸收系數g(λ1) 以及氣室長度L都是固定的，并且UCO2，Uref可以通過測量得到，所以,可以將式(5)作為CO2氣體濃度檢測的理論依據。

2傳感器探頭設計

傳感器探頭內部裝有紅外光源、氣室、探測器、補償傳感器以及外殼組成，通過轉接電纜與調理電路連接。傳感器探頭結構框圖見圖1。其中，光源和探測器采用壓套方式與氣室集成為一整體，并用膠密封以減小死區氣體的影響。外殼同時兼具安裝固定與散熱的作用[7]。

圖1　傳感器探頭結構框圖Fig 1　Structure block diagram of sensor probe

2.1紅外光源選型

紅外光源是傳感器的關鍵部件之一，其主要任務是產生紅外輻射。紅外光源應具有輻射強度高、壽命長、輻射功率穩定、力學性能好、可在小尺寸的面積上發光(近似點光源)，其峰值發光波長應控制在CO2氣體吸收峰4.26 μm附近。本設計采用ReflectIR-P1S光源，該光源的光譜范圍為2～5.25 μm，最大輸入功率1.7 W。

2.2探測器選型

紅外探測器是完成光/電轉換的關鍵部件之一，它除了應具有靈敏度高、響應時間快、體積小、重量輕等性能，還應有較高的力學性能。另外，本設計采用雙窗探測器，選用PerkinElmer公司生產的TPS2534雙通道熱電堆探測器。

此探測器采用TO—5封裝，全封閉鎳金屬外殼，內部充干燥N2。該探測器具有兩個獨立的紅外探測窗口，分別安裝有4.26，4.0 μm濾光片，用于接收CO2通道光強和參比通道光強。

此外，TPS2534內部集成了100 kΩ NTC熱敏電阻器，其熱容低，響應速度快，且與探測器一同集成到氣室中，能夠作為溫度補償傳感器對氣室內溫度進行實時測量，為溫度補償提供依據。

2.3氣室設計

氣室是存儲CO2氣體樣本的空間，并提供一個能夠讓光與CO2氣體相互作用的環境[8]。傳感器采用集成式(旁流式)氣室結構，如圖2所示。氣室為圓桶形，兩端密封，與光源、探測器集成在一起，僅提供一個進氣口和一個出氣口，所以，不易受力學環境干擾。氣體流向與紅外輻射的傳播方向一致，使入射光與氣體有充分的作用時間，增加吸收程度，提高傳感器靈敏度。要求氣室內壁的化學穩定性要高，不吸收紅外輻射，也不吸附氣體、塵埃和水，因此，選用黃銅材料加工氣室，加工時保證內壁粗糙度Ra不低于0.04，且進行鏡面加工，此外，氣室的中心軸線盡量與紅外輻射平行，以減小反射造成的能量損失。氣室內壁鍍金，提高其化學穩定性與反射率。

圖2　氣室結構示意圖Fig 2　Structure diagram of air chamber

3系統調理電路設計

調理電路由光源驅動模塊、信號前置放大與差分模塊、零點與靈敏度調節模塊，以及溫度補償模塊組成。光源驅動模塊為光源提供恒定的電流信號，使光源輸出穩定的光信號。信號前置放大與差分模塊將探測器輸出的微弱信號進行放大，再通過減法運算消除光源波動等因素帶來的干擾。零點與靈敏度調節模塊將輸出電壓值調節到指定范圍內。溫度補償電路是使傳感器在規定的溫度范圍內輸出穩定的電壓值。調理電路組成見圖3。

圖3　調理電路框圖Fig 3　Block diagram of conditioning circuit

3.1光源驅動電路設計

光源的工作狀態直接影響到傳感器的檢測精度與可靠性，光源的穩定性容易受到溫度、電流波動等因素的影響。溫度升高不僅使輸出的光功率下降、影響波長的穩定，而且如果產生的熱量不能及時散發掉的話會造成光源性能惡化，壽命減短。因此，本設計采用脈沖調制，可有效提高光源的發光效率，降低功耗，延長光源的使用壽命。此工作模式會減少探測器、放大器和其它元件的寄生熱，提高傳感器信噪比和穩定性。光源驅動電路如圖4。

圖4　光源脈沖驅動電路圖Fig 4　Circuit diagram of pulse driver of light source

3.2溫度補償電路設計

在實際檢測過程中，環境溫度、光源輻射溫度、待測氣體壓強等均會發生改變，這會對檢測結果造成一定的影響。因此，必須對傳感器進行補償才能解決1 000 h長期穩定性問題。常規的溫度補償只將熱敏電阻器RT以電橋的方式加入到電路中，并轉換成隨溫度變化的電壓值，進行零點的溫度補償。本系統設計的傳感器在此基礎上對靈敏度進行了溫度補償，即將熱敏電阻器RT以調節放大器放大倍數的方式跨接到放大器負輸入端和輸出端，如圖5所示。通過對環境溫度的補償處理消除了傳感器零點、靈敏度受環境變化帶來的影響。

圖5　溫度補償電路圖Fig 5　Circuit diagram of temperature compensation

4實驗標定與測試

在實驗的標準大氣壓下，分別向傳感器氣室中通入流量為(1.5±0.2)L/min的5種不同CO2濃度的氣體(包括高純N2和0.3 kPa CO2/N2氣體)，通過實驗測量不同濃度CO2氣體的輸出電壓值，得到對應數據。實驗結果如表1所示。

實驗結果表明：通入高純N2的濃度誤差為0.02 %，濃度為0.3 %的CO2/N2氣體濃度誤差為0.01 %，濃度為1.0 %的CO2/N2氣體濃度誤差為0.03 %，濃度為2.0 %的CO2/N2氣體濃度誤差為0.01 %，濃度為3.0 %的CO2/N2氣體濃度誤差為0.03 %。因此，CO2傳感器的精度可達1 %。

表1　標定與測試結果

將傳感器置于密封壓力罐中，先將壓力罐抽氣體，使罐內氣壓不大于20 kPa，再向罐內充入高純N2，直到罐內壓力達到(101.3±2.0)kPa為止，將傳感器供電，測量并記錄傳感器1 000 h(監測頻率為1次/24 h)的輸出信號。

長期穩定性實驗經過1 000 h測量，傳感器在高純N2環境下，得到如圖6所示的輸出電壓隨時間變化曲線。

圖6　輸出電壓隨時間變化圖Fig 6　Diagram of output voltage variation with time

傳感器在1 000 h內輸出最大值為3.828 V，最小值為3.782 V。以滿量程3 V計算，其變化率=(3.828 V-3.782 V)/3 V×100 %≈1.53 %。實驗表明：該傳感器具有長期穩定性好的特點。

5結論

本文采用紅外吸收式方式設計了適用于長期穩定工作環境的CO2傳感器。通過對CO2傳感器探頭光源和氣室結構的改進，提高了傳感器的精度和光學穩定性。在電路設計方面，通過光源調試，延長光源的使用壽命，并通過高精度溫度補償技術實現傳感器長期穩定的工作。實驗表明：該CO2傳感器測量精度可以達到1 %，能夠準確地測量CO2的濃度。1 000 h內輸出電壓穩定在±1.53 %，足以為長時間運行、無法定期校準的使用環境提供一個穩定可靠的測量系統。

參考文獻:

[1]白澤生.一種二氧化碳氣體檢測方法[J].傳感器與微系統,2007，26(7)：105-107.

[2]袁超.CO2氣體檢測研究進展[J].江西農業學報,2009,21(6)：133-136.

[3]萬小敏.光譜吸收式氣體傳感器探測電路的設計和實現[D].武漢：華中科技大學，2011.

[4]甘宏，潘丹，張洪春.便攜式非分光紅外吸收型二氧化碳傳感器[J].桂林電子科技大學學報，2007,27(1)：19-22.

[5]聞明，張策.便攜式二氧化碳監測儀的設計[J].傳感器與微系統,2011，30(7):95-99.

[6]張廣軍，武曉利.新型高性能紅外二氧化碳傳感器[J].紅外與激光工程,2002,31(6)：540-544.

[7]Ammann K，Witt J.Investigation on a partial pressure carbon dioxide sensor[C]∥Proceeding of the 4th European Symposium on Space Environment and Control System，1991:1093-1098.

[8]張廣軍，呂俊芳，周秀銀，等.新型紅外二氧化碳分析儀[J].儀器儀表學報，1997,18(2)：136-138.

Infrared absorption CO2sensor with high stability

LI Xiu-ru1, QI Na1, SHEN Guang-nan1, SUN Quan1, HUANG Gang2, QIAN Li2

(1.49th Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China;2.China Astronaut Research and Training Center,Beijing 100049,China)

Abstract:An infrared absorption CO2 sensor with high stability is proposed,aiming at practical application characteristics of unable to calibrate on a regular basis because of long-term running,this research focuses on improving long-term stability of sensors.The stability of infrared CO2 sensor is enhanced by applying high precise machine processing and temperature compensation technology with high precision.In situation without self-calibration for starting up of sensors,experimental results show that the output voltage reaches a stable lever at ±1.53 %FS after 1 000 h experiment.So that the sensors have the characteristics of high precision,high reliability and long term stability.

Key words:CO2 sensor; stability; temperature compensation

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0067—03

收稿日期：2015—12—31

中圖分類號:TP 212.1

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)03—0067—03

作者簡介:

李秀茹(1974-)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士，高級工程師,主要研究方向為檢測技術與自動化裝置。