新型扁錐腔紅外CO2氣體傳感器系統研究*

黃亞磊,顧 芳*,李 敏,孫亞飛,何鵬翔,張加宏

(1.南京信息工程大學,物理與光電工程學院,南京 210044;2.南京信息工程大學,江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術協同創(chuàng)新中心,南京 210044;3.南京信息工程大學,江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室,南京 210044)

隨著工業(yè)生產規(guī)模的擴大,煤炭、石油等化學燃料大量燃燒,造成CO2濃度逐年增長,預計到2050年,其濃度將達到450×10-6～550×10-6之間[1]。而CO2濃度的逐年增長將對全球氣候、人類健康及植物生長等方面產生多種負面影響。因此,如何實時監(jiān)測CO2濃度已勢在必行。目前,常見的CO2氣體檢測技術有紅外光譜吸收式、電化學式、半導體式以及固體電解質式[2,3]。其中,紅外吸收型CO2傳感器因具有選擇性好、精度高、穩(wěn)定性好和測量范圍寬等優(yōu)點,在大氣污染檢測、工礦開采、精細化農業(yè)、公共場所空氣質量監(jiān)測及醫(yī)學診斷等領域得到了廣泛應用[4-6]。

紅外吸收型CO2傳感器從物理特征上分為分光型和非分光型兩大類,非分光型傳感器因結構簡單,使用日漸廣泛,已成為在線監(jiān)測CO2氣體濃度的主要方法。2013年,Jane Hodgkinson等人[7]設計了一種圓柱形管殼的非分散紅外CO2氣體傳感器,該傳感器的優(yōu)點是結構緊湊且成本較低,但測量精度有待提高。2015年,譚秋林等人[8]設計了一種三氣體(CO2、CO和CH4)紅外光學檢測系統,該傳感器能夠實現3種氣體濃度的高靈敏度檢測,為開發(fā)多組分氣體傳感器提供了可行的方法。2015年,T. A. Vincent等人[9]利用基于 MEMS的非分散紅外技術,設計了一種手持便攜式CO2呼吸分析儀,該儀器能夠測量人呼吸時的CO2濃度,從而分析人的健康狀況。2017年,王嘉寧等人[4]研制了一種用于溫室環(huán)境的紅外CO2濃度測量系統,該系統實現了溫室環(huán)境參數的采集和CO2濃度的智能調節(jié)。然而,到目前為止,CO2氣體傳感器的腔體設計主要依靠多次實驗結果來確定[8],經驗成分較高,缺乏有效的設計方法,造成精度不高、穩(wěn)定性差、靈敏度低及體積大等缺陷。本文將采用非分光型的單光束雙波長測量技術[10,11],提出一種新型的扁錐腔體,并從Zemax光學仿真和計算流體動力學CFD(Computational Fluid Dynamics)模擬仿真兩方面出發(fā),研究CO2氣體的吸收效率與氣室結構之間的內在關系,優(yōu)化傳感器結構參數,實現傳感器的小型化和高精度測量。

1 雙光路紅外CO2氣體傳感器光學系統的設計

紅外氣體傳感器是利用氣體分子(CO2,CH4,H2O,SO2和NO等)對紅外光具有特定吸收峰這一特性來實現的。CO2氣體分子對紅外光譜的吸收強度遵循朗伯—比爾(Lamber-Beer)定律[7]:

I=I0e-k(λ)Cl

(1)

式中:I0為紅外光源入射光強,I為有氣體吸收時出射光強,k(λ)為CO2氣體吸收系數,l為紅外光光程,C為CO2氣體的體積比濃度,單位為×10-6。

由上式可得CO2氣體濃度表達式為:

(2)

從上式可以看出,當光程l、吸收系數k(λ)確定,通過檢測出I0和I,即可得到氣室內CO2氣體的濃度C,且C與出射光強I之間呈現一一對應的單調關系。

CO2氣體對4.26 μm波段的紅外光強烈吸收,而對4 μm波段的光幾乎不吸收[12]。基于這一特性,本文提出一種空間雙光路結構的新型扁錐腔氣室。圖1 為CO2氣體傳感器探頭的基本結構示意圖,該探頭由紅外光源、腔體、進(出)氣孔、雙通道探測器組成。本文采用的紅外光源為直徑3 mm的白熾燈HSL5-115-S,其輻射波長從可見光到5 μm,包含了CO2氣體特征吸收峰,且輸出穩(wěn)定,在5 V電壓下工作時,壽命高達40 000 h,符合設計要求。由于HSL5-115-S外殼玻璃的作用,其截止波長在5 μm左右。探測器是紅外光譜吸收檢測氣體濃度的核心部件,本文采用了由德國PerkinElmer公司出產的TPS2534-G2G20-3197雙通道熱電堆探測器[13]。TPS2534有兩路光強感應窗口,分別裝有相應的窄帶濾光片,中心波長分別為4.26 μm和4 μm,用于分離出氣體探測通道和參考通道所需要波段的光強。

圖1 CO2氣體傳感器探頭結構示意圖

為直觀了解紅外光源在腔體內部的輻射情況,本文利用光學仿真軟件Zemax對扁錐腔紅外光傳播路徑和探測面光強分布進行了仿真與分析[8]。設置腔體內壁為鏡面反射,如圖2所示,紅外光在扁錐腔中經多次反射到達探測面,且探測面的光強呈軸對稱分布,對于空間雙光路結構,其雙通道探測器的兩路光強感應窗口處均能探測到較強光強,因此,扁錐腔適合雙通道探測器的安置。

圖2 氣室仿真結果

為提高實際測量過程中CO2氣體傳感器光能利用率,本文將采用CFD軟件ANSYS FLUENT模擬仿真不同腔長下,扁錐體CO2氣體傳感器紅外輻射效率,確定腔體最佳結構參數。具體步驟為:PROE建立模型、ICEM劃分網格、FLUENT參數設置、初始化并迭代計算、最后查看分析CFD計算結果[14,15]。考慮到一般情況下,室內空氣中的CO2氣體濃度較低,本文選取了0～2 000×10-6的CO2氣體作為模擬仿真測量對象,并設置扁錐腔體的錐角為5°,根據TPS2534尺寸設置探測面內徑為1 cm,腔體厚度為0.1 cm,ANSYS FLUENT模擬仿真過程的示意圖如圖3所示。

圖3 仿真過程示意圖

(3)

式中:P0為紅外光源的輻射功率,ΔP為CO2氣體吸收的紅外輻射功率。

圖4給出了不同CO2濃度下扁錐體腔長L與其紅外輻射吸收效率η之間的關系。

圖4 扁錐腔長L與η的關系圖

從圖4可知,對于扁錐腔體的氣體傳感器,在4 cm～20 cm的腔長范圍內,隨著腔長L的增加,CO2氣體的紅外輻射吸收效率η均呈現出先增大后減小的趨勢,峰位位于8 cm腔長附近。該研究結果表明當扁錐腔體的錐角和內壁反射率確定時,扁錐腔體存在一個最佳腔長,使得CO2氣體傳感器的紅外吸收效率達到峰值。因此,本文選用8 cm腔長的扁錐腔作為CO2氣體傳感器的光學氣室。

2 傳感系統硬件電路設計

圖5為紅外CO2氣體傳感器系統示意圖,包括紅外光源、扁錐型光學氣室、帶濾光片的雙通道紅外探測器以及硬件電路,其中硬件電路主要包括光源驅動電路、信號處理電路和通信電路,該硬件電路能夠實現對探測器輸出信號的高精度采集、實時處理、儲存、傳輸與顯示等功能。下面將對硬件電路的設計進行詳細描述。

圖5 紅外CO2氣體傳感器系統結構示意圖

圖7 信號處理電路

2.1 光源驅動電路

圖6為傳感器系統紅外光源HSL5-115-S的驅動電路。單片機通過DAC轉換提供頻率為0.5 Hz,占空比為50%的脈沖方波,經過LM358放大,用來控制低壓MOS場效應管2N7002的通斷。

圖6 光源驅動電路

從圖6中不難發(fā)現,當單片機DAC接口PA4為低電平時,MOS管2N7002截止,白熾燈光源熄滅,而當單片機DAC接口PA4為高電平時,MOS管2N7002導通,白熾燈光源處于工作狀態(tài)。該電路能夠實時調制紅外光信號,降低外界環(huán)境光照的影響,并達到延長紅外光源使用壽命的目的。

2.2 信號處理電路

圖7為傳感器信號處理電路,由圖7可知,該電路主要包括信號放大電路以及A/D轉換電路。本文選用的雙通道熱電堆探測器TPS2534共有4個引腳[16],分別為:測量通道(CO2)、參考通道(REF)、熱電阻檢測通道(TEM)和接地通道(GND)。從圖7可以看出,測量通道的信號與參考通道信號從ICL7650SCBA運放的正向輸入端輸入,為了使放大處理后的輸出電壓位于后續(xù)A/D轉換電路的參考電壓范圍內,因此,放大電路的放大倍數A設置為:

A=R12/R11+1=R15/R14+1

(4)

根據電路中所用電阻的大小,得到放大倍數A約為2 000。

TPS2534內置一個熱敏電阻,可以用它來測量探測器的內部溫度,由于熱敏電阻受外界溫度的影響時,其阻值會發(fā)生顯著的變化,在這種情況下,熱敏電阻兩端的電壓值將改變。考慮到分壓后得到的電壓值較小,采用通用型運放LM358將分壓后得到的電壓進行放大。

經過前面放大處理電路后的三路模擬輸出信號均為電壓信號,需要通過模數轉換器轉換為數字信號,才能夠輸入STM32F103ZET6單片機中再進行信號處理。本文中A/D轉換電路采用了ADI公司生產的AD7794芯片來完成,配合采用了5 V和3.3 V的電源電壓及4.096 V的外部差分基準電壓,其中通道AIN1,AIN2和AIN4三路偽差分輸入來完成信號放大電路輸出電壓V-CO2,V-DUIBI,Vt的轉換。

圖8 串口通信電路

2.3 通信電路

為了后續(xù)實驗測試中更方便地傳送單片機測量到的數據,還需要設計相應的通信電路,目前通信方式主要分為有線通信和無線通信。一方面,本文測量系統采用串口RS-232標準總線進行采集數據與PC機之間的有線通信[17],僅需要一條接收線、一條數據發(fā)送線及地線便可以建立通信。值得注意的是,由于PC機與單片機的邏輯表示不同,PC機串口是RS-232電平、采用正負電壓表示邏輯狀態(tài),而單片機串口是TTL電平、以高低電平表示邏輯狀態(tài),因此,兩者要想實現通信必須經過邏輯關系與電平關系的轉換。本系統選用美信(MAXIN)公司MAX232芯片作為電平轉換芯片,連接電路如圖8所示,接口連接器選用DB-9型接口。

另一方面,本文測量系統還采用了WeBee公司的B-0004藍牙模塊實現無線通信功能[18],其原理圖如圖9所示。從圖可以看出,藍牙芯片只需要RXD和TXD兩個引腳與單片機相連即可以工作,占用的單片機資源很少,使用起來很方便。

圖9 B-0004藍牙模塊應用電路

根據上述的電路設計,本文的硬件檢測系統包括3塊PCB電路板,分別為主控電路板、光源控制電路板和信號檢測電路板,主控板塊通過導線與其余兩個板塊實現通信,實物圖如圖10所示。

圖10 焊接完成的實物圖

3 標定與實驗分析

通過固定架,將焊接的電路板與8 cm扁錐腔體相連,組裝成實驗測試裝置,且保證實驗裝置的腔內氣體與外界氣體無交換。首先對CO2氣體傳感器的測試裝置進行標定。

3.1 標定實驗

標定實驗平臺如圖11所示,實驗裝置置于C180溫濕度實驗箱中,溫度控制為25 ℃,環(huán)境濕度設為50%,實驗箱右側接入裝置電源并通過串口線接入電腦來接收實驗數據;實驗箱左側接入通氣管,通氣管一端接扁錐腔氣室進氣孔,另一端接標氣瓶。標定過程中,采用了297×10-6、495×10-6、694×10-6、896×10-6、1 100×10-6、1 516×10-6和2 000×10-6的標準CO2氣體以及99.999%高純氮氣作為標氣,并對每種濃度的標氣重復測量了六次。實驗裝置輸出的是參考通道電壓信號的峰-峰值Vr和探測通道電壓信號的峰-峰值Ve,取兩電壓信號的比值為f,其表達式為:

f=Vr/Ve

(5)

圖11 標定實驗裝置圖

在不同濃度標氣的情況下,標準CO2氣體濃度與六次重復實驗的電壓比值fi(i為實驗次數)測試數據如表1所示。

表1 不同CO2氣體濃度時,6組重復實驗的電壓比值

由表1可以看出,當CO2氣體濃度一定時,六次實驗得到電壓比值的基本一致,因此,由六次重復實驗數據得到的電壓比值平均值,值得注意的是,電壓比值的平均值隨著CO2氣體濃度的增加而逐漸增大,具有明顯的單調關系,這主要是因為在探測通道,隨著CO2氣體濃度的增大,更多的紅外光能量被氣體吸收,從而導致傳感器探測通道接收光能量下降,光電轉換輸出的電壓Ve也隨之下降,而參考通道因無氣體吸收光能輸出的電壓Vr基本保持不變。

為了衡量制作的CO2氣體傳感器的特性是否滿足朗伯—比爾定律的關系,將6組標定實驗測量的電壓比值平均值與標準CO2濃度進行指數擬合,其函數關系如圖12(a)所示,指數擬合系數為 0.993,擬合公式為:

f=-0.038 3e-C/1 053.282+0.916 63

(6)

圖12 扁錐腔體CO2氣體傳感器裝置標定結果擬合曲線

從上述公式可以看出,基本上滿足朗伯—比爾定律的關系,存在的差異主要是多出了數值約為1的常數項,該常數與傳感器的本身有關,比如本文的光源是發(fā)散光源,不是平行光入射。理論上講,上述指數公式的反函數即為傳感器的標定公式,然而實際測量過程中CO2吸收系數受溫度和濕度影響,該標定公式誤差偏大,后續(xù)考慮環(huán)境溫度和濕度誤差補償時,利用指數或對數關系進行標定將限制傳感器的測量范圍,而采用多項式擬合效果要好些,操作也更為簡單。因此,將6組標定實驗測量的電壓比值平均值作為自變量,標準CO2濃度作為因變量,選用多項式函數擬合,其函數關系如圖12(b)所示,擬合系數為0.992,從而獲得CO2氣體濃度C的具體標定公式如下:

C=1.587 17×106f2-2.782 24×106f+1.219 32×106

(7)

3.2 測試實驗與分析

為驗證上述標定方程的正確性,本文采用了297×10-6、495×10-6、694×10-6、1 100×10-6的標準濃度CO2氣體在25 ℃環(huán)境中進行實驗測量,然后將參考通道與探測通道的電壓比值帶入式(7)進行驗證,其驗證結果如表2。從表中可以看出,由公式反演出的CO2濃度絕對誤差小于10×10-6,表明式(7)在25 ℃環(huán)境下適用于CO2氣體濃度的測量。

表2 標準氣體測量實驗結果

圖13 系統實驗測試結果

為了驗證前面標定式(7)的重復性,本文利用了297×10-6、694×10-6、1 100×10-6標準氣體在25 ℃溫度下每隔一分鐘測量一次,連續(xù)測量10 min,測得10個數據,繪成圖13(a)所示曲線。從圖中可以看出,濃度曲線有輕微的波動,但是波動幅度很小。為了驗證實驗系統的穩(wěn)定性,對濃度為495×10-6的CO2樣氣進行了長期多次測量,每隔3 min測1個數據點,待測得10個數據點后,間隔半小時,繼續(xù)測量,重復多次,結果如圖13(b)所示。從圖中可以看出,測量結果的絕對誤差在±50×10-6左右,達到了預期水平。

為了評價實驗結果的精度,計算了重復性實驗的相對標準偏差和平均相對誤差。在全量程范圍內和同一工作條件下,傳感器系統的重復性誤差指標以相對標準偏差RSD表示,其計算公式如下[19]:

(8)

式中:Ci表示每組氣體的第i次測量濃度值,C表示每組氣體測量濃度值的算數平均值,n表示每組氣體的測量次數。

平均相對誤差的計算公式如下:

(9)

式中:CP表示氣體標準濃度值。

根據式(8)、式(9)計算得到的3組氣體重復性實驗相對標準偏差和平均相對誤差的結果如表3所示。由表可知,3組實驗的重復性誤差在5.5%以內,平均相對誤差在5.2%以內,說明該傳感器的測量精度高,重復性好。

表3 重復性實驗誤差分析結果

傳感器穩(wěn)定度表示傳感器在一個較長的時間內保持其性能參數的能力,其穩(wěn)定度的計算公式如下[20]:

(10)

式中:CP為495×10-6;CM為顯示值中最大的漂移值,其值為541×10-6;Q為測量量程的上限值,其值為2 000×10-6,計算得到穩(wěn)定度K=2.3%,說明該傳感器的性能穩(wěn)定。

4 結論

本文采用單光束雙波長的差分吸收技術,設計并實現了一種小型化高性能的新型紅外CO2氣體傳感器。在光學系統中,選用了電調制白熾燈紅外光源、扁錐型光學氣室和雙通道熱電堆探測器,借助ANSYS FLUENT軟件優(yōu)化了腔體結構參數,提高了系統靈敏度。傳感器以單片機系統為控制核心,實現了光源驅動、信號的采集、數據處理以及串口通信等功能。并通過標定實驗擬合出CO2氣體濃度與輸出電壓比值關系曲線,在此基礎上,對傳感器的重復性和穩(wěn)定性等性能指標進行了測試和分析。實驗結果表明,在25 ℃環(huán)境中,傳感器系統能夠準確檢測出0～2 000×10-6量程范圍內的CO2氣體濃度,3組實驗平均相對誤差最大為5.2%,相對標準差最大為5.5%,穩(wěn)定度為2.3%,滿足預期效果。