雙通道紅外CO2 氣體傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張雅楠 譚秋林 張 磊 于 可 劉瑞康

（1.中北大學(xué)省部共建動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）

（2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）

1 引言

二氧化碳（CO2）與我們的生活密不可分，不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)其濃度要求也不同，隨著工業(yè)化和人類對(duì)自然的破壞，空氣中CO2濃度在逐年增大，根據(jù)研究，CO2含量超過(guò)5%，會(huì)使人感到呼吸困難，甚至出現(xiàn)耳鳴等癥狀［1］。因此，對(duì)CO2的濃度監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。20 世紀(jì)60 年代，以半導(dǎo)體、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)CO2傳感器是基于電化學(xué)原理制成的，但其壽命較短，且易受可燃?xì)怏w的限制，無(wú)法適用于某些特殊場(chǎng)景。在紅外氣體傳感器方向，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外市場(chǎng)，都存在巨大需求，2020 年Mostafa Vafaei 研制了一種測(cè)量范圍為400ppm～2200ppm的無(wú)腔體CO2傳感器［2］，中北大學(xué)楊明亮于2015 年研制出一款用于測(cè)量CH4，CO2，CO 的三組分氣體傳感器［3］。因此，研發(fā)新技術(shù)，開發(fā)新工藝都是未來(lái)的研究方向。

本文采用NDIR檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款體積小，精度高，穩(wěn)定性好的CO2檢測(cè)系統(tǒng)，主要包括氣室設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制核心，對(duì)熱釋電探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理，再通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)峰峰值的采集，最終達(dá)到對(duì)CO2氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器可以實(shí)現(xiàn)在對(duì)0～5%濃度內(nèi)的CO2進(jìn)行檢測(cè)，且測(cè)量誤差小于0.2%，能夠滿足對(duì)人體健康監(jiān)測(cè)的要求。

2 非分光紅外檢測(cè)原理

由紅外光譜吸收原理可知，當(dāng)一束連續(xù)的紅外光進(jìn)入氣室時(shí)，且紅外光的特征頻率與氣體分子振動(dòng)頻率和躍遷能量一致時(shí)，氣體就會(huì)吸收對(duì)應(yīng)波段的紅外輻射［4～5］，紅外輻射的衰減量與氣體濃度的關(guān)系滿足朗伯-比爾定律［6～7］，如式（1）所示。

式中I代表經(jīng)過(guò)氣體吸收的光強(qiáng)，I0代表氣體未吸收的光強(qiáng)，C代表待測(cè)氣體濃度，K代表根據(jù)波長(zhǎng)的不同而改變的氣體吸收系數(shù)，L代表紅外吸收光程［8］。

由于實(shí)際測(cè)試存在一些干擾因素，如粉塵和水分等，可對(duì)式（1）修正為

式中，β和δ分別代表與波長(zhǎng)相關(guān)和與波長(zhǎng)沒(méi)關(guān)的干擾因素［9］。

本文選用單光路雙波長(zhǎng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，根據(jù)紅外光譜可知，CO2在4.26μm 處為特征波長(zhǎng)［10］，而3.95μm波長(zhǎng)不被任何氣體吸收，故在其測(cè)量通道和參考通道前分別放置4.26μm 和3.95μm 的濾光片，達(dá)到對(duì)CO2氣體吸收的效果［11］，紅外光通過(guò)兩通道后的輸出光強(qiáng)分別表示為

因所處環(huán)境相同且兩通道波長(zhǎng)相近，故C1=C，C2=0，L1=L，β1=β2，δ1=δ2，通過(guò)調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)使得I0(λ1)=I0(λ2)，將式（3）和式（4）相比可得：

因探測(cè)器輸出電壓與光強(qiáng)成正比，所以可以化簡(jiǎn)為

式中，U1，U2分別代表測(cè)試通道和參考通道輸出電壓，由式（6）可以看出，當(dāng)氣室結(jié)構(gòu)一定時(shí)，氣體濃度值與兩通道輸出信號(hào)之比有關(guān)，能夠有效地提高測(cè)量精度［12～13］。

3 氣室與光路仿真

光學(xué)氣室的結(jié)構(gòu)不僅影響檢測(cè)系統(tǒng)的精度而且對(duì)傳感器的尺寸大小也有影響。根據(jù)郎伯-比爾定律可知，CO2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(zhǎng)，CO2吸收的紅外輻射就越充分，而在實(shí)際過(guò)程中，若氣室的有效光程太長(zhǎng)，則損耗越大，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，設(shè)計(jì)的氣室結(jié)構(gòu)光程不宜過(guò)長(zhǎng)［14］。本文提出一種直射型氣室結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，其尺寸為直徑D=10mm，高度H=20mm，具有體積小、光程適中的特點(diǎn)，相比于折射型與反射型氣室，光損耗更低。

圖1 光學(xué)氣室結(jié)構(gòu)

在仿真中，利用Solidworks 軟件構(gòu)建了一個(gè)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(zhǎng)為4.26μm 和3.95μm，氣室的內(nèi)表面反射率為95%，以及熱釋電探測(cè)器可以吸收0～38.9°范圍的紅外光，氣室光通量輻照?qǐng)D如圖2 所示。由圖可知，探測(cè)器測(cè)試通道和參考通道的光通量分別為0.183W 和0.185W，相差不大，具有良好的一致性，適合應(yīng)用到非分光紅外CO2探測(cè)器中。

圖2 信號(hào)通道和參考通道光學(xué)仿真

4 硬件電路與軟件設(shè)計(jì)

4.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了降低耦合性，硬件系統(tǒng)以模塊化方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)框圖如圖3 所示。工作原理如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)控制定時(shí)器，輸出PWM波，用于光源驅(qū)動(dòng)，紅外光源在驅(qū)動(dòng)下發(fā)出4.26μm 測(cè)量波長(zhǎng)和3.95μm 參考波長(zhǎng)的紅外光，經(jīng)過(guò)裝有待測(cè)氣體的氣室后照射到探測(cè)器上，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，感應(yīng)出一定的電壓信號(hào)，將產(chǎn)生的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波后送入ADC 中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，單片機(jī)通過(guò)對(duì)兩通道的電壓值進(jìn)行分析處理后計(jì)算出CO2濃度，最終，通過(guò)串口連接上位機(jī)直觀地輸出濃度信息。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

4.2 系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)選擇的是意法半導(dǎo)體公司的STM32F 100C8T6B 芯片，是一個(gè)32 位64kB 閃存的微控單元，其最大工作頻率可以達(dá)到24MHz，具有豐富的外設(shè)，如12位ADC、16位定時(shí)器、以及各種接口，無(wú)需調(diào)用片外的ADC 進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，與此同時(shí)，7.2mm×7.2mm的體積，完全符合傳感器微型化的設(shè)計(jì)需求，主控制模塊如圖4所示。

圖4 控制核心電路

4.3 光源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

光源驅(qū)動(dòng)電路選用RS3236 電源芯片，其輸入電壓為1.7V～7.5V，輸出電流最高可達(dá)500mA，滿足光源驅(qū)動(dòng)電流。為提取有效信號(hào)，單片機(jī)生成2Hz的PWM 波，并將其引入使能端EN，通過(guò)控制PWM的高低電平，控制光源的亮滅，以達(dá)到光源調(diào)制的目的。但是，由于通過(guò)光源的電流與探測(cè)器輸出信號(hào)相比較大，為防止光源開關(guān)脈沖導(dǎo)致輸出波形上的電壓不穩(wěn)定的情況，需保證光源的回路電流不能使用與ADC 相同的返回路徑，因此，利用不同的返回路徑和電源模塊，實(shí)現(xiàn)了光源與系統(tǒng)的分離，光源驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 光源驅(qū)動(dòng)電路

4.4 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

基于熱釋電的CO2探測(cè)器產(chǎn)生的原始信號(hào)是一個(gè)毫伏級(jí)電壓信號(hào)，且易被噪聲掩蓋，無(wú)法將其直接送入AD 采集，因此，在送入AD 進(jìn)行采集前需進(jìn)行合理的濾波放大。電路如圖6 所示。本文選用MS8629 作為濾波放大的運(yùn)放，其具有輸出幅度軌到軌、寬帶寬、低噪聲、超低失調(diào)和偏置電流的特性。它可以采用1.8V～5V 單電源供電，滿足了系統(tǒng)電源模塊3.3V的要求，提高了整個(gè)系統(tǒng)的信噪比。

圖6 信號(hào)調(diào)理電路

4.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度與軟件程序是密不可分的。軟件設(shè)計(jì)部分主要由對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，單片機(jī)輸出PWM波，ADC實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及串口輸出CO2濃度信息組成，軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)計(jì)程序流程圖

5 傳感器系統(tǒng)測(cè)試

5.1 傳感器標(biāo)定

為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，本文采用標(biāo)準(zhǔn)CO2氣體標(biāo)定法，首先需要搭建氣體標(biāo)定測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)定值控制試驗(yàn)箱的溫度為0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃。在標(biāo)定之前，對(duì)氣室內(nèi)部進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，認(rèn)為將純氮?dú)獬錆M氣室時(shí)，整個(gè)氣室內(nèi)的CO2濃度為0。氮?dú)馔ㄍ旰螅来瓮ㄈ?%、2%、3%、4%、5%的標(biāo)準(zhǔn)CO2氣體，換氣結(jié)束時(shí)，需給傳感器一定的響應(yīng)時(shí)間，待輸出電壓值穩(wěn)定后，記錄電壓值，將單片機(jī)采集到的兩通道電壓峰峰值保存，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 不同溫度下，CO2濃度與峰峰值差比值關(guān)系

5.2 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

為測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將傳感器放在室溫下，并通入1.5%的CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體，每隔15min 記錄一次數(shù)據(jù)，持續(xù)工作6h，觀察傳感器輸出信號(hào)的電壓峰峰值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9 所示，結(jié)果表明，該傳感器在1.5%的標(biāo)準(zhǔn)值附近上下浮動(dòng)，具有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

圖9 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文以NDIR 檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種雙通道紅外CO2氣體傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CO2氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在氣室方面，提出了單光路雙波長(zhǎng)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(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。在硬件電路方面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出信號(hào)的放大濾波，提高了整個(gè)系統(tǒng)的信噪比。最終，建立測(cè)試平臺(tái)，采用標(biāo)定法對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)測(cè)試，該傳感器可以實(shí)現(xiàn)在不同溫度下對(duì)0～5%濃度內(nèi)的CO2進(jìn)行檢測(cè)，且測(cè)量誤差小于0.2%，具有精度高，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可用于火災(zāi)報(bào)警，人體健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的需求。