中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
20世紀60年代，以半導體類(lèi)、光學(xué)類(lèi)、電化學(xué)類(lèi)為基礎的氣體傳感器逐漸走入人們的視線(xiàn)，傳統的二氧化碳（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(wú)法適用于某些特殊場(chǎng)景。紅外氣體傳感器基于其在靈敏度、響應時(shí)間、可靠性和成本等方面的優(yōu)勢而備受關(guān)注，在國內外市場(chǎng)都存在巨大需求。因此，進(jìn)一步研發(fā)紅外氣體傳感器新技術(shù)、開(kāi)發(fā)新工藝是未來(lái)的重要研究方向。
基于非色散紅外（NDIR）差分檢測技術(shù)，中北大學(xué)的研究人員設計了一種雙通道紅外CO?氣體傳感器檢測系統，實(shí)現了對CO?氣體濃度的實(shí)時(shí)監測。該傳感器可以實(shí)現在不同溫度下對0 ~ 5%濃度內的CO?進(jìn)行檢測，且測量誤差小于0.2%，具有精度高、穩定性好的特點(diǎn)，可用于火災報警、人體健康監測等領(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主要包括氣室設計、硬件電路設計以及軟件系統設計。在氣室方面，采用了單光路雙波長(cháng)的直射型氣室結構，不僅增加了光程，還有效地減少了光路損耗，提高了整個(gè)系統的抗干擾能力。在硬件部分，以模塊化的方式進(jìn)行設計，包括單片機控制模塊、紅外光源驅動(dòng)模塊、電源模塊和信號調理模塊，提高了整個(gè)系統的信噪比。整個(gè)系統以STM32單片機為控制核心，對熱釋電探測器輸出信號進(jìn)行放大、濾波處理，再通過(guò)A/D轉換，實(shí)現對輸出信號峰峰值的采集，最終達到對CO?氣體濃度的實(shí)時(shí)監測。
氣室與光路仿真
光學(xué)氣室的結構不僅影響檢測系統的精度而且對傳感器的尺寸大小也有影響。根據郎伯-比爾定律可知，CO?的吸光度與氣室的有效光程成正比，氣室內紅外光吸收的有效光程越長(cháng)，CO?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(cháng)，則損耗越大，影響測量結果的準確性，因此，設計的氣室結構光程不宜過(guò)長(cháng)。這項研究提出一種直射型氣室結構，直徑為10 mm，高度為20 mm，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 直射型光學(xué)氣室結構
在光路仿真中，利用Solidworks軟件構建了一個(gè)直射型氣室的三維模型，并將該模型導入Tracepro中，分別設置光源發(fā)射波長(cháng)為4.26 μm和3.95 μm，氣室的內表面反射率為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
硬件電路與軟件設計
為了降低耦合性，硬件系統以模塊化方式進(jìn)行設計，其工作原理為：?jiǎn)纹瑱C通過(guò)控制定時(shí)器，輸出PWM波，用于光源驅動(dòng)，紅外光源在驅動(dòng)下發(fā)出4.26 μm測量波長(cháng)和3.95 μm參考波長(cháng)的紅外光，經(jīng)過(guò)裝有待測氣體的氣室后照射到探測器上，進(jìn)行光電轉換，感應出一定的電壓信號，將產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)過(guò)放大濾波后送入ADC中進(jìn)行數據采集，單片機通過(guò)對兩通道的電壓值進(jìn)行分析處理后計算出CO?濃度，最終，通過(guò)串口連接上位機直觀(guān)地輸出濃度信息。
圖3 系統總體設計框圖
整個(gè)測量系統的精度與軟件程序是密不可分的。軟件設計部分主要由對系統進(jìn)行初始化，單片機輸出PWM波，ADC實(shí)現對數據的采集，單片機進(jìn)行數據處理以及串口輸出CO?濃度信息組成。
圖4 軟件設計程序流程圖
傳感器系統測試
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。為了測試系統的穩定性，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分鐘記錄一次數據，持續工作6小時(shí)，觀(guān)察傳感器輸出信號的電壓峰峰值，結果表明，該傳感器可以實(shí)現在不同溫度下對0 ~ 5%濃度內的CO?氣體進(jìn)行檢測，具有良好的穩定性和準確性。
圖5 不同溫度下，CO?濃度與峰峰值差比值關(guān)系
圖6 穩定性實(shí)驗數據圖
綜上所述，這項研究采用NDIR檢測技術(shù)，設計了一款體積小、精度高、穩定性好的雙通道紅外CO?氣體傳感器檢測系統，實(shí)現了對CO?氣體濃度的實(shí)時(shí)監測。在氣室方面，利用單光路雙波長(cháng)差分檢測技術(shù)，提出了一種直射型氣室結構。在硬件電路方面，實(shí)現了對輸出信號的放大濾波，提高了整個(gè)系統的信噪比。通過(guò)采用標定法對傳感器進(jìn)行測試，驗證了該傳感器可以實(shí)現在不同溫度下對0 ~ 5%濃度內的CO?進(jìn)行檢測，可滿(mǎn)足消防、礦井監測、人體健康監測等領(lǐng)域的需求。
