據(jù)麥姆斯咨詢報道,,近日,,中北大學譚秋林教授團隊在《中國激光》期刊上發(fā)表了題為“雙通道非分光紅外CO2氣體傳感器設計與測試”的最新論文,文中設計實現(xiàn)了一種微型雙通道非分光紅外(NDIR)CO2氣體傳感器,,采用標準氣體濃度標定傳感器的方法,實現(xiàn)了傳感器的溫度補償,,使其能夠在不同溫度與不同濃度的環(huán)境下進行精確測量,。
基于紅外吸收原理的氣體傳感器具有選擇性高的突出優(yōu)勢,但面臨集成度不高,、尺寸大,、精度低以及核心部件依賴進口等問題,。國內(nèi)目前普遍采用進口傳感器,或者購入半成品二次加工,。近年來,,在各大研究機構(gòu)與高校的努力下,國內(nèi)在自主設計紅外傳感器方面正在高速發(fā)展,,但存在傳感器靈敏度差以及量程小的問題,。
基于此,本文基于雙波段單氣路設計,,提出了一種基于紅外熱釋電效應的微型化非分光紅外CO2傳感器,。采用標定法,探究了溫度補償方法,,測量了不同濃度,、不同溫度下探測器的輸出值,建立了溫度,、CO2濃度與探測器輸出值之間的關(guān)系模型,,實現(xiàn)了傳感器的溫度補償,使其能夠在不同溫度與不同濃度的環(huán)境下進行精確測量,。
傳感器設計
紅外CO2傳感器總體設計
本文所設計的紅外CO2傳感器由紅外光源,、氣室、紅外探測器,、主電路系統(tǒng)四個主體部分組成,,如圖1所示。
圖1 紅外CO2傳感器整體設計,。(a)傳感器結(jié)構(gòu)原理圖,;(b)傳感器截面圖
光學氣室很大程度上決定了紅外CO2傳感器的尺寸大小及其性能優(yōu)劣,如今常見的氣室類型有直射型,、橢球型與反射型,。綜合現(xiàn)今不同類型紅外光學傳感器氣室結(jié)構(gòu)特點,為了實現(xiàn)傳感器微型化同時保持高性能,,本文設計了C型多反射式氣室結(jié)構(gòu),,增加光程,保證光與氣體作用長度,,并通過將光源發(fā)射,、光傳播及吸收、光電信號轉(zhuǎn)換及信號處理等模塊進行集成設計,,得到高為8mm,,直徑為18mm的微型化氣室,最大程度縮小了傳感器的體積,。最終實現(xiàn)直徑為23mm,,高為10mm的微型紅外CO2氣體傳感器,。
紅外光源選用HSL5-115,其能夠提供所需的紅外波段的波長,。紅外探測器采用PYS3228探測器,,其包含兩路通道,一路通道前放置4.26μm波段濾光片作為吸收4.26μm附近波段的工作窗口,,另一路通道前放置3.9μm波段濾光片作為吸收3.9μm附近波段的參考窗口,。
采用單光路雙波長差分設計思想,可以有效消除氣室和光源以及雜質(zhì)等的干擾,,降低環(huán)境溫度,、粉塵、水分等干擾因素對系統(tǒng)的影響,,從而減小測量誤差,,提高系統(tǒng)測量精度。系統(tǒng)工作流程為:首先單片機輸出合理頻率的光源驅(qū)動信號點亮紅外光源HSL5-115,,紅外光源發(fā)出的紅外輻射經(jīng)過氣室內(nèi)氣體吸收后,,透過PYS3228探測器前端濾光片的4.26μm波段和3.9μm波段的紅外輻射照射到敏感元產(chǎn)生電信號,電信號經(jīng)過信號處理與濾波后,,輸入單片機內(nèi)ADC采集并結(jié)合溫度信息處理,,最終計算并輸出氣室內(nèi)CO2氣體濃度。
硬件電路與軟件程序設計
紅外CO2傳感器硬件電路與軟件程序均采用模塊化設計,,以降低系統(tǒng)耦合性,。硬件主要由光源驅(qū)動電路、信號處理電路設計等組成,。軟件部分主要包括光源驅(qū)動程序,溫濕度采集程序與數(shù)據(jù)處理程序等構(gòu)成,,并編寫上位機以實時顯示氣體含量信息與環(huán)境溫度信息,。
氣體濃度的測量與測試過程中的環(huán)境溫度有干擾關(guān)系,對氣體濃度測量具有較大影響,。因此,,使用溫度補償能夠確保系統(tǒng)測量結(jié)果的準確性。環(huán)境溫度采集電路采用的是溫濕度芯片SHT20,,以單片機作為主機通過IIC通訊讀取溫濕度傳感器采集的溫度值,,并在單片機內(nèi)部通過軟件進行溫度補償。
傳感器測試標定與分析
為了保證傳感器的精度與檢測范圍,,采用標準氣體濃度標定傳感器的方法,。搭建傳感器標定實驗平臺,如圖2所示,,主要有高低溫潮濕箱,,標準氣體源,、傳感器工裝組成。標定的結(jié)果如圖3所示,。
圖2 傳感器標定實驗平臺,。(a)結(jié)構(gòu)組成圖;(b)實物圖
圖3 不同溫度與不同濃度的標準氣體的標定數(shù)據(jù),。(a)不同溫度下峰峰值差值與濃度的關(guān)系,;(b)不同濃度下峰峰值差值與溫度的關(guān)系
由圖3可以觀測到,溫度(t)影響峰峰值的差值(d1),,進而影響輸出的氣體濃度,,且可以注意到溫度影響峰峰值差值近似為線性。將溫度與峰峰值差值(d1)擬合,,可以得到用于計算補償后的差值(d)與溫度(t)及峰峰值差值(d1)的關(guān)系式,,并得到補償后的差值(d)與標準氣體濃度(C)之間的關(guān)系圖,如圖4,。
圖4 溫度補償后的峰峰值差值與氣體濃度關(guān)系
結(jié) 論
CO2傳感器在工業(yè)生產(chǎn),、生活與醫(yī)療診斷中有著非常重要的作用。本文根據(jù)紅外吸收光譜原理,,采用單氣路雙波長差分方法,,設計實現(xiàn)了一種基于紅外熱釋電效應的微型非分光紅外CO2傳感器。采用標準氣體濃度標定傳感器的方法,,實現(xiàn)了傳感器的溫度補償,,使其能夠在不同溫度與不同濃度的環(huán)境下進行精確測量。該傳感器實現(xiàn)直徑為23mm,,高為10mm的微型設計,,0%~2%濃度下誤差值小于0.1%,2%~5%濃度下誤差值小于0.25%的精準測量,??蔀槲覈I(yè)制造、生產(chǎn)生活環(huán)境中CO2濃度監(jiān)測提供核心器件及技術(shù)支持,,對保障安全生產(chǎn)及人體健康具有重要的現(xiàn)實意義,。
更多信息可以來這里獲取==>>電子技術(shù)應用-AET<<