《电调制非分光红外吸收型二氧化碳传感器的设计研究》.docx

电调制非分光红外吸收型二氧化碳传感器的设计研究论文导读：电调制非分光红外（NDIR）技术是当前应用的前沿技术国外NDIR 仪器占有率在70 %左右,国内NDIR 气体分析仪的主要厂家大都采用国际上20 世纪80 年代初的红外气体分析方法,如采用镍锘丝作为红外光源、电机机械调制红外光、采用薄膜电容微音器或InSb 等作为传感器等关键词：传感器，电调制，非分光红外技术，朗伯-比尔定律 1、引言众所周知二氧化碳（CO2）是大气重要组成成分之一,与人们的生产生活密不可分其含量过高不但会危害人类的健康,还会产生温室效应等不良影响；同时它在动植物的生长环境中也扮演着极其重要的角色论文格式目前国内生产和使用的CO2气体传感器主要是固体电解质式、钛酸钡复合氧化物电容式、电导变化型厚膜式等,这些传感器存在许多不足之处:对气体的选择性差、易出现误报,系统需要频繁校准,使用寿命也较短红外二氧化碳气体传感器新技术国内尚处于起步阶段，于2005年才取得一定进展实现了电调制，但关键元件仍需要进口而现行红外二氧化碳分析仪多半存在着不仅价格昂贵，而且体积大、质量大等缺点随着科学技术的不断发展和人民生活水平的日益提高以及人们对环境保护的日益重视，在空调、农业、医疗、汽车及环保等方面,对CO2气体的浓度进行定量监测与控制成为日益增长的需求,开发出灵敏度高、选择性和稳定性好、小型化、便携式的CO2 气体传感器必是大势所趋。

基于这一理念作为一种尝试，提出一种红外吸收型便携式CO2气体传感器并给出其软硬件设计方案2、非分光红外吸收型气体传感器工作原理任何物质都有其特征明线光谱，相应的也会有吸收光谱，二氧化碳气体分子亦然二氧化碳在红外区有三个比较明显的吸收谱线，一个吸收中心波长位于近红外1.573μm处（适用于光纤二氧化碳传感器）、一个位于中红外4.26μm处，还有一个位于14～20μm波段[1]我们选择中心波长4.26μm处的吸收谱线作为检测依据，因为此波段的吸收最为强烈，衰减最剧烈根据气体选择性吸收理论可知，当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时，就会发生共振吸收，其吸收强度与该气体的浓度有关，通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度具体是，当一束光强为I0 的输入平行光通过待测气体时，如果光源光谱覆盖一个或多个气体的吸收谱线，则光通过气体时发生衰减根据Beer－Lambert定律，出射光强I 与入射光强I0和气体的浓度之间的关系为I = I0exp（－αCL）（1）式中α为气体吸收系数； L 为吸收路径的长度；C 为气体的浓度对式（1） 进行变换得到，C = ln( I0/ I) / (αL)（2）从式（2）可知，如果L、α 已知，那么，通过检测 I 和 I0 就可以得到气体的浓度C。

这就是利用光谱吸收检测气体浓度的原理事实上，上述理论没有考虑到光路干扰系数，这是一个随机变量，采用非分光技术可有效地消除光路干扰这一因素其原理框图如下图1所示图1 非分光红外测量光路系统原理图3、系统硬件设计方案及其实现3.1核心技术及低功耗系统方案电调制非分光红外（NDIR）技术是当前应用的前沿技术，也是系统的核心技术所在论文格式采用非分光红外测量技术，在实际操作中可以采用单光束双波长实现，即通过选用两种窄带滤光片，它们的中心波长相近但一个允许待测气体对应的吸收波长通过，而另一片则完全阻止其通过，如图1所示，以此实现调制和提取浓度信号同时，为了系统的稳定和测量的精度以及真正实现手持型便携式，我们采用了电调制、低功耗设计方案，利用脉冲控制光源而且在实现低功耗的同时也增强了光源的辐射特性和延长了光源的寿命电调制与非分光技术的实现，从根本上克服了机械调制所带来的种种缺陷：有可动部件，需要专门的马达驱动，调制盘容易损坏，体积大不易于集成化等等为了实现设计目标，选用专用的电源驱动芯片和微功耗光源，再利用微控制器实现脉冲调制，整个系统由＋5V单电源供电即可很好地实现手持型便携式国外NDIR 仪器占有率在70 %左右,国内NDIR 气体分析仪的主要厂家大都采用国际上20 世纪80 年代初的红外气体分析方法,如采用镍锘丝作为红外光源、电机机械调制红外光、采用薄膜电容微音器或InSb 等作为传感器等。

因此，在国内非分光红外（NDIR）二氧化碳检测技术研究可以说才刚刚起步发光光源以及滤光片镀膜工艺是必须攻克的难关，本文不作详细介绍，而将重点放在如何选择和应用上非分光红外二氧化碳气体传感器系统的设计构成主要包括：光源及探测接收模块(传感头)、信号放大模块、低通滤波模块、A/D转换以及由微控制器控制的人机控制和信号显示输出等模块其具体的系统结构图如图2所示选择恰当的光源和滤光片以及相应的探测器是非常关键的一步从传感器出来的信号是极其微弱的，必须对其进行放大和滤波，在获得较强的信号的同时保证尽可能地消除噪声，达到较高的信噪比，为后续的信号处理提供真实有效的数据微控制器负责信号的运算和浓度的换算、自动标定、实时的显示跟踪以及实现与计算机的数据通信等等图2 二氧化碳气体测量系统原理图3.1.1 光源及其调制技术设计中选用了PerkinElmer® 红外光源IRL715，可以实现低频电调制由于其低压低功耗，体积小巧，而且经济实用符合我们的设计要求1）该光源具有的性能指标n工作电压为5V，n电流为115mA±10％，n功率为0.575±10％W，时间常数为290ms，n辐射强度为0.15±10％MSCP；n时间常数为290ms。

n工作寿命长，可达40，000hs论文格式2）光源的调制深度特性与工作模式的选择光源IRL715的在5V可调方波信号驱动条件下，4um红外波长处的调制深度特性曲线表明，调制频率越高，调制深度越低图3[2]是光源在连续工作模式和间歇性工作模式下的辐射强度特性曲线，即老化特性在连续工作模式，1500小时后，其辐射强度降到初始值的95％左右，之后基本保持并略有回升而在间歇性工作模式（工作1秒，停5秒），其辐射强度则呈上升趋势因此，利用脉冲控制有利于增强光源的辐射特性，减缓其老化速度，同时也可提高测量的精度对光源进行电调制脉冲驱动时，充分考虑了该因素此外，驱动电压的大小一方面会影响到辐射强度，一方面也会影响到光源的功耗和寿命恒流驱动是设计的最佳选择，选用恰当的电源芯片至关重要3）气室设计要求传感器的光路系统因为采用了非分光红外（NDIR）电调制而变得简单，只要设置一个标准的气室即可原理图如图4所示此外，如果需要进一步减小传感头的体积，可以采用专用的光学镜面系统，利用多次反射以加长光程，并且可以同时加强辐射到探测器上的光强强度光源的稳定对测量的精度具有非常重要的影响，因此选用高精度稳定性好的调整管对光源供电，再结合脉冲控制驱动或者选用可PWM驱动IC设计驱动电路。

这样做的目的有二：一是实现电调制；二是为了充分发挥光源的功效和提高发光强度，使光源的性能达到最佳图4 光源电路及光路系统原理图3.1.2 检测放大红外探测器也是该系统的核心元件，它在很大程度上决定了系统的测量精度与性能选用PerkinElmer®配套的TPS2534作为探测元件该热电堆传感器为双元传感，配备了两片不同的滤光片，一片中心波长为4.0um，半波带宽为90nm，作为参考滤光片，一片中心波长为4.26um，半波带宽为180nm，作为气体选择滤光片，提取参考信号和气体信号结合光源设计光路实现了非分光红外（NDIR）电调制由探测器出来的电信号极其微弱，前置放大电路的作用举足轻重，因此选用了低噪声、高精度、低温度飘移的运放作为电路的主要部件有效提高电路的信噪比，提高测量灵敏度3.1.3 滤波电路滤波电路，选择了专用高阶开关电容低通滤波IC电路分别对参考信号和气体信号进行放大滤波，采用8阶BUTTERWORTH低通滤波实现，以有效的提高系统的信噪比3.1.4 前向通道、微控制器和后向通道经信号调理得到的模拟信号，再由A/D转换器转换成数字信号，输入微控制器，完成前向通道的设计因为本系统对采样的速度要求不是很高，再考虑到测量精度的需要和为了节省单片机的口线以及跟上技术发展的步伐，选用了串行16位ADC。

微控制器则选用了常用的AT89C52作为核心处理器，负责信号的处理和后向通道的显示以及数据通信由于智能化和网络化将是传感器发展的趋势，可增加与上位机的通信口3.2系统的软件实现系统的软件实现，主要需要完成数据采集、显示、通信、探测器温度监控以及光源调制和驱动等几大模块的功能基于上述有关电源的特性的论述和要求，软件流程如图5：图5 软件设计流程图4、结束语该系统采用单＋5V电源供电，可大大减轻系统的质量和减小系统的体积，实现真正意义上的便携式，也可以作为分布式传感系统和传感器网络化的传感器，用于实时、远程监控同时可大大降低成本系统的缺点由于光源特性的限制，而不能实现高频调制,可以通过选用可高频调制的光源实现参考文献[1] 王文义. CO气体浓度的光谱检测[D].2002.6:31[2] PerkinElmerOptoelectronics product DATA sheet[3] 熊友辉，蒋泰毅. 电调制非分光红外气体传感器.仪表技术与传感器[J]，2003，(4-5)[4] 琚雪梅, 张巍等 红外吸收型CO2 气体传感器的设计. 传感器技术[J]. 2005，Vol（24）：8[5] 王幸之. AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社. 2004，  。