電調(diào)制非分光紅外吸收型二氧化碳傳感器綜述
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論文導(dǎo)讀：電調(diào)制非分光紅外（NDIR）技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用的前沿技術(shù)。國外NDIR 儀器占有率在70 %左右,國內(nèi)NDIR 氣體分析儀的主要廠家大都采用國際上20 世紀(jì)80 年代初的紅外氣體分析方法,如采用鎳锘絲作為紅外光源、電機機械調(diào)制紅外光、采用薄膜電容微音器或InSb 等作為傳感器等。
關(guān)鍵詞：傳感器，電調(diào)制，非分光紅外技術(shù)，朗伯-比爾定律
1、引言
眾所周知二氧化碳（CO2）是大氣重要組成成分之一,與人們的生產(chǎn)生活密不可分。其含量過高不但會危害人類的健康,還會產(chǎn)生溫室效應(yīng)等不良影響；同時它在動植物的生長環(huán)境中也扮演著極其重要的角色。論文格式。目前國內(nèi)生產(chǎn)和使用的CO2氣體傳感器主要是固體電解質(zhì)式、鈦酸鋇復(fù)合氧化物電容式、電導(dǎo)變化型厚膜式等,這些傳感器存在許多不足之處:對氣體的選擇性差、易出現(xiàn)誤報,系統(tǒng)需要頻繁校準(zhǔn),使用壽命也較短。紅外二氧化碳?xì)怏w傳感器新技術(shù)國內(nèi)尚處于起步階段，于2005年才取得一定進展實現(xiàn)了電調(diào)制，但關(guān)鍵元件仍需要進口。而現(xiàn)行紅外二氧化碳分析儀多半存在著不僅價格昂貴，而且體積大、質(zhì)量大等缺點。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人民生活水平的日益提高以及人們對環(huán)境保護的日益重視，在空調(diào)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、汽車及環(huán)保等方面,對CO2氣體的濃度進行定量監(jiān)測與控制成為日益增長的需求,開發(fā)出靈敏度高、選擇性和穩(wěn)定性好、小型化、便攜式的CO2 氣體傳感器必是大勢所趨�；谶@一理念作為一種嘗試，提出一種紅外吸收型便攜式CO2氣體傳感器并給出其軟硬件設(shè)計方案。
2、非分光紅外吸收型氣體傳感器工作原理
任何物質(zhì)都有其特征明線光譜，相應(yīng)的也會有吸收光譜，二氧化碳?xì)怏w分子亦然。二氧化碳在紅外區(qū)有三個比較明顯的吸收譜線，一個吸收中心波長位于近紅外1.573μm處（適用于光纖二氧化碳傳感器）、一個位于中紅外4.26μm處，還有一個位于14～20μm波段[1]。我們選擇中心波長4.26μm處的吸收譜線作為檢測依據(jù)，因為此波段的吸收最為強烈，衰減最劇烈。根據(jù)氣體選擇性吸收理論可知，當(dāng)光源的發(fā)射波長與氣體的吸收波長相吻合時，就會發(fā)生共振吸收，其吸收強度與該氣體的濃度有關(guān)，通過測量光的吸收強度就可測量氣體的濃度。具體是，當(dāng)一束光強為I0 的輸入平行光通過待測氣體時，如果光源光譜覆蓋一個或多個氣體的吸收譜線，則光通過氣體時發(fā)生衰減。根據(jù)Beer－Lambert定律，出射光強I 與入射光強I0和氣體的濃度之間的關(guān)系為
I = I0exp（－αCL）（1）
式中α為氣體吸收系數(shù)； L 為吸收路徑的長度；C 為氣體的濃度。
對式（1） 進行變換得到，
C = ln( I0/ I) / (αL)（2）
從式（2）可知，如果L、α 已知，那么，通過檢測 I 和 I0 就可以得到氣體的濃度C。這就是利用光譜吸收檢測氣體濃度的原理。
事實上，上述理論沒有考慮到光路干擾系數(shù)，這是一個隨機變量，采用非分光技術(shù)可有效地消除光路干擾這一因素。其原理框圖如下圖1所示。
圖1 非分光紅外測量光路系統(tǒng)原理圖
3、系統(tǒng)硬件設(shè)計方案及其實現(xiàn)
3.1核心技術(shù)及低功耗系統(tǒng)方案
電調(diào)制非分光紅外（NDIR）技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用的前沿技術(shù)，也是系統(tǒng)的核心技術(shù)所在。論文格式。采用非分光紅外測量技術(shù)，在實際操作中可以采用單光束雙波長實現(xiàn)，即通過選用兩種窄帶濾光片，它們的中心波長相近但一個允許待測氣體對應(yīng)的吸收波長通過，而另一片則完全阻止其通過，如圖1所示，以此實現(xiàn)調(diào)制和提取濃度信號。同時，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定和測量的精度以及真正實現(xiàn)手持型便攜式，我們采用了電調(diào)制、低功耗設(shè)計方案，利用脈沖控制光源。而且在實現(xiàn)低功耗的同時也增強了光源的輻射特性和延長了光源的壽命。電調(diào)制與非分光技術(shù)的實現(xiàn)，從根本上克服了機械調(diào)制所帶來的種種缺陷：有可動部件，需要專門的馬達驅(qū)動，調(diào)制盤容易損壞，體積大不易于集成化等等。為了實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)，選用專用的電源驅(qū)動芯片和微功耗光源，再利用微控制器實現(xiàn)脈沖調(diào)制，整個系統(tǒng)由＋5V單電源供電即可很好地實現(xiàn)手持型便攜式。
國外NDIR 儀器占有率在70 %左右,國內(nèi)NDIR 氣體分析儀的主要廠家大都采用國際上20 世紀(jì)80 年代初的紅外氣體分析方法,如采用鎳锘絲作為紅外光源、電機機械調(diào)制紅外光、采用薄膜電容微音器或InSb 等作為傳感器等。因此，在國內(nèi)非分光紅外（NDIR）二氧化碳檢測技術(shù)研究可以說才剛剛起步。發(fā)光光源以及濾光片鍍膜工藝是必須攻克的難關(guān)，本文不作詳細(xì)介紹，而將重點放在如何選擇和應(yīng)用上。
非分光紅外二氧化碳?xì)怏w傳感器系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)成主要包括：光源及探測接收模塊(傳感頭)、信號放大模塊、低通濾波模塊、A/D轉(zhuǎn)換以及由微控制器控制的人機控制和信號顯示輸出等模塊。其具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。選擇恰當(dāng)?shù)墓庠春蜑V光片以及相應(yīng)的探測器是非常關(guān)鍵的一步。從傳感器出來的信號是極其微弱的，必須對其進行放大和濾波，在獲得較強的信號的同時保證盡可能地消除噪聲，達到較高的信噪比，為后續(xù)的信號處理提供真實有效的數(shù)據(jù)。微控制器負(fù)責(zé)信號的運算和濃度的換算、自動標(biāo)定、實時的顯示跟蹤以及實現(xiàn)與計算機的數(shù)據(jù)通信等等。
圖2 二氧化碳?xì)怏w測量系統(tǒng)原理圖
3.1.1 光源及其調(diào)制技術(shù)
設(shè)計中選用了PerkinElmer® 紅外光源IRL715，可以實現(xiàn)低頻電調(diào)制。由于其低壓低功耗，體積小巧，而且經(jīng)濟實用符合我們的設(shè)計要求。
1）該光源具有的性能指標(biāo)
n工作電壓為5V，
n電流為115mA±10％，
n功率為0.575±10％W，時間常數(shù)為290ms，
n輻射強度為0.15±10％MSCP；
n時間常數(shù)為290ms。
n工作壽命長，可達40，000hs。論文格式。
2）光源的調(diào)制深度特性與工作模式的選擇
光源IRL715的在5V可調(diào)方波信號驅(qū)動條件下，4um紅外波長處的調(diào)制深度特性曲線表明，調(diào)制頻率越高，調(diào)制深度越低。圖3[2]是光源在連續(xù)工作模式和間歇性工作模式下的輻射強度特性曲線，即老化特性。在連續(xù)工作模式，1500小時后，其輻射強度降到初始值的95％左右，之后基本保持并略有回升。而在間歇性工作模式（工作1秒，停5秒），其輻射強度則呈上升趨勢。因此，利用脈沖控制有利于增強光源的輻射特性，減緩其老化速度，同時也可提高測量的精度。對光源進行電調(diào)制脈沖驅(qū)動時，充分考慮了該因素。此外，驅(qū)動電壓的大小一方面會影響到輻射強度，一方面也會影響到光源的功耗和壽命。恒流驅(qū)動是設(shè)計的最佳選擇，選用恰當(dāng)?shù)碾娫葱酒陵P(guān)重要。
3）氣室設(shè)計要求
傳感器的光路系統(tǒng)因為采用了非分光紅外（NDIR）電調(diào)制而變得簡單，只要設(shè)置一個標(biāo)準(zhǔn)的氣室即可。原理圖如圖4所示。此外，如果需要進一步減小傳感頭的體積，可以采用專用的光學(xué)鏡面系統(tǒng)，利用多次反射以加長光程，并且可以同時加強輻射到探測器上的光強強度。光源的穩(wěn)定對測量的精度具有非常重要的影響，因此選用高精度穩(wěn)定性好的調(diào)整管對光源供電，再結(jié)合脈沖控制驅(qū)動或者選用可PWM驅(qū)動IC設(shè)計驅(qū)動電路。這樣做的目的有二：一是實現(xiàn)電調(diào)制；二是為了充分發(fā)揮光源的功效和提高發(fā)光強度，使光源的性能達到最佳。
圖4 光源電路及光路系統(tǒng)原理圖
3.1.2 檢測放大
紅外探測器也是該系統(tǒng)的核心元件，它在很大程度上決定了系統(tǒng)的測量精度與性能。選用PerkinElmer®配套的TPS2534作為探測元件。該熱電堆傳感器為雙元傳感，配備了兩片不同的濾光片，一片中心波長為4.0um，半波帶寬為90nm，作為參考濾光片，一片中心波長為4.26um，半波帶寬為180nm，作為氣體選擇濾光片，提取參考信號和氣體信號。結(jié)合光源設(shè)計光路實現(xiàn)了非分光紅外（NDIR）電調(diào)制。由探測器出來的電信號極其微弱，前置放大電路的作用舉足輕重，因此選用了低噪聲、高精度、低溫度飄移的運放作為電路的主要部件。有效提高電路的信噪比，提高測量靈敏度。
3.1.3 濾波電路
濾波電路，選擇了專用高階開關(guān)電容低通濾波IC電路分別對參考信號和氣體信號進行放大濾波，采用8階BUTTERWORTH低通濾波實現(xiàn)，以有效的提高系統(tǒng)的信噪比。
3.1.4 前向通道、微控制器和后向通道
經(jīng)信號調(diào)理得到的模擬信號，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入微控制器，完成前向通道的設(shè)計。因為本系統(tǒng)對采樣的速度要求不是很高，再考慮到測量精度的需要和為了節(jié)省單片機的口線以及跟上技術(shù)發(fā)展的步伐，選用了串行16位ADC。
微控制器則選用了常用的AT89C52作為核心處理器，負(fù)責(zé)信號的處理和后向通道的顯示以及數(shù)據(jù)通信。由于智能化和網(wǎng)絡(luò)化將是傳感器發(fā)展的趨勢，可增加與上位機的通信口。
3.2系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)
系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)，主要需要完成數(shù)據(jù)采集、顯示、通信、探測器溫度監(jiān)控以及光源調(diào)制和驅(qū)動等幾大模塊的功能。
基于上述有關(guān)電源的特性的論述和要求，軟件流程如圖5：
圖5 軟件設(shè)計流程圖
4、結(jié)束語
該系統(tǒng)采用單＋5V電源供電，可大大減輕系統(tǒng)的質(zhì)量和減小系統(tǒng)的體積，實現(xiàn)真正意義上的便攜式，也可以作為分布式傳感系統(tǒng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)化的傳感器，用于實時、遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時可大大降低成本。系統(tǒng)的缺點由于光源特性的限制，而不能實現(xiàn)高頻調(diào)制,可以通過選用可高頻調(diào)制的光源實現(xiàn)。
參考文獻
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