基于非分散紅外原理的熱電堆傳感器原理分析及電路設(shè)計(jì)

　　非分散紅外(NDIR)光譜儀常被用來檢測(cè)氣體和測(cè)量碳氧化物(例如一氧化碳和二氧化碳)的濃度。一個(gè)紅外光束穿過采樣腔，樣本中的各氣體組分吸收特定頻率的紅外線。通過測(cè)量相應(yīng)頻率的紅外線吸收量，便可確定該氣體組分的濃度。之所以說這種技術(shù)是非分散的，是因?yàn)榇┻^采樣腔的波長未經(jīng)預(yù)先濾波;相反地，光濾波器位于檢波器之前，以便濾除選定氣體分子能夠吸收的波長之外的所有光線。

　　圖1所示電路是一個(gè)基于NDIR原理的熱電堆氣體傳感器完整電路。該電路針對(duì)二氧化碳檢測(cè)優(yōu)化，但采用不同濾光器的熱電堆之后亦可精確測(cè)量多種氣體的濃度。

　　印刷電路板(PCB)采用Arduino擴(kuò)展板尺寸設(shè)計(jì)，并與Arduino兼容平臺(tái)板EVAL-ADICUP360對(duì)接。信號(hào)調(diào)理由低噪聲放大器AD8629 和 ADA4528-1以及精密模擬微控制器ADuCM360實(shí)現(xiàn)，該微控制器集 成可編程增益放大器、雙通道24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和ARM Cortex-M3處理器。

　　熱電堆傳感器由通常串聯(lián)(或偶爾并聯(lián))的大量熱電偶組成。串聯(lián)熱電偶的輸出電壓取決于熱電偶結(jié)與基準(zhǔn)結(jié)之間的溫度差。該原理稱為塞貝克效應(yīng)，以其發(fā)現(xiàn)者Thomas Johann Seebeck命名。

　　本電路使用運(yùn)算放大器AD8629放大熱電堆傳感器輸出信號(hào)。熱電堆輸出電壓相對(duì)較小(從幾百微伏到幾毫伏)，需要高增益和極低的失調(diào)與漂移，以避免直流誤差。熱電堆的高內(nèi)阻特性(典型值為84 kΩ)需要低輸入偏置電流的放大器以最大程度地減少誤差，而AD8629的偏置電流僅為30 pA(典型值)。該器件隨時(shí)間和溫度變化的漂移極低，在校準(zhǔn)溫度測(cè)量后不會(huì)引入額外誤差。與ADC采樣速率同步的脈沖光源最大程度地減少低頻漂移和閃爍噪聲引起的誤差。

　　AD8629在1 kHz下的電壓噪聲頻譜密度僅為22 nV/√Hz，低于熱電堆37 nV/√Hz的電壓噪聲密度。

　　AD8629在10 Hz下的電流噪聲頻譜密度也非常低，典型值僅為5 fA/√Hz。該電流噪聲流過84 kΩ熱電堆，10 Hz時(shí)的噪聲貢獻(xiàn)僅為420 pV/√Hz。

　　圖1. NDIR氣體檢測(cè)電路(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦)

　　采用低噪聲放大器ADA4528-1作為緩沖的傳感器共模電壓為200mV，因此NTC和熱電堆信號(hào)輸出滿足ADuCM360緩沖模式輸入的要求：ADuCM360 ADC緩沖模式輸入為AGND + 0.1 V至約AVDD - 0.1 V。CN-0338 Arduino擴(kuò)展板兼容其它類型的僅有單端輸入ADC的Arduino兼容平臺(tái)。

　　該電路的斬波頻率范圍為0.1 Hz至5 Hz，可通過軟件選擇。低壓差穩(wěn)壓器 ADP7105 l生成穩(wěn)定的5 V輸出電壓以驅(qū)動(dòng)紅外光源，并由ADuCM360控制開關(guān)。ADP7105具有軟啟動(dòng)功能，可消除冷啟動(dòng)光源時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流。

　　ADuCM360集成雙通道、24位、Σ-Δ型ADC，在3.5 Hz至3.906 kHz的可編程速率范圍內(nèi)可同步采樣雙熱電堆單元。NDIR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣速率范圍限制在3.5 Hz至483 Hz之間，以便具有最佳的噪聲性能。

　　熱電堆檢測(cè)器工作原理

　　為了理解熱電堆，有必要回顧熱電偶的基本理論。

　　如果在絕對(duì)零度以上的任意溫度下連接兩種不同的金屬，則兩種金屬之間會(huì)產(chǎn)生電位差(熱電EMF或接觸電位)，此電位差是結(jié)溫的函數(shù)(參見圖2中的熱電EMF電路)。

　　如果兩根導(dǎo)線在兩處相連，則形成兩個(gè)結(jié)點(diǎn)(參見圖2中連接負(fù)載的熱電偶)。如果兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度不同，則電路中產(chǎn)生凈EMF，并有電流流過，電流由EMF和電路總電阻決定(參見圖2)。如果其中一根導(dǎo)線斷開，則斷點(diǎn)處電壓等于電路的凈熱電EMF;并且如果該電壓可以測(cè)得，便可利用其計(jì)算兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的溫度差(參見圖2中的熱電偶電壓測(cè)量)。記住，熱電偶測(cè)量兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的溫度差，而非一個(gè)結(jié)點(diǎn)處的絕對(duì)溫度。只有當(dāng)另一個(gè)結(jié)點(diǎn)(通常稱為基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)或冷結(jié))已知的情況下，測(cè)量結(jié)點(diǎn)處的溫度才可測(cè)得。

　　但是，要測(cè)量熱電偶產(chǎn)生的電壓卻很困難。假設(shè)電壓表連接第一個(gè)熱電偶測(cè)量電路(參見圖2中顯示冷結(jié)的實(shí)際熱電偶電壓測(cè)量)。連接電壓表的導(dǎo)線在連接處形成了更多的熱電偶。如果這些額外的結(jié)點(diǎn)溫度相同(無論溫度是多少)，則中間金屬法則表明它們對(duì)系統(tǒng)的總EMF沒有凈貢獻(xiàn)。如果它們的溫度不同，則產(chǎn)生誤差。由于每一對(duì)不同的接觸金屬都會(huì)產(chǎn)生熱電EMF——包括銅片/焊點(diǎn)、可伐/銅片(可伐是一種用于IC引線框架的合金)和鋁/可伐(IC內(nèi)的焊接)——在實(shí)際電路中，問題更為復(fù)雜，有必要極其謹(jǐn)慎地確保熱電偶周邊電路的所有結(jié)點(diǎn)對(duì)(除測(cè)量結(jié)點(diǎn)和基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)本身)的溫度相同。

　　圖2. 熱電偶原理

　　熱電堆由大量熱電偶串聯(lián)而成，如圖3所示。與單個(gè)熱電偶相比，熱電堆產(chǎn)生的熱電電壓要高得多。

　　圖3. 多個(gè)熱電偶組成熱電堆

　　在NDIR應(yīng)用中，經(jīng)過濾波的脈沖紅外光施加于串聯(lián)有源結(jié)點(diǎn);因此，結(jié)點(diǎn)加熱，產(chǎn)生較小的熱電電壓。基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)的溫度由熱敏電阻測(cè)量。

　　很多氣體的正負(fù)電荷中心瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)不重合。在紅外頻譜，氣體可吸收特定頻率，這種特性可以用來進(jìn)行氣體分析。當(dāng)紅外輻射射入氣體中，并且當(dāng)分子的自諧振頻率與紅外波長相匹配時(shí)，氣體分子會(huì)根據(jù)原子的能級(jí)躍遷而與入射紅外線產(chǎn)生諧振。

　　對(duì)于大部分紅外氣體檢測(cè)應(yīng)用而言，目標(biāo)氣體的成分是已知的，因此不需要?dú)庀嗌V分析。然而，如果不同氣體的吸收線重疊，那么系統(tǒng)就必須處理這些氣體之間的相互干擾。

　　二氧化碳在4200 nm和4320 nm之間存在吸收峰值，如圖4所示。

　　圖4. 二氧化碳(CO2)的吸收頻譜

　　紅外光源的輸出波長范圍和水的吸收頻譜同樣決定了檢測(cè)波長的選擇。在3000 nm以下，以及4500 nm和8000 nm之間，水具有較強(qiáng)的吸收性。如果目標(biāo)氣體中有濕氣(濕度高)，則在這些范圍內(nèi)，檢測(cè)氣體會(huì)受到較強(qiáng)的干擾影響。圖5顯示了二氧化碳吸收頻譜與水的吸收頻譜重疊。(所有吸收數(shù)據(jù)均來自HITRAN數(shù)據(jù)庫)。

　　圖5. 二氧化碳與水的吸收頻譜重疊

　　如果將紅外光施加在雙熱電堆傳感器上，并安裝一對(duì)濾光器，使其中一個(gè)濾光器中心波長在4260 nm，而另一個(gè)中心波長在3910 nm，則通過測(cè)量兩個(gè)熱電堆的電壓之比即可測(cè)得二氧化碳濃度。中心波長與二氧化碳吸收波長重疊的濾光器用作測(cè)量通道，中心波長在二氧化碳吸收波長以外的濾光器用作基準(zhǔn)通道。使用基準(zhǔn)通道后，可消除灰塵或輻射強(qiáng)度衰減引起的測(cè)量誤差。二氧化碳和水蒸汽對(duì)3910nm的紅外線幾乎都沒有吸收，注意這一點(diǎn)很重要;這使得該區(qū)域成為基準(zhǔn)通道的理想地點(diǎn)。

　　NDIR檢測(cè)中使用的熱電堆具有相對(duì)較高的內(nèi)阻，而50 Hz/60 Hz電源線噪聲會(huì)耦合進(jìn)入信號(hào)路徑。熱電堆的內(nèi)阻可能為100 kΩ左右，導(dǎo)致熱噪聲成為系統(tǒng)內(nèi)的主要噪聲。例如，圖1系統(tǒng)中選用的熱電堆傳感器電壓噪聲密度為37 nV/√Hz。為了使系統(tǒng)擁有最好的性能，應(yīng)該使傳感器輸出盡可能大的信號(hào)，并且在電路中使用較低的增益。

　　使來自熱電堆傳感器的信號(hào)最大化的最佳方法是使用具有高反射特性的腔室，這樣做可以確保盡可能多的輻射進(jìn)入檢測(cè)器而不被腔室吸收。使用反射腔室來減少腔室吸收輻射量還可降低系統(tǒng)功耗，因?yàn)檫@樣可以使用小功率的輻射源。

　　NDIR氣體吸收的比爾-朗伯定律

　　測(cè)量通道傳感器的紅外強(qiáng)度以指數(shù)關(guān)系遞減，此關(guān)系稱為比爾-朗伯定律：

　　其中：

　　1.I表示出射光強(qiáng)。

　　2.I0表示入射光強(qiáng)。

　　3.k表示特定氣體和濾光器組合的吸收系數(shù)。

　　4.l表示光源與檢測(cè)器之間的等效光學(xué)路徑長度。

　　5.x表示氣體濃度。

　　對(duì)于測(cè)量通道傳感器輸出，存在相應(yīng)的輸出電壓變化V0 – V：

　　其中：

　　1.FA表示相對(duì)吸收率。

　　2.V0表示入射光強(qiáng)對(duì)應(yīng)傳感器輸出。

　　3.V表示出射光強(qiáng)對(duì)應(yīng)傳感器輸出。

　　整理公式，并結(jié)合前面兩個(gè)公式，可得：

　　如果k和l保持不變，F(xiàn)A可相對(duì)于x進(jìn)行繪圖，如圖6所示(其中，kl = 115、50、25、10和4.5)。FA值隨c增加，但最終在高氣體濃度下飽和。

　　圖6. 典型相對(duì)吸收率(kl = 4.5、10、25、50、115)