基于紅外熱釋電效應(yīng)的微型NDIR CO2傳感器,可在不同溫度、濃度下精確測(cè)量
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,近日,中北大學(xué)譚秋林教授團(tuán)隊(duì)在《中國(guó)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(shè)計(jì)與測(cè)試”的最新論文,文中設(shè)計(jì)實(shí)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(biāo)準(zhǔn)氣體濃度標(biāo)定傳感器的方法,實(shí)現(xiàn)了傳感器的溫度補(bǔ)償,使其能夠在不同溫度與不同濃度的環(huán)境下進(jìn)行精確測(cè)量。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202211/440404.htm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(shì),但面臨集成度不高、尺寸大、精度低以及核心部件依賴進(jìn)口等問題。國(guó)內(nèi)目前普遍采用進(jìn)口傳感器,或者購入半成品二次加工。近年來,在各大研究機(jī)構(gòu)與高校的努力下,國(guó)內(nèi)在自主設(shè)計(jì)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(shè)計(jì),提出了一種基于紅外熱釋電效應(yīng)的微型化非分光紅外CO2傳感器。采用標(biāo)定法,探究了溫度補(bǔ)償方法,測(cè)量了不同濃度、不同溫度下探測(cè)器的輸出值,建立了溫度、CO2濃度與探測(cè)器輸出值之間的關(guān)系模型,實(shí)現(xiàn)了傳感器的溫度補(bǔ)償,使其能夠在不同溫度與不同濃度的環(huán)境下進(jìn)行精確測(cè)量。
傳感器設(shè)計(jì)
紅外CO2傳感器總體設(shè)計(jì)
本文所設(shè)計(jì)的紅外CO2傳感器由紅外光源、氣室、紅外探測(cè)器、主電路系統(tǒng)四個(gè)主體部分組成,如圖1所示。
圖1 紅外CO2傳感器整體設(shè)計(jì)。(a)傳感器結(jié)構(gòu)原理圖;(b)傳感器截面圖
光學(xué)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(xué)傳感器氣室結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為了實(shí)現(xiàn)傳感器微型化同時(shí)保持高性能,本文設(shè)計(jì)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(zhǎng)度,并通過將光源發(fā)射、光傳播及吸收、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理等模塊進(jìn)行集成設(shè)計(jì),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(shí)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(zhǎng)。紅外探測(cè)器采用PYS3228探測(cè)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(zhǎng)差分設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)的影響,從而減小測(cè)量誤差,提高系統(tǒng)測(cè)量精度。系統(tǒng)工作流程為:首先單片機(jī)輸出合理頻率的光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)點(diǎn)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(cè)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(hào),電信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理與濾波后,輸入單片機(jī)內(nèi)ADC采集并結(jié)合溫度信息處理,最終計(jì)算并輸出氣室內(nèi)CO2氣體濃度。
硬件電路與軟件程序設(shè)計(jì)
紅外CO2傳感器硬件電路與軟件程序均采用模塊化設(shè)計(jì),以降低系統(tǒng)耦合性。硬件主要由光源驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)等組成。軟件部分主要包括光源驅(qū)動(dòng)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(jī)以實(shí)時(shí)顯示氣體含量信息與環(huán)境溫度信息。
氣體濃度的測(cè)量與測(cè)試過程中的環(huán)境溫度有干擾關(guān)系,對(duì)氣體濃度測(cè)量具有較大影響。因此,使用溫度補(bǔ)償能夠確保系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)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(jī)作為主機(jī)通過IIC通訊讀取溫濕度傳感器采集的溫度值,并在單片機(jī)內(nèi)部通過軟件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
傳感器測(cè)試標(biāo)定與分析
為了保證傳感器的精度與檢測(cè)范圍,采用標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度標(biāo)定傳感器的方法。搭建傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖2所示,主要有高低溫潮濕箱,標(biāo)準(zhǔn)氣體源、傳感器工裝組成。標(biāo)定的結(jié)果如圖3所示。
圖2 傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。(a)結(jié)構(gòu)組成圖;(b)實(shí)物圖
圖3 不同溫度與不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體的標(biāo)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(cè)到,溫度(t)影響峰峰值的差值(d1),進(jìn)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(jì)算補(bǔ)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(bǔ)償后的差值(d)與標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度(C)之間的關(guān)系圖,如圖4。
圖4 溫度補(bǔ)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(zhǎng)差分方法,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于紅外熱釋電效應(yīng)的微型非分光紅外CO2傳感器。采用標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度標(biāo)定傳感器的方法,實(shí)現(xiàn)了傳感器的溫度補(bǔ)償,使其能夠在不同溫度與不同濃度的環(huán)境下進(jìn)行精確測(cè)量。該傳感器實(shí)現(xiàn)直徑為23mm,高為10mm的微型設(shè)計(jì),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(zhǔn)測(cè)量。可為我國(guó)工業(yè)制造、生產(chǎn)生活環(huán)境中CO2濃度監(jiān)測(cè)提供核心器件及技術(shù)支持,對(duì)保障安全生產(chǎn)及人體健康具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
本研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(52175525)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2020YFB2009100)、中國(guó)博士后基金特別資助(2019T120198)的支持。
來源:MEMS
評(píng)論