20世紀60年代，以半導體類、光學類、電化學類為基礎的氣體傳感器逐漸走入人們的視線，傳統的二氧化碳（CO?）傳感器是基于電化學原理制成的，壽命較短，并且易受可燃氣體的限制，無法適用于某些特殊場景。紅外氣體傳感器基于其在靈敏度、響應時間、可靠性和成本等方面的優勢而備受關注，在國內外市場都存在巨大需求。因此，進一步研發紅外氣體傳感器新技術、開發新工藝是未來的重要研究方向。
據麥姆斯咨詢報道，基于非色散紅外（NDIR）差分檢測技術，中北大學的研究人員設計了一種雙通道紅外CO?氣體傳感器檢測系統，實現了對CO?氣體濃度的實時監測。該傳感器可以實現在不同溫度下對0 ~ 5%濃度內的CO?進行檢測，且測量誤差小于0.2%，具有精度高、穩定性好的特點，可用于火災報警、人體健康監測等領域的需求。相關研究成果已發表于《艦船電子工程》期刊。
這項研究所提出的雙通道紅外CO?氣體傳感器檢測系統主要包括氣室設計、硬件電路設計以及軟件系統設計。在氣室方面，采用了單光路雙波長的直射型氣室結構，不僅增加了光程，還有效地減少了光路損耗，提高了整個系統的抗干擾能力。在硬件部分，以模塊化的方式進行設計，包括單片機控制模塊、紅外光源驅動模塊、電源模塊和信號調理模塊，提高了整個系統的信噪比。整個系統以STM32單片機為控制核心，對熱釋電探測器輸出信號進行放大、濾波處理，再通過A/D轉換，實現對輸出信號峰峰值的采集，最終達到對CO?氣體濃度的實時監測。
氣室與光路仿真
光學氣室的結構不僅影響檢測系統的精度而且對傳感器的尺寸大小也有影響。根據郎伯-比爾定律可知，CO?的吸光度與氣室的有效光程成正比，氣室內紅外光吸收的有效光程越長，CO?吸收的紅外輻射就越充分，而在實際過程中，若氣室的有效光程太長，則損耗越大，影響測量結果的準確性，因此，設計的氣室結構光程不宜過長。這項研究提出一種直射型氣室結構，直徑為10 mm，高度為20 mm，具有體積小、光程適中的特點，相比于折射型與反射型氣室，光損耗更低。
圖1 直射型光學氣室結構
在光路仿真中，利用Solidworks軟件構建了一個直射型氣室的三維模型，并將該模型導入Tracepro中，分別設置光源發射波長為4.26 μm和3.95 μm，氣室的內表面反射率為95%，以及熱釋電探測器可以吸收0 ~ 38.9°范圍的紅外光，探測器測試通道和參考通道的光通量分別為0.183 W和0.185 W，相差不大，具有良好的一致性，適合應用到非色散紅外CO?探測器中。
圖2 信號通道和參考通道光學仿真
硬件電路與軟件設計
為了降低耦合性，硬件系統以模塊化方式進行設計，其工作原理為：單片機通過控制定時器，輸出PWM波，用于光源驅動，紅外光源在驅動下發出4.26 μm測量波長和3.95 μm參考波長的紅外光，經過裝有待測氣體的氣室后照射到探測器上，進行光電轉換，感應出一定的電壓信號，將產生的電壓信號經過放大濾波后送入ADC中進行數據采集，單片機通過對兩通道的電壓值進行分析處理后計算出CO?濃度，最終，通過串口連接上位機直觀地輸出濃度信息。
圖3 系統總體設計框圖
整個測量系統的精度與軟件程序是密不可分的。軟件設計部分主要由對系統進行初始化，單片機輸出PWM波，ADC實現對數據的采集，單片機進行數據處理以及串口輸出CO?濃度信息組成。
圖4 軟件設計程序流程圖
傳感器系統測試
為了確保測量的準確性，采用標準CO?氣體標定法測量不同溫度下熱釋電探測器兩通道電壓比值。為了測試系統的穩定性，研究人員將傳感器放在室溫下，并通入1.5%的CO?標準氣體，每隔1分鐘記錄一次數據，持續工作6小時，觀察傳感器輸出信號的電壓峰峰值，結果表明，該傳感器可以實現在不同溫度下對0 ~ 5%濃度內的CO?氣體進行檢測，具有良好的穩定性和準確性。
圖5 不同溫度下，CO?濃度與峰峰值差比值關系
圖6 穩定性實驗數據圖
綜上所述，這項研究采用NDIR檢測技術，設計了一款體積小、精度高、穩定性好的雙通道紅外CO?氣體傳感器檢測系統，實現了對CO?氣體濃度的實時監測。在氣室方面，利用單光路雙波長差分檢測技術，提出了一種直射型氣室結構。在硬件電路方面，實現了對輸出信號的放大濾波，提高了整個系統的信噪比。通過采用標定法對傳感器進行測試，驗證了該傳感器可以實現在不同溫度下對0 ~ 5%濃度內的CO?進行檢測，可滿足消防、礦井監測、人體健康監測等領域的需求。
論文信息：
DOI: 10.3969/j.issn.1672-9730.2023.05.043
