基于NDIR技術的紅外CO2氣體傳感器研究

張雅楠,劉 燦,張 磊,譚秋林,于 可,劉瑞康

(中北大學,省部共建動態測試技術國家重點實驗室,山西太原 030051)

0 引言

近年來,作為溫室氣體排放的重要指標,CO2氣體的檢測一直是不容忽視的問題,不同應用場景對其體積分數要求不同。根據研究,大氣中CO2含量達到3%時,會使人心跳加快和呼吸急促;當含量超過5%時,就會出現血壓升高、耳鳴等癥狀,因此,對CO2體積分數的監測變的越發重要[1-2]。目前,最常用的CO2傳感器是基于非分光紅外線技術(NDIR),根據氣體分子在特定波長內對紅外光吸收的原理, 不但解決了傳統的電化學氣體傳感器易中毒、老化、壽命短的問題,同時還因其檢測精度高、范圍廣、可靠性高、使用壽命長而被普遍認為是發展趨勢[3]。2012年,美國J.Y.Wong等[4]利用MEMS發射器和探測器,將一種新型的CO2紅外傳感器集成到光纖中。2013年,D.Zhao等[5]設計了一種帶有交叉室的呼吸CO2傳感器。2016年,T.A.Vincent等[6]開發一種在0.5%～4%范圍內使用的便攜式NDIR呼吸分析儀。2015年,文獻[7]開發一套多組分氣體紅外光學檢測系統,為我國多組分氣體傳感器的研發工作提供了一條切實可行的途徑。

本文提出一種基于NDIR原理的雙通道紅外CO2氣體傳感器。該傳感器使用單光路雙波長的折疊式氣室結構、信號調理電路和數字匹配濾波器(DMF)實現信號的穩定輸出。為克服環境溫度引起的測量誤差,采用峰峰值差比值法建立溫度補償模型,得到了CO2氣體體積分數與輸出信號之間的函數關系,從而降低 CO2氣體探測時的溫度漂移,最終實現在不同溫度下,CO2氣體在0～5%體積分數范圍內的最大測量誤差小于±0.15%,且精度可達3%的精準測量,與已有的測量方法相比,該方法具有靈敏度高、穩定性好和環境適應能力強的特點,滿足了環境監測與人體健康監測等方面的需求。

1 基本檢測原理

1.1 朗伯-比爾定律

由紅外光譜學可知,紅外光照射氣體分子的過程中,當紅外輻射的頻率與氣體分子的振動頻率一致時,該氣體就會吸收對應波段的紅外光,從而對應波長的光強減弱[8-9],其體積分數與光強的對應關系遵循朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律[10],如式(1)所示:

I(λ)=I0(λ)e-k(λ)CL

(1)

式中:I0(λ)、I(λ)分別為入射光和出射光的強度;k(λ)為氣體吸收系數;C為氣體體積分數;L為有效氣體吸收光程。

由式(1)化簡得:

(2)

由式(2)可知,當確定了整個系統的結構時,氣體吸收系數k(λ)、傳播光程L均為確定已知,因此,待測氣體的體積分數C可以通過測量紅外光照射前后對應波長的光強來計算。

1.2 NDIR差分檢測原理

在氣體體積分數檢測的應用中,不同環境下輸出信號會產生很大的波動[11]。因此,本文選擇單光路雙波長的差分檢測技術,可以有效減少誤差。其原理是將光源發出的紅外光束分為2路信號:一路是信號光,波長可被待測氣體吸收,另一路是參考光,任何氣體均無吸收且不受環境中其他氣體的干擾,原理圖如圖1所示。根據紅外吸收光譜可選波長為4.26 μm的光束作為CO2氣體吸收波長的信號光束,并引入3.9 μm波長作為參考光束。

圖1 NDIR差分檢測原理圖

由于實際測量中,存在粉塵和水分等干擾,將環境干擾考慮進入朗伯-比爾定律中,使得信號光束和參考光束2個通道的輸出光強分別為:

I(λ1)=I0(λ)×exp[-k(λ1)C1L1+β1+δ1]

(3)

I(λ2)=I0(λ)×exp[-k(λ2)C2L2+β2+δ2]

(4)

式中:β和δ分別為與波長相關和波長無關的干擾因子;λ1為CO2氣體吸收波長;λ2為參考波長。

由于2個通道在同一環境下,故L1=L2=L;因為工作波長接近參考波長,故β1=β2,δ1=δ2;在使用單光源時,兩通道的初始光強差別可以忽略不計,即I0(λ1)≈I0(λ2),兩式相比得待測氣體的體積分數C表達式:

(5)

由于熱釋電探測器選用壓電材料作為敏感元,其輸出電壓與光強成正比,即U∝I,因此,將式(5)改寫為式(6):

(6)

式中:U(λ1)、U(λ2)分別為CO2測量通道和參考通道輸出電壓信號。

將式(6)化簡并通過泰勒公式展開得到式(7),這樣就可以通過2個通道的電壓信號差值直接計算出氣體體積分數。

(7)

1.3 數字匹配濾波器

數字匹配濾波器(digital matched filter,DMF)技術廣泛應用于圖像處理和模式識別中,對微弱信號進行檢測[12]。其原理是DMF的頻率響應與檢測到的輸出信號頻譜完全匹配,允許測試信號中的各個頻譜分量通過,而信號中沒有的頻率均是該濾波器的截止頻率[13]。對于一個輸出信號s(t),與其匹配的是具有沖激響應的濾波器,其沖激響應為:

h(τ)=ks(Δ-τ)

(8)

式中k和Δ為任意常數。

對式(8)進行傅里葉變換得DMF的傳遞函數,其形式為:

(9)

式中τ′=Δ-τ。

因此,實際信號s(t)的頻譜可以寫成:

(10)

比較式(9)和式(10),可得DMF傳遞函數為

H(j2πf)=kS(-j2πf)e-j2πfΔ=kS*(-j2πf)e-j2πfΔ

(11)

式中“* ”表示復共軛。

DMF與傳統的低通濾波器相比,可以使信號的波形平滑,同時更加容易檢測到峰峰值波長,實現對高頻小信號與大幅值尖峰脈沖的有效濾除,具有較高的信噪比。

2 氣室設計與光路仿真

整個系統的精度、整體性能都與光學氣室有密切的關系,根據朗伯-比爾定律可知,在測量低體積分數氣體時,應盡可能增加光路,以保證氣體分子能夠充分吸收相應波長的光,但氣室的光程太長會使紅外光的損耗增大,因此,氣室的光程也不宜太長[14]。本文提出一種反射式氣室,通過SolidWorks 構建三維模型并將其導入TracePro中仿真。氣室表面鍍金,提高反射率,實現光線多次反射,增強光程的目的,氣室結構及仿真如圖2所示。

圖2 氣室結構和仿真圖

在TracePro中,光源發射波長為4.26 μm和3.9 μm,氣室表面反射率為95%,光源總功率為1 W,發射無規則光線為10 000條。氣室輻照度結果如圖3所示,由圖3可知,探測器兩通道的光吸收通量幾乎相等,分別達到了0.106 W和0.096 W,具有很好的一致性,既保證了探測器的響應強度,又提高了探測器的靈敏度,適用于雙通道NDIR紅外CO2探測器中。

(a)測試通道

3 紅外CO2氣體傳感器設計

3.1 系統總體設計

設計的紅外CO2氣體傳感器主要由光路系統、硬件電路系統和上位機構成,其總體結構設計如圖4所示。該系統以單片機為核心,并在探測器的前面放置波長為4.26 μm和3.9 μm的濾光片,實現對溫度與CO2氣體體積分數的實時采集。工作流程為:單片機輸出PWM波控制紅外光源發出紅外光,經氣室反射后被CO2吸收到達探測器,探測器內部實現光電轉換,輸出的電壓信號可以直接反映紅外光強的變化。但探測器輸出的有效信號十分微弱,為避免信號被淹沒到噪聲中,設計了信號調理電路對其進行放大濾波,同時,通過溫度采集電路實時采集溫度信息,用于后續實現溫度補償功能。處理后的信號通過單片機內部的ADC進行采樣分析,再由串口上傳至上位機,最終實現直觀的CO2體積分數的顯示。

3.2 硬件電路設計

3.2.1 光源驅動電路

為滿足氣體傳感器低功耗的應用需求,選用HSL5-1115型紅外光源,和具有使能端的穩壓芯片ADP160保證輸出穩定的紅外光。工作時需通過單片機輸出PWM波產生1 Hz的調制信號控制紅外光的亮滅,亮滅時間可以通過調節PWM波的脈寬實現。光源采用3.3 V供電,為防止光源在開啟和關斷的瞬間,因電源電流過大而造成短暫的大電流,從而對主電路系統產生較大干擾,因此,紅外光源采用單獨電源進行供電,且與系統回路隔離開,電路如圖5所示。

圖5 光源驅動電路

3.2.2 溫度采集電路

環境溫度的波動會導致CO2氣體傳感器測試精度受到影響,為提升測試系統在復雜環境下的自適應能力,本文選用測溫范圍廣、采樣誤差小以及功耗低的SHT20數字溫度傳感器,其溫度采樣誤差可以控制在0.3 ℃范圍內,且功耗小于1 mW。在工作時通過I2C通訊協議與單片機進行通信,同時將獲取的溫度信息以溫度補償的方式耦合到氣體體積分數中,以提高系統整體測試精度,溫度采集電路圖如圖6所示。

圖6 溫度采集電路

3.2.3 信號調理電路設計

熱釋電探測器進行光電轉換后的輸出信號是一個僅有mV級別的微弱信號,且其中夾雜了大量的噪聲信號,不能對其直接采集,需要進行放大和濾波。本文選用的是低噪聲、低功耗且支持單電源供電的LM324運放,設計了一個兩級放大電路,電路圖如圖7所示。前級放大電路用于預放大輸出信號,消除直流偏置,并濾除雜波;后級放大電路是將前級的輸出信號再次進行放大,以確保其峰峰值達到3.3 V附近,并為第一級輸出增加1.65 V的偏置電壓,以便于濾除氣體干擾信號的同時將輸出信號送至ADC中進行采樣。兩級放大電路的放大倍數由R22、R19與R9、R7確定,為防止工頻 50 Hz的干擾,通過R19、C17與R7、C6構建低通濾波器,以濾除高頻雜波。

圖7 信號調理電路

3.3 軟件程序設計

整個測量系統的精度不僅取決于硬件電路設計,且與軟件程序是密不可分的,而環境溫度對于CO2氣體體積分數的測量影響較大,因此,在軟件設計方面采用溫度補償的方法消除環境干擾,設計數字匹配濾波器提取數據中的有效值,進而提高整個系統的信噪比和檢測精度。軟件程序流程圖如圖8所示,主要包括輸出PWM波實現光源調制、ADC數據采集、數字匹配濾波器提取峰峰值、I2C獲取溫度值、溫度補償、體積分數擬合計算以及串口上位機通信功能。

圖8 軟件程序流程圖

4 傳感器系統標定與測試

4.1 傳感器標定實驗

搭建實驗測試平臺,選用標準CO2氣體標定法,建立測試通道與參考通道輸出電壓峰峰值差比值和CO2體積分數的函數關系。傳感器的標定是在高低溫試驗箱中進行,溫度的變化會影響傳感器輸出,因此,建立了7個溫度點,即0、5、10、15、20、25、30 ℃,在每個溫度條件下通入體積分數分別為0%,0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%的CO2氣體,保持一段時間,待傳感器輸出數值穩定后,開始通氣5 min,記錄數據并進行擬合,得到不同溫度下,不同CO2氣體體積分數與兩通道峰峰值差值的關系,如圖9所示。

4.2 溫度補償

由圖9可知,溫度對兩通道峰峰值差比值有影響,溫度變化越大,誤差就越大,且峰峰值差值與溫度差值之間幾乎是線性關系,符合溫度對CO2吸收系數的關系[9]。為了補償溫度對測量值的影響,采用最小二乘法對偏差值進行數據擬合,得到一個帶有溫度補償功能的體積分數計算方程,如式(12)所示,補償后的差比值與體積分數之間的關系如圖10所示。

圖10 溫度補償后體積分數與峰峰值差值關系

FA=Fa-(-16.37+0.006 626Fa+0.742 5T)

(12)

式中:FA為補償后的峰峰值差比值;Fa為未補償的峰峰值差比值;T為溫度。

將數據重新擬合后,得到帶有溫度補償的體積分數計算公式如式(13)所示。

(13)

4.3 穩定性實驗

在系統標定前,需要對整個系統的穩定性進行測試,將傳感器系統放置在25 ℃的環境里,以400 mL/min的速度依次通入體積分數為0.5%和1.5%的CO2氣體,每30 min記錄1次,持續工作12 h,測量數據圖如圖11所示。結果顯示,該傳感器的輸出信號在標準值上下浮動,且變化幅度很小,具有良好的穩定性,滿足設計需求。

圖11 穩定性測試數據圖

4.4 重復性實驗

為了驗證式(13)的正確性,在不同的溫度條件下,對CO2傳感器進行了重復性實驗,實驗結果如表1所示。由表1中的數據可知,這3種體積分數的最大偏差均小于0.15%,具有良好的重復性和溫度補償功能。

表1 溫度補償后復測實驗結果

5 結束語

鑒于傳統的CO2氣體傳感器具有體積大、穩定性差以及精度低等弊端,設計了一種具有溫度補償功能的高精度紅外CO2氣體傳感器,通過單光路雙波長的反射式氣室結構,以及設計DMF準確提取輸出信號的峰峰值,有效克服了外部環境因素的干擾,提高了整個系統的信噪比,同時采用標準氣體標定法,實現了不同溫度下對CO2體積分數的實時監測。實驗結果表明,在0～5%的CO2體積分數范圍內,最大測量誤差小于±0.15%,且檢測精度為3%FS。為我國工業開采,環境監測等領域提供了技術支持,具有廣闊的應用前景。