非分散紅外二氧化碳檢測儀研制

劉恒， 任洪亮

(華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

非分散紅外二氧化碳檢測儀研制

劉恒， 任洪亮

(華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

設(shè)計一種電調(diào)制、一體化的二氧化碳體積分數(shù)檢測系統(tǒng).該系統(tǒng)基于CO2氣體分子對紅外光的特征吸收和Lambert-beer定律，采用雙通道設(shè)計，由熱釋電傳感器檢測到的兩路信號經(jīng)過1 Hz低通放大電路處理后，輸入示波器顯示.為了避免光源波動對測量結(jié)果的影響，采用5 V穩(wěn)壓電路驅(qū)動紅外光源，單片機對其進行1 Hz亮滅調(diào)制.對兩路輸出信號進行計算，可得CO2體積分數(shù).結(jié)果表明：檢測儀量程為0%～80%，響應(yīng)時間小于1.5 s.

CO2; 氣體檢測; Lambert-beer定律; 熱釋電傳感器; 光源調(diào)制; 濾波放大電路

近年來，人們對溫室氣體主要成分二氧化碳的關(guān)注度日益提高[1].開發(fā)一種便攜式、大眾化的紅外二氧化碳氣體檢測裝置顯得尤為迫切[2].目前，檢測CO2的方法主要有色譜法、電化學(xué)法、電氣法及光學(xué)吸收法等[3].國內(nèi)CO2檢測系統(tǒng)常用于地下車庫、礦井及溫室大棚等場所，但國內(nèi)廠家生產(chǎn)的非分散紅外(NDIR)二氧化碳檢測儀多數(shù)采用20世紀80年代的技術(shù).系統(tǒng)不但體積大，且使用壽命、抗干擾能力和精度等方面也有待提高[4].基于此，本文設(shè)計一種采用紅外光檢測法的CO2檢測系統(tǒng).

1 設(shè)計原理

不同分子或原子的電子所處的能級不同[5]，電子在吸收外界輻射的能量時，只能吸收能量大小與能級差相同的部分[6].由CO2的吸收譜線可知：對于波長為4.00 μm的紅外光，CO2幾乎不吸收；對于波長為4.26 μm的紅外光，幾乎完全吸收.此外，CO2對紅外光的吸收還遵從朗伯比爾定律[7]，即

圖1 系統(tǒng)示意圖Fig.1 System schematic diagram

式(1)中：L為光在氣室通過的長度；C為被測氣體體積分數(shù)；α為光被吸收的比例系數(shù)，它與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長有關(guān)；I0為通過氣體前的光強大?。籌為通過氣體后的光強大小.這一特性為系統(tǒng)的設(shè)計提供了依據(jù).

系統(tǒng)示意圖，如圖1所示.氣室安裝紅外光源的一端設(shè)計成拋物面，氣室內(nèi)壁鍍高反膜，以保證平行光入射.紅外光源發(fā)出的光經(jīng)過氣室中的CO2吸收后，入射到參考通道和測量通道的濾光片上，兩通道輸出電壓與入射光強有關(guān)，分別為

式(3)中:K1,K2分別為參比通道和測量通道的系統(tǒng)參數(shù)，與熱釋電探測器的種類和濾光片的透光特性有關(guān)[8].由式(1)～(3)可得系統(tǒng)設(shè)計的理論依據(jù)為

圖2 相對輻射強度與驅(qū)動電壓函數(shù)關(guān)系Fig.2 Relative radiation intensity as functionof supply voltage

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1熱釋電傳感器和紅外光源調(diào)制

2.1.1 熱釋電傳感器 選用PYS 3228型紅外熱釋電傳感器，其正常工作電壓為5 V.熱釋電傳感器兩通道分別采用4.00 μm濾光片和4.26 μm濾光片.4.00 μm的濾光片作為參考通道，4.26 μm的濾光片作為測量通道[9].

2.1.2 紅外光源調(diào)制 選用IRL 715型紅外光源，其輻射波長為0.38～4.40 μm.紅外光源相對輻射強度與驅(qū)動電壓的關(guān)系，如圖2所示.圖2中：p為相對輻射強度.由圖2可知：當驅(qū)動電壓為5 V時，4.00，4.26 μm波長處的輻射強度基本相同.為滿足兩波長對應(yīng)輻射強度相同，且降低光源波動引起的測量誤差，決定采用5 V穩(wěn)壓電源驅(qū)動紅外光源.熱釋電頻率響應(yīng)曲線與紅外光源調(diào)制曲線，如圖3,4所示.圖3,4中：Res為響應(yīng)率；D為光源調(diào)制深度.

圖3 熱釋電頻率響應(yīng)曲線 圖4 IRL 715調(diào)制深度曲線Fig.3 Pyroelectric detector frequency-response curve Fig.4 IRL 715 modulation depth curve

由圖3,4可知：熱釋電傳感器的最佳響應(yīng)頻率為0.1～0.4 Hz；紅外光源適合低頻調(diào)制.然而，信號調(diào)制頻率太低不利于放大濾波電路的實現(xiàn)，在實際電路中，一般不能滿足熱釋電傳感器的最佳調(diào)制深度.考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，決定采用頻率為1 Hz的5 V電壓驅(qū)動紅外光源.調(diào)制信號由單片機輸出.

圖5 濾波放大電路Fig.5 Filter amplifier circuit

2.2濾波放大電路

系統(tǒng)采用雙通道設(shè)計，因參考通道和測量通道電路相同，文中僅以一路為例.放大濾波電路，如圖5所示.熱釋電探測器輸出有0.4 V的直流偏置，但有用的是隨光源調(diào)制而響應(yīng)的交流分量.因此，放大電路中加入C5,C6隔直電容，以除去直流偏置.

R5,C4和R3,C1用作二階低通濾波，采用二階低通，能夠減小帶寬，提高測量精確度[10].電路傳遞函數(shù)可表示為

式(5)中:R=R3=R5=500 kΩ；C=C1=C4=0.1 μF；ω=2πf,f為輸入信號頻率.將f0=1/(2πRC)=3.2 Hz帶入式(5)，可得輸入頻率為f的信號時的電壓放大倍數(shù)為

2.3紅外光源穩(wěn)壓驅(qū)動電路

穩(wěn)壓芯片選用ADP 2503型DC-DC轉(zhuǎn)換器(美國亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)公司)，其供電電壓為2.3～5.5 V，輸出電壓為2.8～5.0 V,內(nèi)部補償最大化地減少了外部元件數(shù)量.芯片輸出電流高達600 mA，可直接驅(qū)動額定電流為110 mA的紅外光源.當負載電流較高時，可采用電流模式的固定頻率脈寬調(diào)制(PWM)控制方案，以獲得出色的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng).供電電源可使用單節(jié)鋰電池、多節(jié)堿性電池、USB及其他標準電源.穩(wěn)壓電路原理圖，如圖7所示.其輸出電壓為

式(7)中:Uref為參考電壓值，由芯片本身決定，其值為0.5 V.在系統(tǒng)電路中，R1取37 kΩ，R2取333 kΩ,Uout計算值為5 V.

輸入電容C3可減小電池開關(guān)頻率紋波的幅度.電感L1決定電感電流的紋波和環(huán)路動態(tài)特性，其值通常在1.0～1.5 μH.為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)響應(yīng)，輸出端接入22 μF的電容C2.在輸出端后，加入一級LC諧振濾波電路，使輸出更加穩(wěn)定[11].

圖6 仿真波形 圖7 穩(wěn)壓電路 Fig.6 Simulation waveform Fig.7 Voltage regulator circuit

3 測試結(jié)果與分析

圖8 系統(tǒng)工作曲線 圖9 靈敏度與二氧化碳體積分數(shù)關(guān)系 Fig.8 System working curve Fig.9 Sensitivity as function of CO2 volume fraction

4 結(jié)束語

基于CO2氣體分子對紅外光的特征吸收和Lambert-beer定律設(shè)計了CO2體積分數(shù)檢測系統(tǒng).采用新型紅外光源，并利用新型穩(wěn)壓芯片對光源進行調(diào)制，減小了以往由于紅外光源不穩(wěn)定帶來的測量誤差.系統(tǒng)采用新型熱釋電傳感器，并且在信號處理部分采用低噪聲、高靈敏度的運算放大器進行二級低通濾波放大，減小了噪聲引起的誤差，提高了測量靈敏度.此外，雙通道差分檢測設(shè)計提高了系統(tǒng)抗干擾能力，減小環(huán)境變化對測量的影響.測試結(jié)果表明：系統(tǒng)具有良好的工作特性，量程為0%～80%，響應(yīng)時間小于1.5 s.

[1] 陳俊武,陳香生,胡敏.中國低碳經(jīng)濟前景芻議(下)： 中國減少碳排放措施[J].中外能源,2015,20(4)：1-14.

[2] ROBERT F,THOMAS T.An automotive bisource spectroscopic carbon dioxide sensor with pressure compensation[J].Sensors and Actuators B,2007,127(1): 82-88.DOI:10.1016/j.snb.2007.07.005.

[3] QIAN Weikang,HUANG Xiaoyin,QIAN Jianqiu.Research of implementation for multi-component gas monitoring based on principle of non-dispersive infrared[J].Computer Engineering and Applicating,2012,48(S2):92-95.

[4] 王文萃,欒美生,于彤彥.紅外甲烷氣體檢測儀的設(shè)計以及干擾分析[J].紅外技術(shù)，2009,31(8):458-460.

[5] 周世勛.量子力學(xué)教程[M].北京:高等教育出版社,2009.

[6] SIPIOR J,EICHHOM L,LAKOWICZ J R. Phase fluorometric optical carbon dioxide gas sensor for fermentation off-gas monitoring[J].Biotechnol Prog,1996,12(2):266-271.DOI:10.1021/bp960005t.

[7] WERLE P.A review of recent advances in semiconductor laser based gas monitors[J].Spectrochemical Acta Part A:Molecular and Biomolecular Spectroscopy,1998,54(2):197-236.DOI:10.1016/S1386-1425(97)00227-8.

[8] 趙玲,趙燕,何秀麗,等.基于超薄鉭酸鋰晶片及炭黑吸收層的熱釋電探測器[J].納米技術(shù)與精密工程,2013,12(1):44-50.DOI:10.3969/j.issn.1672-6030.2014.01.008.

[9] 任洪亮.總有機碳分析儀信號處理算法的分析[J].華僑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,35(2):142-145.

[10] 侯衛(wèi)國,谷城.壓控電壓源二階低通有源濾波電路設(shè)計與仿真[J],實驗技術(shù)與管理,2014,31(10):103-106.

[11] 余明揚,余斌,潘俊東,等.CLC濾波電路參數(shù)對紋波抑制的影響[J].計算機仿真,2014,31(2):183-186.

(責(zé)任編輯： 錢筠英文審校： 吳逢鐵)

CarbonDioxideDetectorBasedonNon-DispersedInfraredPrinciple

LIU Heng, REN Hongliang

(College of Information Science and Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

A compact non-dispersed infrared CO2measuring system using electrical modulated infrared source is designed. The system uses dual channel pyroelectric sensors to detect CO2molecular based on characteristic infrared absorption and Lambert-beer low. Two channels signals detected from pyroelectric sensor are filtered by 1 Hz low pass amplifier circuit. The measured result is displayed on an oscilloscope. In order to avoid measurement result is affected by light source fluctuation, the infrared light source is powered by 5 V voltage regulator circuit, and it is switched on and off with 1 Hz modulation frequency controlled by a single chip. The volume fractions of CO2is obtained according to the calculation of the tow output signal. Result shows that the detector has the measurement rang of 0%-80%, the response time less than 1.5 s.

CO2； gas detection; Lambert-beer low; pyroelectric sensors; light source modulation; filtering-amplifying circuit

10.11830/ISSN.1000-5013.201507038

X 853

A

1000-5013(2017)06-0854-04

2015-07-26

任洪亮(1980-)，男，副教授，博士，主要從事光電檢測及光學(xué)微操控儀器研發(fā)的研究.E-mail:renhongliang@hqu.edu.cn.

福建省自然科學(xué)基金資助項目(2012J05120)； 福建省泉州市科技計劃資助項目(2012Z95)； 華僑大學(xué)科技文化創(chuàng)新基金資助項目(201510385040)