基于非色散紅外技術(shù)的二氧化碳傳感器研究

孫世嶺

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039)

0 引言

煤炭是我國(guó)的主要能源，在煤碳開(kāi)采過(guò)程中，有多種有毒有害氣體涌出，其中甲烷和二氧化碳?xì)怏w會(huì)致人窒息，同時(shí)甲烷氣體具有爆炸性和噴出危險(xiǎn)，是危害礦工生命安全的主要威脅[1-2]，因而甲烷氣體檢測(cè)技術(shù)發(fā)展較快。但是同樣具有噴出危險(xiǎn)的二氧化碳?xì)怏w檢測(cè)技術(shù)研究較少，煤礦安全規(guī)程明確要求，礦井必須建立瓦斯、二氧化碳和其他有害氣體檢查制度，進(jìn)行二氧化碳?xì)怏w濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)二氧化碳亦是溫室效應(yīng)氣體之一[3-5]，因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)二氧化碳?xì)怏w濃度對(duì)煤礦防突、溫室氣體排放檢查具有重要意義。二氧化碳?xì)怏w濃度檢測(cè)大多采用非色散紅外技術(shù)或可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)，檢測(cè)精度及穩(wěn)定性大大提高[6-7]。但是基于輻射熱光源的紅外檢測(cè)技術(shù)與激光檢測(cè)技術(shù)功耗較高[8]，限制了二氧化碳傳感器遠(yuǎn)距離布置檢測(cè)，低功耗是智能傳感器多點(diǎn)、無(wú)線化的必然要求[9]。

本文基于非色散紅外檢測(cè)技術(shù)，采用發(fā)光二極管作為紅外線LED光源，光敏電阻作為光電探測(cè)器的新型LED-PR光學(xué)結(jié)構(gòu)的二氧化碳傳感器，并對(duì)LED光源驅(qū)動(dòng)邏輯進(jìn)行研究，降低二氧化碳傳感器功耗，以滿(mǎn)足煤礦低功耗、長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸?shù)亩趸紮z測(cè)需要。

1 非色散紅外二氧化碳檢測(cè)原理

非色散紅外吸收分析基于分子中原子的振動(dòng)頻率，因此不同氣體分子具有不同的吸收光譜，而紅外線入射前后光強(qiáng)度的吸收變化關(guān)系的物理過(guò)程被描述為朗伯比爾定律，其吸收率可表示為

Q=ln(I0/I)=KNL

(1)

式中：I0和I分別為光線入射前、入射后的光強(qiáng)度；L為氣室光程；K為與二氧化碳?xì)怏w有關(guān)的常數(shù)。

則氣體濃度N表示為

(2)

由式(2)可知，對(duì)于特定的擴(kuò)散氣室結(jié)構(gòu)，L的大小是確定的，非色散紅外二氧化碳檢測(cè)原理為通過(guò)測(cè)量LED光源發(fā)射的紅外光在擴(kuò)散氣室中二氧化碳?xì)怏w分子吸收前后光強(qiáng)的大小實(shí)現(xiàn)氣體濃度的檢測(cè)。

2 傳感器硬件設(shè)計(jì)

紅外二氧化碳傳感器由LED-PR測(cè)量單元、LED驅(qū)動(dòng)電路、LDO電源、光電信號(hào)處理電路、溫度測(cè)量電路及微處理器組成，原理框圖如圖1所示。LED光源、光敏電阻及擴(kuò)散氣室構(gòu)成LED-PR測(cè)量單元。LDO電源將外部供電轉(zhuǎn)換為各元件的適配工作電壓，LED光源在LED驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)制下發(fā)出一定頻率的紅外光，經(jīng)擴(kuò)散氣室內(nèi)二氧化碳?xì)怏w分子吸收后，光敏電阻將入射紅外光吸收，其自身阻值發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)光電信號(hào)處理電路后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸入到微處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換引腳，微處理器將轉(zhuǎn)換后的A/D值帶入特定計(jì)算函數(shù)，計(jì)算得到二氧化碳濃度值，通過(guò)TTL電平信號(hào)實(shí)現(xiàn)與變送器通信。同步測(cè)量溫度電路的實(shí)時(shí)數(shù)值，根據(jù)補(bǔ)償算法修正二氧化碳濃度結(jié)果。

圖1 紅外二氧化碳傳感器原理框圖

2.1 LED-PR測(cè)量單元

二氧化碳?xì)怏w分子在4.2～4.32 μm波段具有非常強(qiáng)的吸收峰，在2.0 μm和2.7 μm處有2個(gè)較弱小的吸收峰，為了提高傳感器的檢測(cè)精度和抗干擾能力，紅外二氧化碳傳感器的LED光源和PR探測(cè)器光譜范圍應(yīng)覆蓋4.2～4.32 μm波段。

現(xiàn)有紅外二氧化碳傳感器采用白熾燈作為紅外熱光源，在探測(cè)器上設(shè)計(jì)濾光片實(shí)現(xiàn)特定光譜的選擇吸收，功耗較大，且抗干擾能力弱。本文中紅外二氧化碳傳感器的光源采用峰值波長(zhǎng)4.3 μm的型號(hào)為L(zhǎng)ED43的LED冷光源作為二氧化碳?xì)怏w測(cè)量光源，其發(fā)射波長(zhǎng)峰值對(duì)應(yīng)二氧化碳4.3 μm主吸收峰。型號(hào)為PR43的光敏電阻用作測(cè)量PR探測(cè)器，其截止波長(zhǎng)為4.3 μm；LED43、PR43與CO2氣體主吸收峰的光譜關(guān)系如圖2所示。

圖2 LED43、PR43與CO2氣體主吸收峰的光譜關(guān)系

由圖2可知，LED43發(fā)出的紅外光譜，在4.2～4.32 μm波段被CO2氣體吸收，此時(shí)PR43接收的紅外線強(qiáng)度變小，阻值變大，式(2)可知，阻值變化量和CO2氣體濃度存在正比例關(guān)系，從而通過(guò)計(jì)算得出CO2氣體濃度。

2.2 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

LED光源響應(yīng)速度快，時(shí)間達(dá)到ns級(jí)，因此LED光源可以工作在一定頻率的脈沖模式下，從而實(shí)現(xiàn)降低傳感器功耗的目的，確定LED驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 LED驅(qū)動(dòng)電路

圖3中，LED驅(qū)動(dòng)芯片為L(zhǎng)P5910-1.0DRVR，是輸出電流高達(dá) 300 mA的低靜態(tài)電流、高電源抑制比、低噪聲 LDO芯片。芯片標(biāo)稱(chēng)輸入電壓范圍為1.3～3.3 V，輸出電壓為1.0 V，具有輸出使能EN引腳，負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間典型值為80 μs，滿(mǎn)足LED光源高速驅(qū)動(dòng)的要求。

微處理器直接通過(guò)I/O引腳控制LP5910使能引腳，當(dāng)EN為低電平時(shí)，LDO芯片關(guān)斷輸出，當(dāng)EN為高電平時(shí)，LDO芯片輸出1.0 V，紅外光源LED43正向?qū)妷簽?.6 V，因此R1電阻的壓降U1為0.4 V。紅外光源LED43驅(qū)動(dòng)電流越大，發(fā)射光強(qiáng)越大，在滿(mǎn)足傳感器檢測(cè)量程、靈敏度、分辨率的前提下，確定LED43工作電流為200 mA左右為宜。由電阻與電壓、電流計(jì)算關(guān)系可知，當(dāng)通過(guò)R1電流為200 mA時(shí)，則R1電阻值為2 Ω，為滿(mǎn)足電阻消耗功率要求，R1電阻選由0603封裝尺寸。

為降低傳感器功耗，充分發(fā)揮LED紅外光源高速響應(yīng)的特性，LED驅(qū)動(dòng)電路采用脈沖驅(qū)動(dòng)邏輯，脈沖頻率為2 Hz，脈沖寬度為50 ms，即紅外光源LED43每500 ms工作50 ms。即LED光源驅(qū)動(dòng)電路的功耗只有連續(xù)工作情況下的10%。微處理器根據(jù)脈沖驅(qū)動(dòng)邏輯控制LP5910-1.0DRVR的EN引腳為低電平，芯片輸出電壓為0，LED43不工作，持續(xù)時(shí)間為450 ms，此時(shí)，微處理器控制EN引腳為高電平，芯片輸出電壓為1.0 V，紅外光源LED43上電工作，上電50 ms后，控制EN引腳為低電平，關(guān)斷芯片輸出，以此邏輯時(shí)序控制LED43工作狀態(tài)。

假設(shè)LED驅(qū)動(dòng)電路一直上電連續(xù)工作的功耗可根據(jù)功率與電流、電壓關(guān)系計(jì)算得出，功耗P0為0.66 W，同時(shí)根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)電路采用脈沖驅(qū)動(dòng)邏輯每500 ms工作50 ms，計(jì)算功耗降低為0.06 W，與現(xiàn)有紅外二氧化碳傳感器0.1 W的功耗相比，功耗降低1/3以上，實(shí)現(xiàn)了降低傳感器功耗的設(shè)計(jì)要求。

2.3 光電信號(hào)處理電路

傳感器采用光敏電阻作為紅外光信號(hào)接收轉(zhuǎn)換核心元件。根據(jù)光敏電阻的伏安特性，在一定范圍內(nèi)，光敏電阻的阻值不隨外電壓改變，僅取決于輸入光強(qiáng)度，光電信號(hào)處理電路如圖4所示。

圖4 光電信號(hào)處理電路

圖4中，PR43與R6電阻構(gòu)成分壓電路，與OPA2330運(yùn)放芯片、R2、R4電壓跟隨電路，輸出光電信號(hào)AN_HW。當(dāng)紅外入射光強(qiáng)度隨二氧化碳?xì)怏w濃度變化時(shí)，PR43的阻值成線性規(guī)律變化，微處理器采集AN_HW光電信號(hào)后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，計(jì)算出PR43的阻值大小，進(jìn)而計(jì)算出二氧化碳濃度。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

傳感器程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，編譯環(huán)境為Keil uVision5。程序首先進(jìn)行微處理器主頻、A/D轉(zhuǎn)換功能模塊及采樣引腳、控制引腳等硬件初始化，讀取配置傳感器零點(diǎn)、精度參數(shù)，而后進(jìn)行周期性的A/D采集、計(jì)算及通訊，軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

利用二氧化碳?xì)怏w分子在4.2～4.32 μm處的主吸收峰，選用峰值波長(zhǎng)4.3 μm的LED43作為測(cè)量紅外光源，截止波長(zhǎng)4.3 μm的光敏電阻PR43作為測(cè)量光電探測(cè)器，LED電流驅(qū)動(dòng)電路采用脈沖工作模式，通過(guò)光敏信號(hào)處理電路及軟件設(shè)計(jì)，研制了一種具有低功耗技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基于NDIR技術(shù)的二氧化碳傳感器。下一步將對(duì)傳感器進(jìn)行了溫度、濕度及其他性能實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果給出了基本性能指標(biāo)參數(shù)。