基于紅外熱釋電效應(yīng)的微型NDIR CO2傳感器，可在不同溫度、濃度下精確測量

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，中北大學(xué)譚秋林教授團隊在《中國激光》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)計與測試”的最新論文，文中設(shè)計實現(xiàn)了一種微型雙通道非分光紅外（NDIR）CO2氣體傳感器，采用標準氣體濃度標定傳感器的方法，實現(xiàn)了傳感器的溫度補償，使其能夠在不同溫度與不同濃度的環(huán)境下進行精確測量。

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，但面臨集成度不高、尺寸大、精度低以及核心部件依賴進口等問題。國內(nèi)目前普遍采用進口傳感器，或者購入半成品二次加工。近年來，在各大研究機構(gòu)與高校的努力下，國內(nèi)在自主設(shè)計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，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。采用標定法，探究了溫度補償方法，測量了不同濃度、不同溫度下探測器的輸出值，建立了溫度、CO2濃度與探測器輸出值之間的關(guān)系模型，實現(xiàn)了傳感器的溫度補償，使其能夠在不同溫度與不同濃度的環(huán)境下進行精確測量。

傳感器設(shè)計

紅外CO2傳感器總體設(shè)計

本文所設(shè)計的紅外CO2傳感器由紅外光源、氣室、紅外探測器、主電路系統(tǒng)四個主體部分組成，如圖1所示。

圖1 紅外CO2傳感器整體設(shè)計。（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，為了實現(xiàn)傳感器微型化同時保持高性能，本文設(shè)計了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度，并通過將光源發(fā)射、光傳播及吸收、光電信號轉(zhuǎn)換及信號處理等模塊進行集成設(shè)計，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。紅外探測器采用PYS3228探測器，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。

采用單光路雙波長差分設(shè)計思想，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、水分等干擾因素對系統(tǒng)的影響，從而減小測量誤差，提高系統(tǒng)測量精度。系統(tǒng)工作流程為：首先單片機輸出合理頻率的光源驅(qū)動信號點亮紅外光源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，電信號經(jīng)過信號處理與濾波后，輸入單片機內(nèi)ADC采集并結(jié)合溫度信息處理，最終計算并輸出氣室內(nèi)CO2氣體濃度。

硬件電路與軟件程序設(shè)計

紅外CO2傳感器硬件電路與軟件程序均采用模塊化設(shè)計，以降低系統(tǒng)耦合性。硬件主要由光源驅(qū)動電路、信號處理電路設(shè)計等組成。軟件部分主要包括光源驅(qū)動程序，溫濕度采集程序與數(shù)據(jù)處理程序等構(gòu)成，并編寫上位機以實時顯示氣體含量信息與環(huán)境溫度信息。

氣體濃度的測量與測試過程中的環(huán)境溫度有干擾關(guān)系，對氣體濃度測量具有較大影響。因此，使用溫度補償能夠確保系統(tǒng)測量結(jié)果的準確性。環(huán)境溫度采集電路采用的是溫濕度芯片SHT20，以單片機作為主機通過IIC通訊讀取溫濕度傳感器采集的溫度值，并在單片機內(nèi)部通過軟件進行溫度補償。

傳感器測試標定與分析

為了保證傳感器的精度與檢測范圍，采用標準氣體濃度標定傳感器的方法。搭建傳感器標定實驗平臺，如圖2所示，主要有高低溫潮濕箱，標準氣體源、傳感器工裝組成。標定的結(jié)果如圖3所示。

圖2 傳感器標定實驗平臺。（a）結(jié)構(gòu)組成圖；（b）實物圖

圖3 不同溫度與不同濃度的標準氣體的標定數(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可以觀測到，溫度（t）影響峰峰值的差值（d1），進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，可以得到用于計算補償后的差值（d）與溫度（t）及峰峰值差值（d1）的關(guān)系式，并得到補償后的差值（d）與標準氣體濃度（C）之間的關(guān)系圖，如圖4。

圖4 溫度補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，采用單氣路雙波長差分方法，設(shè)計實現(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。采用標準氣體濃度標定傳感器的方法，實現(xiàn)了傳感器的溫度補償，使其能夠在不同溫度與不同濃度的環(huán)境下進行精確測量。該傳感器實現(xiàn)直徑為23mm，高為10mm的微型設(shè)計，0%~2%濃度下誤差值小于0.1%，2%~5%濃度下誤差值小于0.25%的精準測量?？蔀槲覈I(yè)制造、生產(chǎn)生活環(huán)境中CO2濃度監(jiān)測提供核心器件及技術(shù)支持，對保障安全生產(chǎn)及人體健康具有重要的現(xiàn)實意義。

本研究獲得了國家自然科學(xué)基金面上項目(52175525)、國家重點研發(fā)計劃（2020YFB2009100）、中國博士后基金特別資助（2019T120198）的支持。

來源：MEMS