高稳定性红外吸收式CO2传感器

李秀茹， 齐　娜， 沈广楠， 孙　权， 黄　刚， 钱　力

(1.中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001；2.中国航天员科研训练中心，北京 100049)



高稳定性红外吸收式CO2传感器

李秀茹1， 齐娜1， 沈广楠1， 孙权1， 黄刚2， 钱力2

(1.中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001；2.中国航天员科研训练中心，北京 100049)

摘要:提出了一种具有高稳定性的红外吸收式CO2传感器，针对长时间运行、无法定期校准的实际应用特点，着重从提高传感器长期稳定性方面进行研究。该传感器利用高精密机械加工和高精度温度补偿等技术提高红外CO2传感器稳定性，经过1 000 h的实验，测试结果表明，传感器在不需要开机自校准的情况下，输出电压稳定在±1.53 %FS。从而实现了传感器精度高、可靠性高、长期稳定性好的特点。

关键词:CO2传感器； 稳定性； 温度补偿

0引言

CO2是大气中有毒有害气体中的重要成分之一[1],对其进行监测与治理是当今世界各国十分关注的重要研究课题，也是当前亟待解决的环境监测问题。基于红外吸收原理气体浓度分析仪自应诞生以来得到快速的发展，在气体检测领域的应用越来越广泛[2]。经国内外CO2传感器产品对比发现，产品中少有对于长期稳定性指标的考察，文献[3]提出的《光谱吸收式气体传感器探测电路的设计和实现》中仅有10 h稳定性实验的研究，但10 h的稳定性研究不足以满足特定环境下CO2浓度值稳定性的考察。且国内外的文献中CO2传感器的测量精度均在2 %～3 %左右[4]，有进一步提高的空间。因此，研制和开发红外吸收式CO2分析仪对提高CO2气体检测监控水平有着重要的现实意义[5]。

本文提出了一种高稳定性的红外吸收式CO2传感器。利用高精密机械加工和高精度温度补偿等技术提高红外CO2传感器的稳定性。通过1 000 h的测试研究表明，传感器在保证高精度、高可靠性的条件下，实现了较高的长期稳定性。

1红外吸收式CO2传感器原理

红外CO2传感器工作的理论依据是朗伯—比尔定律[6]

I=I0e-g(λ)CL,

(1)

式中I0为入射光强，I为出射光强,C为单位面积分子数的线密度,L为红外光透射的空间长度。g(λ)为吸收系数，与环境压力、温度、气体种类、入射光的光谱波长等因素有关系。本系统采用单束双波检测原理，检测信号和参比信号的输出电压分别为

UCO2=KCO2I0,

(2)

Uref=KrefI0,

(3)

式中KCO2,Kref分别为两通道的系统参数，该参数与滤光片的透射率和探测器的灵敏度有关。

对于确定的系统，在同一时间两个通道接收到的光强是相同的，可以得到以下关系式

(4)

式(4)经过变换，可得CO2气体浓度为

(5)

对于确定的系统，参数KCO2，Kref与吸收系数g(λ1) 以及气室长度L都是固定的，并且UCO2，Uref可以通过测量得到，所以,可以将式(5)作为CO2气体浓度检测的理论依据。

2传感器探头设计

传感器探头内部装有红外光源、气室、探测器、补偿传感器以及外壳组成，通过转接电缆与调理电路连接。传感器探头结构框图见图1。其中，光源和探测器采用压套方式与气室集成为一整体，并用胶密封以减小死区气体的影响。外壳同时兼具安装固定与散热的作用[7]。

图1　传感器探头结构框图Fig 1　Structure block diagram of sensor probe

2.1红外光源选型

红外光源是传感器的关键部件之一，其主要任务是产生红外辐射。红外光源应具有辐射强度高、寿命长、辐射功率稳定、力学性能好、可在小尺寸的面积上发光(近似点光源)，其峰值发光波长应控制在CO2气体吸收峰4.26 μm附近。本设计采用ReflectIR-P1S光源，该光源的光谱范围为2～5.25 μm，最大输入功率1.7 W。

2.2探测器选型

红外探测器是完成光/电转换的关键部件之一，它除了应具有灵敏度高、响应时间快、体积小、重量轻等性能，还应有较高的力学性能。另外，本设计采用双窗探测器，选用PerkinElmer公司生产的TPS2534双通道热电堆探测器。

此探测器采用TO—5封装，全封闭镍金属外壳，内部充干燥N2。该探测器具有两个独立的红外探测窗口，分别安装有4.26，4.0 μm滤光片，用于接收CO2通道光强和参比通道光强。

此外，TPS2534内部集成了100 kΩ NTC热敏电阻器，其热容低，响应速度快，且与探测器一同集成到气室中，能够作为温度补偿传感器对气室内温度进行实时测量，为温度补偿提供依据。

2.3气室设计

气室是存储CO2气体样本的空间，并提供一个能够让光与CO2气体相互作用的环境[8]。传感器采用集成式(旁流式)气室结构，如图2所示。气室为圆桶形，两端密封，与光源、探测器集成在一起，仅提供一个进气口和一个出气口，所以，不易受力学环境干扰。气体流向与红外辐射的传播方向一致，使入射光与气体有充分的作用时间，增加吸收程度，提高传感器灵敏度。要求气室内壁的化学稳定性要高，不吸收红外辐射，也不吸附气体、尘埃和水，因此，选用黄铜材料加工气室，加工时保证内壁粗糙度Ra不低于0.04，且进行镜面加工，此外，气室的中心轴线尽量与红外辐射平行，以减小反射造成的能量损失。气室内壁镀金，提高其化学稳定性与反射率。

图2　气室结构示意图Fig 2　Structure diagram of air chamber

3系统调理电路设计

调理电路由光源驱动模块、信号前置放大与差分模块、零点与灵敏度调节模块，以及温度补偿模块组成。光源驱动模块为光源提供恒定的电流信号，使光源输出稳定的光信号。信号前置放大与差分模块将探测器输出的微弱信号进行放大，再通过减法运算消除光源波动等因素带来的干扰。零点与灵敏度调节模块将输出电压值调节到指定范围内。温度补偿电路是使传感器在规定的温度范围内输出稳定的电压值。调理电路组成见图3。

图3　调理电路框图Fig 3　Block diagram of conditioning circuit

3.1光源驱动电路设计

光源的工作状态直接影响到传感器的检测精度与可靠性，光源的稳定性容易受到温度、电流波动等因素的影响。温度升高不仅使输出的光功率下降、影响波长的稳定，而且如果产生的热量不能及时散发掉的话会造成光源性能恶化，寿命减短。因此，本设计采用脉冲调制，可有效提高光源的发光效率，降低功耗，延长光源的使用寿命。此工作模式会减少探测器、放大器和其它元件的寄生热，提高传感器信噪比和稳定性。光源驱动电路如图4。

图4　光源脉冲驱动电路图Fig 4　Circuit diagram of pulse driver of light source

3.2温度补偿电路设计

在实际检测过程中，环境温度、光源辐射温度、待测气体压强等均会发生改变，这会对检测结果造成一定的影响。因此，必须对传感器进行补偿才能解决1 000 h长期稳定性问题。常规的温度补偿只将热敏电阻器RT以电桥的方式加入到电路中，并转换成随温度变化的电压值，进行零点的温度补偿。本系统设计的传感器在此基础上对灵敏度进行了温度补偿，即将热敏电阻器RT以调节放大器放大倍数的方式跨接到放大器负输入端和输出端，如图5所示。通过对环境温度的补偿处理消除了传感器零点、灵敏度受环境变化带来的影响。

图5　温度补偿电路图Fig 5　Circuit diagram of temperature compensation

4实验标定与测试

在实验的标准大气压下，分别向传感器气室中通入流量为(1.5±0.2)L/min的5种不同CO2浓度的气体(包括高纯N2和0.3 kPa CO2/N2气体)，通过实验测量不同浓度CO2气体的输出电压值，得到对应数据。实验结果如表1所示。

实验结果表明：通入高纯N2的浓度误差为0.02 %，浓度为0.3 %的CO2/N2气体浓度误差为0.01 %，浓度为1.0 %的CO2/N2气体浓度误差为0.03 %，浓度为2.0 %的CO2/N2气体浓度误差为0.01 %，浓度为3.0 %的CO2/N2气体浓度误差为0.03 %。因此，CO2传感器的精度可达1 %。

表1　标定与测试结果

将传感器置于密封压力罐中，先将压力罐抽气体，使罐内气压不大于20 kPa，再向罐内充入高纯N2，直到罐内压力达到(101.3±2.0)kPa为止，将传感器供电，测量并记录传感器1 000 h(监测频率为1次/24 h)的输出信号。

长期稳定性实验经过1 000 h测量，传感器在高纯N2环境下，得到如图6所示的输出电压随时间变化曲线。

图6　输出电压随时间变化图Fig 6　Diagram of output voltage variation with time

传感器在1 000 h内输出最大值为3.828 V，最小值为3.782 V。以满量程3 V计算，其变化率=(3.828 V-3.782 V)/3 V×100 %≈1.53 %。实验表明：该传感器具有长期稳定性好的特点。

5结论

本文采用红外吸收式方式设计了适用于长期稳定工作环境的CO2传感器。通过对CO2传感器探头光源和气室结构的改进，提高了传感器的精度和光学稳定性。在电路设计方面，通过光源调试，延长光源的使用寿命，并通过高精度温度补偿技术实现传感器长期稳定的工作。实验表明：该CO2传感器测量精度可以达到1 %，能够准确地测量CO2的浓度。1 000 h内输出电压稳定在±1.53 %，足以为长时间运行、无法定期校准的使用环境提供一个稳定可靠的测量系统。

参考文献:

[1]白泽生.一种二氧化碳气体检测方法[J].传感器与微系统,2007，26(7)：105-107.

[2]袁超.CO2气体检测研究进展[J].江西农业学报,2009,21(6)：133-136.

[3]万小敏.光谱吸收式气体传感器探测电路的设计和实现[D].武汉：华中科技大学，2011.

[4]甘宏，潘丹，张洪春.便携式非分光红外吸收型二氧化碳传感器[J].桂林电子科技大学学报，2007,27(1)：19-22.

[5]闻明，张策.便携式二氧化碳监测仪的设计[J].传感器与微系统,2011，30(7):95-99.

[6]张广军，武晓利.新型高性能红外二氧化碳传感器[J].红外与激光工程,2002,31(6)：540-544.

[7]Ammann K，Witt J.Investigation on a partial pressure carbon dioxide sensor[C]∥Proceeding of the 4th European Symposium on Space Environment and Control System，1991:1093-1098.

[8]张广军，吕俊芳，周秀银，等.新型红外二氧化碳分析仪[J].仪器仪表学报，1997,18(2)：136-138.

Infrared absorption CO2sensor with high stability

LI Xiu-ru1, QI Na1, SHEN Guang-nan1, SUN Quan1, HUANG Gang2, QIAN Li2

(1.49th Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China;2.China Astronaut Research and Training Center,Beijing 100049,China)

Abstract:An infrared absorption CO2 sensor with high stability is proposed,aiming at practical application characteristics of unable to calibrate on a regular basis because of long-term running,this research focuses on improving long-term stability of sensors.The stability of infrared CO2 sensor is enhanced by applying high precise machine processing and temperature compensation technology with high precision.In situation without self-calibration for starting up of sensors,experimental results show that the output voltage reaches a stable lever at ±1.53 %FS after 1 000 h experiment.So that the sensors have the characteristics of high precision,high reliability and long term stability.

Key words:CO2 sensor; stability; temperature compensation

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0067—03

收稿日期：2015—12—31

中图分类号:TP 212.1

文献标识码:A

文章编号:1000—9787(2016)03—0067—03

作者简介:

李秀茹(1974-)，女，黑龙江哈尔滨人，硕士，高级工程师,主要研究方向为检测技术与自动化装置。