非分光红外二氧化碳浓度测量仪的研究

王学水,张冉冉,池金波

(山东科技大学 电子通信与物理学院，山东 青岛 266590)



非分光红外二氧化碳浓度测量仪的研究

王学水,张冉冉,池金波

(山东科技大学 电子通信与物理学院，山东 青岛 266590)

介绍了一种非分光红外(NDIR)CO2浓度测量仪。从红外辐射与红外吸收的基本原理出发，以双通道气体吸收模型为基础，结合传感器技术，完成了以CO2浓度检测功能为核心的理论分析；围绕红外光源和红外探测器设计了驱动电路和信号处理电路，并把传感器安装在受保护的光路系统中；并且根据实验所得数据改进了浓度计算方法。

CO2检测;非分光红外;红外传感器

0 引言

二氧化碳作为大气中重要的组成成分在人们的日常生产生活中起着极其重要的作用。电化学法、色谱法、光学吸收法等CO2浓度检测技术在国内外已有成熟的应用，但把上述方法应用到民用电子，受应用环境、精度要求和成本等的限制，难以普及。非分光红外法又称非分散红外吸收分析(NDIR)，即由光源发出的光直接穿过试样后通过滤镜到达检测器。基于NDIR的气体浓度检测设备具有稳定性好、体积小、响应时间快以及良好的便携性等优点。

目前，国内基于非分光红外原理的CO2浓度测量仪的测量范围为体积分数的3%～30%(30 000 ppm～300 000 ppm)，测量电路和浓度计算方法适用于对应的浓度测量范围，数据拟合方式为最小二乘法。对0～5 000 ppm浓度范围的测量技术没有专门研究，而5 000 ppm被认为是人对CO2长期耐受浓度的极限。本文应用非分光红外技术，研究了室内低浓度范围的CO2气体的测量方法。

1 检测原理

红外CO2气体浓度检测技术是以朗伯比尔定律为理论基础，根据双通道气体吸收模型来计算CO2的浓度。4.26 μm的红外光是CO2气体的一个吸收峰，但CO2气体对4 μm的红外光几乎没有吸收，如图1所示。

图1 CO2的红外吸收峰频率

假设4.26 μm红外光和4 μm红外光的初始光强分别为Im0、Ir0，经CO2吸收后剩余光强分别为Im和Ir,由郎伯比尔定律可知：

Im=Im0e-klc

(1)

CO2不会对4 μm红外光造成衰减，前后光强近似相等。

Ir=Ir0

(2)

式中，k为CO2气体对红外光的吸收系数，l为红外光源到接收器的长度，将式(1)和式(2)相除后再取对数[1]，可得：

(3)

于是求得浓度：

(4)

式(4)为浓度计算的基本公式，在把光强I转换成电压信号U的电路系统中，满足关系：

U1=P1Im

(5)

U2=P2Ir

(6)

P1和P2与光栅透光系数和传感器灵敏度有关，是与系统相关的常量。

所以浓度计算公式可以表示为：

(7)

式中，U1为传感器输出的待测气体光强对应电压，U2为传感器输出的参考气体光强对应电压[2]，式(7)中只有U1和U2是待测量，其余都是常量。进一步，根据对数函数的泰勒级数展开，保留到三次幂：

(8)

引入中间变量x，用来表示对参考气体电压和待测气体电压作比后取对数的近似值，U1和U2越接近，近似值越接近真实值，于是得到CO2浓度的近似计算公式：

c=ax+b

(9)

2 系统设计及核心硬件实现

红外CO2气体浓度测量仪的功能框图如图2所示，包括红外光源、气室、红外探测器、放大电路、A/D采样电路、LCD显示电路和数据通信接口。红外光源使用IRL715，波长范围从可见光到5μm，具有波长范围宽、可靠性高、输出稳定、时间常数短等优点。气室与外界环境连通，红外辐射垂直射入气室，一部分被气室中的气体分子吸收，剩余部分透过气室到达红外探测器。

图2 红外CO2浓度测量仪系统框图

红外探测器选用TPS2534，它是基于热释电效应的一种热探测器。该探测器是双通道的，两通道上分别装有4.26 μm滤光片和4 μm滤光片，分别是待测气体电压通道和参考气体电压通道，红外探测器完成光强到电压的转换。探测器外接信号放大电路，经放大后的电压信号由A/D模块转换成数字信号后交由单片机处理。单片机通过内置算法求出气室中CO2浓度，该数值通过LCD显示器显示出来。

2.1 光路安装结构

红外CO2浓度探测器输出信号的有效性和可靠性必须以科学合理的光路安装结构为基础[3]。如图3所示，气室外侧是光路保护罩，它两端留有红外光源IRL715和红外探测器TPS2534的安装空间，但是两者不能固定在这个保护罩上，必须以电路板为基板，将管脚焊接在电路板上。左侧红外光源的安装空间实际是一个抛物面反光镜，起到汇聚光线的作用。保护罩内侧涂有反光材料，对红外线几乎没有吸收作用。保护罩上端的透气纱网和通气孔保证了气室与外界环境连通，气室中CO2浓度等于环境中的浓度，同时避免粉尘等杂质进入气室，对传感器和光源起到保护作用，为系统的长期可靠性提供了保证。

图3 光路安装结构

2.2 红外光源驱动电路

红外光源IRL715的工作电压为+3.3 V，该电压通过可控稳压芯片ADP3330-3.3获得，红外驱动电路如图4所示，芯片的导通和截止由管脚6控制。单片机程序控制红外光源发光频率为1 Hz、占空比为50%，保证光源输出稳定光强的时间足够长，方便检测。

图4 红外光源驱动电路

2.3 放大电路

红外探测器和热电偶一样都是应用了热电效应原理，但热释电传感器的热电系数远高于热电偶。红外探测器的输出信号非常微弱，测量通道和参考通道上输出的模拟电压通常小于3 mV，叠加在直流电压上，在A/D采样之前，必须进行放大[4]。此电路中所用的运算放大器为圣邦微电子(SGMICRO)的SGM8554，它是四通道高精度运算放大器。

待测电压和参考电压放大电路如图5所示，两路气体放大电路是完全对称的。很明显，该放大电路是两极放大，前后级间通过1 μF极性钽电容实现信号耦合[5]，其余电容都是滤波电容，消除信号中的噪声干扰，前后级放大电路的结构和元件参数接近。

图5 传感器信号放大电路

图6 放大后的待测电压和参考电压波形图

经过放大后的待测电压和参考电压波形图如图6所示，光路、传感器结构和电路组成的对称性使得待测气体电压波形与参考气体电压波形相近。待测气体电压波形会随CO2气体浓度的变化而有所变化，参考气体电压波形不随CO2浓度而变化，电压之比接近于1，满足式(8)的近似展开条件，与理论分析情形相符。

3 实验数据

将实验设备组装调试后分别置于5组浓度不同的标准浓度CO2气体中，温度保持25℃的恒温，得到5组实验数据，如表1所示。表中的中间数据(ln(U2/U1))即式(9)中的x。

表1 实验所得数据

将实验数据在坐标系中标记出来，得到如图7所示的散点图，从趋势看符合式(9)。应用最小二乘法拟合出参数，可得图中所示方程。

图7 最小二乘法拟合趋势图

图7所示方程在高浓度范围偏离真实值较大，会带来较大的测量误差。为了减小误差，根据测量数据，以上述测量点为线段端点，对浓度值与中间数据的关系进行分段处理，如图8所示。线段在整个量程内分布均匀的前提下，线段越多，误差越小。

图8 分段处理拟合趋势图

使用图7所示的对应关系计算浓度，保持25℃恒温，改变实验环境中的浓度值，得到与之对应的仪表显示浓度，如表2所示。实验数据表明该方法在低浓度CO2气体检测中误差较小。

表2 标准浓度与对应的显示浓度

4 结论

本文设计的非分光红外二氧化碳测量仪适用于低浓度范围的CO2浓度检测，具体应用于室内CO2浓度的测量，设计中重点关注实用性、便携性、经济性，用非分光红外检测原理实现了CO2浓度检测的理论分析和实物制作。结合双通道气体模型，推导出CO2浓度的计算公式和在低浓度范围内的近似公式。选用12位A/D采样电路完成信号的采样处理，根据实验数据用分段处理方法改进了浓度计算方法，减小了误差。但外界环境的温度变化也会导致红外传感器的输出电压发生变化，该误差不能被参考气体完全抵消，需要大量的实验数据使温度对误差的影响在算法上得到修正。

[1] 张军辉,董永贵.电调制型NDIR传感器及信号处理方法的改进[J].清华大学学报,2008,48 (2): 189-191.

[2] 李静.红外二氧化碳测量仪的研制[D].西安：西安理工大学,2011.

[3] 常态华,苏杰,田亮，等.检测技术与应用「M].北京:中国电力出版社，2003.

[4] 王学水,池金波,马建玲.基于重力加速度传感器的三维高斯计的设计[J].仪表技术与传感器,2015(8):23-25.

[5] 孙会丽.谈电容及其在模拟电路中的应用[J].电子世界,2013(2)：34.

Research of the CO2concentration measuring instrument based on NDIR principle

Wang Xueshui,Zhang Ranran,Chi Jinbo

(College of Electronic Communication and Physics,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)

A new type of the CO2concentration measuring instrument based on NDIR principle is introduced.From the basic principle of infrared radiation and infrared absorption,based on dual-channel gas absorption model,and combined with sensor technology,the theoretical analysis of CO2concentration detection function is completed as the core.The driver circuit and the signal processing circuit are designed based on infrared light and infrared detector,and the sensor is mounted in the protected optical system.And the concentration calculation method is improved based on the experimental data.

CO2detection; NDIR; infrared sensor

TH73

A DOI：10.19358/j.issn.1674-7720.2016.19.024

王学水,张冉冉,池金波.非分光红外二氧化碳浓度测量仪的研究[J].微型机与应用，2016,35(19)：81-83,88.

2016-06-02)

王学水(1964-)，男，硕士，教授，主要研究方向：科教仪器、智能仪器仪表。

张冉冉(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向：智能传感器与信息处理。

池金波(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向：信号检测与处理。