试述不分光红外气体传感器建模与非线性校正*

陈钢 徐乐

1. 湖南信息学院 湖南 长沙 410151；

2. 湖南创航科技有限公司 湖南 长沙 410129

引言

市场上有各种类型的气体传感器，按照检测原理进行分类，分析方法通常是连续采样法，主要有三种测量方法：红外型、紫外线型和热导率型。紫外线型气体分析是根据紫外线对待测气体吸收原理的选择性进行的，但与其他气体分析仪器相比，具有相同的性能和功能，价格会更高。热导率气体分析的原理是利用不同热导率的气体，这些气体在测量时有不同的传热速率。但是，它对气体压力和流量的波动非常敏感，尤其是介质中的蒸汽、颗粒和其他杂质对测量的影响更大。在这种情况下，为了得到测量值，必须安装一个复杂的预取样系统。红外型气体分析方法是基于近年来广泛使用的非分散红外(NDIR)光谱。NDIR 是一种准确、稳定的气体浓度分析技术，可用于运行中的自动监测系统或长期稳定测量[1]。

1 传感器模块实验电路与分析

1.1 电路设计

CO2探测器电路设计主要分为红外光源控制电路和 CO2气体加载电路两部分。使用CDS设计作为电路结构，使红外光源可以控制在最大输出功率和最小输出功率之间。具体结构如图1所示：

图1 二氧化碳探测器电路设计

在一个5厘米的光学腔内，空气通过输出口进入，二氧化碳在腔内的扩散理论开始扩散。用左侧4.2 μm 功率的红外光源激活特定波长，光被CO2吸收，其余红外光源由右侧的热电堆传感器接收。当传感器接收红外线时，电压值会有反应，CO2浓度越高，电压值越低。另一方面，CO2浓度越低，电压值越高。热电堆传感器与标准CO2传感器的浓度是对应的，这是本实验的传感原理和结构过程。通过DAQ控制红外光源，将实验信号输入ADC，将输出的DOUT信号转换成数字信号，供计算机进一步校对使用。通过数据采集，利用 Lab View 编程控制ADC，读取模拟电压输入，然后由 Lab View 程序显示输出的DOUT 数字信号。

1.2 实验分析

为了防止CO2浓度对环境的干扰，将本研究所设计的CO2检测电路放置在一个尺寸为L23×W16×H13cm的密封箱中。第二阶段开始进行不同的功率和定时测量，每个不同的测量条件的时间是15分钟。测量结果如图2所示。

图2 红外光源上升时间和信噪比的两阶段设计

纵坐标和横坐标左侧代表第二阶段不同加热时间功率下的上升时间，蓝色曲线是测量结果的趋势线。右侧的纵坐标和横坐标代表第二阶段不同加热功率下的噪声比值，橙点为其对应值。在这种情况下，加热28秒是最快的升温时间，所有的信噪比值都超过30分贝[2]。

2 结束语

综上所述，采用两级红外光源控制技术，利用不同功率和加热时间的个体特性，通过多种条件比较实验值，选择出较好的控制条件。针对以往二氧化碳测量仪测量时间长、测量速度快、噪声大的缺点，提出了一种新的测量方法——高信噪比快速测量法。该方法不仅有效地改善了缓慢加载时间，而且大大提高了测量 CO2的NDIR方法的实用性，同时保持了较高的稳定性。